Книги по аквариумистике

И. Г. Хомченко, А. В. Трифонов, Б. Н. Разуваев. "Современный аквариум и химия". г. Москва, "Новая волна".

О ВОДЕ И ДРУГИХ ЭЛЕКТРОЛИТАХ

(часть 2)

Еще одно свойство воды, играющее важную роль в гидрохимии аквариума, — электролитическая диссоциация, т. е. распад молекул на заряженные частицы называемые ионами. При распаде одной молекулы воды образуется два иона; катион (положительно заряженный ион) водорода и анион (отрицательно заряженный ион) гидроксид: 

H₂O = H⁺ + OH⁻

Данный процесс является обратимым, т. е. протекает как в прямом, так и в обратном направлениях. В результате этого обратимого процесса устанавливается равновесное состояние. При равновесии число молекул, распадающихся на ионы, равно числу молекул, образующихся из ионов.

Вещества, распадающиеся на ионы, называются электролитами. К ним относится вода. В дальнейшем мы расскажем и о других электролитах.

Важно отметить, что распаду на ионы подвергается лишь небольшая часть молекул воды (этот электролит является слабым в отличие от сильных, у которых практически все молекулы распадаются на ионы). Известно, что при температуре 22^oС из 556 млн. молекул воды лишь одна находится в диссоциированном состоянии. Однако, учитывая малые размеры молекул и ионов, можно легко рассчитать, что в одном кубическом миллиметре воды содержится около 60 млрд. ионов H⁺ и столько же ионов ОН⁻. Это уже внушительное число. В связи с этим процесс диссоциации воды имеет важное значение в гидрохимических процессах.

Установлено, что в воде, а также в водных растворах различных веществ, произведение концентрации ионов водорода c(H⁺) (в моль/л) и концентрации гидроксид-ионов c(ОН⁻) есть величина постоянная. Мы будем обозначать эту величину K_E и называть ионным произведением воды: 

                                                         KE = c(H+) • c(ОН−)                                                                          (6)

Значение К_E  зависит от температуры. При температуре 22^оС  К_E = 10^{− 14}.  При переходе от чистой воды к водным растворам (в том числе и к аквариумной воде) значение К_E сохраняется. Если при растворении в воде каких—либо веществ увеличивается концентрация ионов водорода c(H⁺), то концентрация гидроксид-ионов c(ОН⁻) уменьшается до такого значения, чтобы произведение оставалось постоянным. Значение постоянной К_E используется в различных расчетах, связанных со свойствами аквариумной воды. С такими расчетами мы познакомимся в других разделах книги.

Кроме воды существует большое число веществ, относящихся к электролитам, т. е. диссоциирующих на ионы в водном растворе. К электролитам относятся кислоты (неорганические и органические), щелочи и соли.    www.adh.ru

При электролитической диссоциации кислот образуются ионы водорода и различные анионы (кислотные остатки), например:

Аналогично диссоциируют и некоторые органические кислоты:

Назовем еще некоторые распространенные кислоты, с которыми может встретиться аквариумист — любитель в своей практике.

Неорганические (минеральные) кислоты:

Органические кислоты:

Следующий тип электролитов — основания, при диссоциации которых образуются катионы металлов и гидроксид-анионы ОН‾. Важное практическое значение имеют хорошо растворимые в воде основания — щелочи: NaOH — гидроксид натрия и КОН — гидроксид калия. Вот, например, уравнение диссоциации КОН: 

К щелочам относится также водный раствор газа аммиака (иногда этот раствор называют гидроксидом аммония; медицинское название — нашатырный спирт), формулу которого записывают как NH₃ • H₂O или МН₄ОН:

Наконец, еще одну группу электролитов составляют соли. При диссоциации солей образуются катионы металлов (или аммония) и анионы кислотных остатков. Например, всем хорошо известный хлорид натрия (обычная поваренная соль):

Другой пример — Fe₂(SO₄)₃ — сульфат железа (III) (цифра в скобках указывает степень окисления железа, в которой оно входит в состав соединения):

Чтобы ориентироваться в многообразии солей, многие из которых используются в аквариумной технике, надо знать их названия, которые даются по аниону (кислотному остатку), входящему в состав соли. Такие названия приведены в табл. 3. В этой же таблице приводятся устаревшие названия, которые не используются в современной литературе, однако применяются в торговых организациях и встречаются на упаковках химических реактивов.

