Twardość wody Opracowanie: dr Jadwiga Zawada, dr Urszula Lelek-Borkowska CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1. Twardość wody. Obecność w wodzie rozpuszczalnych soli wapniowych i magnezowych powoduje tzw. twardość wody. Twardość wody, jest to ogół właściwości wody, które są skutkiem obecności przede wszystkim jonów wapnia (Ca 2+ ) i magnezu (Mg 2+ ), a także innych metali. Sole wapnia i magnezu dostają się do wody w wyniku kontaktu zawartego w niej dwutlenku węgla z glebą i skałami zawierającymi wapienie i magnezyty. Wówczas trudno rozpuszczalne w wodzie wapienie i magnezyty przekształcają się w dobrze rozpuszczalne w wodzie wodorowęglany wapnia i magnezu. Reakcja ta zwana chemicznym wietrzeniem wapieni przebiega w następujący sposób (reakcja 1,2): CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3 ) 2 (1) MgCO 3 + CO 2 + H 2 O = Mg(HCO 3 ) 2 (2) Wodorowęglany wapnia i magnezu powodują tzw. twardość węglanową wody, zwaną również twardością przemijającą Tw w. Siarczany oraz chlorki wapnia i magnezu (CaSO 4, MgSO 4, CaCl 2, MgCl 2 ) powodują twardość trwałą (stałą) wody Tw n. Suma twardości przemijającej i trwałej stanowi ogólną twardość wody Tw og. Twardość ogólna Tw og Twardość węglanowa (przemijająca) Tw w (wodorowęglany wapnia i magnezu) Twardość niewęglanowa (trwała) Tw n (siarczany i chlorki wapnia i magnezu) Tw og = Tw w + Tw n 2. Sposoby wyrażania twardości Do określania ilości soli wapnia i magnezu (twardości wody) służy jednostka zwana stopniem twardości. W literaturze technicznej podaje się twardość wody w stopniach niemieckich, rzadziej francuskich. 1 o twardości (niemiecki) = 10mg CaO/dm 3 H 2 O 1 o twardości (francuski) = 10mg CaCO 3 /dm 3 H 2 O 1 o twardości (niemieckiej) = 0,357miliwali CaO/dm 3 H 2 O 1 miliwal CaO/dm 3 H 2 O = 2,8 o n. 3. Usuwanie twardości (zmiękczanie wody) Woda do celów przemysłowych, a w szczególności do zasilania kotłów grzewczych i instalacji chłodniczych musi być miękka, tj. pozbawiona składników powodujących tworzenie się kamienia kotłowego. Kamień kotłowy stwarza niebezpieczeństwo uszkodzenia, a nawet rozerwania kotła w chwili, gdy po odpryśnięciu kamienia kotłowego woda zetknie się z rozgrzaną ścianą kotła. Kamień kotłowy powoduje straty paliwa wskutek złego przewodnictwa cieplnego. Wodorowęglany wapnia i magnezu powodujące twardość przemijającą łatwo można usunąć z wody przez gotowanie. Zachodzi wówczas rozkład wodorowęglanów zgodnie z reakcjami 3-5: Ca(HCO 3 ) 2 = CaCO 3 + H 2 O + CO 2 (3) Mg(HCO 3 ) 2 = MgCO 3 + H 2 O + CO 2 (4) MgCO 3 + H 2 O = Mg(OH) 2 + CO 2 (5)
Taki sposób usuwania twardości przemijającej nie jest korzystny dla wody do celów przemysłowych, ze względu na wytrącanie się trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia (CaCO 3 ), który jest przyczyną powstawania kamienia kotłowego. Kamień kotłowy jest mieszaniną różnych substancji, w której obok węglanu wapnia występuje węglan magnezu, wodorotlenek magnezu, siarczan(vi) wapnia, odwodniony kwas krzemowy czyli tzw. krzemionka oraz tlenki żelaza. W zależności od tego, który rodzaj związku występuje w przeważającej ilości wyróżnia się następujące jego odmiany: kamień węglanowy, kamień siarczanowy, kamień krzemianowy. Uogólniając