Czy Ca(OH)2 dysocjuje?

Będzie trochę dłużej, ale się przyda pod rozwagę.
Czy woda dysocjuje? Tak, a z tej dysocjacji wynika jej pH, jak i skala pH. Równowagę procesu jej dysocjacji opisuje iloczyn jonowy wody.
Czy kwas octowy dysocjuje w wodzie? Tak, dlatego ocet ma smak kwaśny.
Czy kwas octowy dysocjuje w wodzie? Tak, dlatego ocet ma smak kwaśny.
Czy kwas octowy dysocjuje w wodzie? Tak, dlatego ocet ma smak kwasowy.
Czy amoniak dysocjuj w wodzie? Tak, dlatego woda amoniakalna ma odczyn zasadowy.
Czy wodorotlenek wapnia dysocjuje w wodzie? Tak, dlatego woda wapienna ma zasadowy odczyn.
Teraz zastanówmy się nad poszczególnymi kwestiami:

-skoro woda dysocjuje, to dlaczego zapisujemy ją np. w jonowym zapisie równań reakcji, jak hydrolizy soli, lub estrów itd. zapisujemy ją w postaci cząsteczkowej? Dlaczego piszemy H₂O, a nie reakcję z jonem pochodzącym z jej dysocjacji?

-skoro kwas octowy dysocjuje, to dlaczego w jonowym zapisie reakcji zobojętniania zapisujemy CH₃COOH + OH^- → CH₃COO^- + H₂O, zamiast H⁺ + OH^- → H₂O?

-skoro amoniak dysocjuje to dlaczego przy strącaniu wodorotlenków wodą amoniakalną zapisujemy np. Al³⁺ + 3NH₃+3H₂O → Al(OH)₃ + 3NH₄⁺ lub Al³⁺ + 3(NH₃*H₂O) → Al(OH)₃ + 3NH₄⁺

-skoro Ca(OH)₂ dysocjuje to dlaczego w reakcji tego wodorotlenku z kwasem solnym zapisujemy Ca(OH)₂ + 2H⁺ → Ca²⁺ + 2H₂O?

No właśnie. Dlaczego? Zauważmy, że choć woda dysocjuje, to jednak w stopniu bardzo małym – w 25 °C zaledwie jedna na ok. pół miliarda cząsteczek oddaje swój proton innej. W wodzie mamy więc przede wszystkim cząsteczki H₂O, stąd też zapisujemy ją w takiej postaci, bo woda to praktycznie same cząsteczki. Zauważmy, że kwas octowy czy amoniak także dysocjują w nieznacznym stopniu. W roztworach istnieją przede wszystkim wolne cząsteczki CH₃COOH czy NH₃, a nie produkty ich dysocjacji. Uwzględniamy więc, że w naszej mieszaninie reakcyjnej mamy przede wszystkim cząsteczki, a nie jony, i dlatego zapisujemy je w postaci cząsteczkowej, a nie zdysocjowanej. O dysocjacji mówimy w roztworach. Zauważmy, że NH₃ czy CH₃COOH są w wodzie dobrze rozpuszczalne, ale dysocjują nieznaczne To jest nasz pierwszy przypadek skrajny. Do drugiego zaraz dojdę.

Związki jonowe, takie jak NaCl są w wodzie całkowicie zdysocjowane. O tym, że coś jest zdysocjowane mówimy wtedy, gdy kationy i aniony są od siebie rozdzielone i poruszają się niezależnie od siebie. O dysocjacji mówimy więc w stanie stopionym, lub w roztworze. Np. w wodnym roztworze NaCl jest całkowicie zdysocjowany. Ale zauważmy, że o dysocjacji mówimy na podstawie tego, co dzieje się z NaCl w wodzie. Nie mówimy o kryształku soli kuchennej, że jest to zdysocjowany NaCl, a co najwyżej o jego jonowej budowie. W szkole przez kilka lat słyszymy, że NaCl w wodzie dysocjuje – jeśli wrzucimy do wody NaCl, to nam zdysocjuje. Przez kilka lat też słyszymy też, że „to nie dysocjuje, bo to osad”. Zarówno uczniowie, jak i część nauczycieli, posiłkuje się tabelą rozpuszczalności, by stwierdzić, czy coś dysocjuje.

