Zjawisko pochłaniania i zatrzymywania cząsteczek wody przez niektóre ciała określane jest jako higroskopijnośćhigroskopijnośćhigroskopijność. Proces sorpcji (możliwość pochłaniania) może przejawiać się na drodze dwóch zjawisk: absorpcjiabsorpcjaabsorpcji lub adsorpcjiadsorpcjaadsorpcji.

Silne właściwości sorpcyjne posiada m.in. gleba. Dzięki zdolności do pochłaniania gazów, wody, cząsteczek i jonów z roztworów, a także mikroorganizmów, obecnych w glebie, możliwy jest wzrost i rozwój roślin. Jednak nie tylko gleba może skutecznie pochłaniać wodę. Wśród substancji higroskopijnych wymienić można m.in. włókna, np. bawełnę, a także: cukier, drewno, węgiel aktywny, żele krzemionkowe oraz sole.

Ciekawostka

Moloch straszliwy (Moloch horridus) to niewielka jaszczurka zamieszkująca tereny pustyni australijskich. Na jej ciele znajdują się ostre kolce, pomiędzy którymi higroskopijne rowki nocą oraz w czasie deszczu pochłaniają wodę. Działanie skóry jaszczurki, na zasadzie kapilary, pozwala jej zasysać wodę z całej powierzchni skóry i kierować wprost do pyska. Dzięki temu jaszczurka może przez długi okres obejść się bez źródła wody.

R12zaltXsemIv

Zdjęcie przedstawia molocha straszliwego, pustynnego gada, którego ciało pokryte jest kolcami.

Bardzo często spotykaną praktyką jest dosypywanie do kuchennych pojemników z solą ziarenek ryżu. Czy ta praktyka zapobiega pochłanianiu wody przez sól?

Chlorek sodu ($\text{NaCl}$) jest klasycznym przykładem, który doskonale obrazuje zjawisko pochłaniania wody przez sól. Chlorek sodu przyciąga wodę w postaci pary lub cieczy z otoczenia, przez co sól ulega zbryleniu i ciężko wydobyć ją z solniczki. O takich solach, jak $\text{NaCl}$, mówi się wówczas, że są higroskopijne, a cecha ta określana jest jako higroskopijnośćhigroskopijnośćhigroskopijność.

Na ilość wody, która może zostać pobrana przez sól, wpływ ma temperatura oraz zawartość wody (wilgotność) w atmosferze. Z chemicznego punktu widzenia pochłanianie wody przez sole sprowadza się do tworzenia hydratów soli, czyli wiązania wody w sieci krystalicznej soli bezwodnej. Przykładem soli, która jest wysoce higroskopijna, jest siarczan($\text{VI}$) miedzi($\text{II}$), który pochłania wodę, tworząc siarczan($\text{VI}$) miedzi($\text{II}$) — woda $(1/5)$. Proces ten można przedstawić w postaci równania reakcji:

Związana w hydracie woda to tzw. woda hydratacyjna.

RBJ0UwVdvpcZu

Zdjęcie przedstawia szkiełko zegarkowe trzymane w dłoni, a na nim znajduje się biała i niebieska sól.

Zdarza się też, że sól, która bardzo silnie absorbuje wodę z otoczenia, przechodzi z postaci stałej do roztworu, a proces ten określany jest jako rozpływanie. Przykładami soli rozpływających się jest chlorek wapnia (${\text{CaCl}}_2$) lub chlorek cynku (${\text{ZnCl}}_2$). Zjawisko to często obserwowane jest w laboratoriach chemicznych. Przechowywane przez wiele lat sole, mimo, jakby się wydawało, szczelnego zamknięcia, po wyjęciu z szafy laboratoryjnej „pływają w cieczy”.

W niektórych działach chemii konieczne jest dokładne odważenie odczynnika – jest to szczególnie istotne w chemii analitycznej i analizie jakościowej. W przypadku substancji, które mają zdolność do chłonięcia wody, ilościowe odważenie próbki staje się utrudnione, ponieważ zawartość pochłoniętej przez próbkę wody zwykle jest trudna do określenia. Wówczas zachodzi konieczność usunięcia wilgoci, na przykład przy pomocy soli o charakterze higroskopijnym. Dlatego jednym z kluczowych zastosowań soli higroskopijnych jest ich wykorzystanie jako absorbentówabsorbentabsorbentów.