można powiedzieć, że zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów powodujących twardość tj. jonów Ca 2+, Mg 2+ oraz jonów innych metali jak: Fe 2+, Mn 2+, Al 3+. Zmiękczanie wody można przeprowadzić stosując: destylację, metody termiczne, metody chemiczne, metody fizyczno-chemiczne. Destylacja pozwala na otrzymanie idealnie zmiękczonej wody - pozbawiona jest ona wszelkich soli. Koszty zmiękczania tą metodą są jednak wysokie i w przemyśle nie ma ona większego zastosowania. Termiczne metody usuwania twardości wody polegają na ogrzewaniu wody do ok. 100 o C, bowiem w takiej temperaturze i przy ciśnieniu atmosferycznym (1013 hpa) następuje rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu, z wydzieleniem trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia, węglanu magnezu i wodorotlenku magnezu. Chemiczne metody usuwania twardości wody polegają na strąceniu nierozpuszczalnych osadów, w skład których wchodzą nierozpuszczalne związki wapnia i magnezu. Jednym ze sposobów jest zastosowanie metody sodowo-wapiennej. Wodę zadaje się wapnem gaszonym i sodą. Wapno usuwa twardość przemijającą (reakcje 6-8): Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 + 2H 2 O (6) Mg(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 = MgCO 3 + CaCO 3 + 2H 2 O (7) MgCO 3 + Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + CaCO 3 (8) Soda natomiast usuwa twardość trwałą. Przypuśćmy, że reaguje z nią siarczan(vi) wapnia i chlorek magnezu (reakcje 9, 10): CaSO 4 + Na 2 CO 3 =CaCO 3 + Na 2 SO 4 (9) MgCl 2 + Na 2 CO 3 = MgCO 3 + 2NaCl (10) W każdym ze sposobów zmiękczania powstają nierozpuszczalne węglany wapnia i magnezu w postaci szlamistego osadu, który zostaje odfiltrowany lub osiada na dnie zbiorników (nie tworząc kamienia kotłowego). Metoda ta jest szeroko stosowana, gdyż jest tania i prosta. Innym chemicznym sposobem usuwania twardości wody jest tzw. szczepienie kwasami, polegające na dodawaniu mocnych kwasów. W wyniku tego zachodzi rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu wg reakcji 11 i 12: Ca(HCO 3 ) 2 + 2HCl = CaCl 2 + 2H 2 O + 2CO 2 (11) Mg(HCO 3 ) 2 + 2HCl = MgCl 2 + 2H 2 O + 2CO 2 (12) Metoda ta usuwania twardości przeciwdziała utworzeniu się kamienia kotłowego, ale niestety zwiększa własności korozyjne wody. Zmiękczanie fosforanami polega na usuwaniu soli wapnia i magnezu w postaci nierozpuszczalnych osadów fosforanowych (reakcje 13-16). Koszt zmiękczania fosforanami jest wyższy niż innymi chemikaliami i dlatego tę metodę stosuje się do zmiękczania wody o niewielkiej twardości lub jako uzupełnienie innych metod. 3Ca(HCO 3 ) 2 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6NaHCO 3 (13) 3Mg(HCO 3 ) 2 + 2Na 3 PO 4 = Mg 3 (PO 4 ) 2 + 6NaHCO 3 (14) 3CaSO 4 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3Na 2 SO 4 (15) 3MgCl 2 + 2Na 3 PO 4 = Mg 3 (PO 4 ) 2 + 6NaCl (16)
