ყოველდღიური ქიმიური ნაერთების კვალდაკვალ

ხშირად არ ვფიქრობთ ხოლმე, თუ რა გზა გაიარა წყალმა, სანამ ონკანს მოვუშვებდით... ცხადია, სასმელი წყლის მისაღებად საჭიროა დიდი და რთული პროცესი. ქიმიას კი უდიდესი წვლილი მიუძღვის იმისათვის, რომ სახლში წყალი უსაფრთხო იყოს. ამ ინფოგრაფიკაზე წარმოდგენილია წყლის გადამუშავების პროცესი, რა საფეხურებს გადის და რა ნივთიერებები გამოიყენება ამ ყველაფრისთვის.

წყალი, რომელიც ონკანის გაღებისას მოდის, სათავეს იღებს არაერთი ადგილიდან. უმეტესად მიწისქვეშ - წყალი, რომელიც მიწის ზედაპირის გამჭოლ, ქანებსა და ფორებს შორის არის მომწყვდეული. რაოდენ გასაკვირიც  უნდა იყოს, ამგვარი წყალი, როგორც წესი, სუფთაა ხოლმე ბუნებრივი ფილტრაციის ხარჯზე, რომელიც ქანების საშუალებით ხდება, რის გამოც ზოგიერთი საფეხურის, რომელთა შესახებაც აქ დავწერ, გავლა სავალდებულო არაა, რადგანაც იგი მხოლოდ მცირე რაოდენობის ნამსხვრევებსა და ორგანულ ნაერთებს შეიცავს.

მეორე მხრივ, წყალმა, რომელიც რეზერვუარებშია მოთავსებული ან მდინარეს მოაქვს, აუცილებლად უნდა გაიაროს პირველი საფეხური: დიდი ზომის მყარი ნარჩენების მოცილება. ეს მარტივი მექანიკური პროცესია, რომლის დროსაც წყალი გადის გისოსებში, რა დროსაც დიდი ზომის მყარი ნაწილაკები სცილდება. მათი მოცილება მომდენო საფეხურებს ამარტივებს და უზრუნველყოფს, რომ დიდი ზომის ნაწილაკებმა არ დაბლოკონ რაიმე.

ამ საფეხურზე, როგორც აღვნიშნე, სცილდება დიდი ზომის ნაწილაკები, თუმცა მცირე ნაწილაკები მაინც გაივლიან ბადეში ან იხსნებიან წყალში. შემოდის ქიმია... იმისათვის, რომ მოვაცილოთ ორგანული მასალა, საკმარისია სპეციალური ნაერთების, სახელად კოაგულანტების დამატება. კოაგულანტის როლში ძირითადად ალუმინის სულფატი ან რკინა(III)-ის ქლორიდია ხოლმე. კოაგულანტების მუშაობის პრინციპი მდგომარეობს შემდეგში: მცირე ნაწილაკებზე არსებულ უარყოფით მუხტს ანეიტრალებს კოაგულანტები, რის გამოც ნაწილაკების განზიდვა აღარ ხდება და ხდება ამ ნაწილაკების ერთად შეკვრა. ამ პროცესს სახელად ფლოკულაცია ჰქვია ხოლო წარმოქმნილ შეკვრას ფლოკებს უწოდებენ.

შლამი, რომელიც წარმოიქმნება კოაგულაცია-ფლოკულაციის შემდეგ, ყოვნდება რათა დაილექოს და მოცილდეს. შლამი, როგორც წესი, შეიცავს ხოლმე მეტალის ჰიდროქსიდებს, რომლებიც კოაგულაციის პროცესში წარმოიქმნება, და ორგანულ მასალას. შლამის შესაძლებელია შეტანილი იყოს იმ ადგილებში, სადაც მოსავალი უნდა მოვიდეს. თუ ამ მიზნით არ იქნება გამოყენებული, მაშინ აუცილებელია მისი მიწაში გაშვება ანდა დაწვა.

მას შემდეგ, რაც შლამი მოშორდება წყალს, მოდის ფილტრაციის საფეხური. აქ წყალმა უნდა გაიაროს სხვადასხვა მასალის შრე, იმისათვის, რომ მოცილდეს ორგანული მასალა და ნაწილაკები, რომლებიც კოაგულაციის საფეხურზე არ მოსცილდა. ფილტრაციის მასალად ძირითადად გამოყენებულია ხოლმე შესაბამისად: ქვიშის, გრაველისა (ერთგვარი ხრეში) და ნახშირის, ფენები, რომლებიც უზრუნველყოფს უსარგებლო ნაერთების მოცილებას, რომლებიც წყალს სუნს ან გემოს მისცემენ.

