Подробно о воде — химия водно-солевых процессов

фото: hdwallpapersrocks.com

Мы решили разобраться, что же такое вода и как она взаимодействует с растворенными в ней солями с научной точки зрения. Возможно статья покажется сложной для понимания сходу. Но мы думаем, что знание и понимание химических процессов в воде — важная составляющая в работе бариста.

Статья написана в форме «Вопрос ­— Ответ». Надеемся это облегчит понимание и усваиваемость материала. Начнём?..

Что происходит при растворении минеральной соли?

Сначала разберёмся, что такое минеральная соль. Это соединение двух минеральных ионов, то есть химических компонентов, которые естественным образом образовались в земной коре, но не в результате жизнедеятельности организмов. Примеры минеральных солей — поваренная соль (хлорид натрия NaCl) и магнезия (сульфат магния MgSO4).

Что происходит с солями в воде рассмотрим на примере NaCl. Как только поваренная соль попадает в воду, она тут же превращается в набор положительно и отрицательно заряженных ионов: катионов Na+ и анионов Cl–. То есть в растворе соединение хлорид натрия исчезает, поскольку распадается на составляющие.

Соль — это вещество или набор ионов?

Все минеральные соли в сухом состоянии — это вещества. Атомы, которые их составляют, связаны ионной связью. Это особый тип электростатического взаимодействия, заставляющий ионы натрия и хлора «слипаться», и образовывать соль, у которой нет заряда как такового. Разорвать ионные связи в сухом веществе не так-то просто. Но всё же способ есть — добавить воду. В жидкой среде ионы моментально обретают заряд и распределяются по всему объёму жидкости. Этот процесс называется диссоциацией.

Все ли соли диссоциируют?

Нет, далеко не все. Например, карбонат кальция, который является основой для известняка и мела, не диссоциирует. Он смешивается с водой, делая её мутной, но его молекулы на ионы не распадаются. А при нагреве такой суспензии он осаждается на стенках ёмкости, образуя накипь.

Ионы в воде плавают свободно или прикрепляются к молекулам H₂O?

В молекуле воды каждый водород имеет слабый положительный заряд, поэтому к нему начинают «липнуть» ионы с отрицательным зарядом. Такое взаимодействие называется водородной связью, она очень слабая и легко рвётся, но и возникает без усилий. В результате раствор соли напоминает вечеринку: ион Cl– «поболтал» с одним водородом, потом с другим, третьим и так без конца. Поэтому в стакане солёной воды происходит свободное перемещение заряженных частиц.

Что такое «валентность» и как она влияет на состав вещества?

Состояние каждого атома зависят от того, есть ли у него свободные электроны. Возьмём кальций. Если у него полный комплект электронов, то он спокоен и никаких связей не образует. Зачем ему это беспокойство, если и так всё на месте? Но если забрать у кальция два электрона, то из безмятежного атома он становится деятельным ионом Ca²+, который стремится восполнить потерю. А для того чтобы привести хлор в такое же состояние, он должен обзавестись лишним электроном и стать Cl–.

Вот этот избыток или недостаток называется валентностью, то есть способностью образовывать связи с другими ионами. Один электрон — одна связь, то есть ион одновалентен, если два электрона, то двухвалентен.

В результате Ca²+, чтобы прийти в состояние покоя, нужно присоединить к себе два хлорид-иона Cl–. При их встрече получится CaCl₂. У магния валентность тоже равна двум, поэтому его хлорид будет иметь вид  MgCl₂. А натрий может потерять только один электрон и образовать только одну связь, поэтому с хлором он образует NaCl.

Когда вода вымывает магний и кальций из коренных пород, входят ли эти элементы в воду как просто Mg²+ и Ca²+ или они сразу же связываются с каким-то другим элементом?

В земной коре магний и кальций встречаются только в виде минеральных солей, например, карбоната кальция или сульфата магния. Но если вода добирается до них, то растворённые соли диссоциируют на катионы Mg2+, Ca2+ и анионы СO32- и SO42-. В таком виде они будут существовать до тех пор, пока:

• вода не начнёт испаряться и из ионов снова образуются соли;
• в раствор не попадут анионы с которыми магний и кальций образуют нерастворимые соединения.

Отличается ли «2» в Mg²+ от «2» в H₂O?

Да, отличаются. Числа, записанные вверху, обозначают сколько связей способен образовать ион, а числа внизу — количество атомов в данном соединении. Запись Mg²+ рассказывает, что магний способен присоединить два электрона, а запись H₂O — что в молекуле воды два атома водорода.

Имеет ли постоянная жёсткость воды какое-то значение для образования накипи в эспрессо-машине?

Накипь образуется, когда в кипящей воде гидрокарбонат кальция (растворимая соль) преобразуется в карбонат кальция (нерастворимую соль), которая осаждается на нагревательных элементах. Количество гидрокарбоната — это временная жёсткость, поскольку она уходит во время кипячения.

Постоянная жёсткость — это количество сульфатов и хлоридов магния и кальция в сырой воде. При кипячении они не осаждаются, то есть не участвуют в образовании накипи.

Что означает термин «энергия связи»?

Этот термин обозначает прочность химической связи: чем больше энергия, тем сложнее разорвать связь.

Химик Кристофер Хендон в ходе исследований влияния жёсткости воды на экстракцию веществ из молотого кофе выяснил, что ионы кальция и магния делают процесс более интенсивным. Дело в том, что они образуют с ароматическими соединениями прочную связь, энергия которой выше той, что удерживает эти соединения на поверхности частиц зёрен. В результате вкус напитка получается более интенсивным.

Должно ли измерение минерализации раствора (TDS) равняться измерению общей жёсткости (GH)?

Жёсткость обычно выражается в эквивалентах кальция. Это означает предположение, что все ионы в воде — это кальций, эквивалент — это один ион. Такая единица измерения была введена для упрощения расчётов.

В случае если в растворе поровну хлоридов магния и кальция, то TDS и GH будут незначительно отличаться, потому что при расчёте GH будет обрабатывать все катионы, как если бы они были кальцием, тогда как TDS должен учитывать размеры ионов (ион магния несколько меньше иона кальция).

Но в воде присутствуют и другие соли, которые не вносят вклад в образование жёсткости воды, например, поваренная соль. Однако, при подсчёте общей минерализации они учитываются. В этом случае показания TDS и GH будут существенно различаться.

Можно ли измерить постоянную жёсткость воды, если есть значения общей жёсткости (GH) и карбонатной жёсткости?

Можно. Надо вычесть карбонатную жёсткость из общей.

При этом надо иметь в виду, что карбонатная жёсткость — это не степень минерализации воды, это мера буферного потенциала, создаваемого отрицательно заряженными ионами.

Как катион H+ связывается ближайшей молекулой H₂O? Образует ли он собственную ионную связь с кислородом этой молекулы?

В воде кислород и водород связаны ковалентной связью. Это значит, что атомы не забирают друг у друга электроны, а делят их, в результате чего электроны курсируют между ними. Поскольку молекула H₂O имеет треугольную форму, электроны сконцентрированы в центре треугольника, при этом водороды получают слабый положительный заряд, а кислород — слабый отрицательный. Благодаря этому между частями соседних молекул возникают водородные связи — их попросту притягивает друг к другу. Но полноценной ионной связи между ними возникнуть не может.

Комментарии

Пожалуйста авторизируйтесь или создайте учетную запись перед тем как написать отзыв