Кроме обычных (так называемых средних) существуют и другие типы солей. Например, кислые соли, которые диссоциируют как соль и кислота. К таким солям относится гидрокарбонат натрия NaHCO₃ (питьевая сода):

Важную роль в гидрохимии аквариума играют гидрокарбонат кальция Ca(HCO₃)₂ и гидрокарбонат магния Mg(HCO₃)₂, о которых мы будем подробно говорить в дальнейшем.

Некоторые кислоты (фосфорная и др.) образуют два типа кислых солей: K₂HPO₄— гидрофосфат калия и KH₂PO₄— дигидрофосфат калия.

Таблица 3  Названия наиболее распространенных анионов и солей

Аквариумист  может встретиться с двойными солями, например, с алюмокалиевыми квасцами (сульфатом калия-алюминия) KAl(SO₄)₂, при диссоциации которых образуются катионы двух металлов:

KAl(SO₄)₂ = K⁺ + А1³⁺ + 2SO₄²⁻

Наконец, надо сказать еще об одной разновидности солей. Это — кристаллогидраты, вещества, удерживающие воду в твердом состоянии. Многие читатели наверняка знакомы с таким соединением как медный купорос. Он относится к кристаллогидратам: CuSO₄ • 5H₂O (точка в формуле означает химическое соединение воды с солью). При растворении, вода отщепляется от сульфата меди (II), и он диссоциирует на ионы как обычная соль:

CuSO₄ = Cu²⁺ + SO₄²⁻

При нагревании кристаллогидратов вода отщепляется от них:

Многие вещества (не только соли, но и некоторые кислоты) чаще встречаются в виде кристаллогидратов. При использовании этих соединений для приготовления растворов многие делают ошибку в расчетах, не учитывая воду, входящую в состав вещества. Как надо правильно делать расчёт, мы покажем на примере.

Пример. Для приготовления раствора требуется 12 г сульфата меди (II) CuSO₄. Рассчитайте массу кристаллогидрата CuSO₄ • 5H₂O, который может заменить требуемый сульфат меди (II).

Решение. Рассчитываем молярную массу сульфата меди (II):  

M_r(CuSO₄) = A_r(Cu) + A_r(S) + 4A_r(O);           M_r(CuSO₄) = 64 + 32 + 4 • 16= 160.

Молярная мacca равна: M(CuSO₄) = 160 г/моль. Для кристаллогидрата CuSO₄ • 5H₂O(кр) получаем:

M_r(кр) = M_r(CuSO₄) + 5 • M_r(H₂O);              M_r(кр) = 160 + 5 • 18 = 250.

Следовательно, молярная масса кристаллогидрата будет равна: M_r(кр) = 250 г/моль.

Массу требуемого кристаллогидрата можно рассчитать, используя соотношение:  

Отсюда получаем:  

Таким образом, для приготовления раствора вместо 12 г CuSO₄ необходимо взять 18,75 г CuSO₄ • 5H₂O.  При этом надо учесть, что воды в качестве растворителя надо взять меньше на 18,75 г — 12 г = 6,75 г.

При использовании различных электролитов в качестве добавок в аквариумную воду (также при изготовлении лечебных растворов, удобрений и других растворов) необходимо знать растворимость веществ в воде. Растворимость можно определить по справочникам, а в простейших случаях удобно пользоваться таблицей растворимости солей и оснований в воде (табл. 4).

Анализируя табл. 4, следует обратить внимание на вещества, напротив которых стоит символ «н» (практически нерастворимые). Не следует понимать, что эти вещества вообще не растворяются в воде. Рассмотрим, например, сульфат свинца PbSO₄, относящийся к группе малорастворимых соединений. Действительно, если вы возьмете достаточно концентрированные растворы хорошо растворимых солей Pb(NO₃)₂ и Na₂SO₄ и сольете вместе, то образуется осадок, состоящий из сульфата свинца:

Pb(NO₃)₂ + Na₂SO₄ = PbSO₄↓ + 2NaNO₃

Однако небольшая часть PbSO₄ остается в растворе: в 100 мл воды может растворяться 4,55 мг этой соли — достаточно, чтобы оказывать существенное влияние на обитателей аквариума и гидрохимические процессы в нем.

