Чи розчиняється кисень у воді

§ 8. Розчинність речовин у воді. Залежність розчинності від різних чинників

Розчинність речовин у воді. Здатність речовин розчинятися у воді або якомусь іншому розчиннику називають розчинністю.

Вода — найбільш універсальний розчинник.

Розчинність речовин не є безмежною. За розчинністю у воді речовини можна поділити на три групи (схема 9): практично нерозчинні (наприклад, аргентум(І) хлорид — 0,0015 г/л), малорозчинні (гіпс — 2 г/л) і добре розчинні (цукор — 2000 г/л).

Відповідно до кількості розчиненої речовини розчини можуть бути ненасичені, насичені й пересичені.

Розчин, у якому речовина більше не розчиняється за даної температури й постійного тиску, називають насиченим, а розчин, у якому ще може розчинитися додаткова кількість даної речовини, — ненасиченим.

Щоб приготувати насичений розчин, треба у воду за даної температури додавати, безперервно перемішуючи, речовину, поки не утвориться осад, тобто надлишок речовини залишиться нерозчиненим.

Наприклад, насичений розчин натрій хлориду (кухонної солі) за кімнатної температури утворюється в результаті розчинення в 100 г води 36 г солі. Якщо додати ще деяку кількість солі, то більше в цьому розчині вона не розчинятиметься, а перебуватиме на дні у вигляді осаду (рис. 15).

Рис. 15. Насичений розчин

Однак під час нагрівання суміші солі з водою до 100 °С у 100 г води може розчинитися 39,8 г солі. У результаті охолодження цього розчину надлишок солі не завжди випадає в осад. Такі розчини називають пересиченими. Вони є дуже нестійкими, і з них може самовільно виділятися розчинена речовина.

Якщо в пересичений розчин внести кристалік цієї речовини, то на його поверхні починається стрімка кристалізація: надлишкова кількість розчиненої речовини виділяється у вигляді кристалів. Унаслідок цього пересичений розчин перетворюється на насичений. Часто кристалізація починається навіть від легкого струшування пересиченого розчину.

Демонстраційний дослід

Приготування пересиченого розчину натрій етаноату

Розтирають у фарфоровій ступці натрій етаноат дигідрат CH₃COONa · 2H₂O до порошкоподібного стану. Наповнюють цим порошком пробірку на 3/4 її об'єму та додають дві краплини води. Закріплюють пробірку в штативі та нагрівають на водяній бані до повного розчинення солі. Виймають пробірку, закріплену в штативі, з водяної бані й охолоджують на повітрі. Труть скляною паличкою внутрішню стінку пробірки: спостерігають кристалізацію солі з пересиченого розчину.

Кількісно розчинність характеризують коефіцієнтом розчинності — відношенням маси розчиненої речовини, яка міститься в її насиченому розчині за даної температури, до 100 г розчинника.

Коефіцієнт розчинності позначають k_s (де s — це початкова буква англійського слова solution — розчин).

Якщо розчинником служить вода, можна записати так:

Через те що густина води дорівнює 1 г/мл, замість маси 100 г можна використовувати 100 мл.

Коефіцієнт розчинності найчастіше вимірюють у г/л.

Коли йдеться про розчинність речовини, завжди треба вказувати температуру. Наприклад, коефіцієнт розчинності натрій хлориду за температури 20 °С дорівнює 0,36. Це означає, що 36 г цієї солі розчиняються в 100 мл (100 г) води, утворюючи насичений розчин за температури 20 °С. Якщо ж за цих умов розчинити натрій хлорид масою 20 г, то такий розчин буде ненасиченим, оскільки в ньому за вказаної температури може розчинитися ще 16 г цієї речовини.

Розчинність газів визначають об'ємом газу, який може розчинитися в 1 л розчинника за певної температури.

Розчинність твердих речовин у воді часто визначають за температури 20 °С та об'єму води 100 мл.

Вплив різних чинників на процес розчинення. Розчинність у воді більшості речовин залежить від багатьох чинників.

• Залежність від температури. Розчинність більшості твердих і рідких речовин з підвищенням температури зростає.

Графічно залежність розчинності від температури виражають так званими кривими розчинності (рис. 16). За цими кривими можна визначити розчинність речовини за різних значень температури, вибравши певну точку. Наприклад, розчинність калій нітрату за температури 60 °С становить 120 г на 100 г води.

