Roztwory wodne i ich zastosowanie w życiu codziennym

1. ROZTWORY

1.1. Co to jest roztwór ?

Jedną z podstawowych czynności chemika badającego skład substancji jest odróżnienie mieszaniny od związku chemicznego. Tylko w nielicznych przypadkach udaje się ustalić na podstawie obserwacji, że oglądana próbka jest mieszaniną, mianowicie wtedy, gdy jest niejednorodna (heterogeniczna), jak np. woda + olej, piasek + woda, sadza + piasek itp.
Składniki mieszaniny niejednorodnej zachowują indywidualne cechy makroskopowe, np. stan skupienia (piasek + woda) bądź wielkość i postać ziaren rozróżnialnych optycznie (sadza + piasek). Mieszaninę niejednorodną tworzy woda z benzyną, woda z eterami inne ciecze praktycznie nie mieszające się ze sobą. Wyraz „ praktycznie” bywa często opuszczany, jest jednak ważny, nie ma bowiem cieczy nie , mieszających się w ogóle. Zawsze pewna ilość cieczy A, np. benzyny , przenika do cieczy B, np. wody, i równocześnie minimalna ilość cieczy B dostaje się do cieczy A.
Mieszaniny niejednorodne stosunkowo łatwo rozdziela się na składniki prostymi metodami fizycznymi, takimi jak : 1) sączenie przez bibułkę lub inny materiał porowaty (w ten sposób można oddzielić sadzę od wody) ; 2) segregacja mechaniczna (jeżeli ziarna są duże i łatwo rozróżnialne); 3) wirowanie, stosowane w przypadku bardzo powolnego opadania ciała stałego na dno naczynia z cieczą (np. woda + glina); 4) dekantacja, czyli ostrożne zlanie cieczy znad osadu (jeżeli w naczyniu znajduje się woda l piasek, to można, przechylając stopniowo naczynie, wylać tylko wodę ).
Oprócz mieszanin niejednorodnych chemik ma do czynienia – i to znacznie częściej, z mieszaniną, w której składniki zatraciły część swoich indywidualnych cech makroskopowych do tego stopnia, że stały się nierozróżnialne nawet przy dużym powiększeniu. Powszechnie wiadomo, że po dodaniu soli lub cukru do wody i wymieszaniu zawartości naczynia, ciało stałe znika, nie powodując w wodzie żadnych widocznych zmian. Otrzymana mieszanina jest jednorodna fizycznie, to znaczy każda jej próbka makroskopowa, bez względu na miejsce, z którego została pobrana – ma ten sam skład (proporcje składników) i wykazuje te same makroskopowe właściwości fizyczne (gęstość, temperatura topnienia i wrzenia, współczynnik załamania światła , ciepło właściwe itd.) Mieszanina jednorodna makroskopowo (homogeniczna) nosi nazwę roztworu. Jeden ze składników roztworu jest nazywany rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczoną.
Proces mieszania dwóch substancji prowadzący o otrzymania mieszaniny jednorodnej makroskopowo nazywa się rozpuszczaniem.
Roztwory, podobnie jak związki chemiczne, są jednorodne makroskopowo. Istotna różnica między nimi tkwi w strukturze światła molekularnego. Związek chemiczny oprócz jednorodności makroskopowej wykazuje jednorodność w skali mikro, tzn. stanowi zbiór cząsteczek identycznych chemicznie lub też – w przypadku związku jonowego – jest stechiometrycznym zbiorem kationów i anionów. Roztwór jest niejednolity w skali mikro, zawiera co najmniej dwa rodzaje różnych drobin: drobiny rozpuszczalnika i drobiny substancji rozpuszczonej. Oba rodzaje drobin są zmieszane chaotycznie , poruszają się niezależnie , nie wiążą trwałych wiązań chemicznych., najwyżej występują między nimi słabe oddziaływania van der Waalsa.
Jeżeli cząstki jakiejkolwiek substancji zostają rozprowadzone równomiernie w jakiejkolwiek substancji, to mieszanina taka jest nazywana układem dyspersyjnym. Zbiór cząstek substancji rozdrobnionej nosi nazwę fazy rozproszonej, a substancja, w której te cząstki są rozproszone –fazy dyspersyjnej (rozpraszającej). Układy dyspersyjne różnią się stopniem dyspersji (stopniem rozdrobnienia) czyli rozmiarami cząsteczek. Im mniejsze są cząstki, tym większy jest stopień dyspersji i odwrotnie. Jeżeli faza rozproszona jest rozdrobniona aż do pojedynczych drobin ( atomów, cząsteczek lub jonów), jak np. w wodnym roztworze cukru lub soli, to układ dyspersyjny nosi nazwę roztworu właściwego. Wymiary cząstek fazy rozproszonej w roztworze właściwym nie przekraczają kilkunastu pikometrów. Układ dyspersyjny, w którym cząstki fazy rozproszonej są większe od 500 000 pm, wykazuje cechy mieszanin heterogenicznych i jest nazywany zawiesiną, gdy fazę rozproszoną stanowią cząstki ciała stałego, albo emulsją- w przypadku rozproszenia cząsteczek cieczy. Przykładem zawiesiny jest mieszanina wody z gliną, przykładem emulsji- mleko, w którym fazą rozproszoną są bardzo drobne kropelki tłuszczu.
Składniki roztworu można zmieszać w stosunku dość dowolnym, stosunek ten bowiem nie jest ściśle określony, jak w związku chemicznym. Może on być zmienny w granicach, na jakie pozwala wzajemna rozpuszczalność. Tylko w nielicznych przypadkach substancja miesza się z rozpuszczalnikiem w każdym stosunku, np. alkohol etylowy z wodą. Podobnie dwa dowolne gazy mieszają się bez ograniczeń i dlatego każda mieszanina gazów jest roztworem. Na ogół jednak rozpuszczalność danej substancji w danym rozpuszczalniku jest ograniczona. Na przykład w 100 g wody w temp. 20 o C można rozpuścić tylko 36,3 g chlorku sodu i przy dalszym dodawaniu soli każda wprowadzona porcja pozostaje na dnie naczynia. Otrzymany w ten sposób roztwór nosi nazwę roztworu nasyconego.
Z kolei roztwory, w których można jeszcze rozpuścić pewną ilość substancji, to roztwory nienasycone. Zawartość substancji w roztworze lub rozpuszczalniku nazywana jest stężeniem roztworu.

