О воде и других электролитах

(часть 1)

Главное в аквариуме — это вода. Вода выполняет множество функций. Это среда обитания водных животных, растений, микроорганизмов; растворитель и источник питательных веществ для них. Вода участвует в обмене веществ, происходящем в живых организмах и во многих других процессах.

Вода — одно из наиболее распространенных веществ на Земле. Все водные ресурсы нашей Планеты образуют так называемую гидросферу, в состав которой входят океаны, моря, реки, озера, болота, ледники, снега, подземные воды. На долю гидросферы приходится более 75% площади поверхности Земли (заметим, что пресноводные реки и озера занимают приблизительно 1,7%). По оценкам специалистов масса всей воды на Земле составляет 1,5- 10¹⁹ тонн. Если всю эту воду равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то образуется океан глубиной 3 км.

Вода — вещество, обладающее очень интересными свойствами и имеющее достаточно сложную структуру. Некоторые свойства воды настолько необычны, что в литературе обычно говорится об аномалиях этого вещества, обусловленных его строением.

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (водяной пар). Вода замерзает, превращаясь в лед, при температуре 0°C. При температуре 100°C и нормальном давлении (1 атм.) вода кипит и переходит в пар. С этими крайними пределами состояния воды аквариумисты не встречаются. Обычно температура воды в домашнем водоеме +20° — + 28°С. При содержании холодноводных рыб температуру можно опускать до +8° -  + 16°C, а при разведении или лечении рыб — поднимать до + 30° — + 35°С.

Рыбы не любят резких колебаний температуры воды: если их переводят из одного температурного режима в другой, то желательно, чтобы повышение температуры было не более, чем на 2°C в сутки, а понижение — на 1^оС.

Важное физическое свойство любого вещества — это его плотность. Обычно эту величину обозначают символом ρ, а единицами измерения являются кг/л (кг/дм³), г/мл (г/см³), г/л. Плотность воды зависит от ее температуры. Так, при 0°C она равна 0,99984 г/мл, при 20°C — 0,99820 г/мл, а при 100°C — 0,95835 г/мл. При температурах, близких к аквариумным условиям, в различных расчетах обычно округляют значение плотности воды до 1 г/мл.

Химическое строение воды достаточно простое: молекула состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, ее химическую формулу обычно записывают так: H₂O. Однако, вода имеет целый ряд особенностей, аномалий физических свойств, которые делают это простое вещество очень сложным.

Одна из важнейших особенностей воды (и в то же время,— одна из ее аномалий) заключается в том, что

вода при обычных условиях Земли является жидкостью. Многие близкие по химическому строению вещества (например, сероводород H₂S) при этих условиях являются газами. Объяснить это свойство воды можно, если учесть строение ее частиц, показанное на рис. 1. Во-первых, молекула H₂O имеет угловое строение. Во-вторых, молекула воды полярна, т. е. имеющиеся в ней заряженные частицы (электроны) распределены неравномерно; вблизи атома кислорода преобладает отрицательный заряд (избыток электронов), а вблизи атомов водорода — положительный заряд (недостаток электронов). На рис. 1 полярный характер молекулы воды показан знаками «+» и «—». Разноименно заряженные части различных молекул воды притягиваются, возникают так называемые водородные связи, что показано на рис. 2 (водородные связи обозначены пунктиром). В результате такого взаимодействия образуются ассоциаты из молекул воды, формулу которых можно представить в виде (H₂O)_n, где п равно 1, 2, 3... При температуре 0°C значение n обычно равно 3, а при 4°C — 2. Ассоциаты полностью распадаются, лишь, когда вода переходит в пар. Прочные связи между молекулами обусловливают пребывание воды в жидком состоянии при обычных условиях, а также некоторые другие свойства этого вещества.

Рис.1. Строение молекулы воды

Рис.2. Водородные связи между молекулами воды

Важным свойством воды является ее способность растворять многие вещества, как неорганические (минеральные кислоты, щелочи, соли), так и органические (органические кислоты, спирты, фенолы, альдегиды и многие другие). Аквариумная вода представляет собой не что иное, как раствор большого числа веществ, как органического, так и неорганического происхождения. Аквариумистам следует уметь выражать количественный состав растворов, т. е. рассчитывать их концентрацию.

Один из наиболее распространенных способов выражения состава раствора — массовая доля растворенного вещества, которую принято обозначать буквой w. Массовая доля представляет собой отношение массы растворенного вещества m(р. в.) к массе раствора т. Обычно массовую долю выражают в процентах* и рассчитывают по формуле:

 

w =	m(р.в.) • 100	%	(1)
	m

* Устаревшее название массовой доли растворенного вещества, выраженной в процентах, — процентная концентрация, В настоящее время это понятие, также как и термины «процентный состав», «процентное содержание» в химической литературе не используются.

