Jerzy Masełko WODA WPROWADZENIE 1. Właściwości fizyczne i chemiczne wody Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych w przyrodzie. Woda ma interesujące anomalia o dużym znaczeniu biologicznym. Gęstość wody podobnie jak i gęstość innych substancji zależy od temperatury. Zależność ta w przypadku wody jest specyficzna, ponieważ woda wykazuje maksimum gęstości w temperaturze 4 o C. Poniżej i powyżej tej temperatury gęstość wody jest mniejsza od jedności (1 g/cm 3 ). Dzięki temu woda w rzekach i jeziorach zamarza tylko na powierzchni, co umożliwia istnienie życia biologicznego w głębi wody. Przyczyną takiego zachowania się wody jest asocjacja jej cząsteczek na większe cząsteczki o wzorze (H 2 O) x o mniejszej gęstości. Asocjacja cząsteczek wody wynika z biegunowej budowy cząsteczki wody. Kształt cząsteczki wody nie jest wydłużony w rodzaju H-O-H, lecz odpowiada trójkątowi, w którego jednym wierzchołku znajduje się atom tlenu, a w dwóch pozostałych atomy wodoru. Kąt między atomami wodoru wynosi 104 o 40. Taka budowa cząsteczki H 2 O powoduje jej biegunowość elektryczną. W okolicy atomu tlenu gromadzi się więcej ładunków ujemnych, zaś w okolicy atomów wodoru istnieje przewaga ładunków dodatnich. Cząsteczki wody przyciągają się różnoimiennymi biegunami tworząc asocjaty (tj. zespoły dwóch lub więcej cząsteczek). Wodę otrzymuje się przez spalanie wodoru w tlenie, reakcja ta jest jedną z najbardziej egzotermicznych reakcji 2H 2 + O 2 = 2H 2 O. Woda jest substancją chemicznie aktywną, gdyż niektóre metale, np. Na, K, Ca reagują z nią już w temperaturze pokojowej, wydzielając z wody wodór. Wiele związków chemicznych przyłącza wodę. W związkach nieorganicznych może być ona związana w dwojaki sposób: woda konstytucyjna nie występuje w związkach chemicznych jako cząsteczka wody, natomiast wydziela się w czasie ich rozkładu. Należy tutaj Ca(HCO 3 ) 2, Ca(OH) 2, KOH, H 2 SO 4. Na przykład pod wpływem ogrzewania: Ca(HCO 3 ) 2 CaO + H 2 O + CO 2 Ca(OH) 2 CaO + H 2 O 2KOH K 2 O + H 2 O H 2 SO 4 SO 3 + H 2 O, woda koordynacyjna. Woda ta związana jest z cząsteczką specjalnym wiązaniem koordynacyjnym, np.: [Cu(NH 3 ) 4 (OH) 2 ] +3, [Cr(H 2 O) 6 ] +3,
woda krystalizacyjna woda ta jest związana w kryształach związków jonowych w ilościach stechiometrycznych np. w gipsie CaSO 4 2H 2O i siarczanie miedzi CuSO 4 5H 2O. Usunięcie jej z takich substancji jest bardzo trudne, woda sieciowa podczas ogrzewania związków zawierających wodę sieciową nie obserwuje się powstawania nowych faz. Woda zawarta jest między warstwami sieci krystalicznej. 2. Woda w przyrodzie Woda w przyrodzie nigdy nie jest czysta, lecz zawiera pewną ilość zawiesin oraz rozpuszczone związki chemiczne i gazy. Zawartość soli w wodach słodkich jest na ogół niewielka i rzadko przekracza 0,5 g/dm 3. Wody te zawierają głównie wodorowęglany wapnia i magnezu oraz w mniejszej ilości ich chlorki i siarczany. Z reguły w wodach słodkich znajdują się pewne ilości związków żelaza i manganu. Woda morska jest szczególnie bogata w sole sodowe i magnezowe (głównie NaCl oraz MgCl 2 i MgSO 4 ). Zasolenie wód morskich jest dużo większe i wynosi 6 g/dm 3 w Bałtyku i 36 g/dm 3 w Atlantyku. Dalszymi domieszkami wody są gazy w niej rozpuszczone (azot, tlen oraz dwutlenek węgla, który obficie występuje w niektórych źródłach mineralnych). Substancje organiczne w wodzie występują w postaci zawiesin i drobnoustrojów. Najczystszym rodzajem wody w przyrodzie jest woda pochodząca z opadów atmosferycznych, ale i ona zawiera pewne ilości pyłów i rozpuszczonych gazów. 