3.3.2. Розчинення твердих речовин у природних водах

Навіть дуже успішний хімік Д.І.Менделєєв з надзвичайно розвиненою інтуїцією мусив зізнатись, що створення системної тео-

рії розчинів є надзвичайно важким завданням.

Можна впевнено опиратись на давно сформульоване правило розчинності: подібне розчиняє подібне. На практиці це значить, що речовина, яка розчиняється у воді, має молекулярну будову подібну до води. Таким чином речовина, що розчиняється у воді, має іонний характер. Із цього випливає правило: якщо речовина не є іонною – вона не розчиняється у воді, і навпаки, іонні речовини легше розчиняються у воді.

Наприклад, олива (така, як насичений вуглеводень CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃) – неіонна, мало полярна речовина не розчиняється у воді.

Аналогічно пластмаса (наприклад, полістирол) не розчиняється воді.

Хлорид натрію, навпаки, дисоціює у воді на іони натрію (Na⁺) і хлориду (Cl⁻), які взаємодіють із диполями молекул води.

Хіміки давно знають, що, змінивши структуру деяких молекул, можна зробити речовину розчинною у воді (додаванням молекулі іонної частини або як мінімум надаванням їй дипольного моменту).

Приклади органічних молекул, які розчиняються у воді у будь-яких співвідношеннях:

Оцтова кислота, або оцет

Етиловий спирт

Етиленгліколь, або антифриз

Більшість неорганічних речовин – солей, які у воді розчиняються важко, перебувають у рівновазі між іонною та неіонною (нерозчиненою) формами. Прикладом такої речовини є карбонат кальцію:

CaCO₃ ↔ Ca²⁺ + 2CO₃²⁻ .

Вираження рівноваги, що управляє даною реакцією, називається добутком розчинності ДР._. Ця величина є постійною для розведених водних розчинів будь-якої речовини, її можна використати для розрахунку розчинності речовини у воді.

Наприклад, для карбонату кальцію:

ДР = [Ca²⁺] ∙ [CO₃²⁻] = 4,47 ∙10⁻⁹ _.

Розчинність карбонату кальцію у чистій воді (для системи, що не піддається впливу повітря, і при ігноруванні реакцій з водою) можна розрахувати у такий спосіб: припустимо, що х – це концентрація Ca²⁺ у розчині. Рівновага настає за умови рівності кількості молів Ca²⁺ кількості молів CO₃²⁻. Тому х дорівнює кількості молів CO₃²⁻:

[ Ca²⁺] ∙ [CO₃^2‒]= [х] ∙ [х] = х² = 4,47 ∙ 10⁻⁹;

Висновок

Розчинність карбонату кальцію у воді (вплив повітря відсутній) дорівнює 6,69 ∙ 10⁻⁵молів CaCO₃/л.

Але при контакті води з повітрям, вміст CO₃²⁻ змінюватиметься, а саме його вміст дорівнюватиме сумі вмісту CO₃²⁻,завдяки розчиненому карбонату кальцію та вмісту CO₃²⁻ від розчиненого діоксиду карбону.

Зробити розрахунок розчинності карбонату кальцію відкритої системи набагато складніше, ніж описано вище. Розчинення карбонату кальцію у природній воді, що є відкритою системою, допомагає зрозуміти процес взаємодії вапняку (CaCO₃) із прісною водою під впливом атмосферних процесів.

Розраховуючи «природну» розчинність іонних сполук у реальних умовах, треба враховувати «активність» іонів – супутників цих іонних сполук. Справа в тому, що при простому розрахунку розчинності можна одержати помилку навіть у 100 %, якщо замість чистої води використати морську.

Усвідомлюючи те, що природна вода містить кілька видів солей, необхідно зрозуміти суттєвість помилки у випадку з морською водою.

Помилки, з якими стикаються при розрахунку розчинності в солоних розчинах, пов’язані з так званим ефектом «активності». Солі змінюють властивості води, зменшуючи іонну активність у розчині. Активність прямо пов’язана з іонною силою, і ці ефекти можуть бути визначені при відомому коефіцієнті іонної активності. Дані з активностей великої кількості іонів наведені у таблицях довідників з хімії. Коефіцієнти активності для деяких екологічно важливих іонів наведені в табл. 3.5.

Коефіцієнти активності з даної таблиці можна використати для розрахунку «природної» розчинності, що значно наближає розрахунки концентрації речовини до реальності.

Наприклад, розрахуємо «природну» розчинність для карбонату кальцію в закритій системі з іонною силою 0,10 (близькою до морської води).

Активність = Концентрація ∙ Коефіцієнт активності

[α_Ca] ∙ [ α_CO3] = ДР = 4,47 ∙ 10⁻⁹

[Ca²⁺]γ_{катіона} ∙ [CO₃²⁻]γ_аніона = 4,47 ∙ 10⁻⁹

Таблиця 3.5

Коефіцієнти активності для водних розчинів при 25°C

		Роз-мір іона,	Іонна сила, M
Іон		(пм)	0,001		0,005		0,01		0,050	0,100
Заряд = 1
H+		900	0,967			0,933		0,914	0,860	0,830
Na+, CdCl−, ClO2−, IO3−, HCO3−, H2PO4− , HSO3−, H2AsO4−, Cо(NH3)4−, (NO2)2+		500	0,964			0,928		0,904	0,830	0,790
OH−, F−, SCN−, OCN−, HS−, ClO3−, ClO4−, BrO3−, IO−4, MnO4−		400	0,964			0,927		0,901	0,815	0,770
K+, Cl−, Br−, I−, CN−, NO2−, NO3−		300	0,964			0,925		0,899	0,805	0,755
Rb+, Cs+, NH4+, , Ti+, Ag+		250	0,964			0,924		0,898	0,800	0,750
Заряд = 2
Mg2+, Be2+		800	0,872			0,755		0,690	0,520	0,450
Ca2+, Cu2+, Zn2+, Sn2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+, Co2+		700	0,872			0,755		0,685	0,500	0,425
Sr2+, Ba2+, Cd2+, Hg2+, S2−, S2O4−	600			0,870		0,749		0,675	0,485	0,405
Pb2+, CO32+, MoO42− , Co(NH3)5NO2−	500			0,868		0,744		0,670	0,465	0,380
Hg22+, SO42−, S2O32−, S2O82−, SeO42−, CrO42− HPO42‒, CrO42−	450 400			0,867 0,867		0,742 0,740		0,665 0,660	0,455 0,445	0,370 0,355
Заряд = 3
Al3+, Fe3+, Cr3+, Sc3+, Y3+, In3+ та лантаніди	900 500			0,738 0,728		0,54 0,51		0,445 0,405	0,245 0,18	0,18 0,115
PO43− , CrO42− CrO42− CrO42−, Fe(CN)63−, Cr(NH3)63+, Co(NH3)5H2O3+	400			0,725		0,505		0,395	0,16	0,095
Заряд = 4
Th4+, Zr4+, Ce4+, Sn4+, Fe(CN)64−		1110		0,588		0,35		0,255	0,10	0,065

[Ca²⁺] (0,405) ∙ [CO₃²⁻](0,37) = 4,47 ∙10⁻⁹

х ² = 4,47 ∙1⁹/ (0,405) ∙ (0,37) = 2,98^.∙10⁻⁸

Отже, «природна» розчинність карбонату кальцію при 0,10 іонній силі дорівнює 1,73 ∙ 10⁻⁴ – це значення більше у два рази від розчинності даної речовини в чистій воді.