Woda i roztwory wodne

Transkrypt

1 strona 1/7 Woda i roztwory wodne Dorota Lewandowska, Anna Warchoł, Lidia Wasyłyszyn Treść podstawy programowej: Woda i roztwory wodne zagrożenia cywilizacyjne wynikające z jej zanieczyszczeń. Roztwory, rozpuszczalność, stężenie procentowe roztworów - podstawowe obliczenia. Zagadnienia do powtórki Budowa cząsteczki wody, właściwości wody. Występowanie i znaczenie wody Różne rodzaje wód Substancje łatwo i trudno rozpuszczalne w wodzie (roztwory, zawiesiny). Rodzaje roztworów. Rozpuszczalność. Stężenie procentowe roztworu. Zagrożenia cywilizacyjne wynikające z zanieczyszczenia wody Kompendium wiedzy 1. Budowa cząsteczki wody, właściwości wody. O wzór sumaryczny model cząsteczki O wzór strukturalny W cząsteczce wody wiązania pomiędzy atomem tlenu a atomami wodoru to wiązania atomowe spolaryzowane. Wspólne pary elektronowe są przesunięte w kierunku atomu tlenu, co nadaje cząsteczce charakter polarny. W cząsteczce można wyróżnić dwa bieguny: dodatni i ujemny. Taki układ dwóch różnoimiennych ładunków znajdujących się w pewnej odległości od siebie nazywamy dipolem elektrycznym.

2 strona /7 wzór kreskowy O + dipol elektryczny WŁAŚCIWOŚCI WODY FIZYCZNE bezbarwna, bezwonna ciecz największą gęstość 1 g/cm 3 ma w temp. 4 0 C krzepnie w temp. 0 0 C zwiększając przy tym objętość w postaci ciekłej ma większą gęstość niż w postaci stałej wrze w temp C jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu substancji (szczególnie o budowie jonowej) CEMICZNE w reakcji z niektórymi metalami i tlenkami metali tworzy zasady w reakcji z niektórymi tlenkami niemetali tworzy kwasy bierze udział w procesie dysocjacji (kwasów, zasad, soli) oraz reakcjach hydrolizy (tłuszczów, białek, cukrów) stanowi produkt wielu reakcji chemicznych, min. zobojętniania i estryfikacji. Występowanie i znaczenie wody Woda: to najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny na naszej planecie. Stanowi ona /3 po- wierzchni kuli ziemskiej, występuje we wszystkich organizmach żywych i dlatego jest im niezbędna do życia. bierze udział w ważnych procesach: jest substratem w reakcji fotosyntezy, bierze udział w procesach życiowych wszystkich organizmów żywych 3. Różne rodzaje wód Podział wód ze względu na występowanie: opadowe (deszcz) powierzchniowe (rzeki, jeziora, morza) podziemne (studnia) mineralne (źródło) słodkie (rzeki, jeziora) słone (morza, oceany)

3 strona 3/7 Podział wód ze względu na skład: woda destylowana (woda chemicznie czysta) wody mineralne solanki (zawierają NaCl) szczawy (zawierają CO, węglany) siarkowe (zawierają S, siarczany, siarczki) gorzkie (zawierają MgSO ) 4 Roztwory, które w nazwie zawierają słowo woda: woda wapienna nasycony roztwór Ca (O) używana do wykrywania CO woda królewska mieszanina stężonych kwasów NO i Cl w stosunku 1:3 (roztwarza metale 3 szlachetne) woda ciężka D O moderator w reaktorach jądrowych, zawiera izotop wodoru deuter woda bromowa Br wodny roztwór bromu aq woda amoniakalna N wodny roztwór amoniaku 3aq woda hydratacyjna; krystalizacyjna woda, której cząsteczki wbudowane są w sieć krystaliczną związków chemicznych np. CaSO 4 O, CuSO 4 5 O woda twarda woda zawierająca rozpuszczone w niej substancje, głównie sole wapnia i magnezu; powoduje ona: powstawanie kamienia kotłowego oraz złe pienienie się mydła woda miękka przeciwieństwo wody twardej, woda pozbawiona soli wapnia i magnezu 4. Substancje łatwo i trudno rozpuszczalne w wodzie (roztwory i zawiesiny). Substancje chemiczne można podzielić ze względu na rozpuszczalność w wodzie na: łatwo rozpuszczalne w wodzie sól kuchenna (chlorek sodu) chlorowodór glicerol glukoza trudno rozpuszczalne w wodzie wapień (węglan wapnia) kwas stearynowy metan celuloza Dla substancji łatwo rozpuszczalnych woda jest rozpuszczalnikiem. Rozpuszczanie to proces fizyczny polegający na mieszaniu się cząsteczek substancji rozpuszczonej z cząsteczkami rozpuszczalnika. Substancja chemiczna rozpuści się w wodzie wówczas, gdy jej budowa i właściwości są podobne do budowy i właściwości wody, zgodnie z zasadą podobne rozpuszcza podobne. Szybkość rozpuszczania się substancji stałych w wodzie można zwiększyć przez: mieszanie, zwiększenie temperatury rozpuszczalnika, rozdrobnienie substancji.

