W jesienne wieczory nie ma nic lepszego niż ciepły kocyk, świetna literatura oraz kubek rozgrzewającej, świeżo zaparzonej herbatki. Aby przygotować taki napój wlewamy do czajnika wodę z kranu i rozpoczynamy proces jej gotowania… W ciągu tych kilku minut, zanim woda osiągnie temperaturę wrzenia zapewne zastanawiasz się – skąd na grzałce oraz na ściankach naczynia z czasem zbiera się tak dużo białego osadu?

Jest to tzw. kamień kotłowy – zwykle mieszanina węglanu wapnia (CaCO₃) oraz wodorotlenku magnezu – Mg(OH)₂. Są to najczęściej spotykane związki chemiczne, powstałe w wyniku procesów biegnących podczas gotowania tzw. twardej wody. Aby wyjaśnić sposób ich powstawania, najpierw przypomnijmy – czym jest twarda woda oraz jakie rozróżniamy typy jej twardości. Pamiętaj, że to zagadnienie obowiązuje Cię na maturze z chemii!

O wodzie twardej mówimy wtedy, gdy stężenie jonów Ca²⁺ oraz Mg²⁺, a czasem Fe²⁺ oraz  Mn²⁺ jest stosunkowo wysokie. Jony te występują wtedy zwykle w postaci dobrze rozpuszczalnych w wodzie soli. W zależności od tego, jakiego rodzaju są to sole, rozróżnia się dwie kategorie twardości wody. Pierwszą z nich jest twardość trwała. Oznacza to, że woda bogata jest wtedy w chlorki oraz siarczany(VI) wspomnianych metali. Przegotowanie takiego roztworu w czajniku niestety nie pozbawi go opisanych jonów metali, a tym bardziej anionów chlorkowych oraz siarczanowych(VI).

Z drugim typem twardości wody mamy do czynienia, gdy zawierać ona będzie opisane jony głównie w postaci dobrze rozpuszczalnych wodorowęglanów. Jest to tzw. twardość przemijająca, a tego typu twarda woda zawierać będzie rozpuszczone w niej sole: Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, Fe(HCO₃)₂, Ca(HCO₃)₂. Z uwagi na to, że kationy żelaza(II) oraz manganu(II) występują w śladowych ilościach, skupimy się jedynie na jonach wapnia oraz magnezu.

Aby zrozumienie problemu stało się łatwiejsze, najpierw przypomnimy czym jest iloczyn rozpuszczalności K_so. Jest to wielkość opisująca równowagę dynamiczną, jaka ustala się między osadem trudno rozpuszczalnej substancji, a jej nasyconym roztworem. Iloczyn rozpuszczalności ma wartość stałą w danej temperaturze i nie zależy od stężeń. Jeśli w twardej wodzie znajduje się wodorowęglan wapnia, wówczas podczas gotowania takiego roztworu przebiegać będzie reakcja chemiczna:

Ca²⁺ + 2HCO₃^– → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Podczas przebiegu opisanej przemiany powstaje tlenek węgla(IV). Wiemy, że rozpuszczalność gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury, dlatego powstający CO₂ praktycznie natychmiast opuszcza środowisko reakcji. Im więcej wodorowęglanu wapnia ulegnie rozkładowi, oraz im więcej dwutlenku węgla „ucieknie” z roztworu, tym więcej jonów Ca²⁺ oraz CO₃^2– pojawi się w fazie wodnej. Są to warunki sprzyjające przekroczeniu iloczynu rozpuszczalności węglanu wapnia. W układzie, między stałym CaCO₃, a jego roztworem nasyconym (powstałym w wyniku rozpuszczenia się części CaCO₃ w wodzie) ustala się wtedy równowaga dynamiczna:

CaCO_3(s)  ⇄ Ca²⁺_(aq) + CO₃^2–_(aq),

którą opisuje stała równowagi (iloczyn rozpuszczalności) w postaci: K_so = [Ca²⁺]∙[CO₃^2–].

Z równowagi tej wynika, że jeśli zwiększymy stężenie któregokolwiek z jonów Ca²⁺_(aq) lub(i) CO₃^2–, wówczas nastąpi wytrącenie się osadu CaCO₃, ponieważ zgodnie z regułą przekory, równowaga reakcji

CaCO_3(s)  ⇄ Ca²⁺_(aq) + CO₃^2–_(aq)

przesunie się w lewą stronę. W taki właśnie sposób jako składnik kamienia kotłowego powstaje węglan wapnia. Jak już wspomnieliśmy, w twardej wodzie (gdy rozpatrujemy twardość przemijającą) znajduje się również rozpuszczony wodorowęglan magnezu, czyli Mg(HCO₃)₂. Jeśli będziemy ogrzewać opisany roztwór i doprowadzimy do dostatecznie wysokiej temperatury, to wówczas najpierw przebiegnie reakcja chemiczna (pełny zapis jonowy jest tu celowy):