Таблица 4   Растворимость солей и оснований в воде

  Примечание:  р — растворимое вещество (в 100 г воды более 1 г вещества), м — мало растворимое вещество (в 100 г воды растворяется от 0,1 г до 1 г вещества), н — практически нерастворимое вещество (в 100 г воды растворяется менее 0,1 г вещества). Символ «-» означает, что вещество не существует или разлагается водой.

Растворяясь в очень небольшой степени, малорастворимые (и «практически нерастворимые») вещества быстро образуют насыщенный раствор и практически полностью диссоциируют на ионы. Для характеристики растворимости таких веществ используется величина, называемая произведением растворимости (ПР), которая представляет собой произведение концентраций ионов (в моль/л) в насыщенном растворе данной соли. Например, для хлорида свинца РbС1₂ (РbС1₂ = Рb²⁺ + 2Cl^‾‾) произведение растворимости запишется так:

ПР(РbCl₂) = c(Рb²⁺, нас) • c(Cl^‾‾, нас)

где c(Рb²⁺, нас) и c(Cl^‾‾, нас) — концентрации ионов в моль/л в насыщенном растворе РbCl₂.

Оказывается, что при данной температуре произведение растворимости малорастворимого электролита есть постоянная величина. Значения ПР ряда веществ, соответствующие температурным условиям аквариума (20—25°C), приведены в табл. 5.

Таблица 5   Произведение растворимости и растворимость солей и оснований в воде

С помощью произведения растворимости решается такой вопрос, как возможность образования осадка, Например, если в растворе создать концентрацию ионов Рb²⁺ и Cl‾ такую, что будет выполняться условие c(Рb²⁺, нас.) • c(Cl‾, нас.) > ПР(РbCl₂), то соль РbCl₂ будет выпадать в осадок. Если c(Рb²⁺, нас.) • c(Cl‾, нас.,) < ПР(РbCl₂), то осадок соли выпадать не будет.

Рассмотрим еще один пример из аквариумной практики. Для хорошего роста некоторых водных растений надо создать в аквариумной воде концентрацию ионов железа 0,2 мг/л, что соответствует молярной концентрации ионов 3,57 • 10‾ ⁷ моль/л. Каким соединением железа воспользоваться для этого: сульфатом железа (II) FeSO₄ или сульфатом железа (III) Fe₂(SO₄)₃? Здесь надо учитывать возможность образования в сильно разбавленном растворе гидроксидов Fe(OH)₂ и Fe(ОН)з и выпадения их в осадок.

В воде, как мы уже отмечали, справедливо следующее соотношение (ионное произведение воды):

c(H⁺) • c(ОН‾) = 10‾ ¹⁴.

причем, из уравнения диссоциации воды H₂O = H⁺ + ОН‾ следует, что c(H⁺) = c(ОН‾). Получаем c(ОН‾) = (10‾ ¹⁴)^1/2 = 10‾ ⁷ моль/л — такова концентрация гидроксид-ионов в воде.

Теперь предположим, что мы внесли в воду FeSO₄ в таком количестве, что концентрация ионов Fe²⁺ стала равной 3,57 • 10‾ ⁷ моль/л (что необходимо для подкормки растений). Найдем произведение:

c(Fe²⁺) • [c(OH‾)]² = 3,57 • 10‾ ⁶ • (10‾ ⁷)² = 3,57 • 10‾ ²⁰ < ПР [Fe(ОН)₂],

следовательно, гидроксид не будет выпадать в осадок. Если вместо FeSO₄ воспользоваться сульфатом железа (III) Fe₂(SO₄)₃, то для Fe(OH)₃ мы получим:

c(Fe²⁺) • [c(OH‾)]³ = 3,57 • 10‾ ⁶ • (10‾ ⁷)³ =  3,57 • 10‾ ²⁷ > ПР[Fe(ОН)₃],

 т. е. будет выпадать в осадок гидроксид Fe(OH)₃, и требуемая концентрация ионов железа в растворе не может быть достигнута. Таким образом, на основании представления о произведении растворимости мы смогли сделать вывод о том, какую соль железа лучше использовать для удобрения аквариумных растений.