Zauważmy, że w trzech poprzedni poruszonych przypadkach zapis w postaci niezdysocjowanej w żadnym razie nie oznacza, że to coś nie dysocjuje. Zapisując je w takiej postaci coś uwzględniamy po prostu. Zupełnie nie upoważnia nas to to do stwierdzenia, że substancja nie dysocjuje tylko dlatego, że nie rozbiliśmy jej na jony. Wiemy, że przecież dysocjują. Kwas octowy i amoniak dobrze się w wodzie rozpuszczają i dysocjują, ale dysocjują nieznacznie.

Weźmy taki Ca(OH)₂. Związek jonowy, w wodzie nieznacznie rozpuszczalny. Ale jako że to związek jonowy, to w wodzie jest zdysocjowany. Bo o dysocjacji mówimy w roztworze. Jednakże w przypadku związków jonowych w szkole rozpowszechniony jest błąd: MYLENIE DYSOCJACJI Z ROZPUSZCZALNOŚCIĄ. Po co o tym piszę? Bo drugim skrajnym przypadkiem jest, gdy coś dysocjuje całkowicie w wodzie, ale nieznacznie się rozpuszcza. Coś może się w wodzie rozpuszczać dobrze, a coś słabo. A to, czy w tej wodzie dysocjuje, to inna kwestia. O tym czy coś w wodzie dysocjuje mówimy wtedy, gdy patrzymy na to, co się dzieje z tym, co przeszło do wody, czyli się rozpuściło. A czy tego przeszło mało, czy dużo, to inna sprawa. Czyli mamy i rozpuszczalność, i dysocjację. Są to po prostu różne rzeczy.

Co więc chcę wyrazić zapisując:

Ca(OH)₂ + 2H⁺ → Ca²⁺ + 2H₂O lub Ca(OH)₂(s) + 2H⁺ → Ca²⁺ + 2H₂O

To, że roztwarzaniu poddałem ciało stałe, bo jest to związek słabo rozpuszczalny, więc jeśli chcę otrzymać CaCl₂, to sobie zaleję stały Ca(OH)₂ kwasem solnym – otrzymam roztwór CaCl₂, bo CaCl₂ jest w wodzie bardzo dobrze rozpuszczalny. Uwzględniłem, że miałem w mieszaninie ciało stałe, czyli niezdysocjowaną postać Ca(OH)₂. Ale mogę tę samą reakcję przeprowadzić w wodzie wapiennej, czyli roztworze Ca(OH)₂:

Ca²⁺ + 2OH^- + 2H⁺ → Ca²⁺ + 2H₂O

Tutaj związek ten jest rozbity na jony, bo przeprowadziłem reakcję w roztworze Ca(OH)₂ – a w wodzie jest mocnym elektrolitem. pH wody wapiennej to ok. 12,6 – wartość ta jest ograniczona rozpuszczalnością Ca(OH)₂. Stężenie wody wapiennej jest niskie, stąd otrzymywanie CaCl₂ przez zmieszanie wody wapiennej z kwasem solnym jest niepraktyczne – z 1 litra wody wapiennej otrzymałbym 2,5 g CaCl₂, czyli żeby otrzymać choć 25 g CaCl₂, trzeba by odparować wiadro roztworu poreakcyjnego. Dlatego wolę roztworzyć ciało stałe – wtedy czeka mnie odparowywanie kilkudziesięciu cm³ roztworu, żeby otrzymać 25 g CaCl₂. Mogę też otrzymywać wodorotlenek wapnia przez zmieszanie w stechiometrycznym stosunku roztworu CaCl₂ z zasadą sodową:

Ca²⁺ + 2Cl^- + 2Na⁺ + 2OH^- → Ca(OH)₂ + 2Na⁺ + 2Cl^-

Tym zapisem uwzględniłem, że Ca(OH)₂ się strącił – opuścił roztwór, a przynajmniej większość opuściła roztwór, bo przekroczyliśmy jego rozpuszczalność mieszając roztwory. Strącił się po prostu nadmiar, a pozostał roztwór nasycony. A ponieważ ma to związek z rozpuszczalnością, ale w żadnym razie nie ma to związku z jego dysocjacją, to odczyn roztworu poreakcyjnego jest zasadowy i ma pH ok. 12,6! Pomimo, że nie było nadmiaru zasady, to odczyn jest zdecydowanie zasadowy. Nawet w sytuacji niedomiaru zasady – będzie zasadowy. A jeśli użyć odpowiednio rozcieńczonych roztworów CaCl₂ i NaOH, to osad nie wytrąci się, czyli „reakcja nie zajdzie”, do czego wrócę później. Zobaczmy teraz do zadania 9 z testu diagnostycznego CKE z marca 2021.

