Woda jako rozpuszczalnik i rodzaje roztworów - Chemia Nowej Ery 7

1.Gdzie występuje woda w przyrodzie?

W zbiornikach wodnych (morza, oceany, rzeki, jeziora) i lodowcach, a także jako wody gruntowe (podziemne), wody mineralne, para wodna w powietrzu i woda krystalizacyjna w minerałach.

2.Rola wody w organizmie człowieka

Woda stanowi około $\frac{3}{4}$ organizmu człowieka. Bierze udział m.in. w regulowaniu temperatury ciała, w transporcie, rozpuszczaniu i wchłanianiu substancji odżywczych oraz w usuwaniu szkodliwych produktów przemiany materii.

3.Czy woda wodociągowa jest czystym związkiem chemicznym?

Nie. Po odparowaniu wody wodociągowej na szkiełku zegarkowym zostaje biały osad - to związki chemiczne, które były w niej rozpuszczone. Woda wodociągowa i źródlana zawierają rozpuszczone substancje.

4.Woda destylowana

Woda oczyszczona z rozpuszczonych w niej substancji, m.in. soli mineralnych i gazów. Otrzymuje się ją przez destylację wody wodociągowej. Stosuje się ją m.in. w medycynie, w laboratoriach, w żelazkach, nawilżaczach powietrza i akumulatorach samochodowych.

5.Stany skupienia wody

Woda występuje na Ziemi w trzech stanach skupienia: ciekłym (woda), gazowym (para wodna) i stałym (lód). Zawartość pary wodnej w powietrzu mierzy się higrometrem.

6.Właściwości fizyczne wody

Bezbarwna i bezwonna ciecz bez smaku. Gęstość $1~\mathrm{g/cm^3}$ w temperaturze 4°C. Pod ciśnieniem 1013 hPa temperatura topnienia wynosi 0°C, a temperatura wrzenia 100°C. Woda to najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie tlenek niemetalu.

7.Zmiany stanu skupienia wody

Przy wzroście temperatury: topnienie (lód → woda), parowanie (woda → para wodna) i sublimacja (lód → para wodna). Przy obniżeniu temperatury: krzepnięcie (woda → lód), skraplanie, czyli kondensacja (para wodna → woda), i resublimacja (para wodna → lód).

8.W jakiej temperaturze woda ma największą gęstość?

W temperaturze 4°C - wynosi ona wtedy $1~\mathrm{g/cm^3}$. Zimą woda o temperaturze 4°C gromadzi się przy dnie zbiornika, pod warstwą lodu, dzięki czemu rośliny i zwierzęta wodne mogą przetrwać.

9.Co się dzieje z wodą podczas zamarzania?

Pod ciśnieniem 1013 hPa woda zaczyna krzepnąć w temperaturze 0°C. Podczas zamarzania zwiększa swoją objętość, więc jej gęstość się zmniejsza. Dlatego lód ma mniejszą gęstość niż woda i pływa po jej powierzchni.

10.Jak zamarzająca woda wpływa na skały?

Woda zamarzająca w szczelinach skał zwiększa swoją objętość i rozsadza je. To jedna z przyczyn wietrzenia skał - w ten sposób z twardych granitów powstaje piasek.

11.Jak ciśnienie wpływa na temperaturę wrzenia wody?

Im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura wrzenia wody, i odwrotnie. Pod ciśnieniem 1013 hPa woda wrze w 100°C, a na szczycie Mont Blanc, przy ciśnieniu ok. 600 hPa, wrze już w ok. 86°C.

12.Dlaczego w szybkowarze potrawy gotują się szybciej, a w górach wolniej?

W szybkowarze ciśnienie jest wyższe od atmosferycznego, więc woda wrze w wyższej temperaturze i potrawy gotują się szybciej. W górach ciśnienie jest niższe - woda zagotuje się szybciej, ale wrze w niższej temperaturze, więc potrawy gotują się dłużej.