Fosforany nie powodują korozji żelaza, zapobiegają tworzeniu się kamienia kotłowego rozkładając kamień już istniejący. Metody fizyczno-chemiczne usuwania twardości wody to między innymi stosowanie jonitów, tj. wymieniaczy jonowych. Wymieniacze jonowe są to substancji mające zdolność do wymiany kationów (kationity) lub anionów (anionity). Jonity nie rozpuszczają się w wodzie, lecz reagują na swojej powierzchni ze związkami zawartymi w wodzie. Dawniej zmiękczanie wody przeprowadzano za pomocą zeolitów (naturalne kationity nieorganiczne). Ostatnimi czasy zeolity zastępowane są przez syntetyczne żywice jonowymienne o dużej masie molowej. Oczyszczana woda przepuszczana jest najpierw przez kationit, który wymienia zawarte w wodzie kationy na jony wodorowe (reakcje 17a i 18a): 2HKt + Ca 2+ 2- + CO 3 = CaKt 2 + 2H + 2- + CO 3 (17a) 2HKt + Ca 2+ + SO 4 2- = CaKt 2 + 2H + + SO 4 2- a następnie przez anionit (reakcje 17b, 18b) który wymienia aniony na jony wodorotlenkowe łączące się z jonami wodorowymi na obojętne cząsteczki wody. 2AnOH + 2H + + CO 3 2- = An 2 CO 3 + 2H + + 2OH - 2AnOH + 2H + + SO 4 2- (18a) (17b) = An 2 SO 4 + 2H + + 2OH - (18b) Prawidłowe prowadzenie demineralizacji wody na jonitach pozwala otrzymać wodę czystą. Woda dejonizowana używana jest obecnie do zasilania często używanych jeszcze w przemyśle kotłów parowych, w których dzięki temu procesowi nie powstaje kamień kotłowy. Klasyfikację wód według stopni twardości podano w tabeli 1. Tabela 1. Klasyfikacja wody pod względem twardości. twardość wody [ o n] rodzaj wody 0 4 bardzo miękka 4 8 miękka 8 20 twarda ponad 20 bardzo twarda Literatura: 1. Praca zbiorowa pod red. K. Moskwy: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii z elementami teorii i obliczeń dla mechaników, skrypt AGH, str. 88 96, Kraków 2000 PYTANIA KONTROLNE 1. Wyjaśnij na przykładzie pojęcia: jon, kation, anion, gramorównoważnik, wal, stężenie normalne. 2. Omów fizyczne i chemiczne własności wody 3. Jakie sole powodują twardość wody: a) przemijającą, b) nieprzemijającą (trwałą). 4. Jakie znasz sposoby wyrażania twardości wody. 5. Jakie znasz metody usuwania twardości wody. 6. Na czym polega metoda jonitowa usuwania twardości wody. Zapisz reakcje zachodzące na kationicie i anionicie. 7. Na czym polega metoda sodowo-wapienna usuwania twardości wody. Zapisz reakcje. 8. Na czym polega szczepienie kwasami 9. Jaki rodzaj twardości usuwa metoda termiczna?
RÓWNOWAGI W ROZTWORACH ELEKTROLITÓW Opracowanie: dr Jadwiga Zawada, dr inż. K. Moskwa 1. Dysocjacja elektrolityczna Substancje, które podczas rozpuszczania w wodzie (lub innych rozpuszczalnikach) rozpadają się na jony nazywamy elektrolitami, natomiast proces rozpadu substancji na jony (pod wpływem rozpuszczalnika) nosi nazwę dysocjacji elektrolitycznej. Substancje te mają zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Elektrolity, to substancje o budowie jonowej (np. sole), a także liczne substancje o wiązaniach kowalencyjnych, które tworzą jony dopiero wskutek oddziaływania ich cząstek z rozpuszczalnikiem (np. HCl, H 2 S, HCN). Proces dysocjacji będzie zależał od rodzaju wiązań w cząsteczce rozpuszczonej jak i od rodzaju rozpuszczalnika. Woda, ze względu na dipolowy charakter cząsteczki jest dobrym rozpuszczalnikiem dla substancji posiadających wiązanie jonowe lub atomowe spolaryzowane. Wodne roztwory kwasów, zasad i soli nieorganicznych są elektrolitami. W rozpuszczalnikach organicznych niewodnych nie zachodzi proces rozpadu na jony, a związki nieorganiczne w nich rozpuszczone występują w formie cząsteczkowej. 