Что же показывает массовая доля? Например, известно, что массовая доля хлорида натрия NaCl в растворе составляет 3%. Это означает, что в 100 г раствора содержится 3 г NaCl и 97 г воды. Соответственно в 1 кг раствора содержится 30 г NaCl и 970 г воды.

В аквариумной практике часто приходится приготовлять растворы с определенной массовой долей (растворы лечебных препаратов, удобрений и др.). Приведем примеры расчетов.

Пример. Для лечения рыб нужно приготовить 500 г 1%-ного раствора перманганата калия KMnO₄. Сколько следует взять соли и воды?

Решение. Вначале узнаем плотность требуемого раствора, Плотности некоторых растворов с заданной концентрацией можно определить по справочной литературе (см., например: Лидии Р. А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Справочник по неорганической химии. М.: Химия, 1987. С. 253—274).

Если плотность неизвестна, а раствор достаточно разбавленный (как в данном примере), можно считать, что плотность раствора ρ приблизительно равна плотности воды, т. е. ρ = 1 г/мл. Тогда масса раствора будет равна произведению его объема V = 0,5 л = 500 мл на плотность:

m = V• ρ;	(2)
m = 500 мл • 1 г/мл = 500 г.,

Используя формулу (1), рассчитаем массу перманганата калия, который потребуется для приготовления раствора:

M(KMnO4) =	w • m	;	m(KMnO4) =	1 • 500	= 5 г.
	100			100

Итак, для приготовления раствора надо взять 5 г перманганата калия.

Массу воды мы найдем, вычитая массу соли из массы всего раствора:

m(H₂O) = m — m(KMnO₄);

m(H₂O) = 500 г — 5 г = 495 г.

Учитывая, что плотность воды равна 1 г/мл, мы определяем: для приготовления заданного объема раствора надо взять 495 мл воды.

Более, сложный расчет надо провести в том случае, когда имеется более концентрированный раствор, из которого надо приготовить разбавленный раствор.

Пример. Имеется 30% — ный раствор соляной кислоты HCl. Требуется приготовить 100 мл 5%— ного раствора HCl. Определить, сколько для этого потребуется 30% —ной соляной кислоты и воды.

  Решение. По справочным таблицам определяем, что плотность 5%-ного раствора HCl равна 1,02 г/мл, а 30% —ного — 1,15 г/мл. Вначале вычисляем массу раствора, который надо приготовить, — m₂ (объем этого раствора V₂, плотность ρ₂, массовая доля HCl;— w₂).

m₂ = V₂ • ρ₂;        m₂ = 100 мл • 1,02 г/мл = 102 г.

Используя формулу (1), определяем массу соляной кислоты в 5% —ом растворе:

m(HCl) =	w2 • m2	;	m(HCl) =	5 • 102	= 5,1 г.
	100			100

Теперь вычисляем массу исходного раствора m₁, в котором содержится 5,1 г HCl (его объем -V₁, плотность — ρ₁; массовая доля HCl в этом растворе — w₁,):

m1 =	m(HCl) • 100	;	m1 =	5,1 • 100	= 17 г.
	w1			30

Зная плотность этого раствора, определяем его объем;

V1 =	m1	;	V1 =	17 г	= 14,8 мл.
	ρ1			1,15 г/мл

Массу воды, которая потребуется для разбавления 30% —ного раствора, определяем так:

m(H₂O) = m₂ — m₁;

m(H₂O) = 102 г — 17 г = 85 г.

Таким образом, для приготовления 100 мл 5%— ного раствора HCl надо взять 14,8 мл 30% —ного раствора HCl и прилить 85 мл воды.

На этом примере также видно, что при смешении растворов сумма объемов двух компонентов не равна объему приготовленного раствора. Этот факт установил и теоретически обосновал Д. И, Менделеев.

Другим распространенным в аквариумной литературе способом выражения состава раствора является массовая концентрация, которая показывает сколько граммов или миллиграммов растворенного вещества содержится в 1 л раствора. Обозначение массовой концентрации, которое мы будем использовать в книге — x. Для расчета можно использовать формулу:

x =	m(р.в.)		(3)
	V

где m(р. в) — масса растворенного вещества в г или мг.

Пример. Требуется приготовить 5л раствора лечебного препарата малахитового зеленого с концентрацией последнего 2 мг/л. Определите массу препарата, которую надо взять для приготовления раствора.

Решение. Используя формулу (3), получаем:

m(малах. зел) = x • V;

m(малах. зел) = 2 мг/л • 5 л = 10 мг.