13.Zasoby wody na Ziemi

Woda pokrywa $\frac{2}{3}$ powierzchni Ziemi, ale zasoby wód słodkich są mniejsze niż wód słonych. Wody słone to morza i oceany. Wody słodkie to woda w lodowcach, wody podziemne, wody powierzchniowe oraz woda w atmosferze i glebie.

14.Główne źródła zanieczyszczeń wód

Zanieczyszczenia komunalne (np. detergenty ze środków piorących), przemysłowe (np. fenole ze ścieków przemysłu petrochemicznego, metale ciężkie) i rolnicze (np. azotany i fosforany z nawozów mineralnych).

15.Racjonalne gospodarowanie wodą

Polega m.in. na tworzeniu zbiorników retencyjnych, stosowaniu obiegu zamkniętego wody w zakładach przemysłowych i myjniach samochodowych oraz pobieraniu wody z rzek poniżej miejsc zrzutu ścieków, co zmusza zakłady do ich oczyszczania.

16.Rozpuszczalnik

Substancja, w której rozpuszcza się inna substancja. Woda jest dobrym rozpuszczalnikiem wielu substancji, np. cukru i soli kuchennej.

17.Które substancje dobrze rozpuszczają się w wodzie, a które się w niej nie rozpuszczają?

Dobrze rozpuszczają się m.in. cukier i sól kuchenna - po wymieszaniu znikają w wodzie. Olej i benzyna nie rozpuszczają się w wodzie - po wstrząśnięciu rozwarstwiają się i tworzą warstwę na jej powierzchni.

18.Emulsja

Mieszanina niejednorodna dwóch nierozpuszczających się w sobie cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej w postaci małych kropelek. Przykłady: mleko (emulsja naturalna), majonez, kremy kosmetyczne.

19.Rozpuszczanie

Wnikanie cząsteczek jednej substancji między cząsteczki drugiej substancji.

20.Wiązania w cząsteczce wody

Między atomem tlenu a atomami wodoru występują wiązania kowalencyjne spolaryzowane. Wspólne pary elektronowe są przesunięte w stronę atomu tlenu, który ma większą elektroujemność (3,4) niż wodór (2,2). Różnica elektroujemności wynosi $3{,}4 - 2{,}2 = 1{,}2$.

21.Budowa cząsteczki wody

Wzór sumaryczny $\ce{H2O}$, wzór strukturalny $\ce{H-O-H}$. Cząsteczka ma kształt litery V - wiązania tworzą kąt ok. 105°. Atom tlenu ma dwie wolne pary elektronowe.

22.Bieguny w cząsteczce wody

Wspólne pary elektronowe są przesunięte w stronę tlenu, dlatego w cząsteczce wody powstają dwa bieguny: ujemny (-) w pobliżu atomu tlenu i dodatni (+) w pobliżu atomów wodoru.

23.Dipol

Cząsteczka mająca dwa bieguny: dodatni (+) i ujemny (-), czyli o budowie polarnej. Dipolami są np. cząsteczki wody oraz wodorków: chlorowodoru $\ce{HCl}$, siarkowodoru $\ce{H2S}$ i amoniaku $\ce{NH3}$.

24.Czynniki wpływające na szybkość rozpuszczania substancji stałej w wodzie

Temperatura, mieszanie i stopień rozdrobnienia substancji rozpuszczanej. Aby przyspieszyć rozpuszczanie, należy substancję rozdrobnić, a roztwór ogrzewać i mieszać.

25.Dlaczego ogrzewanie i mieszanie przyspieszają rozpuszczanie?

W wyższej temperaturze cząsteczki mają większą energię, więc częściej zderzają się z substancją rozpuszczaną. Mieszanie mechaniczne także zwiększa liczbę zderzeń cząsteczek wody z substancją rozpuszczaną.

26.Dlaczego rozdrobnienie przyspiesza rozpuszczanie?

Rozdrobniona substancja ma większą powierzchnię, z którą stykają się cząsteczki wody. Dlatego rozpuszcza się szybciej niż jeden duży kryształ.

