Rozpuszczalnością substancji nazywamy maksymalną jej ilość, jaką można rozpuścić w danej ilości rozpuszczalnika, w pewnych ściśle określonych warunkach ciśnienia i temperatury. Roztwór, w którym niemożliwe jest już rozpuszczenie większej ilości substancji np. siarczanu(VI) baru w warunkach takich nazywa się roztworem nasyconym. Jeśli do opisanego układu wprowadzi się kolejne porcje BaSO₄, to po wstrząśnięciu zawartością naczynia uzyskamy układ heterogeniczny zwany zawiesiną. Między pozostałym (nierozpuszczonym) osadem – cząstkami substancji stałej, a nasyconym roztworem substancji ustala się równowaga dynamiczna, którą opisuje wielkość zwana iloczynem rozpuszczalności (K_so).

Tyle teorii. W jaki sposób można udowodnić, że trudno, czy wręcz praktycznie nierozpuszczalny w wodzie jonowy związek chemiczny ulega dysocjacji elektrolitycznej na jony? Najlepiej jest oczywiście wykonać eksperyment. Jako przedmiot badań wykorzystamy bardzo popularną substancję chemiczną jaką jest wodorotlenek wapnia. W 100 gramach wody, w temperaturze 20 ^oC rozpuszcza się go zaledwie 160 mg (W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013). Spróbujmy ustalić, jakie pH może mieć nasycony roztwór tej substancji, który zwyczajowo nazywa się wodą wapienną.

Ponieważ rozpuszczalność wodorotlenku jest bardzo niewielka, możemy przyjąć, że wspomniany roztwór będzie miał gęstość praktycznie równą gęstości wody. Obliczmy zatem jego stężenie molowe. Najpierw określamy liczbę moli Ca(OH)₂ jaka odpowiada 160 mg (czyli 0,16 g) wodorotlenku:

n = 0,16 g : 74 g∙mol^–1 = 2,16∙10^–3 mola

Masa nasyconego roztworu wynosi 100 g + 0,16 g = 100,16 g

Objętość takiego roztworu wynosi 100,16 g : 1 g∙cm^–3 = 100,16 cm³ = 0,10016 dm³

Stężenie molowe roztworu wody wapiennej: C_m = 2,16∙10^–3 mola : 0,10016 dm³ = 0,02156 mol∙dm^–3

Wiadomo, że wodorotlenek wapnia jest mocną zasadą, która w wodzie ulega dysocjacji elektrolitycznej zgodnie z równaniem:

Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH^–

Z równania dysocjacji wynika, że stężenie molowe jonów wodorotlenkowych jest dwukrotnie większe od stężenia roztworu wody wapiennej, a zatem wynosi:

[OH^–] = 2∙0,02156 mol∙dm^–3 = 0,04312 mol∙dm^–3

Obliczmy wartość pOH tego roztworu:

-log[OH^–] = -log[0,04312] = 1,36

Sumaryczna wartość pH i pOH w temperaturze 20 ^oC wynosi 14,15 (W. Ufnalski, Równowagi jonowe, Warszawa 2004). Możemy zatem obliczyć pH nasyconego roztworu wodorotlenku wapnia wykonując działanie:

14,15 – 1,36 = 12,79

Z wykonanych obliczeń wynika, że jest to roztwór silnie zasadowy (pH około 12,8). Aby to sprawdzić doświadczalnie, wystarczy wprowadzić do niego kilka kropli alkoholowego roztworu fenoloftaleiny, której zakres wskaźnikowy (zakres pH zmiany barwy) to 8,2 – 10. Poniżej pH = 8,2, wodne roztwory zawierające fenoloftaleinę są bezbarwne. W zakresie pH od 8,2 do 10 natomiast roztwory stają się coraz to bardziej różowe, a powyżej pH równego 10 roztwory mają intensywnie różowe zabarwienie. Nie wyznaczymy oczywiście w ten sposób dokładnej wartości pH roztworu wody wapiennej, lecz tylko udowodnimy, że odczyn takiego roztworu jest (silnie) zasadowy. Jak to wygląda w praktyce? Trzy poniższe fotografie ilustrują mieszaninę wodorotlenku wapnia z wodą.

1. Bezpośrednio po przygotowaniu. Widzimy, że układ jest zawiesiną, tzw. mlekiem wapiennym.

2. Po 5 minutach. Faza wodna wygląda na bardziej klarowną, niż bezpośrednio po przygotowaniu mieszaniny. Nadmiar osadu wodorotlenku, który się nie rozpuścił w wodzie opadł na dno naczynia, co widzimy jako biały osad. Roztwór nad osadem jest roztworem nasyconym i nazywamy go wodą wapienną.

3. Po dodaniu kilku kropli alkoholowego roztworu fenoloftaleiny obserwujemy pojawienie się różowego zabarwienia fazy wodnej.

Na szczególną uwagę zasługuje fotografia nr 3. Pojawienie się różowego zabarwienia fazy wodnej świadczy bowiem o tym, że pH roztworu jest wyższe niż 10. Stężenie jonów wodorotlenkowych w roztworze jest zatem bardzo wysokie, co uzyskaliśmy w wyniku wprowadzenia do układu mocnej zasady – Ca(OH)₂. Pomimo, że znacząca jej ilość nie rozpuściła się w wodzie, to jednak ta część, która znalazła się w fazie wodnej musiała ulec dysocjacji elektrolitycznej, skoro stężenie jonów wodorotlenkowych było na tyle wysokie, aby barwa roztworu stała się intensywnie różowa.

Reasumując – pomimo, że wodorotlenek wapnia jest związkiem trudno rozpuszczalnym w wodzie, to jednak ulega on dysocjacji elektrolitycznej na jony.

No dobrze. W takim razie „jak pisać na maturze”?

Generalnie w równaniach reakcji zapisujemy taką postać danej substancji, jaka DOMINUJE w WARUNKACH PROWADZONEGO PROCESU. Bardzo często wiele zależy również od kontekstu zadania. Jeśli na przykład pytanie jest o zapis jonowy procesu, który powoduje pojawienie się różowego zabarwienia wody wapiennej, to chodzi o równanie dysocjacji elektrolitycznej wodorotlenku wapnia: Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH^–.

Inny przykład pochodzi wprost z próbnego arkusza CKE (marzec 2021):

Do dwóch zlewek zawierających jednakowe objętości wody o temperaturze t = 20 °C dodano:

– do zlewki I – próbkę metalicznego magnezu

– do zlewki II – próbkę metalicznego wapnia.

Tylko w jednej zlewce zaobserwowano objawy reakcji chemicznej.

Napisz w formie jonowej równanie reakcji zachodzącej podczas opisanego doświadczenia.

Odpowiedź w tym przypadku będzie następująca: Ca + 2H₂O → Ca²⁺ + 2OH^– + H₂

W treści polecenia pojawiła się fraza „Napisz w formie jonowej”, co jest sugestią, że mamy do czynienia z układem, w którym powstały produkt musi zostać zapisany w formie zdysocjowanej – powstaje po prostu woda wapienna. Po prostu żadna inna substancja znajdująca się w opisanych warunkach w układzie nie ulega dysocjacji elektrolitycznej na jony.

 

Spodobał Ci się ten artykuł? Polub mój fanpage na Facebooku oraz na Instagramie, aby nie ominęły Cię żadne nowości.

© dr inż. Rafał Szczypiński, wszelkie prawa zastrzeżone