VlastnostPůsobení a význam vynikající rozpouštědlotransport živin a odpadů, umožňuje průběh biogeochemických procesů vysoká dielektrická konstanta vysoká.

Prezentace na téma: "VlastnostPůsobení a význam vynikající rozpouštědlotransport živin a odpadů, umožňuje průběh biogeochemických procesů vysoká dielektrická konstanta vysoká."— Transkript prezentace:

1 VlastnostPůsobení a význam vynikající rozpouštědlotransport živin a odpadů, umožňuje průběh biogeochemických procesů vysoká dielektrická konstanta vysoká rozpustnost iontových sloučenin vysoké povrchové napětíkontrolní faktor pro fyziologii; kapky a povrchy transparentní pro viditelné a blízké UV záření bezbarvá dovoluje fotosyntézu ve vodném prostředí největší hustota v kapalném stavu při 4 °C led plave, izolace od promrznutí, udržení stratifikace vysoké výparné teplourčuje režim přenosu vody mezi atmosférou a vodou vysoké teplo tánístabilizace teplotního režimu při promrzání vysoká tepelná kapacitastabilizace teplotních podmínek Fyzikální vlastnosti vody a jejich význam

2 Vodíkové můstky (hydrogen bonds)

3 Srovnání bodů varu podobných sloučenin prvků 4.-7. periody Anomální vlastnosti vody: bod varu

4 Anomální vlastnosti vody: hustota Maximum hustoty 4 0 C Důsledek: led má nižší hustotu než kapalná voda

5 Rozpustnost tuhých látek a kapalin Voda jako rozpouštědlo Voda je nejrozšířenější polární rozpouštědlo. Některé látky zůstávají po rozpuštění v původní molekulární formě, jiné – elektrolyty – disociují a rozpadají se ve vodném roztoku na ionty. Jedná se zejména o látky, které v tuhé fázi existují jako iontové krystaly: většina z nich je vodě velmi dobře rozpustná, tj. jejich rozpustnost je alespoň 0.1-1 mol/l. Rozpustnost iontových solí závisí na příslušném kationtu a aniontu, pro jednoduché soli lze při běžných teplotách použít jistá zobecněná pozorování. Platí také, že jejich rozpustnost s teplotou zpravidla roste (na rozdíl od rozpustnosti plynů).

6 Pravidla pro rozpustnost tuhých látek s iontovou strukturou Většina sodných, draselných a amonných solí jsou velmi dobře rozpustné; výjimkou je málo rozpustný KClO 4, který se používá k vysrážení draselného iontu z vodných roztoků. Dusičnany jsou vesměs dobře rozpustné. Uhličitany a fosfáty jsou zpravidla nerozpustné nebo málo rozpustné, s výjimkou sodných, draselných a amonných solí, které jsou velmi dobře rozpustné; fosforečnan hořečnato-amonný se používá k vysrážení hořčíku. Halogenidy jsou většinou velmi dobře rozpustné, s výjimkou halogenidů stříbra, olova a rtuti (mocenství I). PbCl 2 je slabě rozpustný, chloridy stříbra a rtuti (I) jsou téměř nerozpustné. Sírany jsou většinou dobře rozpustné, s výjimkou síranů vápníku, baria, stroncia, olova a rtuti (I), které jsou téměř nerozpustné. Síran stříbrný je slabě rozpustný. Sulfidy jsou zpravidla nerozpustné ve vodě.

7 Rozpustnost neiontových látek Rozpustnost se v tomto případě udává ve formě koncentrace ve vodném roztoku nebo se počítá z Henryho konstanty a tlaku nasycených par.

8 Rozpuštění jako chemická reakce Na proces rozpouštění lze pohlížet jako na chemickou reakci. Např. pro rozpouštění plynu A ve vodě jde o reakci Na tyto reakce se vztahují všechny termodynamické vztahy a kritéria, např. pro ně lze zapsat rovnovážnou konstantu K je rovnovážná konstanta reakce, a i je rovnovážná aktivita látky i, ν i stechiometrický koeficient látky i

9 Aktivita a standardní stavy Aktivita je definována jako podíl fugacity látky a fugacity ve (zvoleném) standardním stavu. Účelem aktivity je tedy vyjádřit odlišnost skutečného stavu látky od jejího zvoleného standardního stavu. Ten volíme tak, abychom látku ve standardním stavu dokázali pokud možno snadno a přesně popsat – a zároveň tak, aby nebyl příliš vzdálený skutečnému stavu látky (jinak by potřebná korekce – aktivita – byla příliš veliká). Standardní stavy proto volíme pro různé fáze různě. Např. pro plyny volíme jako standardní stav ideální plyn při teplotě systému a standardním tlaku p° = 101325 Pa. Aktivita je potom

10 Standardní stavy II Pro vodné roztoky volíme standardní stav roztoku při teplotě systému a jednotkové koncentraci: V případě tuhých iontových látek volíme standardní stav čisté látky při teplotě a tlaku systému, aktivita tuhé látky nebo kapaliny, pokud netvoří roztok, je tedy rovna 1.