4 strona 4/7 Po zmieszaniu substancji z wodą można otrzymać: roztwór mieszaninę jednorodną składającą się z substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika, np. kwas octowy + woda; zawiesinę mieszaninę niejednorodną, w której substancja opada na dno pod wpływem swojego ciężaru (sedymentacja), np. kreda + woda; mieszaninę niejednorodną, w której substancja tworzy warstwę na powierzchni wody, np. olej + woda; roztwór koloidalny mieszaninę jednorodną, która wykazuje efekt Tyndalla rozszczepia promienie świetlne np. mleko, białko, kleik skrobiowy. 5. Rodzaje roztworów. ROZTWÓR WŁAŚCIWY NIENASYCONY NASYCONY PRZESYCONY ROZCIEŃCZONY STĘŻONY Roztwór nasycony to roztwór, w którym w danej temperaturze nie rozpuści się dodatkowa ilość substancji. Roztwór nienasycony to roztwór, w którym w danej temperaturze można rozpuścić dodatkową ilość substancji. Roztwór przesycony to roztwór, w którym w danych warunkach znajduje się większa ilość substancji, niż wynika to z jej rozpuszczalności. Roztwór taki jest niestabilny, a nadmiar substancji rozpuszczonej wydzieli się z niego w postaci kryształów (krystalizacja). Roztwór rozcieńczony to roztwór, w którym ilość substancji jest dużo mniejsza niż jej rozpuszczalność (w tej samej temperaturze). Roztwór stężony to roztwór, w którym ilość substancji jest bliska wartości jej rozpuszczalności (w tej samej temperaturze). 6. Rozpuszczalność. Ilość substancji, jaką można rozpuścić w danej ilości rozpuszczalnika, jest ograniczona rozpuszczalnością tej substancji. Rozpuszczalność to liczba gramów substancji, jaką maksymalnie można rozpuścić w 100 gramach rozpuszczalnika w danej temperaturze i pod stałym ciśnieniem (otrzymując roztwór nasycony).

5 strona 5/7 Rozpuszczalność zależy od: A. B. C. rodzaju substancji, rodzaju rozpuszczalnika temperatury: rozpuszczalność większości ciał stałych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, rozpuszczalność gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury. Wygodnym sposobem przedstawienia zależności rozpuszczalności od temperatury jest wykres zwany krzywą rozpuszczalności. Rozpuszczalność [g/100g wody] 45O 40O 35O 30O 5O 0O 15O 10O 5O O O 4O 6O 8O 10O chlorek sodu siarczan(vi) miedzi(ii) azotan(v) potasu Temperatura [ C] Korzystając z krzywych rozpuszczalności można: porównać rozpuszczalność różnych substancji w wodzie w tej samej temperaturze odczytać ile gramów substancji można maksymalnie rozpuścić w 100 g wody o określonej tem- peraturze np. około 64 g azotanu potasu można maksymalnie rozpuścić w 100 g wody w 40 o C odczytać w jakiej temperaturze w 100 g wody można rozpuścić określoną masę substancji np. w 0oC można maksymalnie rozpuścić około 3 g azotanu(v) potasu odczytać parametry (współrzędne) opisujące roztwór nienasycony, nasycony i przesycony np. roz- twór nienasycony można otrzymać rozpuszczając w 100 g wody o temperaturze 60 o C 100 g azotanu(v) potasu 7. Stężenie procentowe roztworu. Stężeniem określa się zawartość substancji rozpuszczonej w danej ilości roztworu. Jednym ze sposobów wyrażania stężeń jest stężenie procentowe, które jest równe liczbie gramów substancji zawartej w 100 gramach roztworu, tylko wyrażone jest w procentach. Wielkość ta znajduje się na etykietach opakowań wielu artykułów, nie tylko spożywczych.