Таким образом, чтобы приготовить требуемый раствор, надо взять посуду вместимостью 5 л (мерную колбу, мензурку, банку или аквариум с соответствующей отметкой), внести отвешенный малахитовый зеленый (10 мг), растворить его в небольшом количестве воды и довести объем раствора до 5 л.

В литературе по аквариумистике (особенно в изданной в США и Англии) часто используется единица концентрации, обозначенная буквами ррт (part per million — число частей из миллиона). Этот способ выражения состава раствора аналогичен массовой концентрации в мг/л. Например, 5 ррт = 5 мг/л.

Наконец, в некоторых расчетах, связанных с проведением химического анализа аквариумной воды, используется молярная концентрация c, которая показывает отношение количества растворенного вещества (в молях) n(р. в.)к общему объему раствора V:

c =	n(р.в.)		(4)
	V

Молярная концентрация измеряется в моль/л. Для обозначения этой единицы часто используется символ М, Например, 1М — одномолярный раствор. Это означает, что c = 1 моль/л.

Количество растворенного вещества в молях определяется как отношение его массы m(р, в.) к молярной массе M(р. в.):

n(р.в.) =	m(р.в.)		(5)
	M(р.в.)

Как пользоваться формулами (4) и (5), мы покажем на конкретном примере.

Пример. Рассчитайте массу щелочи NaOH (гидроксида натрия), которую нужно взять для приготовления 0,3 л раствора 0,5М NaOH.

Решение. Вначале надо рассчитать молярную массу NaOH. Для этого, пользуясь периодической системой элементов Д. И. Менделеева, находим атомные массы (A_r) натрия, кислорода и водорода и определяем молекулярную массу NaOH — M_r(NaOH):

M_r(NaOH) = A_r(М) + A_r(O) + A_r(H);    M_r(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40.

Молярная масса численно равна молекулярной, но выражается в г/моль, т. е. M(NaOH) = 40 г/моль.

Используя формулу (4), определяем количество вещества NaOH, который необходим для приготовления раствора:

n(NaOH) = c • V;      n(NaOH) = 0,5 моль/л • 0,3 л = 0,15 моль.

Теперь, зная молярную массу NaOH, находим массу требуемой щелочи по формуле (5):

n(NaOH) = n(NaOH) • M(NaOH);

n(NaOH) = 0,15 моль • 40 г/моль = 6г.

Следовательно, для приготовления раствора надо взять 6 г щелочи.

Мы привели лишь некоторые способы выражения состава растворов, а также несколько наиболее типичных и простых примеров расчетов. Если у аквариумистов возникнет необходимость более подробно ознакомиться с данным вопросом и рассмотреть более сложные расчеты, то следует использовать специальную литературу (например, Хомченко И. Г. Общая химия. М.: Новая Волна, 1997, с. 70—75; Хомченко И. Г. Сборник задач и упражнений по химии. М.: Высшая школа, 1989, с. 44—56),

Для характеристики воды как растворителя надо отметить такое свойство, как растворимость — способность веществ растворяться в воде. Есть вещества, которые могут растворяться в воде практически неограниченно, образуя смеси любого состава (например, этиловый спирт, серная кислота). Другие вещества, встречающиеся в аквариумной практике, обладают ограниченной растворимостью в воде. Растворимость количественно выражают через максимальную массу вещества (или объем газа), которая может содержаться в 100 г воды при данной температуре. Например, при 20°C в 100 г воды может раствориться 35,9 г хлорида натрия NaCl.

Растворимость твердых веществ, как правило, увеличивается с ростом температуры. Так, при 80°C в 100 г воды можно растворить уже 38,3 г хлорида натрия. Для некоторых веществ возрастание растворимости при увеличении температуры воды еще более резкое, При приготовлении растворов твердых веществ часто используют это явление: воду нагревают, растворение происходит быстрее.

Важную роль в гидрохимических процессах аквариума играют растворенные газы. В табл. 1 показана растворимость некоторых распространенных газов в воде. В отличие от твердых веществ, растворимость газов падает при увеличении температуры. В табл. 2 показано, например, как зависит растворимость кислорода в воде от температурных условий.

Аквариумисты часто сталкиваются с таким явлением: при увеличении температуры воды рыбам становится труднее дышать, они поднимаются к поверхности и заглатывают воздух. Это как раз и связано с уменьшением растворимости кислорода.

Таблица 1. Растворимость газов в 100 г воды при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°C

Газ	Химическая формула газа	Растворимость газа, мл
Азот	n2	1,5
Водород	H2	1,8
Кислород	O2	3,1
Метан	СН4	3,3
Углекислый газ	CO2	87,8
Хлор	Cl2	236

Таблица 2. Растворимость кислорода в 100 г воды при нормальном атмосферном давлений и различных температурах