3. Twardość wody Wymienione wyżej związki chemiczne zawarte w wodach naturalnych (głównie wodorowęglany oraz chlorki i siarczany wapnia i magnezu) wywołują tzw. twardość wody, która utrudnia pienienie się mydła i innych środków piorących. Zapotrzebowanie na wodę do celów przemysłowych jest duże i rośnie. W zależności od celów musi być odpowiednio oczyszczona do zasilania kotłów musi być pozbawiona soli mineralnych, przede wszystkim węglanu wapnia, ponieważ w czasie gotowania osadza się on jako tzw. kamień kotłowy. Ma on bardzo małe przewodnictwo cieplne, co powoduje duże straty cieplne, a nagłe odpryski kamienia kotłowego mogą prowadzić do przegrzania wody i wybuchu kotła. Woda używana w przemyśle włókienniczym nie może zawierać metali ciężkich. Szczególnie duże wymagania stawia się wodzie do picia. Twardość wody wyraża się w stopniach, np. jeden stopień francuski odpowiada zawartości 1 g węglanu w 100 cm 3 wody. Wprowadza się następujące pojęcia: Twardość całkowita suma twardości węglanowej i niewęglanowej. Twardość węglanowa wywołana przez wodorowęglany wapnia Ca(HCO 3 ) 2 i magnezu Mg(HCO 3 ) 2. Można ją usunąć przez zagotowanie wody. Podczas gotowania wody wodorowęglany przechodzą w znacznie trudniej rozpuszczalne węglany, które osadzają się na ścianach naczynia, zgodnie z reakcją: Ca(HCO 3 ) 2 = CaCO 3 + H 2 O + CO 2. Twardość niewęglanowa spowodowana zawartością w wodzie innych soli wapnia i magnezu np. CaSO 4, MgSO 4, CaCl 2, MgCl 2.
4. Metody oczyszczania wody Zmiękczanie wody jest to proces polegający na usuwaniu jonów wapnia i magnezu, to jest głównych kationów powodujących twardość wody, przez przeprowadzenie ich w trudno rozpuszczalne związki. W przemyśle najbardziej rozpowszechnioną metodą zmiękczania wody jest metoda wapienno-sodowa. Metoda ta polega na dodawaniu do wody jednocześnie wodorotlenku wapnia Ca(OH) 2 i sody Na 2 CO 3. Dodatek do wody wodorotlenku wapnia powoduje usunięcie twardości węglanowej według reakcji: Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 + 2H 2 O. Dodatek zaś węglanu sodowego ma na celu usunięcie z wody twardości niewęglanowej według reakcji: CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + Na 2 SO 4 CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 + 2NaCl. Proces całkowitego usuwania soli z wody przyjęto nazywać demineralizacją wody. Najstarszą metodą demineralizacji wody jest destylacja. Jest to sposób kosztowny i stosowany na niewielką skalę w laboratoriach chemicznych i aptekach. Do celów przemysłowych wodę demineralizuje się za pomocą wymieniaczy jonowych zwanych jonitami. Jonity są to żywice organiczne o skomplikowanej budowie, wykazujące zdolność do wymiany jonów wchodzących w ich skład na jony znajdujące się w roztworze wodnym. Jonity wymieniające kationy nazywamy kationitami, wymieniające zaś aniony nazywamy anionitami. Podczas przepływu wody przez złoże jonitu zachodzi wymiana jonów, przy czym na kationicie kwasowym (wodorowym) zachodzi wymiana wszystkich kationów zawartych w wodzie na jony wodorowe: H-R-H + Ca 2+ RCa + 2H +, natomiast na anionicie zasadowym (wodorotlenowym) zachodzi wymiana wszystkich anionów na jony wodorotlenowe według reakcji: HO-R-OH + SO 4 2- RSO 4 + 2OH -. W ten sposób woda zostaje całkowicie pozbawiona zawartych w niej soli, przy czym wytwarza się równoważna liczba jonów H + i OH - tworzących cząsteczki wody. Po przejściu wody przez system wymieniaczy jonowych można otrzymać wodę o czystości podwójnie destylowanej. Do celów spożywczych wodę przygotowuje się w następujący sposób: wodę rzeczną wprowadza się do odstojników, gdzie opadają zawiesiny stałe. Tak oczyszczona woda zawiera jeszcze rozpuszczone gazy, sole mineralne i bakterie. Bakterie niszczy się przez dodatek chloru lub ozonu. Niewielkie ilości soli mineralnych nadają wodzie smak. Do wody dodaje się nieco soli dostarczających jonów fluorkowych w celu zapobiegania próchnicy zębów. Tak przygotowaną wodę wprowadza się do sieci miejskiej.