Рис. 16. Криві розчинності деяких солей у воді

Але температурна залежність розчинності різних речовин не однакова. Так, розчинність калій хлориду з підвищенням температури зростає досить сильно, а натрій хлориду — незначною мірою, розчинність же кальцій гідроксиду взагалі знижується (табл. 1).

Розчинність гашеного вапна у воді за різних температур

Температура, °С

Погляньте

Розчинений у воді кисень належить до найважливіших фізико-хімічних показників, які впливають на екологічний стан водних екосистем. Він є одним із найбільш потужних природних окислювачів. Його вміст у великій мірі визначає якість води завдяки інтенсифікації процесів самоочищення, фізико-хімічної трансформації й гідробіологічного кругообігу речовин.

Розчинений кисень знаходиться в природній воді у вигляді молекул O₂.

На його вміст у воді впливають дві групи протилежно спрямованих процесів: одні збільшують концентрацію кисню, інші зменшують її. До першої групи процесів, що збагачують воду киснем, варто віднести:

‒ процес абсорбції кисню з атмосфери;

‒ виділення кисню водяною рослинністю в процесі фотосинтезу;

‒ надходження до водойм з дощовими і сніговими водами, що звичайно пересичені киснем.

Абсорбція кисню з атмосфери відбувається на поверхні водного об'єкта. Швидкість цього процесу підвищується зі зниженням температури, з підвищенням тиску і зниженням мінералізації. Аерація - збагачення глибинних шарів води киснем - відбувається внаслідок перемішування водних мас, у тому числі вітрової, вертикальної температурної циркуляції тощо.

Фотосинтетичне виділення кисню відбувається при асиміляції діоксиду вуглецю водною рослинністю (прикріпленими, плаваючими рослинами і фітопланктоном). Процес фотосинтезу протікає тим інтенсивніше, чим вищими є температура води, інтенсивність сонячного освітлення і концентрація біогенних речовин (P, N і ін.) у воді. Продукування кисню відбувається в поверхневому освітленому шарі водойми, глибина якого залежить від прозорості води (для кожної водойми і сезону може коливатись від декількох сантиметрів до декількох десятків метрів).

До групи процесів, що зменшують вміст кисню у воді, відносяться реакції споживання його на окислювання органічних речовин:

• біологічне (дихання організмів),



• біохімічне (дихання бактерій, витрата кисню при розкладанні органічних речовин),



• хімічне (окислювання Fe2+, Mn2+, NO2-, NH4+, CH4, H2S).

Швидкість споживання кисню збільшується з підвищенням температури, кількості бактерій та інших водних організмів і речовин, що піддаються хімічному і біохімічному окисленню. Крім того, зменшення вмісту кисню в воді може відбуватися в процесі виділення його в атмосферу з поверхневих шарів і тільки в тому випадку, якщо вода за даної температури і тиску виявиться пересиченою киснем.

У поверхневих водах вміст розчиненого кисню варіює в широких межах - від 0 до 14 мг/дм3 - і схильний до сезонних та добових коливань. Добові коливання залежать від інтенсивності процесів його продукування і споживання, сягаючи до 2,5 мг/дм3 розчиненого кисню. У зимовий і літній періоди розподіл кисню носить характер стратифікації. Дефіцит кисню частіше спостерігається у водних об'єктах із високими концентраціями забруднюючих органічних речовин та в евтрофованих водоймах, що містять велику кількість біогенних і гумусових речовин.

Концентрація кисню визначає розмір окисно-відновного потенціалу і значною мірою напрямок і швидкість процесів хімічного і біохімічного окислення органічних і неорганічних сполук. Тобто, кисневий режим має суттєвий вплив на життя водойми. Мінімальний вміст розчиненого кисню, що забезпечує нормальний розвиток риб, складає близько 5 мг/дм3. Зниження його до 2 мг/дм3 викликає масову загибель (замор) риби. Несприятливо позначається на стані водного населення і пересичення води киснем у результаті процесів фотосинтезу за недостатньо інтенсивного перемішуванні шарів води.