Mg²⁺ + 2HCO₃^– → Mg²⁺ + CO₃^2– + CO₂ + H₂O

Zwróć uwagę, że w tym przypadku nie powstaje osad węglanu magnezu! Dlaczego? O tym za chwilę, ponieważ jest to związane z kolejną reakcją chemiczną – hydrolizą anionową pojawiających się w roztworze jonów węglanowych:

CO₃^2– + H₂O ⇄ HCO₃^– + OH^–

Jak widzisz, roztwór staje się coraz bardziej alkaliczny, ponieważ wzrasta w nim stężenie jonów wodorotlenkowych (OH^–). Nie jest to jakiś spektakularny wzrost pH, ale dostatecznie wysoki, aby strącił się osad wodorotlenku magnezu:

Mg²⁺ + 2OH^– → Mg(OH)₂

Sumaryczne równanie procesu przebiegającego podczas gotowania twardej wody, zawierającej rozpuszczony w niej Mg(HCO₃)₂ można zapisać w uproszczeniu jako:

Mg(HCO₃)₂ → Mg(OH)₂ + 2CO₂

Od tej chwili będziemy już rozważać sytuację po ostudzeniu układu do temperatury 25 ^oC. Dla takich warunków dysponujemy danymi na temat stałych równowag w tablicach CKE.

No dobrze, ale dlaczego powstaje wodorotlenek magnezu, a nie węglan, skoro oba te związki chemiczne są trudno rozpuszczalne w wodzie? Z pomocą ponownie przychodzi iloczyn rozpuszczalności, przy czym nie będziemy porównywać wartości iloczynów rozpuszczalności MgCO₃ oraz Mg(OH)₂, lecz ich rozpuszczalności molowe, czyli stężenia molowe nasyconych roztworów. Dlaczego? Ponieważ w przypadku tych substancji chemicznych 1 mol każdej z nich zbudowany jest z różnej liczby moli jonów.

Zapiszmy procesy równowagowe jakie ustalają się między osadami tych związków oraz ich nasyconymi roztworami:

MgCO_3(s)  ⇄ Mg²⁺_(aq) + CO₃^2–_(aq) oraz K_so = 6,82∙10^–6 = [Mg²⁺]∙[CO₃^2–]

Mg(OH)_2(s)  ⇄ Mg²⁺_(aq) + 2OH^–_(aq) oraz K_so = 5,61∙10^–12 = [Mg²⁺]∙[OH^–]²

Najpierw rozpatrzmy sól – węglan magnezu. Ta część opisanej substancji, jaka rozpuści się w wodzie ulegnie w niej całkowicie dysocjacji elektrolitycznej:

MgCO_3(aq) → Mg²⁺_(aq) + CO₃^2–_(aq)

Jeśli przez X oznaczymy  stężenie molowe MgCO₃ w nasyconym roztworze, wówczas stężenie jonów Mg²⁺ oraz CO₃^2– będzie takie samo jak soli, co wynika ze stechiometrii procesu dysocjacji, stąd w wyrażeniu K_so za stężenia każdego z jonów podstawiamy X i rozwiązujemy równanie:

6,82∙10^–6 = X∙X

zatem stężenie molowe nasyconego roztworu MgCO₃ wyniesie X = 2,61∙10^–3 mol∙dm^–3.

Teraz zajmiemy się policzeniem rozpuszczalności molowej wodorotlenku magnezu. Z równania dysocjacji tego związku chemicznego

Mg(OH)_2(aq) → Mg²⁺_(aq) + 2OH^–_(aq)

wynika, że stężenie molowe jonów Mg²⁺ jest takie samo jak stężenie X nasyconego roztworu wodorotlenku, natomiast stężenie molowe jonów OH^– jest dwukrotnie wyższe (2X). Wówczas wyrażenie K_so przyjmie postać:

5,61∙10^–12 = X∙(2X)²

zatem stężenie molowe nasyconego roztworu Mg(OH)₂ wyniesie X = 1,12∙10^–4 mol∙dm^–3.

Z wykonanych obliczeń wynika, że węglan magnezu jest związkiem ponad 23-krotnie lepiej rozpuszczalnym w wodzie niż wodorotlenek magnezu, dlatego to właśnie osad Mg(OH)₂ pojawia się w kamieniu kotłowym zamiast osadu MgCO₃. Podsumowując – składnikami kamienia kotłowego będą zatem głównie węglan wapnia CaCO₃ oraz wodorotlenek magnezu Mg(OH)₂. Jakie są skutki wynikające z powstawania tych substancji na elementach grzewczych? Cóż, o tym napiszę osobny artykuł, ale myślę, że od tej chwili zupełnie inaczej spojrzysz na gotującą się w czajniku wodę…