1.1. Stopień dysocjacji Dysocjacja substancji A n B m w roztworze zachodzi według schematu (reakcja 1): na przykład: A n B m A m+ + mb n (1) HNO 3 H + - + NO 3 (2) Ca(OH) 2 Ca 2+ + 2OH - (3) Al 2 (SO 4 ) 3 2Al 3+ 2- + 3SO 4 (4) Stosunek liczby cząsteczek (moli) rozpadających się na jony do ogólnej liczby cząsteczek (moli) rozpuszczonych nosi nazwę stopnia dysocjacji elektrolitycznej. nzd α = (I) no Gdzie: - stopień dysocjacji n zd - liczba cząsteczek (moli) rozpadających się na jony n o - ogólna liczba cząsteczek (moli) rozpuszczonych. Stopień dysocjacji może przyjmować wartości 0 < < 1. W zależności od stopnia dysocjacji elektrolity dzielimy na mocne, średniej mocy i słabe. Im więcej cząsteczek ulega rozpadowi na jony, tym mocniejszy jest elektrolit. Stopień dysocjacji elektrolitów wzrasta wraz z rozcieńczeniem roztworu. Do mocnych elektrolitów zaliczamy: - prawie wszystkie sole nieorganiczne - część kwasów nieorganicznych (np. HCl, HNO 3, H 2 SO 4, HBr, HI) - wodorotlenki litowców i berylowców z wyjątkiem Be(OH) 2 i Mg(OH) 2 Słabe elektrolity to: - część kwasów nieorganicznych (H 2 S, HCN, H 2 CO 3 ) - część wodorotlenków nieorganicznych (NH 4 OH, większość wodorotlenków metali dwu- i trójwartościowych) - kwasy i zasady organiczne Natomiast elektrolity średniej mocy to np. H 3 PO 4, H 2 SO 3, H 3 AsO 4. 1.2. Stała dysocjacji W słabych elektrolitach cząsteczki niezdysocjowane znajdują się w stanie równowagi z produktami dysocjacji (jonami). Reakcję dysocjacji dla słabego elektrolitu można zapisać jako reakcję odwracalną: CH 3 COOH CH 3 COO - + H + (5) Mg(OH) 2 Mg 2+ + 2OH - (6)
W stanie równowagi, tzn. gdy szybkości reakcji w obu kierunkach są jednakowe, możemy określić stałą równowagi reakcji zgodnie z równaniem (II): Na przykład: K A n B m K m n n- [A ] [B ] = [A B ] CH COOH 3 n m m - [CH 3COO ][H = [CH COOH] 3 + ] (II) (IIa) K Mg(OH) 2 2 - [Mg ][OH ] = [M g(oh) ] 2 2 (IIb) Nawiasy kwadratowe oznaczają stężenie wyrażone w mol/dm 3. Stałą K równowagi reakcji dysocjacji nazywamy stałą dysocjacji. Jest to stosunek iloczynu stężeń jonów do stężenia cząsteczek niezdysocjowanych. Stałą dysocjacji wyznacza się tylko dla słabych lub średniej mocy elektrolitów. Dla elektrolitów mocnych stężenie [AB] lub [A n B m ] jest bliskie zeru. Stałych dysocjacji dla mocnych elektrolitów na ogół nie definiuje się, gdyż wartości ich są bardzo duże i zwykle wyraźnie zmieniają się ze stężeniem. Kwasy wieloprotonowe, zawierające w swojej cząsteczce kilka atomów wodoru, dysocjują stopniowo. Dla każdego etapu dysocjacji możemy wyznaczyć stałą równowagi reakcji. Wartość stałej dysocjacji pierwszego stadium jest zawsze większa od kolejnych stadiów stałych dysocjacji, np: H 3 PO 4 H + - + H 2 PO 4 H 2 PO - 4 H + 2- + HPO 4 HPO 2-4 H + 3- + PO 4 K 1 = 7,51. 10-3 (7) K 2 = 6,23. 10-8 (8) K 3 = 2,2. 10-13 (9) Również wodorotlenki posiadające kilka grup wodorotlenkowych dysocjują stopniowo. Dla każdego etapu dysocjacji ustala się odpowiednia równowaga reakcji, którą można określić za pomocą stałej dysocjacji. Stała dysocjacji, w odróżnieniu od stopnia dysocjacji, nie zależy od stężenia elektrolitu, lecz wyłącznie od temperatury - ze wzrostem temperatury wartość stałej dysocjacji wzrasta. 