1.2. Roztwory ciekłe

Każdy roztwór składa się z dwóch lub więcej składników: rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Jeżeli roztwór zawiera kilka składników, to jeden z nich jest rozpuszczalnikiem, a wszystkie pozostałe substancjami rozpuszczonymi. Większość roztworów stanowią roztwory ciekłe, zawierające wodę jako rozpuszczalnik. Noszą one nazwę roztworów wodnych. Gdy jedna z substancji tworzących roztwór jest gazem lub ciałem stałym (ściślej, była nim przed rozpuszczeniem), a druga substancja jest cieczą, wówczas ciecz określa się mianem rozpuszczalnika. Jeżeli jednak dwie ciecze tworzą roztwór, to przypisanie jednej z nich roli rozpuszczalnika pozostaje dowolne. Określenie „ osiemdziesięcioprocentowy wodny roztwór alkoholu etylowego” oznacza, że substancję rozpuszczoną stanowi alkohol etylowy, a rozpuszczalnik- woda, pomimo, że alkoholu jest znacznie więcej niż wody (w 100 g tego roztworu znajduje się 80 g alkoholu i 20 g wody). Ten sam roztwór można oczywiście nazwać „ dwudziestoprocentowym alkoholowym roztworem wody”, jednak w praktyce przyjął się zwyczaj uznawania wody za rozpuszczalnik niemal we wszystkich układach typu: woda + inna substancja. Zawartość procentowa jednego ze składników dotyczy zawsze substancji rozpuszczonej, np. siedmioprocentowy acetonowy roztwór alkoholu zawiera 7% alkoholu (substancja rozpuszczona) i 93% acetonu (rozpuszczalnik).
Składników roztworu nie można rozdzielić żadnym ze sposobów rozdzielania mieszanin heterogenicznych. Jednym ze sposobów odzyskania substancji rozpuszczonej z roztworu jest odparowanie rozpuszczalnika. Można w tym celu pozostawić roztwór w otwartym naczyniu na dłuższy czas w temperaturze pokojowej, ale tylko wówczas, gdy rozpuszczalnik nie jest toksyczny i substancja rozpuszczona nie jest lotna. Znacznie szybciej natomiast
można odparować rozpuszczalnik w temperaturze wrzenia, w aparaturze do destylacji.
Temperatury topnienia i wrzenia roztworu są inne niż substancji czystych., stanowiących składniki roztworu. W przypadku roztworów ciekłych, roztwór ma wyższą temperaturę wrzenia niż czysty rozpuszczalnik, a temperatura krzepnięcia roztworu jest niższa od temperatury krzepnięcia rozpuszczalnika.