მას შემდეგ, რაც წყალი გაიფილტრება, როგორც წესი, მისი მჟავიანობაა ხოლმე დასარეგულირებელი. ეს იმიტომ, რომ მჟავა რეაქციის მქონე წყალი ხელს უწყობს მილების კოროზიას, რომელიც წყალს ფერს უცვლის ხოლმე. გარდა ამისა, შესაძლებელია მაში მოხდეს ტოქსიკური მეტალები, როგორიცაა ტყვია. იმისათვის, რომ მჟავიანობა შემცირდეს, წყალს გაატარებენ ხოლმე ფილტრზე, რომელიც დაქუცმაცებულ კირქვას შეიცავს, რომლის ძირითადი კომპონენტიც კალციუმის კარბონატია. კალციუმის კარბონატი pH-ის გაზრდას ეხმარება, რაც მჟავიანობას ამცირებს. მეორე მხრივ, თუ წყლის pH დიდია, ანუ ტუტე რეაქცია აქვს, თუმცა არც ისე ხშირად ხდება ხოლმე. ამ საფეხურზე წყლის დარბილება შეძლება (წყლის სირბილეზე მოგვიანებით დავწერ).

ზოგიერთ ობიექტზე საჭიროა ხოლმე საჭიროა ხოლმე ანტიკოროზიული ნივთიერებების დამატება იმისათვის, რომ მეტალის იონები არ შეიჭრან წყალში. ერთ-ერთი ამგვარი ნაერთი გახლავთ ფოსფორმჟავა. ფოსფორმჟავა ხელს უშლის განსაკუთრებით ტყვიას წყალში გადავიდეს. ეს ხდება მილის შიდა ზედაპირზე ტყვიის ფოსფატის კომპლექსების წარმოქმნის ხარჯზე. ეს სწორედ ის საფეხურია, რომელიც ქალაქ ფლინტში (მიჩიგანის შტატი, აშშ) არ გაითვალისწინეს, რის გამოც ონკანის წყალში ტყვიის მაღალი შემცველობა დაფიქსირდა.

მართალია, თითქმის ყველა მყარი და გახსნილი ნივთიერება მოცილდა წყალს, მაგრამ პათოგენები, როგორებიცაა: ბაქტერიები და ვირუსები, ჯერ კიდევ არიან წყალში. ამიტომაც საჭიროა წყლის დეზინფექცია, სანამ წყალმომარაგების ქსელში, შენობებამდე მივა. ამ საქმისთვის ქლორი გამოიყენება ხოლმე. ქლორი ძლიერი მჟანგავია, რომელიც უჯრედის კედელს შლის და სხვადასხვა ენზიმებისა თუ პროტეინების ინაქტივაციას ახდენს.

წყლის ქლორირებაზე ვერ ვიტყვით, რომ უპრობლემოა. ქლორი შეიძლება რეაქციაში შევიდეს იმ უმცირესი რაოდენობის, დარჩენილ ორგანულ ნაერთებთან და წარმოქმნას ნაერთები სახელად ტრიჰალომეთანები (THM). ეს ნაერთები პოტენციური კარცენოგენებია. მართალია, საკმარისი მტკიცებულებები არაა, რომ ადამიანისთვის კარცენოგენულად ჩავთვალოთ, თუმცა დადასატურებულია, რომ ცხოველებში უთუოდ არის. მიუხედავად ამისა, წყლის ქლორირების დადებითი მხარეა ის, რომ ხელს უშლის წყალში მცხოვრები მიკროორგანიზმების, მაგალითად, ქოლერას და ტიფის, გავრცელებას, რაც გადაწონის შესაძლო, მცირე რისკებს, რომლებიც დაკავშირებულია THM-ებთან.