11 Rovnovážná konstanta rozpouštěcích reakcí Rovnovážná konstanta reakce rozpouštění plynu A ve vodě je: Henryho konstanta je tedy jistou formou rovnovážné konstanty. U tuhé iontové látky, která se (neúplně) rozpouští ve vodě a přitom disociuje na ionty je rovnovážná konstanta (součin rozpustnosti):

12 Rozpouštění minerálů - příklady Vypočítejte molární rozpustnost AgCl ve vodě – rozpouštění probíhá podle reakce AgCl(s) --> Ag + + Cl -. Ze stechiometrické rovnice plyne že [Ag + ] = [Cl - ]. Protože K s = 1.76 x 10 -10 = [Ag + ][Cl - ] = [Ag + ] 2, [Ag + ] = 1.33 x 10 -5 a molární rozpustnost AgCl ve vodě je 1.33 x 10 -5 mol/l. Analýzou byla zjištěna koncentrace iontu Ca 2+ (aq) ve vodě, která je v kontaktu s fluoritem (CaF 2 ), rovna 3.32 x 10 -4 mol/l. Vypočítejte součin rozpustnosti CaF 2. Rovnovážná reakce je CaF 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2F - (aq) a K s = [Ca 2+ ][F - ] 2. Při rozpuštění 1 molu CaF 2 vzniká 1 mol Ca 2+ a 2 moly F -. Tudíž [F - ] = 2[Ca 2+ ] K s = [Ca 2+ ](2[Ca 2+ ]) 2 ; K s = (3.32 x 10 -4 )(6.64 x 10 -4 ) 2 = 1.46 x 10 -10.

13 Rozpouštění plynů spojené s chemickou reakcí: CO 2 ve vodě Rozpouštění odpovídá reakci (1): pro kterou použijeme Henryho zákon (H = 0.034 mol/(l·bar) = 29.41·10 5 Pa·l/mol, v atmosféře je 0.038% CO 2 ): Ve vodě, která je v rovnováze se vzduchem vzniká kyselina uhličitá podle reakce (2) s rovnovážnou konstantou K 2 :

14 CO 2 ve vodě II Kyselina uhličitá disociuje na hydrogenuhličitan, reakce (3) a dále na uhličitan, reakce (4): Kromě toho je třeba uvažovat autoprotolýzu vody, reakce (5): Všechny uvedené hodnoty disociačních konstant odpovídají 25°C.

15 CO 2 ve vodě III Rozpouštění CO 2 ve vodě a např. výpočet pH (tj. koncentrace iontů H + ) vyžaduje řešení soustavy rovnic (1)-(5). Rovnice (4) a (5) lze ovšem v případě otevřeného systému (v rovnováze s atmosférou) zanedbat a řešení se zjednoduší: pH vody v rovnováze s atmosférou (vodní plochy na nevápencovém podloží, atmosférická vlhkost) je tedy kolem 5.6. Dešťové kapky mají ve skutečnosti pH o něco vyšší (kolem 6), protože se rovnováha nestačí ustavit.

16 CO 2 ve vodě – závislost na tlaku Množství rozpuštěného CO 2 ve vodě bez jiných vlivů závisí, jak je patrné z výše uvedeného postupu, pouze na parciálním tlaku CO 2. Pokud je tento tlak vyšší, může být množství rozpuštěného CO 2 vyšší i mnohonásobně oproti volné vodě. Příklady: v hloubkách, ať již v podzemní vodě nebo v oceánech - k atmosférickému tlaku se přičte hydrostatický tlak ve vodě se zelenými rostlinami, které produkují CO 2 a ten se jen pomalu uvolňuje z jejich povrchu – v tomto případě jde vlastně o důsledek nerovnovážného stavu v sycených nápojích

17 CO 2 ve vodě – závislost na pH Pokud je pH vody ovlivněno přítomností kyselých nebo zásaditých látek, ve výpočtu je fixována hodnota c(H + ) a dopočítávají se koncentrace ostatních složek. Jejich relativní zastoupení v roztoku při různých hodnotách pH ukazuje následující graf: Celkové množství rozpuštěného CO 2 se tedy s pH zvyšuje.

18 Rozpouštění vápence V přítomnosti vápence k systému rovnic (1)-(5) přistupuje další rovnováha, vyjádřená rovnicí (6): Rozmezí u součinu rozpustnosti naznačuje, že rozpustnost závisí na mineralogické formě vápence (kalcit, aragonit, dolomit atd.) Řešení soustavy rovnic (1)- (6) je funkcí parciálního tlaku CO 2 a pH, rozpustnost vápence (vyjádřená např. pro volné ionty Ca 2+ ) na těchto veličinách závisí velmi výrazně. Minimální rozpustnost v otevřeném systému se pohybuje kolem 0.3 mmol/l Ca 2+.

19 10 −12 12.05.19 × 10 −3 10 −10 11.31.12 × 10 −3 10 −8 10.72.55 × 10 −4 10 −6 9.831.20 × 10 −4 10 −4 8.623.16 × 10 −4 3. 8 × 10 −4 8.274.70 × 10 −4 10 −3 7.966.62 × 10 −4 10 −2 7.301.42 × 10 −3 10 −1 6.633.05 × 10 −3 15.966.58 × 10 −3 105.301.42 × 10 −2 Rozpouštění vápence II Rozpustnost vápence v závislosti na parciálním tlaku CO 2 a na pH. p(CO 2 ) pH c(Ca 2+ ) mol/l