1.3. Rozpuszczalność

Rozpuszczaniu z reguły towarzyszą efekty cieplne. Podczas rozpuszczania wodorotlenku sodu lub kwasu siarkowego w wodzie roztwór ogrzewa się gwałtownie. Rozpuszczanie większości soli jest procesem endotermicznym; temperatura roztworu obniża się . Na tym właśnie polega sporządzanie mieszanin oziębiających , z których najtańszą i najpospolitszą jest mieszanina śniegu i soli kuchennej, dając ochłodzenie do temp. – 21o C, przy stosowaniu 33g soli na 100g śniegu.
Mechanizm procesu rozpuszczania ciał stałych w cieczach jest złożony. W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że poruszające się bezładnie drobiny cieczy (rozpuszczalnika) uderzają w powierzchnie ciała stałego, wybijając z niej kolejno drobiny, które uwolnione w ten sposób z pola sił sieci krystalicznej, rozprzestrzeniają się w całej objętości rozpuszczalnika. Proces ten trwa dopóty dopóki nie zostanie zniszczona cała sieć krystaliczna ciała stałego, podobnie jak w procesie topnienia. Jeżeli jednak ilość substancji stałej jest znaczna, to stan nasycenia może zostać osiągnięty przed rozpuszczeniem całego kryształu. Wytwarza się stan równowagi. Ilość substancji w rozpuszczalniku i w fazie stałej nie ulega zmianie, pod warunkiem, że temperatura całego układu pozostaje stała. W rzeczywistości jest to równowaga dynamiczna. W jednostce czasu pewna liczba drobin z kryształu przechodzi do roztworu i równocześnie taka sama liczba drobin z roztworu osadza się na powierzchni kryształu.
W przypadku gdy substancja rozpuszczona ma budowę jonową, sieć jonowa rozpada się na poszczególne kationy i aniony . Związki jonowe dobrze rozpuszczają się w wodzie, ponieważ cząsteczki wody stanowią dipole, dzięki czemu mogą atakować zarówno kation na powierzchni kryształu, zbliżając się do niego ujemnym biegunem dipola, jak też mogą wyrwać z sieci jonowej anion, zbliżając się do niego dodatnim biegunem dipola. Każdy jon uwolniony z sieci krystalicznej zostaje otoczony przez kilka cząsteczek wody. Zjawisko takie nosi nazwę hydratacji, w przypadku, gdy rozpuszczalnikiem jest woda.
Roztwory powstają w wyniku wzajemnego oddziaływania między drobinami substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Jeżeli substancja nie rozpuszcza się w wodzie, jak np. szkło, złoto czy srebro, to znaczy, że wzajemne przyciąganie między drobinami tej substancji i drobinami rozpuszczalnika jest dużo słabsze niż wzajemne przyciąganie drobin substancji nierozpuszczalnej. Badania wykazały jednak, że nie ma substancji absolutnie nierozpuszczalnych. Każda substancja rozpuszcza się w każdym rozpuszczalniku, tylko ilość substancji rozpuszczonej może być znikoma. Taką substancję powinno się określać: praktycznie nierozpuszczalna, a spotykając w literaturze słowo „nierozpuszczalna” należy pamiętać o umownym znaczeniu tego terminu.
Z powyższych rozważań wynika, ze rozpuszczalność zależy przede wszystkim od charakteru substancji rozpuszczanej oraz charakteru rozpuszczalnika. Substancja dobrze rozpuszczalna w jednym rozpuszczalniku może być bardzo słabo rozpuszczalna w innym. Stwierdzono, że nie istnieją dwa rozpuszczalniki o jednakowej zdolności rozpuszczania jakiejkolwiek substancji. Rozpuszczalność jest specyficzną cechą danej pary substancja – rozpuszczalnik, zależy również od temperatury, a dla gazów ponadto, od ciśnienia ( im wyższe ciśnienie, tym większa rozpuszczalność ).
Rozpuszczalność większości ciał stałych i cieczy wzrasta ze wzrostem temperatury, a gazów maleje. Zależności te na ogół nie są proporcjonalne.
Rozpuszczalność gazów w cieczach jest również zróżnicowana. Określa się ją najczęściej liczbą gazu niezbędną do nasycenia jednej objętości cieczy.
W jednej objętości wody można na przykład rozpuścić tylko 0,02 objętości wodoru i aż 442 objętości chlorowodoru (w temp. 20 stopni C i przy normalnym ciśnieniu).

