Akvaristika/Chémia vody

Molekula vody

Voda je – samozrejme hneď po rybách – v centre pozornosti akvaristu. Je základným životným prostredím vodných živočíchov a rastlín a jej fyzikálno-chemické vlastnosti ovplyvňujú kvalitu a spôsob ich života. V prírode ani v akváriu sa nestretneme s chemicky čistou vodou, ale jej vlastnosti sú základom pre vlastnosti prírodnej alebo akváriovej vody.

Z chemického hľadiska je voda zlúčeninou dvoch prvkov, vodíka a kyslíka, v pomere 2:1 so známym sumárnym vzorcom H₂O. Atóm kyslíka má v molekule vody oxidačný stupeň −2, správa sa teda, ako keby prijal do svojho elektrónového obalu dva záporne nabité elektróny. Každý z dvoch atómov vodíka sa zase správa, ako keby atómu kyslíka odovzdal z elektrónového obalu svoj jediný elektrón.

V skutočnosti vždy jeden elektrón kyslíka a jeden elektrón vodíka vytvorili elektrónový pár, ktorý je spoločný pre obidva atómy a spája ich takzvanou kovalentnou väzbou. Molekula vody sa dá teda znázorniť štruktúrnym vzorcom H−O−H, pričom jednotlivé väzby O−H zvierajú uhol približne 104,45° a molekula pripomína doširoka roztvorené kružidlo.

Atóm kyslíka hrá v tejto väzbe akúsi dominantnú úlohu, pretože jeho atómové jadro je väčšie, obsahuje viac kladne nabitých protónov a všetky elektróny majú tendenciu pohybovať sa bližšie k jadru atómu kyslíka, než k jadrám atómov vodíka – hovoríme, že kyslík mä väčšiu elektronegativitu. Praktickým dôsledkom tohto javu je, že aj keď sú atómy kyslíka a vodíka teoreticky neutrálne, atóm kyslíka je ako keby zápornejšie nabitý, má čiastočný negatívny náboj (označujeme ho δ−) a atómy vodíka majú čiastočný pozitívny náboj (δ+). Štruktúrny vzorec molekuly vody môžme potom napísať ako H^δ+−O^δ−−H^δ+.

Disociácia molekuly vody

Ako všetky molekuly, aj molekuly vody sú neustále v pohybe, rotujú a vibrujú a keďže kovalentná väzba nedrží naveky, s určitou pravdepodobnosťou sa môže stať, že sa molekula vody "rozpadne", pričom atóm kyslíka si zoberie so sebou obidva elektróny kovalentnej väzby. Tento jav nazývame disociácia a vyjadrujeme ho rovnicou:

H₂O → H⁺ + OH⁻

Atóm vodíka stráca svoj jediný elektrón a stáva sa z neho vodíkový katión (H⁺), zvyšná časť molekuly tento elektrón získava (a s ním aj záporný náboj) a nazýva sa hydroxylový anión (OH⁻). Tento dej môže prebehnúť aj opačným smerom, hovoríme že je reverzibilný:

H₂O ↔ H⁺ + OH⁻

V chemicky čistej vode je množstvo takto disociovaných molekúl pomerne malé. Ich množstvo – koncentráciu – vyjadrujeme ako koncentráciu takto vzniknutých vodíkových katiónov (alebo hydroxylových aniónov): c = 0,000 000 1 mol/l (c = 1×10⁻⁷ mol/l). Prakticky to znamená, že na jednu disociovanú molekulu pripadá vyše pol miliardy nedisociovaných molekúl vody.

O tom, aký má koncentrácia vodíkových katiónov význam a prečo je dôležité vedieť, že v chemicky čistej vode je to práve 1×10⁻⁷ mol/l pojednáva bližšie kapitola Akvaristika/Kyslosť vody.

Vodíkové katióny (v podstate protóny, p⁺), keďže majú pozitívny náboj, sú priťahované k okolitým záporným nábojom. V prvom rade sú to samozrejme záporne nabité hydroxylové anióny, ale tých je vo vode tak isto málo, ako samotných vodíkových katiónov (jeden anión na pol miliardy nedisociovaných molekúl vody). Vodíkové katióny sú preto priťahované hlavne k čiastkovým záporným nábojom na atómoch kyslíka (O^δ−) a vytvárajú s kyslíkom väzbu za vzniku kladne nabitého hydroxóniového iónu:

H⁺ + H₂^δ+O^δ− → H₃O⁺

Chemická rovnica pre disociáciu molekuly vody

Všetky vyššie uvedené rovnice môžeme teraz prepísať do správnej formálnej rovnice pre disociáciu vody:

2 H₂O ↔ H₃O⁺ + OH⁻

Pre pokročilých

Ako vypočítame pomer medzi počtom nedisociovaných a počtom disociovaných molekúl vody, respektíve vzájomný pomer ich koncentrácií?

x = c(H₂O) / c(H⁺)

Známe veličiny

c(H⁺) = 1×10⁻⁷ mol/l

m(H₂O) = 1 000 g/l (hmotnosť 1 litra vody pri 4 °C)

Použité vzorce

1. $c={n \over V}$
   (koncentrácia je látkové množstvo na jednotku objemu)
2. $n={m \over M}$
   (látkové množstvo je pomer hmotnosti a mólovej hmotnosti)

Postup

Za látkové množstvo n vo vzorci 1. dosadíme zo vzorca 2.

$c={{m \over M} \over V}$

Dostaneme vzorec na výpočet koncentrácie v mol/l

$c={m \over {M.V}}$

Ak V = 1 l, mólovú hmotnosť pre vodu musíme dopočítať

M(H₂O) = 2 × M(H) + M(O) 

M(H₂O) = 2 × 1 + 16 = 18 g/mol

Po dosadení dostaneme hodnotu koncentrácie vody

c(H₂O) = 1 000 / (18 × 1) = 55,555 555 5 mol/l.

To je presne koncentrácia chemicky čistej vody pri pri 4 °C a pre správnosť by sme od nej ešte mali odrátať koncentráciu disociovaných molekúl, aby sme dostali koncentráciu nedisociovaných molekúl:

55,555 555 5 − 0,000 000 1 = 55,555 555 4

Pomer koncentrácií je potom

c(H₂O) / c(H⁺) = 55,555 555 4 / 0,000 000 1 = 555 555 554

Na jednu disociovanú molekulu pripadá 555 555 554 nedisociovaných molekúl vody.

Späť na obsah knihy