ტრიჰალომეთანების დონე წყალში მუდმივად კონტროლდება და დასაშვებ დონეზე დაბლაა ხოლმე. გარდა ამისა, რადგანაც წყალში ორგანული ნაერთების არსებობა ხელს უწყობს ტრიჰალომეთანების წარმოქმნას, ამის გამო წყლის დაქლორვა მას შემდეგ ხდება, რაც ორგანულ ნაერთების ძირითადი ნაწილი მოცილდება ფილტრაციის საფეხურზე. ზოგიერთი დაწესებულება ამ პრობლემას გვერდს უვლის ქლორის მაგივრად ოზონის გამოყენებით. მაგრამ ქლორის დადებით მხარე ისაა, რომ წყლის დაქლორვის შემდეგ წყალში მცირე რაოდენობით მაინც რჩება ქლორი, რაც გარანტიას იძლევა, რომ სახლამდე პათოგენებისაგან თავისუფალი წყალი მოვა.

საბოლოოდ, ზოგიერთ ადგილებში ფთორიდის კონცენტრაცია წყალში მცირეა ხოლმე, ამიტომ შესაძლებელია ფთორიდის იონების დამატება იმისათვის, რომ კარიესის პრევენცია მოხდეს (ამაზეც მოგვიანებით შემოგთავაზებთ სტატიას). ამ ყველაფერის შემდეგ წყალი თავისუფალია და შეულია მოვიდეს თქვენს სახლამდე...

ბიბლიოგრაფია და დამატებითი საკითხავი:

• A dummy’s guide to coagulants– Water Industry Operators Association of Australia;
• Lead in drinking water– World Health Organisation;
• Water treatment– Southern Water;
• Coagulation and flocculation process fundamentals;
• Water treatment for corrosion control– Corrosion Doctors.

სრულად

წყალი, სასმელი წყალი, რესურსები, კოაგულანტები, ფლოკულაცია

აღნიშნულ ინფოგრაფიკაზე ასახულია ბოთლის სურათი, რომლის შიდა ზედაპირი დაფარულია ვერცხლით. თუ ქიმიკოსი ხართ, მაშინ უკვე გეცოდინებათ, რომელი ქიმიური რეაქციითა შესაძლებელი აღნიშნული ეფექტის მიღება, მაგრამ თუ არა, მაშინ ალბათ დაგაინტერესათ... თუმცაღა, სამწუხაროდ, ამ რეაქციას სახლის პირობებში ვერ ჩაატარებთ.

ვერცხლი, რომლითაც ბოთლის შიდა ზედაპირი იფარება, მოდის ვერცხლის ნიტრატის ხსნარიდან. იმისათვის, რომ რეაქცია კარგად გამოვიდეს, გარდა ვერცხლის ნიტრატისა, საჭიროა ამიაკი და ნატრიუმის ჰიდროქსიდი. ამიაკი აუცილებელია, რომ ვერცხლის ნიტრატთან შევიდეს რეაქციაში, რათა წარმოიქმნას ე.წ. „ტოლენსის რეაგენტი“.

ტოლენსის რეაგენტი დიამინვერცხლ(I)-ის კომპლექსის უფერო ხსნარია. ხშირად მას ამონიაკალურ ვერცხლის ნიტრატადაც მოიხსენიებენ ხოლმე. ეს რეაგენტი აქტიურად გამოიყენება ორგანულ ქიმიაში (ძირითადად სადემონსტრაციო ცდებში) ალდეჰიდების კარბონმჟავამდე დასაჟანგად. ამ რეაქციის შედეგად დიამინვერცხლ(I)-ის კომპლექსი აღდგება და წარმოიქმნება მეტალური ვერცხლი, რაც ვერცხლის სარკის ეფექტს ქმნის. ხშირად რეაქციაში დექსტროზაა (გლუკოზის ერთ-ერთი ფორმა) ხოლმე გამოყენებული.

ქიმიის მასწავლებლები დამეთანხმებიან, რომ ამ ეფექტის აღწერა უფრო მარტივია, ვიდრე მიღება. თუ მხოლოდ ვერცხლის ნიტრატი იქნება გამოყენებული (ამიაკის გარეშე), მაშინ ვერცხლი მყისვე წარმოიქმნება მინის ზედაპირზე, რაც შავად, დაბურულად ჩანს. ამიტომაც ამიაკი ემატება ვერცხლის ნიტრატს, რათა წარმოიქმნას დიამინვერცხლ(I)-ის იონი, სანამ ალდეჰიდურ ჯგუფთან შევა რეაქციაში - ეს იონი უფრო რთული აღსადგენია, ვიდრე ვერცხლის იონები, რაც შენელებულ, უფრო კონტროლირებად ვერცხლის წარმოქმნას უზრუნველყოფს. იმისათვის, რომ ვერცხლის სარკე კარგად გამოვიდეს, აუცილებელია სუფთა ჭურჭლის გამოყენებაც.