2. ZASTOSOWANIE ROZTWORÓW WODNYCH

2.1. Woda jako rozpuszczalnik

Ponieważ praca nasza dotyczy głównie roztworów wodnych, warto poświęcić nieco uwagi wodzie i jej właściwościom.
Woda jest najbardziej rozpowszechnionym rozpuszczalnikiem. Jednak daleko jej jeszcze do tego, aby być rozpuszczalnikiem uniwersalnym, ponieważ istnieje wielka liczba substancji, które z natury nie rozpuszczają się w wodzie. Jakie są więc czynniki wpływające na rozpuszczalność w wodzie? W przypadku wody sytuacja jest szczególnie złożona, ponieważ występujące wiązanie wodorowe ma tendencję do utrzymywania cząsteczek wody w stanie zasocjowanym.
Na ogół woda jest słabym rozpuszczalnikiem dla niejonowych substancji rozpuszczanych. W szczególności węglowodory, takie jak CH4, C2H6 itd., są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. W tych przypadkach wzajemne oddziaływanie wody i cząsteczek substancji rozpuszczanej jest tak słabe, że nie wydziela się dostatecznie dużo energii do zniszczenia struktury wody. Istnieją jednak pewne substancje, które dobrze rozpuszczają się w wodzie, np. amoniak NH3 czy alkohol etylowy C2H5OH. W przypadku amoniaku powstają wiązania wodorowe pomiędzy N z amoniaku i O z wody, a w przypadku alkoholu etylowego- pomiędzy O z alkoholu i O z wody. Cukry jak np. sacharoza C12H22O11, swoją znakomitą rozpuszczalność zawdzięczają w dużym stopniu wiązaniu wodorowemu, ponieważ podobni jak C2H5OH zawierają one grupy OH.
Rozpuszczalność substancji jonowych w wodzie zależy od subtelnej równowagi między energią sieci krystalicznej a energią uwodnienia i entropią jonów.

2.2. Zastosowanie roztworów wodnych w elektrolizie

Istnieje wiele przypadków, w których procesowi rozpuszczania towarzyszy zjawisko dysocjacji, czyli rozpadu cząsteczek. Jako pierwszy wykazał to szwedzki chemik Svante Arrhenius, w roku 1887. Produkty dysocjacji są zazwyczaj naładowane elektrycznie – są to tzw. jony, i zajście procesu dysocjacji można wykryć na podstawie pomiarów elektrycznych.
Substancje tworzące roztwory przewodzące prąd elektryczny nazywane są elektrolitami, natomiast te które tworzą roztwory zasadniczo nie przewodzące prądu nazywane są nieelektrolitami. I tak np. dodanie cukru do wody nie zmienia przewodności ; ale, gdy dodany zostanie chlorek sodu, przewodność znacznie wzrośnie. Należy zauważyć, że do dysocjacji używa się zazwyczaj wody, jako rozpuszczalnika, czyli powstałych w ten sposób roztworów wodnych.
Procesy elektrolizy wykorzystywane są do otrzymywania niektórych metali np. (glinu, magnezu i in.), do otrzymywania wielu substancji prostych, jak chlor czy wodór, do prowadzenia licznych procesów utleniania czy redukcji, do osadzania na metalach cienkich warstw innych metali lub do sporządzania odbitek metalicznych.

2.3. Roztwory wodne w życiu codziennym

Bardzo często w naszym codziennym życiu spotykamy się z roztworami wodnymi. Używamy ich w domach, zakładach przemysłowych, czy laboratoriach. Roztwory wodne kupujemy już jako gotowe, bądź sporządzamy je sami.
W naszej pracy pojawiały się już, sporadycznie przykłady zastosowania niektórych roztworów wodnych. Teraz postaramy się poświęcić im więcej miejsca i przytoczyć nieco dłuższą listę zastosowań roztworów wodnych w naszym życiu, i tak:

Wodny roztwór alkoholu etylowego –ma zastosowanie do celów spożywczych (spirytus, wódka);

Wodny roztwór ałunu – ma zastosowanie w lecznictwie jako odtrutka w przypadku zatruć solami ołowiu;

Woda amoniakalna, wodny roztwór amoniaku” - używana jest w laboratoriach i przemyśle np. do zmydlania tłuszczów;