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Doświadczenie 1. Wykrywanie wodorowęglanów wapnia i magnezu Ca(HCO 3 ) 2 i Mg(HCO 3 ) 2 Do otrzymanej szklanej parowniczki, zawierającej pozostałość po odparowaniu do sucha około 50 cm 3 wody wodociągowej, prowadzący ćwiczenia lub osoba asystująca doda kilka kropli stężonego kwasu solnego. W razie obecności w wodzie wodorowęglanów pozostałość w parowniczce po dodaniu HCl burzy się, gdyż zachodzi reakcja: CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O. Następnie otrzymany roztwór ostrożnie rozlej po połowie do dwóch małych probówek i zachowaj do następnych doświadczeń (2 i 3). Doświadczenie 2. Wykrywanie jonów wapniowych (Ca 2+ ) Do jednej z probówek z doświadczenia 1. dodaj kolejno po kilka kropli: wody amoniakalnej NH 4 OH, chlorku amonu NH 4 Cl i szczawianu amonu (NH 4 ) 2 C 2 O 4. Wytrącenie się białego osadu szczawianu wapnia świadczy o obecności soli wapnia: CaCl 2 + (NH 4 ) 2 C 2 O 4 = CaC 2 O 4 + 2NH 4 Cl. Doświadczenie 3. Wykrywanie jonów żelazowych (Fe 3+ ) Do drugiej z probówki z doświadczenia 1. dodaj kilka kropli kwasu azotowego(v) HNO 3, zagotuj w łaźni wodnej, a po oziębieniu roztworu dodaj kilka kropli roztworu rodanku potasu KCNS. Powstanie czerwonego zabarwienia świadczy o obecności soli żelazowych, gdyż zachodzi reakcja: Fe(NO 3 ) 3 + 3KCNS = Fe(CNS) 3 + 3KNO 3. Doświadczenie 4. Wykrywanie jonów chlorkowych (Cl - ) i destylowanej dodaj kilka cm 3 roztworu azotanu(v) srebra AgNO 3. Zmętnienie roztworu lub wytrącenie białego osadu chlorku srebra AgCl świadczy o obecności jonów chlorkowych, zgodnie z reakcją: NaCl + AgNO 3 = AgCl + NaNO 3. Doświadczenie 5. Wykrywanie jonów siarczanowych (SO 4 2- ) i destylowanej dodaj kilka cm 3 wodnego roztworu chlorku baru BaCl 2. Powstanie białego zmętnienia lub wytrącenie się białego osadu świadczy o obecności jonów siarczanowych, zgodnie z reakcją: CaSO 4 + BaCl 2 = BaSO 4 + CaCl 2. Doświadczenie 6. Wykrywanie amoniaku (NH 3 ) lub soli amonowych (jonów NH 4 + ) i destylowanej dodaj po 1 cm 3 odczynnika Nesslera. Jeżeli woda zawiera wolny amoniak lub sole amonowe pojawia się zabarwienie od żółtego do pomarańczowo-brunatnego. Powstaje złożona sól kompleksowa, zgodnie z reakcją: 2K 2 HgI 4 + 3KOH +NH 4 OH = 7KI +3H 2 O + Hg 2 ONH 2 I. Wystąpienie białego zmętnienia wskazuje na obecność dużej ilości wapnia.
Doświadczenie 7. Pomiar ph i przewodnictwa elektrycznego wody Zmierz ph i przewodnictwo elektryczne wody rzecznej, wodociągowej i destylowanej. Pomiarów dokonaj w zlewkach o pojemności 25 cm 3. Zwróć uwagę na jednostki mierzonych parametrów. Porównaj i przedyskutuj uzyskane wyniki dwóch pierwszych pomiarów z wynikami pomiaru dla wody destylowanej. Wyniki pomiarów w sprawozdaniu zamieść w postaci tabeli.