1.3. Prawo rozcieńczeń Ostwalda Zależność pomiędzy stopniem dysocjacji a stałą dysocjacji dla słabych elektrolitów określa prawo rozcieńczeń Ostwalda (wzór III): 2 C K= m 1 gdzie: - stopień dysocjacji K - stała dysocjacji C m - stężenie molowe elektrolitu (III) Dla bardzo słabych elektrolitów stopień dysocjacji jest tak mały, że 1-1. Wówczas prawo rozcieńczeń Ostwalda można przedstawić wzorem przybliżonym (IVa i IVb): K = 2 C (IVa) lub po przekształceniu: K = C (IVb) Ze wzoru tego wynika, że stopień dysocjacji słabego elektrolitu jest odwrotnie proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z jego stężenia. W miarę rozcieńczania dowolnego słabego elektrolitu wzrasta jego stopień dysocjacji. 2. Iloczyn jonowy wody, ph roztworów wodnych Czysta woda jest bardzo słabym elektrolitem, którego część cząsteczek ulega rozpadowi na jony (równanie 10a): 2H 2 O H 3 O+ + OH - (10a) Lub w sposób uproszczony (równanie 10b): H 2 O H + + OH - (10b)
W stanie równowagi, zgodnie ze wzorem II, stała dysocjacji wody określona jest wzorem: + - [H ] [OH ] KH 2 O = [H2O] Stężenie cząsteczek nie zdysocjowanych jest stałe i wynosi [ H 2 O ] = 55,55 mol/dm 3. Stała dysocjacji wody w temperaturze 25 o C wynosi 1,8 10-16, a więc: K [H 2 O] = [H + ] [OH - ] = 1,8 10-16 55,55 = 10-14 Iloczyn K [H 2 O] oznaczamy jako L i nazywamy iloczynem jonowym wody (równanie V). L = [H + ] [OH - ] = 10-14 (V) W czystej wodzie stężenia jonów wodorowych i wodorotlenkowych są sobie równe (równanie VI): [H + ] = [OH - ] = 10-7 (VI) Jeśli w roztworze : [H+] = 10-7 - roztwór jest obojętny [H+] 10-7 - roztwór jest kwaśny [H+] 10-7 - roztwór jest zasadowy. W celu wyrażenia kwasowości lub zasadowości roztworu (czyli tzw. odczynu roztworu) używa się pojęcia ph (tzw. współczynnik Sorensena), który został zdefiniowany jako ujemny logarytm ze stężenia molowego jonów wodorowych. ph = -log [H + ] (VII) Zatem, kiedy ph = 7 roztwór jest obojętny ph < 7 roztwór jest kwaśny ph > 7 roztwór jest zasadowy Znając kwasowość lub zasadowość roztworu określoną stężeniem jonów wodorowych bądź wodorotlenkowych łatwo obliczyć ph roztworu. Niewielkie zmiany ph wpływają na przebieg wielu procesów chemicznych, zarówno biologicznych jak i przemysłowych. Pomiary ph można wykonać przy pomocy wskaźników lub papierków uniwersalnych. Dokładną wartość ph otrzymamy korzystając z urządzenia zwanego ph- metrem. Wskaźniki są to słabo zdysocjowane kwasy lub zasady organiczne, które zmieniają swoją barwę w zależności od ph roztworu. Zmiana zabarwienia jest wynikiem zmiany stopnia dysocjacji własnej wskaźnika. Każdy wskaźnik ma charakterystyczny dla siebie zakres ph, w którym następuje stopniowa zmiana barwy. Zakres ten często nazywamy zakresem czułości danego wskaźnika. 2.1. Przykłady obliczeń ph Przykład 1. Obliczyć ph 0,001 m roztworu HCl, przyjmując, że jest on całkowicie zdysocjowany na jony ( = 1). Rozwiązanie: Rzeczywiste stężenie jakiegokolwiek z jonów elektrolitu wynosi: C = C n (VIII) gdzie: C - stężenia molowe elektrolitu - stopień dysocjacji n - liczba jonów danego rodzaju, która powstaje z 1 cząsteczki elektrolitu HCl H + + Cl - (11) zatem (korzystając ze wzoru VIII): [H + ] = 0,001 1 1 = 10-3 mol/dm 3 czyli: ph = -log 10-3 = 3 Odpowiedź: ph roztworu wynosi 3.