Zauważmy, że możemy mieć roztwór Ca(OH)₂, który zresztą zwiemy wodą wapienną. I na tym się skupmy rozpatrując reakcję wapnia z wodą. W reakcji powstaje Ca(OH)₂. Ale związek ten rozpuszcza się nieznacznie w wodzie – podczas reakcji wapnia z wodą powstaje więc początkowo ROZTWÓR Ca(OH)₂ – woda wapienna (zobacz na filmie!). Dopiero gdy ilość powstałego Ca(OH)₂ spowoduje nasycenie roztworu – dalsze porcje Ca(OH)₂ tworzą biały osad, bo nie mogą się już w wodzie rozpuścić. Ale jeśli wrzucić wapń do odpowiednio dużej ilości wody – to ostatecznie otrzymamy roztwór, ale przejściowo może być i zawiesina. Wydaje się to absurdalne – mniejsza ilość Ca(OH)₂ utworzy zawiesinę, a większa da układ jednorodny? Tak. Uwzględnijmy teraz wszystko to, jak zachodzą reakcje chemiczne i wszystkie procesy: z pewną szybkością. Reakcja wapnia z wodą zachodzi na granicy faz, czyli na styku wapnia i wody. Początkowo cały produkt rozpuszcza się w wodzie. Ale oprócz tego, że reakcja zachodzi z pewną szybkością, to także dyfuzja jonów Ca²⁺ i OH^- w głąb roztworu, do całej jego objętości zachodzi z określoną szybkością, stąd w pobliży granicy faz szybko otrzymujemy roztwór nasycony, podczas gdy dalej od nich – nienasycony. Nasycenie roztworu przy granicy faz powoduje, że dalsze porcje wodorotlenku powstają w postaci stałych cząstek. Cząstki te poruszane ruchami Browna w głąb roztworu natrafiają na roztwór nienasycony i się rozpuszczają do momentu, aż w całej objętości cieczy dojdzie do nasycenia roztworu. Reakcję wapnia z wodą możemy podzielić na 3 etapy:

• Tworzenie się roztworu wodorotlenku wapnia,

• Przejściowe pojawianie się cząstek stałych (nasycanie roztworu w całej objętości)

• Pojawienie się trwałego osadu

Tę sytuację widać na załączonym filmie.

Jeśli ilość wody była odpowiednio duża, to wszystkie cząstki rozpuszczą się, nawet gdy cały wapń przereaguje. Przejściowego powstawania cząstek stałych można by uniknąć w sytuacji doskonałego wymieszania – powstający wodorotlenek musiałby od razu być rozproszony w całej objętości i w całej objętości jego stężenie byłoby identyczne i przyrastałoby równo w każdym punkcie roztworu. Niestety, ale układy doskonałe i krasnoludki to są tylko w bajkach. Ale przy intensywnym mieszaniu zawartości zlewki można przybliżyć do stanu doskonałego wymieszania i uniknąć formowania się cząstek.

Trudno oczekiwać, by uczniowie „czuli” jak przebiegają reakcje chemiczne, zwłaszcza, że wymaga się od nich tylko by umieli obliczyć szybkość reakcji, ale nie wymaga się by zdawali sobie sprawę z tego, co znaczy, że reakcja zachodzi z jakąś szybkością. Nie muszą sobie więc zdawać sprawy z tego, jak to będzie wyglądać w praktyce, ale muszą za to wiedzieć, czym jest woda wapienna, oraz że przecież możemy ją otrzymać w reakcji wapnia z wodą, tak samo jak w reakcji sodu z wodą otrzymujemy zasadę sodową, czyli roztwór NaOH w wodzie. W przypadku zadania 9 musimy uwzględnić, że 1) reakcja zachodzi z jakąś szybkością, co szczegółowo opisano wyżej, 2) nie wiemy, czy objętość cieczy w zlewce nie była na tyle duża, by osad Ca(OH)₂ mógł w niej istnieć. W obu przypadkach otrzymamy roztwór Ca(OH)₂, czyli wodę wapienną, ale w pierwszym nad osadem Ca(OH)₂ (zatem roztwór nasycony, czyli wodę wapienną), a w drugim przypadku nawet nienasycony. Dlatego też polecenie o postać jonową jest uzasadnione, bo nawet nie zdając sobie sprawy z kinetyki procesu to na podstawie szkolnej wiedzy możemy wydedukować, że można tak otrzymać wodę wapienną. Zauważmy, że możemy tutaj rozpatrywać dwie sytuacje:

Ca + 2H₂O → Ca²⁺ + 2OH^- + H₂

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂(s) + H₂

W pierwszym przypadku uwzględniam, że otrzymuję roztwór, a w drugim, że produkt się wytrąca.