კიდევ ერთი ნიუანსი ამ რეაქციისა არის რა, რომ ტოლენსის რეაგენტი რეაქციამდე ახლად უნდა მომზადდეს, რადგან მისი შენახვა არ შეიძლება. ეს იმიტომ, რომ შენახვისას, ნადები ტოლენსის რეაგენტის ხსნარში შეიძლება ვერცხლის ნიტრიდი წარმოიქმნას, რაც, რა თქმა უნდა, ფეთქებადსაშიშია. 2002 წელს, გაერთიანებული სამეფოს ერთ-ერთ სკოლაში ტოლენსის რეაგენტი წინასწარ მოამზადეს დიდი რაოდენობით. შედეგად მოხდა  ამ ნარევის აფეთქება და ორი სტუდენტი დაშავდა. იმისათვის, რომ უსაფრთხოდ ჩაატაროთ რეაქცია, ონლაინ განთავსებულია რესურსები, ზოგიერთი ლინკი ქვემოთ მითითებულ ბიბლიოგრაფიაშია მოცემული.

ეს რეაქცია მხოლოდ კლასებში არ გამოიყენება - ერთი პერიოდი ამ რეაქციის ვარიანტი გამოიყენებოდა სარკეების დასამზადებლად. იუსტუს ლიბიხის პროცესის მიხედვით, ვერცხლის სარკეები ვერცხლის ნიტრატის აღდგენით იწარმოებოდა 1830-იან წლებში. მიუხედავად იმისა, რომ დღეს სარკის წარმოებისთვის სხვა პროცესი გამოიყენება, საინტერესოა ამ რეაქციის ისტორიული გამოყენება...

ბიბლიოგრაფია და დამატებითი საკითხავი:

• A giant silver mirror experiment – LearnChemistry;
• The silver mirror reaction – David A Katz;
• Formation of a silver mirror on a glass surface – B Porcja, Rutgers.

სრულად

სარკე, ორგანული ქიმია, ვერცხლი, ვერცხლის სარკის რეაქცია

არ აქვს მნიშვნელობა ხართ თუ არა ქიმიკოსი, სიტყვა „მჟავა“-ს წაკითხვისთანავე, გაგახსენდებათ ქიმიის გაკვეთილი... როგორც წესი, მჟავების აღსაწერად გამოყენებულია ხოლმე ტერმინები: სუსტი ან ძლიერი, კონცენტრირებული ან განზავებული. მაინც რა განსხვავებაა ძლიერ მჟავასა და კონცენტრირებულ მჟავას შორის? ამ საკითხის ახსნა, იმაზე რთულია, ვიდრე გგონიათ. მოდით, ავხსნათ ამ გრაფიკის მეშვეობით!

მჟავების დიდი რიცხვი ხსნარების სახით გამოიყენება - მჟავა, რომელიც წყალშია გახსნილი. მართალია, ჩვენ მათ ხსნარების სახით ვიყენებთ, მაგრამ მჟავები არსებობენ მყარი (როგორებიცაა: ლიმონმჟავა და ღვინომჟავა), თხევადი (ეთანმჟავა, რომელსაც ძმარი შეიცავს) და აირადი სახითაც. ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი მჟავაა მარილმჟავა - ქლორწყალბადის წყალში გახსნის შედეგად მიღებული ხსნარი.

მჟავას სიძლიერე დაკავშირებულია იმაზე, თუ როგორ იქცევა წყალში. როდესაც წყალში იხსნება, წყლის მოლეკულები მჟავას მოლეკულების იონებად შლის. იონებად დაშლის შედეგად ხსნარში წყალბადის იონები „ცურავენ“ (ტექნიკურად, H₃O⁺-ს, ჰიდროქსონიუმის, სახით), რაც მჟავიანობას განაპირობებს. მჟავას სიძლიერე დამოკიდებულია იონებად დაშლის ხარისხზე.