Як свідчать результати досліджень вітчизняних вчених (В.І. Осадчий, Н.М. Осадча), максимальний вміст кисню (12-14 мг/дм3) у водоймах України спостерігається в період, що передує льодоставу, на фоні поступового зниження температури. Останнє, з одного боку, призводить до збільшення розчинності кисню, а з іншого - до уповільнення процесів окиснення органічних речовин. У цей час у водному середовищі не накопичується значної кількості іонів амонію, наявність яких потребує значної кількості кисню для їх нітрифікації. Протягом зимової межені, внаслідок перевищення витратної частини балансу газу над прибутковою, вміст розчиненого кисню поступово зменшується.

Навесні, з початком розвитку фітопланктону кількість розчиненого кисню зростає до 10-12 мг/дм3. Однак, подальше збільшення температури води, яка максимально досягає 22-25 ºС, призводить до зменшення розчинності кисню. Не зважаючи на розвиток фітопланктону, у червні концентрація розчиненого кисню досягає мінімальних за рік значень – 3,5-4,0 мг/дм3. У літній період у воді збільшується кількість органічних речовин, на окиснення яких активно витрачається розчинений кисень.

Відповідно нормативних вимог до складу і властивостей води водойм пунктів питного і санітарного водокористування вміст розчиненого кисню в пробі, відібраної до 12 годин дня, не повинен бути нижчим 4 мг/дм3 у будь-який період року; для водойм рибогосподарського призначення концентрація розчиненого у воді кисню не повинна бути нижчою 4 мг/дм3 у зимовий період (при льодоставі) і 6 мг/дм3 - у літній.

У рибоводній практиці прийнято, що оптимальний рівень кисню для живлення та росту лососевих риб (за температури 16-19 ºС) становить 9,4-10 мг/дм3; осетрових (20-26 ºС) – 8,3-9,2 мг/дм3; коропових (27-30 ºС) – 7,1-8,4 мг/дм3.

Визначення кисню в поверхневих водах входить до обов’язкової програми спостережень з метою оцінки умов існування гідробіонтів, у тому числі риб, а також як непряма характеристика оцінки якості поверхневих вод і регулювання процесу очищення стоків. Оскільки, вміст розчиненого кисню є принципово важливим для аеробного дихання, він вважається індикатором біологічної активності (тобто фотосинтезу) у водоймі.

Вміст кисню у водоймах з різним ступенем забруднення

Відносний вміст кисню в воді, виражений у відсотках його нормального вмісту, називається ступенем насичення киснем. Ця величина залежить від температури води, атмосферного тиску і солоності.

Так, для нормального кисневого режиму характерним є те, що у холодний період року вода недонасичена киснем, а у теплий період спостерігається незначне перенасичення води О2.

Згідно даних наших вчених, лише в чотирьох річкових басейнах України спостерігається стабільний кисневий режим, при якому вміст кисню не залежить від температури води. Це басейни Дунаю (р. Веча та р.Черемош), Дністра (р. Дністер, р. Бистриця Надвірнянська, р. Бистриця Солотвинська, р. Лужанка, р. Свіча, р. Золота Липа), Дніпра (р. Псел, р. Десна, р. Трубіж, р. Стохід, р. Ірпінь, р. Хорол) й Південного Бугу (р. Південний Буг (на відтинку м. Первомайськ – смт Нова Одеса), р. Інгул, р. Кодима, р. Савранка, р. Синюха, Уманка). Коливання вмісту кисню протягом року в цих річках не перевищує 0,5-1,0 мг/дм3.

Режим недостатнього насичення характеризується недонасиченням води киснем протягом усього року. Вказаний режим відзначається у всіх основних річкових басейнах України: басейн Сіверського Дінця; басейн Дунаю – нижня частина Дунаю; басейн Дністра – р. Тисмениця; басейн Дніпра – рр. Інгулець, Мокра Московка, Сула, Удай, Конка, Остер, Каховське водосховище; у басейні Західного Бугу – р. Західний Буг на відтинку м. Буськ – м. Сокаль, р. Полтва; басейн Південного Бугу – р. Південний Буг на відтинку м. Хмельницький – м. Хмельник, рр. Бужок, Чорний Ташлик; водні об’єкти Криму – Північно-Кримський канал; річки Приазов’я – Булавин, Кальчик, Кальміус, Кринка, Міус.