27.Mieszanina oziębiająca

Mieszanina, która podczas tworzenia roztworu pochłania ciepło z otoczenia - zachodzi zjawisko endoenergetyczne. Wykorzystuje się ją np. w kompresach chłodzących z wodnym roztworem azotanu(V) amonu.

28.Roztwór

Mieszanina jednorodna co najmniej dwóch składników - substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Masa roztworu to suma masy substancji i masy rozpuszczalnika: $m_r = m_s + m_w$.

29.Substancja rozpuszczona a rozpuszczalnik w mieszaninie dwóch cieczy lub gazów

Substancja rozpuszczona to składnik roztworu rozpuszczony w rozpuszczalniku, np. sól kuchenna w wodzie. Gdy miesza się dwie ciecze lub dwa gazy, rozpuszczalnikiem jest substancja, której jest więcej.

30.Mieszaniny o różnych stanach skupienia składników - przykłady

Powietrze - gaz rozpuszczony w gazie (rozpuszczalnikiem jest azot, a tlen i inne gazy są substancjami rozpuszczonymi). Mgła - ciecz (kropelki wody) rozpuszczona w gazie (powietrzu). Mosiądz - substancja stała (cynk) rozpuszczona w substancji stałej (miedzi).

31.Roztwór nienasycony

Roztwór, w którym w danej temperaturze można jeszcze rozpuścić pewną ilość substancji.

32.Roztwór nasycony

Roztwór, w którym w danej temperaturze nie można już rozpuścić więcej substancji. Dodana porcja substancji się nie rozpuści i opadnie na dno.

33.Jak otrzymać roztwór nasycony?

Do wody w zlewce dodaje się porcję substancji rozpuszczanej i miesza aż do jej całkowitego rozpuszczenia. Czynności te powtarza się tak długo, aż kolejna porcja się nie rozpuści - wtedy roztwór jest nasycony.

34.Krystalizacja

Wydzielanie substancji rozpuszczonej z roztworu nasyconego w postaci kryształów. Można ją wywołać przez oziębienie roztworu nasyconego, dodanie do niego kryształu substancji rozpuszczonej albo powolne odparowanie rozpuszczalnika.

35.Krystalizacja przez powolne odparowanie wody

Roztwór nasycony pozostawia się na jakiś czas, np. na szalce Petriego. Woda stopniowo odparowuje i z roztworu wydzielają się kryształy. Po całkowitym odparowaniu wody na szalce zostają kryształy substancji rozpuszczonej.

36.Roztwór stężony i roztwór rozcieńczony

W roztworze stężonym masa substancji rozpuszczonej w stosunku do masy rozpuszczalnika jest znaczna (kilkadziesiąt procent), a w roztworze rozcieńczonym - niewielka (kilka procent).

37.Podział mieszanin ze względu na wielkość cząstek substancji rozpuszczonej

Roztwory właściwe (cząstki mniejsze od $10^{-9}~\mathrm{m}$, np. sól kuchenna, cukier w wodzie), koloidy (od $10^{-9}~\mathrm{m}$ do $10^{-7}~\mathrm{m}$, np. białko jaja, mydło) i zawiesiny (większe od $10^{-7}~\mathrm{m}$, np. mąka, rozdrobniona glina).

38.Roztwór właściwy

Roztwór, w którym cząstki substancji rozpuszczonej mają rozmiary mniejsze od $10^{-9}~\mathrm{m}$. Jest zawsze przezroczysty (może być barwny), np. roztwór soli kuchennej lub cukru w wodzie.

39.Koloid

Mieszanina, w której cząstki substancji rozpuszczanej mają rozmiary od $10^{-9}~\mathrm{m}$ do $10^{-7}~\mathrm{m}$, np. białko jaja lub mydło w wodzie. Dla koloidów charakterystyczny jest m.in. efekt Tyndalla - rozpraszanie światła widoczne jako smugi, np. we mgle.

40.Zawiesina

Mieszanina cieczy i substancji rozpuszczanej, której cząstki mają rozmiary większe od $10^{-7}~\mathrm{m}$, np. mąka lub rozdrobniona glina w wodzie. Jest mętna, a cząstki po pewnym czasie opadają na dno.