ძლიერი მჟავის, ფაქტობრივად, 100% არის დისოცირებული (ანუ იონებად დაშლილი) წყალში. ხსნარს მოლეკულურ დონეზე თუ დავაკვირდებით, დავინახავთ, რომ მჟავას მოლეკულები არ იქნება, ისინი გახლეჩილნი არიან იონებად. მეორე მხრივ, სუსტი მჟავა ძალზე რთულად დისოცირდება, რის გამოც მჟავას მოლეკულები (დაუშლელი ფორმით) მაინც იქნება ხსნარში.

იმისათვის, რომ ქიმიკოსებმა ზუსტად შეაფასონ მჟავას სიძლიერე, ისინი იყენებენ მჟავასა და დისოცირებული იონების კონცენტრაციას იმისათვის, რომ მჟავას დისოციაციის მუდმივა, K_a, გამოთვალონ. ეს კონსტანტა რაოდენობრივად აფასებს, თუ რა ხარისხითაა დისოცირებული იონებად მოცემული მჟავა. რაც უფრო მაღალია დისოციაციის მუდმივის მნიშვნელობა, მით უფრო ძლიერია მჟავა.

ხშირად K_a საკმაოდ დაბალი რიცხვია ხოლმე, რის გამოც მასზე მუშაობა შედარებით რთულია. ამ პრობლემის გადასაჭრელად, აღნიშნული რიცხვი შეიძლება გადავიყვანოთ ლოგარითმულ სკალაზე, რომელიც აღინიშნება pK_a-თი აღინიშნება. აღნიშნულ სკალაზე გაცილებით ადვილია რიცხვების შედარება. რაც უფრო დაბალია pK_a-ს მნიშვნელობა, მით უფრო ძლიერია მჟავა.

ჩნდება კითხვა: აღნიშნული სიდიდე როგორაა დაკავშირებული მჟავის კონცენტრაციასთან? არის თუ არა კონცენტრირებული მჟავა ძლიერი მჟავის სინონიმი? მთლად ასე არაა. მეტიც, არსებობს კონცენტრირებული სუსტი მჟავა (რომ არაფერი ვთქვათ კონცენტრირებულ ძლიერ მჟავაზე) ეს იმიტომ, რომ კონცენტრაცია გამოსახავს, თუ რა რაოდენობის მჟავაა მოცემული ხსნარის მოცულობაში, მჟავის იონებად დაშლის ხარისხი არაფერ შუაშია კონცენტრაციასთან. მჟავის კონცენტრირებული ხსნარი შეიცავს უფრო მეტი რაოდენობის მჟავას მოცემულ მოცულობაში, ხოლო განზავებული - მცირე რაოდენობით მჟავას მოცემულ მოცულობაში.

შეიძლება გახსოვთ, რომ pH სკალა შეილება გამოყენებული იყოს მჟავას კონცენტრაციის შეფასებისთვის. ეს სკალა სინამდვილეში, პირდაპირ კავშირშია წყალბადის იონების რაოდენობასთან მოცემულ ხსნარში. რაც უფრო მეტი წყალბადის კათიონია მოცემულ მოცულობაში, მით ნაკლებია pH (0-დან 14-მდეა ხოლმე ტიპურად). რადგანაც სკალა ლოგარითმულია, pH-ის ერთით შემცირება, წყალბადიონების კონცენტრაციის 10-ჯერ გაზრდის ეკვივალენტია.

რაც შეეხება მჟავას უსაფრთხოებას. აქ გასათვალისწინებელია ორივე: მჟავას სიძლიერეც და კონცენტრაციაც. როდენ გასაკვირიც არ უნდა იყოს, კონცენტრირებული სუსტი მჟავა უფრო მეტი რისკის შემცველი შეიძლება იყოს, ვიდრე განზავებული ძლიერი მჟავა. ამიტომაცაა აუცილებელი, რომ განვასხვავოთ ეს ორი ცნება.

pH სკალაზე დამატებითი ინფორმაცია შეიგიძლიათ იხილოთ მოცემულ სტატიაში.

ბიბლიოგრაფია და დამატებითი საკითხავი:

• Where is the borderline between strong acids and weak acids? – T Munegumi;
• Strong acids and weak acids – J Clark, Chemguide.

სრულად

მჟავა, განზავებული, კონცენტრირებული, ქიმია, მეცნიერება, მჟავას სიძლიერე.