Зниження концентрації кисню в воді супроводжується активізацією процесів денітрифікації і сірководневого бродіння, збільшенням розчинності органічних речовин донних відкладів, підвищенням рухомості заліза, мангану, силіцію і інших елементів. Все це різко погіршує органолептичні показники якості води і гігієнічний стан водойми.

При забрудненні водойми пестицидами і промисловими стоками, які містять сполуки, що легко окислюються, спостерігається різке зниження розчиненого кисню і при цьому ускладнюється визначення дійсного вмісту кисню у воді. Крім того, пестициди отруюють фотосинтезуючі організми, які насичують водойми киснем.

Таким чином, розчинений у воді кисень належить до найважливіших фізико-хімічних показників, які впливають на екологічний стан водних екосистем. Він є одним із найбільш потужних природних окислювачів. Його вміст у великій мірі визначає якість води завдяки інтенсифікації процесів самоочищення, фізико-хімічної трансформації й гідробіологічного кругообігу речовин.

При підготовці статті були використані матеріали:

1. Осадчий В.И., Осадча Н.М. Многолетняя динамика и внутригодовое распределение растворенного кислорода в поверхностных водах Украины // Матер. Третьої Всеукр. наук. конф. “Гідрологія, гідрохімія і гідро екологія. – К.: Ніка-центр, 2006. – С.122-123.

2. Гольд З. Г. Словарь терминов и понятий по водным экосистемам (биологическая структура, качество вод, охрана) : учеб.-метод. пособ. / З. Г. Гольд, И. И. Морозова. – Красноярск, 2004. – 94 с.

3. Романенко В. Д. Основи гідроекології / В. Д. Романенко. – Київ : Обереги, 2001. – 728 с.

§ 9. Розчинність речовин у воді

Ви вже знаєте, що у воді розчиняються різні речовини — тверді, рідкі й газуваті.

Здатність речовин переходити у розчин називається розчинністю.

За розчинністю у воді та інших розчинниках усі речовини поділяють на три групи: а) добре розчинні; б) малорозчинні; в) практично нерозчинні, останні часто називають просто нерозчинними (див. додаток). Однак пам'ятайте, що абсолютно нерозчинних речовин у природі немає. Якщо занурити у воду скляну паличку або кусочок срібла, то вони в мізерно малих кількостях розчинятимуться у воді. Саме тому вода, що була у контакті зі сріблом, майже не містить мікробів.

Скло, срібло, золото, олія, гас, чадний газ — приклади практично нерозчинних у воді речовин. До малорозчинних у воді речовин належать гіпс, кисень, азот. Багато речовин розчиняється у воді дуже добре, наприклад цукор, спирт, натрій гідроксид, сульфатна і нітратна кислоти. Отже, розчинність насамперед залежить від природи речовини.

Відомо, що добре розчиняються одна в одній подібні за властивостями речовини (емпіричне правило «подібне розчиняється в подібному»). Речовини, що складаються з полярних молекул, і речовини з йонним видом хімічного зв'язку добре розчиняються в полярних розчинниках (у воді, спирті, рідкому амоніаку), а неполярні речовини добре розчиняються в неполярних розчинниках (у бензині, сірковуглеці).

Звернімося до демонстраційних дослідів. У хімічний стакан наливаємо 100 мл води і вносимо туди натрій хлорид порціями по 5 г. Після внесення кожної порції перемішуємо вміст стакана скляною паличкою, щоб домогтися повного розчинення солі. Зверніть увагу, що перші 7 порцій, тобто 35 г NаCl, розчиняються повністю. З наступної порції розчиняється лише 1 г, а 4 г залишаються нерозчинними. Це означає, що за кімнатної температури (≈ 20 °С) в 100 мл води може розчинитися 36 г натрій хлориду NаCl.

Розчин, в якому певна речовина за певної температури більше не розчиняється, називається насиченим.

Розчин, в якому дана речовина ще може розчинятися, називається ненасиченим.

Для розчинності речовин має значення температура. Але яким чином вона впливає? Щоб відповісти на це запитання, проведемо досліди.

У пробірку наливаємо води приблизно на 1 /₄ її об'єму. Невеликими порціями вносимо у пробірку калій нітрат і обережно струшуємо вміст пробірки, щоб сіль повністю розчинилася. Добавляємо наступну порцію солі й т. д. Коли розчинення солі припиниться, обережно нагріваємо пробірку з розчином і нерозчиненим залишком солі. Час від часу пробірку треба струшувати. Що спостерігається? Вносимо у розчин ще трохи солі. Що відбувається?

