1) Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:
Ca(HCO 3) 2 = СаСО 3 ↓+ СО 2 + Н 2 О,
Mg(HCO 3) 2 = Мg 2 (ОН) 2 СО 3 ↓ +3СО 2 + Н 2 О,
и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.
С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO 3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH) 3 , представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.
2) Умягчить жёсткую воду можно и обработкой воды различными химическими веществами. Так, временную (карбонатную) жёсткость можно устранить добавлением гашеной извести:
Са 2+ +2НСО – 3 + Са 2+ + 2ОН – = 2СаСО 3 ↓+ 2Н 2 О
Mg 2+ +2НСО – 3 + Са 2+ + 4ОН – = Mg(ОН) 2 ↓+2СаСО 3 ↓+ 2Н 2 О.
При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная – содой:
Са 2+ + СО 2- 3 = СаСО 3 ↓
Mg 2+ + СО 2- 3 = Mg СО 3
Mg СО 3 + Са 2+ + 2ОН – = Mg(ОН) 2 ↓+СаСО 3 ↓
3) Вообще, с постоянной жёсткостью бороться труднее. Кипячение воды в данном случае не приводит к снижению её жёсткости.
Для борьбы с постоянной жёсткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жёсткость, остаются в не замершей воде.
4) Ещё один способ борьбы с постоянной жёсткостью – перегонка, т.е. испарение воды с последующей её конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, то они остаются, а вода испаряется.
Также, чтобы избавиться от постоянной жёсткости, можно, например, к воде добавить соду:
5) Также известны методы обработки воды (магнитное и электромагнитное воздействие, добавление полифосфатов или других “антинакипинов”), позволяющие на время “связать” соли жёсткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Однако эти методы не нейтрализуют соли жёсткости химически и поэтому нашли ограниченное применение в водоподготовке технической воды. Единственным же экономически оправданным методом удаления из воды солей жёсткости является применение ионообменных смол. Пропуская воду через слой специального реагента – ионообменной смолы (ионита), ионы кальция, магния или железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н + или Na + , и вода умягчается, её жёсткость снижается.
6) Но такие методы, как замораживание и перегонка, пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность имеет дело с тоннами. Поэтому для устранения жёсткости в данном случае принимается современный метод устранения – катионный . Этот способ основан на применении специальных реагентов – катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия. Катиониты – синтетические ионообменные смолы и алюмосиликаты.
Их состав условно можно выразить общей формулой Na 2 R. Если пропускать воду через катиониты, то ионы Nа + будут обмениваться на ионы Са 2+ и Mg 2+ .
Схематически эти процессы можно выразить уравнением:
Ca 2+ + Na 2 R = 2Na + + CaR
Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, а ионы натрия – из катионита в раствор, жёсткость при этом устраняется.
Катиониты обычно регенерируют – выдерживают в растворе NaCl, при участии которого происходит обратный процесс:
CaR + 2Na + = Na 2 R+ Ca 2+
Регенерированный катионит снова может быть использован для умягчения новых порций жесткой воды.
7) С последствием жёсткости воды – накипью, с точки зрения химии, можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.
8) Эффективным способом борьбы с высокой жёсткостью считается применение автоматических фильтров-умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде “жёсткие” соли заменяются на “мягкие”, которые не образуют твердых отложений.
Осмос
Высокая жесткость воды в системах отопления и ГВС негативно влияет на процессы теплообмена, увеличивая энергозатраты. Кроме того, жесткая питьевая вода вредна для здоровья человека. Для воды различного назначения используются различные методы умягчения.
Умягчение воды - это процесс удаления из воды солей жесткости. Но что такое жесткость воды и почему её необходимо удалять?
Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са 2+) и, в меньшей степени, магния (Mg 2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок.
В осадок могут выпадать и соли железа, марганца, стронция, но на практике все эти элементы оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают.
Алюминий (Al 3+) и трехвалентное железо (Fe 3+) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, «вклад» в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва 2+).
Виды жесткости
Различают несколько видов жесткости воды. Общая жесткость определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.
Карбонатная жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8,3). Временная жесткость характеризуется присутствием в воде наряду с катионами Ca 2+ , Mg 2+ и Fe 2+ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO 3-). Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и именно поэтому получил название временной жесткости. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция, гидроксида магния и железа.
Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется, поэтому получила наименование постоянной жесткости.