Przykład 2. Obliczyć ph 0,001 m roztworu Mg(OH) 2, przyjmując, że jest on zdysocjowany w 50% ( = 0,5). Rozwiązanie: Mg(OH) 2 Mg +2 + 2OH - (12) Stężenie jonów wodorotlenowych (obliczone na podstawie wzoru VIII) wynosi: [OH - ] = 0,001 0,5 2 = 10-3 Korzystając ze wzoru na iloczyn jonowy wody (wzór V) obliczamy stężenie jonów wodorowych [H + ] -14-14 + 10 10-11 [H ] = = =10 - -3 [OH ] 10 stąd ph = -log 10-11 = 11 Odpowiedź: ph roztworu roztworu wodorotlenku magnezu wynosi 11. 3. Reakcje jonowe Elektrolity, jak już wcześniej wspomniano, w roztworach wodnych występują w postaci jonów. Jony w roztworze wodnym bardzo łatwo ze sobą reagują, przy czym szybkość reakcji, w porównaniu z szybkością reakcji między nieelektrolitami jest duża. Reakcje jonowe przebiegają niemal natychmiast. Jeżeli kwasy, zasady i sole reagują ze sobą, to reakcja zachodzi pomiędzy jonami a nie cząsteczkami. Reakcje między jonami zachodzą wówczas, gdy w wyniku reakcji powstanie: - substancja trudno rozpuszczalna, - substancja słabo zdysocjowana. Rozpatrzmy pierwszy przypadek, tj. powstawania trudno rozpuszczalnej substancji, na przykład AgCl. Charakterystyczne jest, że bez względu na rodzaj soli, kation daje z właściwym anionem ten sam produkt reakcji: AgNO 3 + NaCl = AgCl + NaNO 3 (13a) Ag 2 SO 4 + 2KCl = 2AgCl + K 2 SO 4 (14a) lub jonowo: Ag + + NO - 3 + Na + + Cl - = AgCl + Na + - + NO 3 (13b) 2Ag + 2- + SO 4 + 2K + + 2Cl - = 2AgCl + 2K + 2- + SO 4 (14b) Skreślając po obu stronach równania jony, które nie biorą udziału w reakcji, powyższe reakcje można zapisać w formie skondensowanej: Ag + + Cl - = AgCl (15) Przykładem drugiego typu reakcji jest powstawanie słabo zdysocjowanej substancji, na przykład: CH 3 COONa + HCl = CH 3 COOH + NaCl (16a) lub jonowo: CH 3 COO - + Na + + H + + Cl - = CH 3 COOH + Na + + Cl - (16b) Na podstawie reakcji 16a oraz 16b można zaobserwować, że jony Na + i Cl - nie biorą udziału w reakcji, a więc równanie tej reakcji można zapisać w skróconej formie: CH 3 COO - + H + = CH 3 COOH (16c) Pisząc reakcje jonowe, wzory mocnych elektrolitów przedstawiamy w formie jonowej, natomiast wzory substancji trudno rozpuszczalnych i słabo zdysocjowanych w postaci cząsteczkowej. Jony, które nie wchodzą w reakcję pomijamy. 4. Hydroliza soli Hydroliza jest to reakcja jonów soli z wodą. Po dodaniu niewielkiej ilości soli do wody otrzymamy roztwór, który zależnie od rodzaju rozpuszczonej soli może mieć odczyn obojętny, kwaśny lub zasadowy. Przyczyną tego zjawiska są reakcje jonów soli z wodą, czyli hydroliza.