W laboratoriach chemicznych do przechowywania wysuszonych odczynników oraz suszenia wilgotnych substancji stosuje się eksykatoreksykatoreksykator.

Sole o charakterze higroskopijnym stanowią środki suszące w chemii organicznej. Do usuwania resztek wody z roztworów organicznych (np. po ekstrakcji) stosuje się sole higroskopijne, takie jak: chlorek wapnia (${\text{CaCl}}_2$), siarczan($\text{VI}$) magnezu (${\text{MgSO}}_4$) i siarczan($\text{VI}$) sodu (${\text{Na}}_2{\text{SO}}_4$). W praktyce do roztworu organicznego dodaje się soli bezwodnej. Naczynie zakrywa się na kilka minut, po czym sól pochłaniającą wilgoć (teraz częściowo uwodnioną) usuwa się przez filtrację lub dekantację.

Gdyby piasek na pustyni posiadał tą samą zdolność do pochłaniania wody, jak niektóre sole nieorganiczne, to problem suszy i braku wody zniknąłby w mgnieniu oka.

R1BOKJ100U5QS

Zdjęcie przedstawia pustynię Namib, na pierwszym planie znajdują się uschnięte drzewa. a w tle wydma.

Wykorzystanie wody z jezior i rzek, eksploatacja spływów deszczowych i odsalanie słonej wody są szeroko stosowane w celu pokrycia zapotrzebowania na wodę słodką. Metody te są jednak często mało wydajne, a przy tym wymagają dużych nakładów pracy. Coraz częściej poszukuje się materiałów, które pozwalają w sposób łatwy i szybki zmagazynować wodę. Do tego celu wykorzystywane są zeolityzeolitzeolity, porowate materiały na bazie krzemionki (jak $\text{MCM}—41$), kompozyty węglowe oraz struktury metaloorganiczne (MOF). Są one zdolne do wchłaniania wody przy wilgotności względnejwilgotność względnawilgotności względnej, poniżej 10%. Materiały te nie pozwalają, jak do tej pory, na efektywne pozyskiwanie wody, z uwagi na wysokie koszty ich syntezy.

R1JeBHPJxjHap

Ilustracja przedstawia strukturę molekularną jednego z rodzajów zeolitów. Cząsteczki są uporządkowane w taki sposób, że wewnątrz struktury tworzą się kanały i mikropory.

R1KbCw9coWpKP

Ilustracja przedstawia strukturę typu MOF. W strukturze umieszczono żółte i pomarańczowe kule ułożone naprzemiennie, a pomiędzy nimi znajdują się cząsteczki związków tworzących MOF.

Oprócz zbierania wody poprzez adsorpcjęadsorpcjaadsorpcję na powierzchni, możliwe jest jej pozyskiwanie poprzez absorpcjęabsorpcjaabsorpcję. Obiecujące wyniki w tym obszarze dają higroskopijne sole. Jedną z nich jest chlorek wapnia ${\text{CaCl}}_2$. Ze względu na doskonałe właściwości sorpcji wody, w połączeniu z naturalną i przemysłową obfitością, sól ta jest w stanie zaabsorbować wodę w ilości przekraczającej $95\%$ swojej masy.

Podczas hydratacji chlorku wapnia występuje problem aglomeracji cząstek na powierzchni, co znacznie zmiejsza zdolności sorpcyjne. Rozwiązaniem tego problemu jest zamknięcie chlorku wapnia w kapsułce na bazie polimeru. Materiał kompozytowykompozytkompozytowy do zbierania wody na drodze adsorpcji, składa się z matrycy pochodzącej z alginianu sodu i wbudowanego ${\text{CaCl}}_2$. Kompozyt otrzymywany jest w postaci kulek na drodze łatwej syntezy, której schemat przedstawiono poniżej.

Słownik

Bibliografia

Bieniek G., Chemia. Doświadczenia chemiczne w zadaniach, Trening przed maturą, Kraków $2007$.

Bick M., Prinz H., Steinmetz A., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim $2005$.

Encyklopedia PWN

Jagodziński P., Wolski R., Aspekty Metodyczne eksperymentów chemicznych, Szkoła ponadgimanacjalna, Nowa podstawa Programowa, cz. $2$, Warszawa $2013$.

Kallenberger P. A., Fröba M.. Water harvesting from air with a hygroscopic salt in a hydrogel–derived matrix, „Chemical Communications” $2018$, t. $1$, nr $28$.

Vogel A. I., Preparatyka Organiczna, Warszawa $2018$.