Vanduo, tirpumas ir vandens kietumas

Vanduo, tirpumas ir vandens kietumas

Mokymosi tikslai

• Vandens molekulės poliškumu ir vandeniliniais ryšiais aiškinti tirpimo reiškinius.
• Iš tirpumo duomenų apskaičiuoti sočiojo tirpalo sudėtį ir kristalizacijos masę.
• Atskirti laikinąjį ir nuolatinį vandens kietumą bei jų mažinimo būdus.
• Taikyti EDTA ir metalo jonų santykį kietumo titravimo skaičiavimuose.

Sąvokos

Hidratacija, tirpumas, sotusis tirpalas, persotintas tirpalas, kristalizacija, vandens kietumas, hidrokarbonatas, jonų mainai, kompleksometrinis titravimas, EDTA.

Vandens molekulė yra kampinė ir polinė. Tarp molekulių susidarantys vandeniliniai ryšiai lemia daug išskirtinių fizikinių savybių, o poliškumas padeda vandeniui tirpinti jonines ir daugelį polinių medžiagų.

Prisimink

Tirpstant joniniam kristalui vandens molekulės hidratuoja jonus: O atomo dalinis neigiamas krūvis orientuojasi į katijoną, H atomų daliniai teigiami krūviai – į anijoną. Tirpimas priklauso nuo gardelės suardymo ir naujų tirpiklio–tirpinio sąveikų energetinio balanso.

Sotieji, nesotieji ir persotinti tirpalai

• Nesotusis tirpalas nurodytoje temperatūroje dar gali ištirpinti tirpinio.
• Sotusis tirpalas yra dinaminėje pusiausvyroje su neištirpusiu tirpiniu.
• Persotintas tirpalas turi daugiau ištirpusios medžiagos, nei atitinka pusiausvyros tirpumas; jis metastabilus, todėl kristalizaciją gali sukelti kristalo užuomazga ar sujudinimas.

Tirpumas paprastai nurodomas gramais medžiagos $100\ \mathrm{g}$ vandens konkrečioje temperatūroje. Jo negalima painioti su masės dalimi visame tirpale.

Išspręstas pavyzdys

Druskos tirpumas $80\ ^\circ\mathrm{C}$ temperatūroje yra $60\ \mathrm{g}/100\ \mathrm{g\ H_2O}$, o $20\ ^\circ\mathrm{C}$ – $25\ \mathrm{g}/100\ \mathrm{g\ H_2O}$. Atšaldžius sotų tirpalą, kuriame yra $200\ \mathrm{g}$ vandens:

$m_{\text{ištirpę,80}}=2\cdot60=120\ \mathrm{g},$

$m_{\text{ištirpę,20}}=2\cdot25=50\ \mathrm{g}.$

Jei vanduo neišgaravo, išsikristalizuoja $120-50=70\ \mathrm{g}$ druskos.

Vandens kietumas

Kietumą daugiausia lemia $\ce{Ca^{2+}}$ ir $\ce{Mg^{2+}}$ jonai. Laikinasis (karbonatinis) kietumas siejamas su hidrokarbonatais; virinant gali susidaryti nuosėdos:

$\ce{Ca(HCO3)2(aq) -> CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)}.$

Nekarbonatinį kietumą lemia, pavyzdžiui, kalcio ir magnio sulfatai ar chloridai; vien virinimas jo patikimai nepašalina. Jonų mainų dervos gali pakeisti $\ce{Ca^{2+}}$ ir $\ce{Mg^{2+}}$ kitais jonais.

Kietumo nustatymas EDTA

EDTA sudaro kompleksą su metalo jonais santykiu $1:1$. Titravimui reikia tinkamo buferio ir indikatoriaus; ekvivalentiniame taške sunaudotas EDTA medžiagos kiekis atitinka bendrą pagal metodą titruojamų metalo jonų kiekį. Rezultatą dažnai perskaičiuoja į sutartinius vienetus, todėl būtina naudoti užduotyje pateiktą perskaičiavimo taisyklę.

Tyrimo kokybė ir sauga

Mėginiai turi būti vienodo tūrio, biuretė praskalauta titrantu, piltuvėlis prieš titruojant išimtas, o titrantas ties pabaiga leidžiamas lašais. Pakartok titravimą iki artimų rezultatų. EDTA ir indikatorius nėra geriami ar liečiami; naudok akinius ir po darbo sutvarkyk atliekas pagal laboratorijos nurodymus.

Dažnos klaidos

• Tirpumo reikšmė taikoma $100\ \mathrm{g}$ tirpalo, nors lentelė ją pateikia $100\ \mathrm{g}$ vandens.
• Aušinant neįvertinamas išgaravęs vanduo, nors sąlygoje jis nurodytas.
• Bet koks kietumas vadinamas laikinu ir laikomas pašalinamu virinant.
• Vandens poliškumas aiškinamas vien poliniais ryšiais, neatsižvelgiant į kampinę molekulės geometriją.

Pasitikrink

1. Kuo sotusis tirpalas skiriasi nuo persotintojo?
2. Kodėl $\ce{Ca^{2+}}$ vandenyje apsupa vandens molekulių O atomų pusė?
3. Kokiu moliniu santykiu EDTA kompleksiškai suriša $\ce{Ca^{2+}}$?

Oficialūs šaltiniai

• SRC-BP-V1269 – Chemijos bendroji programa, IV gimnazijos klasė, vanduo, tirpumas ir kietumas.
• SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus Bendrosios programos atvaizdavimas eMokykloje.
• SRC-IR-2025 – III–IV gimnazijos klasių įgyvendinimo rekomendacijos; naudota tirpumo skaičiavimams ir titravimo tyrimui.

Santrauka

Tirpumas priklauso nuo medžiagos, tirpiklio ir temperatūros. Tirpumo kreivė leidžia apskaičiuoti kristalizaciją, o vandens kietumą reikia sieti su konkrečiais jonais ir pasirinkti tinkamą nustatymo bei šalinimo metodą.