Hydroliza jest reakcją odwrotną do reakcji zobojętniania: zobojętnienie kwas + zasada sól + woda (17) hydroliza Hydrolizie ulegają tylko sole, których jony mają zdolność przyjmowania lub oddawania protonów w środowisku wodnym. Do soli tego typu należą z reguły: - sole słabych kwasów i mocnych zasad, - sole mocnych kwasów i słabych zasad - sole słabych kwasów i słabych zasad. Sole mocnych kwasów i mocnych zasad nie hydrolizują, ich jony w środowisku wodnym nie przyjmują i nie oddają protonów. 4.1. Hydroliza soli słabych kwasów i mocnych zasad Tego rodzaju sole hydrolizują w roztworach wodnych powodując odczyn zasadowy. Cyjanek potasu (KCN) jest solą pochodzącą od bardzo słabego kwasu cyjanowodorowego (HCN) i mocnej zasady potasowej KOH. Po rozpuszczeniu tej soli w wodzie zachodzi reakcja : K + + CN - + H 2 O HCN + K + + OH - CN - + H 2 O HCN + OH - (18a) (18b) W wyniku łączenia się jonów soli z wodą tworzy się słaby kwas HCN (w małym stopniu zdysocjowany) i mocna zasada KOH (całkowicie zdysocjowana na jony). Znajdujące się w roztworze jony OH - nadają roztworowi odczyn zasadowy. (ph > 7). 4.2. Hydroliza soli słabych zasad i mocnych kwasów W wyniku hydrolizy tego typu soli odczyn roztworu staje się kwaśny (ph < 7). Jako przykład podano się hydrolizę chlorku amonu (NH 4 Cl). NH + 4 + Cl - + H 2 O NH 4 OH + H + + Cl - NH + 4 + H 2 O NH 4 OH + H + (19a) (19b) Tworzący się w wyniku hydrolizy wodorotlenek amonu jest słabą zasadą, a więc słabo zdysocjowaną na jony. Natomiast HCl jest silnie zdysocjowanym na jony kwasem i znajdujące się w roztworze jony H + nadają mu odczyn kwaśny. 4.3. Hydroliza soli słabych kwasów i słabych zasad Sole słabych kwasów i słabych zasad w roztworze wodnym ulegają hydrolizie, a odczyn wodnych roztworów tych soli będzie słabo kwaśny lub słabo zasadowy zależnie od tego, który z utworzonych elektrolitów, kwas czy zasada, jest mocniejszy (w większym stopniu zdysocjowany). Jako przykład omówiona zastanie reakcja hydrolizy węglanu amonu. 2NH 4 + + CO 3 2- + H 2 O 2NH 4 OH + H 2 CO 3 (20) Małe wartości stałych dysocjacji tworzącego się wodorotlenku amonu i kwasu węglowego powodują powstanie znacznej ilości obu tych związków w roztworze (są one w małym stopniu zdysocjowane na jony). - [NH4 ] [OH ] -5 KNH 4 OH =1,7910 (IX) [NH4OH] + [H ] [HCO 3 ] -7 KH CO = 4,4710 (X) 2 3 [H2CO3 ] Wartość stałej dysocjacji wodorotlenku amonu jest większa od stałej dysocjacji kwasu węglowego, a więc reakcja hydrolizy węglanu amonu ma charakter słabo alkaliczny. 4.4. Sole mocnych kwasów i mocnych zasad Sole tej grupy nie ulegają hydrolizie, a ich roztwory wykazują odczyn obojętny (ph = 7). Spróbujmy wg poprzednich reguł podać równanie reakcji chlorku sodu z wodą: Na + + Cl - + H 2 O Na + + Cl - + H 2 O (21) Po prawej i po lewej stronie równania mamy takie same reagenty, stąd wniosek, że sole mocnych kwasów i mocnych zasad nie hydrolizują.
PYTANIA KONTROLNE 1. Zdefiniować pojęcia: dysocjacja elektrolityczna, stała dysocjacji, stopień dysocjacji. 2. Jaką zależność określa prawo rozcieńczeń Ostwalda? 3. Co to jest hydroliza soli? 4. Które sole ulegają hydrolizie? 5. Co to jest iloczyn jonowy wody? 6. Podać definicję ph. 7. Obliczyć ph następujących roztworów: a) 0,1 m HCN (zakładając, że = 0,01%) b) 0,1 m NH 4 OH (zakładając, że = 1%) 9. Obliczyć stężenie H+ i OH- w roztworach wodnych o ph równych: a) ph = 7, b) ph = 4, c) ph = 9