To, że coś jest trudno rozpuszczalne lub praktycznie nierozpuszczalne oznacza tyle, że łatwo jest ten związek wytrącić mieszając odpowiednie roztwory: jeśli po zmieszaniu roztworów przekraczamy jego rozpuszczalność, a nie że „nie dysocjuje”. Ale jeśli przekraczamy rozpuszczalność, bo w przypadku odpowiednio małych stężeń użytych roztworów nie dojdzie do strącenia osadu. Np. mieszając roztwory NaOH i CaCl₂ o stężeniach 0,01 mol/dm³ nie dojdzie do strącania Ca(OH)₂.

Nie da się nauczyć wszystkiego od razu w szkole, ale zwróćmy uwagę na to, jak edukacja szkolna, która ma do egzaminu maturalnego przygotować, kuleje nawet tutaj. Uczniowie, a często i nauczyciele posiłkują się tabelą rozpuszczalności, by sprawdzić, czy coś dysocjuje. Często zresztą widzę odpowiedzi: "sprawdź w tabeli rozpuszczalności".

A PRZECIEŻ ONA NIE DO TEGO SŁUŻY! Jest to narzędzie, za pomocą którego przewidujemy kierunek reakcji po zmieszaniu wodnych roztworów różnych soli, lub roztworu soli z zasadą. Strącające się osady zapisujemy w formie niezdysocjowanej, bo to co roztwór opuściło już zdysocjowane nie jest, ale jak napisałem wyżej, to nie znaczy, że związek nie dysocjuje. Ewentualnie z pomocą tabeli rozpuszczalności stwierdzamy, że nasz substrat jest praktycznie nierozpuszczalny i w reakcji będziemy roztwarzać osad, np. CaCO₃ w kwasie solnym – bo nasycony r-r CaCO₃ ze względu na zbyt niskie stężenie nie ma praktycznego znaczenia. Żeby rozpuścić 1 g CaCO₃ potrzeba 70 litrów wody! Dlatego związki takie nazywamy praktycznie nierozpuszczalnymi, a przeważnie błędnie - nierozpuszczalnymi. Ale wracając do CaCO₃, będę używał jego roztworu, czy po prostu pracował ze stałym CaCO₃ i traktował go np. kwasem solnym? Zwróćmy uwagę, jak kuleje edukacja chemiczna nawet w tak podstawowych operacjach, jak używanie tabeli rozpuszczalności. Nie w tym celu, do którego zostało narzędzie stworzone.

Oczywiście jak wspomniałem wcześniej – przy odpowiednio rozcieńczonych roztworach może nie dojść do strącenia, bo rozpuszczalność związków trudno rozpuszczalnych jest mała, ale nie beznadziejnie mała, więc potencjalny osad się nie strąci - otrzymamy roztwór nienasycony tego związku. Zauważmy, że woda wapienna ma niskie stężenie, ale wystarczające, np. by wykryć CO₂. To jest jeden z moich argumentów w takich dyskusjach: a czym wykrywamy CO₂? CaCO₃ ma ok. 160 razy mniejszą rozpuszczalność od Ca(OH)₂, a stężenie wody wapiennej jest niskie, ale na tyle wysokie, by strącający się osad wyraźnie zobaczyć. Gdyby ją rozcieńczyć – osad byłby znacznie mniej widoczny, np. byłoby widoczne tylko zamglenie (lekkie zmętnienie), a nawet mógłby być niewidoczny. Dopiero w przypadku związków praktycznie nierozpuszczalnych rozpuszczalność jest beznadziejnie mała i ich nasycone roztwory to „prawie woda” i bez znaczenia praktycznego (używając roztworu CaCO₃ - to czy w ogóle byśmy zobaczyli, że coś się strąciło po zmieszaniu z innym roztworem, skoro roztwór jest niemal homeopatyczny?) Co nie znaczy, że nie wykryjemy obecności substancji praktycznie nierozpuszczalnej w wodzie. CaCO₃ rozpuszcza się w temperaturze pokojowej w ilości 14 mg (0,00014 mol) w litrze wody. Ale tych 0,00014 mola w litrze działa cuda – pH tej „prawie wody” jest bliskie 10 – bo to sól słabego kwasu, więc to co się rozpuści podlega równowagom tak samo jak w roztworach związków dobrze rozpuszczalnych. Jony węglanowe nie wiedzą przecież, czy są z nimi do towarzystwa jony Ca²⁺, czy Na⁺… Roztwór zawierający 0,00014 mola Na₂CO₃ w litrze też mogę sobie przygotować. I będzie miał identyczne pH, co nasycony roztwór CaCO₃ („prawie woda”), bo hydroliza anionowa zajdzie w takim samym stopniu w obu przypadkach. A jak do tego dodać, że „woda” nasycona CaCO₃ ma wyższe pH, niż roztwór octanu sodu o stężeniu 1 mol/dm³, to już w ogóle robi się ciekawie… Zobaczmy zresztą na tabelę, w której porównamy pH różnych roztworów:

A tutaj dowód. W trzech probówkach widzimy od lewej zachowanie się fenoloftaleiny nad osadami CaCO₃, BaCO₃ (nieco gorzej rozpuszczalny niż CaCO₃) a na końcu roztwór NaHCO₃.

Zwróćmy uwagę na ledwo różowe zabarwienie fenolofaleiny w roztworze NaHCO₃ bliskim nasycenia. I nie ma w tym nic dziwnego - pH jego roztworu wynosi zaledwie 8,4, czyli jego zasadowy odczyn jest na granicy wykrywalności fenoloftaleiną, pomimo, że tradycyjnie to o nim właśnie uczymy się, że ulega hydrolizie! Zwróćmy uwagę na ten paradoks! Roztwory CH₃COONa, który przecież w wodzie ulega hydrolizie, nie osiągają tak zasadowego odczynu, jak „woda” nad „nierozpuszczalnym” CaCO₃. Ponadto roztwór CH₃COONa o stężeniu 0,01 mol/dm³ ma już pH na granicy zakresu zmiany barwy fenoloftaleiny – przy tym pH fenoloftaleina jest praktycznie bezbarwna! Nie odróżnimy fenoloftaleiną rozcieńczonego roztworu CH₃COONa od roztworu Na₂SO₄.  Wracając do CaCO₃ - przecież tyle razy słyszymy: „to nie hydrolizuje, bo to osad”, no albo: „sprawdź w tabeli rozpuszczalności, czy hydrolizuje”. Słusznie – o dysocjacji i o hydrolizie mówimy w roztworze. Nie hydrolizuje nam to co się nie rozpuściło lub strąciło, tylko równowadze tej podlega ta część związku, która przeszła do roztworu (choć w przypadku związków o małej rozpuszczalności jest ona niewielka), lub pozostała w roztworze (choć na ogół pozostaje w nim niewielka część, bo niemal całość opuszcza roztwór). Skąd wynika ta pozorna absurdalność sytuacji z roztworem CH₃COONa i CaCO₃? W potężnej różnicy mocy kwasów, od których pochodzą te sole. Anion HCO₃^- jest kwasem bardzo słabym, więc anion CO₃^2- ulega hydrolizie w znacznie większym stopniu, niż octanowy. W roztworze o stężeniu 0,1 mol/dm³ hydrolizie ulega zaledwie 1 na 13400 anionów octanowych! Podczas gdy w roztworze Na₂CO₃ o tym samym stężeniu – 1 na 22 aniony. W nasyconym roztworze CaCO₃ stopień hydrolizy wynosi aż 70%! Stąd ta mała ilość daje tak wielki efekt!

Jakiś rok temu w internetowej dyskusji dotyczącej właśnie hydrolizy CaCO₃ przeczytałem komentarz jednego studenta: „ciekawe jak, jak to nawet się nie rozpuszcza”. A właśnie tak. Na koniec pod rozwagę: jeśli wsypię do wody dużo NaCl i pozostanie mi na dnie pomimo mieszania - czy to znaczy, że NaCl nie dysocjuje w wodzie, bo jest osadem?
 

PS tak mi się przypomniało - pewien znajomy pasjonat, którego zresztą pozdrawiam, będąc jeszcze licealistą zapytał swoją panią od chemii o to, czy sole "nierozpuszczalne" hydrolizują, bo słusznie podejrzewał, że przecież to co przejdzie do roztworu musi ulegać hydrolizie. Usłyszał, że nie, a potem został "zgaszony" tekstem: "to wrzuć kredę do wody i sprawdź odczyn". I wiecie co?  Szkoda, że tego razem nie zrobili.