Тепер пробірку з гарячим розчином солі зануримо в стакан з холодною водою. Що спостерігається? Чому це відбувається? Зробіть висновок.

Розчинність твердих речовин залежить від температури: з підвищенням температури вона зазвичай зростає. Щодо розчинності газів, то навпаки: їхня розчинність зростає зі зниженням температури і підвищенням тиску.

Кількісною характеристикою розчинності слугує вміст речовини в насиченому розчині. Зазвичай розчинність виражають у грамах на літр (г/л).

Залежність розчинності твердих речовин від температури зазвичай подають у вигляді графіків кривих розчинності (мал. 18).

Мал. 18. Криві розчинності

Для побудови таких кривих по осі абсцис відкладають температуру, а по осі ординат — розчинність речовини за цих температур. Графік показує, що зі зростанням температури розчинність переважної більшості кристалічних речовин збільшується, але не однаково для різних речовин. Як засвідчує мал. 18, внаслідок зміни температури від 0 до 100 °С розчинність калій нітрату KNO₃ зростає в багато разів, тоді як розчинність натрій хлориду NaCl зростає незначною мірою. Є деякі речовини, наприклад натрій сульфат Na₂SO₄, розчинність яких зі збільшенням температури до 40 °С зростає, а потім — зменшується.

Як ми переконалися, різні речовини розчиняються по-різному. В одних речовин розчинність дуже велика (за температури 20 °С в 1 л води може розчинитися цукор масою 2000 г), а в інших — незначна (за цих самих умов кальцій сульфат CaSO₄ розчиняється дуже мало — 2 г/л).

Якщо в певному об'ємі розчину міститься мало розчиненої речовини, то такий розчин називається розбавленим, а якщо багато — концентрованим.

Проте зовсім не обов'язково, щоб концентрований розчин був насиченим, а розбавлений — ненасиченим. Якщо, наприклад, в 1 л розчину міститься 1 кг цукру, то зрозуміло, що такий розчин є дуже концентрованим.

Але він ненасичений, бо розчинність цукру така велика, що він може ще розчинятися. Або якщо в 1 л розчину міститься лише 1,5 · 1 -4 г аргентум(І) хлориду AgCl і більше розчинятися не може, то такий розчин через погану розчинність AgCl буде вже насиченим, але дуже розбавленим.

• Здатність речовини розчинятись у певному розчиннику, наприклад у воді, називається розчинністю речовини в цьому розчиннику.

• За розчинністю речовини поділяють на добре розчинні, малорозчинні та практично нерозчинні.

• Розчинність залежить від природи речовини. Речовини з полярним ковалентним і йонним видом хімічного зв'язку розчиняються у полярних розчинниках (у воді). Неполярні речовини краще розчиняються в неполярних розчинниках.

• Розчинність залежить і від температури. Для переважної більшості кристалічних речовин із підвищенням температури розчинність збільшується, а для газів — зменшується.

• Розчинність речовин визначають із відношення маси речовини, що утворює насичений розчин за певної температури, до об'єму розчинника. Виражається розчинність у грамах на літр (г/л).

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Чому в гарячому чаї грудочка цукру розчиняється швидше, ніж у холодному?

2. Чому акваріум не можна заповнювати свіжою кип'яченою водою, а треба щоб вода відстоялася впродовж кількох днів?

3. Укажіть, що не впливає на розчинність карбон(IV) оксиду у воді:

• А швидкість пропускання газу



• Б температура



• В тиск



• Г хімічна взаємодія газу з водою

4. Поясніть, як можна перетворити: а) ненасичений розчин у насичений; б) насичений розчин у ненасичений.

Додаткові завдання

• 5. У 100 г води розчинили 90 г мідного купоросу. Яка масова частка безводної солі в добутому розчині?



• 6. До 250 г 5 %-го водного розчину натрій гідроксиду добавили 31 г натрій оксиду. Яка масова частка натрій гідроксиду в добутому розчині?



• 7. У воді масою 190 г розчинили залізний купорос FeSO₄ · 7H₂O масою 10 г. Яка масова частка безводного ферум(ІІ) сульфату в добутому розчині?