Woda bromowa, wodny roztwór bromu – stosowana do dezynfekcji i jako utleniacz;

Woda chlorowa, wodny roztwór chloru”– stosowany jako środek utleniający w laboratoriach, do bielenia włókien, oraz jako środek bakteriobójczy;

Woda barytowa, wodny roztwór wodorotlenku barowego – stosowany jako odczynnik w analizie chemicznej, mętnieje pod wpływem dwutlenku węgla;

Woda Burowa (płyn Burowa), wodny roztwór zasadowego octanu glinowego – ma zastosowanie w lecznictwie (okłady w stanach zapalnych) i weterynarii;

Woda gulardowa, wodny roztwór zasadowego octanu ołowianego- stosowana w medycynie i weterynarii zewnętrznie jako środek ściągający;

Woda gipsowa, wodny roztwór siarczanu wapniowego - ma zastosowanie w analizie chemicznej do wykrywania jonów baru i strontu;

Woda sodowa, woda nasycona pod ciśnieniem dwutlenkiem węgla – ma zastosowanie w przemyśle spożywczym, jako napój;

Woda utleniona, nazwa zwyczajowa 3%- owego wodnego roztworu nadtlenku wodoru – stosowana do dezynfekcji i bielenia;

Perhydrol, 30%-owy wodny roztwór H2O2- stosowany w przemyśle chemicznym i kosmetycznym;

Woda wapienna, wodny roztwór wodorotlenku wapniowego Ca(OH)2 – stosowana jako odczynnik analityczny(mętnieje pod wpływem dwutlenku węgla), w lecznictwie stosowana jako odtrutka;

Ocet, wodny roztwór CH3 COOH – 3% – jako ocet stołowy, stosowany do różnego rodzaju potraw, 10% - stosowany najczęściej do marynat;

Roztwór soli z wodą – stosowany w przemyśle spożywczym, w warunkach domowych używany np. do kwaszenia ogórków;

Roztwór cukru z wodą - stosowany w przemyśle spożywczym , w warunkach domowych do podnoszenia walorów smakowych wszelkiego rodzaju napojów;

Płyn Borygo ,50%-owy wodny roztwór glikolu etylenowego- stosowany jako płyn chłodzący w chłodnicach samochodowych;

Sól fizjologiczna, 0,9% roztwór wodny chlorku sodu- stosowana w lecznictwie;

Rivanol, (0,1% roztwór wodny mleczanu etakrydyny)- stosowany jako środek dezynfekcyjny do odkażania skóry i błon śluzowych oraz powierzchownych uszkodzeń powłok ciała;

Roztwór Dakina (płyn Dakina), roztwór wodny podchlorynochlorku wapniowego CaCl(OCl) – stosowany do dezynfekcji w chirurgii;

Szkło wodne, stężony roztwór wodny krzemianu sodowego Na2SiO3 - stosowany do impregnacji przeciwogniowych, do wyrobu kitów i apretur, a także do konserwacji jaj;

Wodny roztwór kwasu cytrynowego – stosowany do wyrobu napojów o smaku cytrynowym, często stosowany zamiast octu do różnego rodzaju potraw;

Wodny roztwór kwasu mrówkowego – stosowany jako lek przeciwreumatyczny

Uwagi końcowe

Na zakończenie należy zaznaczyć, że przedstawione wcześniej przykłady zastosowania roztworów wodnych w życiu, nie wyczerpują całej listy jaką można byłoby przytoczyć. Są to jedynie przykłady, z którymi spotykamy się najczęściej w naszym codziennym życiu. Należy również przypomnieć, że większość reakcji chemicznych przebiega w roztworach i w większości przypadków, są to właśnie roztwory wodne.

Literatura

1. M.J. Sienko, R.A. Plane , Chemia, podstawy i zastosowania, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne,
Warszawa 1999 r. ;

2. K.M. Pazdro, Podstawy chemii, Oficyna Edukacyjna * Krzysztof Pazdro, Warszawa 1993 r.;

3. Jerzy Chodkowski- red. naukowy, Słownik chemiczny, Warszawa 1982 r.;

4. Z. Drobkowska, K.M. Pazdro, Szkolny poradnik chemiczny, WsiP, Warszawa 1986;

5. J. Pawlaczy, Powtórka z chemii dla kandydatów na studia w akademiach medycznych, Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, Warszawa, 1981;

6. Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich- chemia, pod red. J. Deles, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1990;