6 strona 6/7 Jeśli roztwór ma stężenie np. 15% to znaczy, że w 100 gramach tego roztworu znajduje się 15 g substancji i 85 g rozpuszczalnika. Używa się następujących oznaczeń: C stężenie procentowe p m masa substancji rozpuszczonej s m masa rozpuszczalnika rozp. m masa roztworu (m = m + m ) r r s rozp. Stężenie procentowe roztworu można obliczyć: korzystając ze wzoru C = m s m 100% p r na podstawie proporcji w m r znajduje się m s w 100g roztworu znajduje się x gramów substancji (C p ) m r 100 g = m s x 8. Zagrożenia cywilizacyjne wynikające z zanieczyszczenia wody Wzrost liczby ludności i rozwój produkcji przemysłowej powodują większe zużycie wody, a jednocześnie zwiększa się zanieczyszczenie wód. Do wody dostają się na obszarach zurbanizowanych ścieki przemysłowe, komunalne, a na obszarach rolniczych nawozy sztuczne i pestycydy (patrz rozdział 10 Wpływ różnych substancji na organizm człowieka). Do głównych zanieczyszczeń wody należą: detergenty metale ciężkie nawozy sztuczne fenole zasolenie zakwaszenie

7 strona 7/7 Skażenie rzeki w górnym jej biegu może doprowadzić do zanieczyszczenia całych akwenów wodnych np. rzeka Ren 1 niesie zanieczyszczenia z Niemiec przez olandię do Morza Północnego, na niektórych odcinkach pozbawiona jest organizmów żywych. Etapy oczyszczania ścieków : oczyszczanie mechaniczne oddzielanie większych odpadów w ściekach na specjalnych kra- tach, grubych sitach lub w tzw. osadnikach, oczyszczanie biologiczne rozłożenie związków organicznych przez niektóre bakterie, pierwotniaki lub grzyby, oczyszczanie chemiczne unieszkodliwienie związków chemicznych (azotanów, fosforanów, toksycznych związków organicznych) przez m.in. utlenianie ozonem, chlorem, nadtlenkiem wodoru. Zbiorniki wodne mają zdolność do samooczyszczania się, polegającego na likwidowaniu doprowadzonych do nich zanieczyszczeń przez niektóre organizmy. Proces ten przebiega bardzo wolno, a ważną rolę odgrywają w nim takie procesy jak sedymentacja zawiesin, utlenianie lub zobojętnianie związków chemicznych. Samooczyszczanie jest bardzo złożonym procesem i zależy od rodzaju zbiornika wodnego, a także od jakości i stężenia doprowadzonych ścieków. Aby woda mogła być uznana za wodę pitą musi zostać poddana procesowi uzdatniania, który polega na: oczyszczaniu wstępnym, usuwaniu substancji zbędnych i toksycznych, wzbogaceniu w substancje pożądane (mikro- i makroelementy), unieszkodliwieniu drobnoustrojów mogących powodować choroby zakaźne. Zapotrzebowanie na wodę ciągle wzrasta, dlatego szczególnie ważne staje się racjonalne gospodarowanie ziemskimi zasobami wody oraz troska o to by ograniczyć emisję mogących ją zanieczyszczać odpadów Ważne pojęcia: Mineralizacja wody wzbogacenie wody w rozpuszczalne sole nieorganiczne, ważne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu Eutrofizacja nadmierny wzrost glonów, którego skutkiem jest obumieranie zwierząt i roślin na dnie zbiorników wodnych 1 Świat wiedzy, Planeta Ziemia, Europa dzisiaj K.Łopata, P.Salamon, K.Tyszkiewicz, Tajemnice powietrza i wody, WSiP 1998