Единицы измерения
В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом.
За единицу жесткости принимают жесткость воды, в 1 л которой содержится 1 ммоль эквивалентов Ca 2+ или Mg 2+ . Одна единица жесткости (1 ммоль/л) соответствует содержанию ионов кальция, равному 20,04 мг/л или ионов магния, равному 12,15 мг/л. Общую жесткость воды (H) можно вычислить по формуле:
m(X) - масса растворенного вещества, мг; M(1/zX) - молярная масса эквивалента вещества, мг/ммоль (г/моль); V - объем воды, л; M(1/zCa 2+) = 20,04 мг/ммоль; M(1/zMg 2+) = 12,15 мг/ммоль.
Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (˚d, dH), французский градус (˚f), американский градус, ppm CaCO 3 .
Соотношение этих единиц жесткости представлено в табл. 1.
Таблица 1. Соотношение различных единиц жесткости
Так, один немецкий градус соответствует 10 мг/дм 3 СаО или 17,86 мг/дм 3 СаСО 3 в воде. Один французский градус - 10 мг/дм 3 СаСО 3 в воде, а американский градус эквивалентен 1 мг/дм 3 СаСО 3 в воде.
Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов ее классификаций. Так, в Германии применяются нормы жесткости Немецкого института стандартизации (DIN 19643), а в США - классификация, принятая Агентством по охране окружающей среды (USEPA) в 1986 г. (табл. 2).
Таблица 2. Классификация различных типов жесткости
Какая вода мягче
Обычно в маломинерализованных водах преобладает жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени общей минерализации воды содержание ионов кальция (Са 2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg 2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах — десятков граммов на один литр воды.
В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океаническая вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/л).
Последствия жесткости
Жесткая питьевая вода горьковата из-за магния на вкус и оказывает отрицательное влияние на органы пищеварения. По нормам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), оптимальная жесткость питьевой воды составляет 1,0-2,0 мг-экв/л.
В жесткой воде плохо развариваются продукты питания, так как катионы кальция с белками пищи образуют нерастворимые соединения; их питательная ценность уменьшается. Постоянное употребление жесткой воды может привести к отложению солей (мочекаменная болезнь) в организме человека.
В такой воде плохо завариваются чай, кофе. В бытовых условиях избыток солей жесткости приводит к зарастанию накипью нагревающихся поверхностей в бойлерах, чайниках, трубах, отложению солей на сантехарматуре и выводу ее из строя, оставляют налет на волосах и коже человека, создавая неприятное ощущение их «жесткости».
Жесткость воды, используемой для приготовления различных продуктов, четко регламентирована и находится на уровне 0,1-0,2 мг-экв/л.
Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и пр., чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики, уменьшает свободное сечение трубопроводов.
Трубопроводы зарастают накипными отложениями настолько, что их производительность падает в несколько раз. Поэтому в тех процессах, где допустимо использование воды с некоторым содержанием солей, ее жесткость ограничивается еще меньшими значениями - 0,03-0,05 мг-экв/л.
Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя. При стирке, взаимодействуя с поверхностно-активными веществами (ПАВ) мыла или стиральных порошков, соли жесткости связывают их и требуют большего расхода. Жёсткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например при покраске, в электрохимии и так далее.
Удаление солей
Процессы извлечения из воды солей Ca 2+ и Mg 2+ в водоподготовке называют умягчением воды.
Относительно селективное удаление солей жесткости из воды может производиться методами:
- термической обработки;
- дистилляции;
- реагентного умягчения;
- вымораживания;
- магнитной обработки;
- ультразвуковой обработки;
- ионного обмена;
- обратного осмоса.
Также известны методы обработки воды (электромагнитное воздействие, добавление полифосфатов или других «антинакипинов»), позволяющие на время «связать» соли жёсткости, не давая им в течение какого-то времени выпасть в виде накипи. Однако эти методы не нейтрализуют соли жёсткости химически, фактически не удаляют их и поэтому нашли ограниченное применение в водоподготовке технической воды.
Термическое умягчение
Этим способом избавляются от временной жёсткости, обусловленной гидрокарбонатами кальция и магния. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:
Ca(HCO 3) 2 = СаСО 3 ↓
+ СО 2 + Н 2 О,
Mg(HCO 3) 2 = Мg 2 (ОН) 2 СО 3 ↓
+3СО 2 + Н 2 О.
В результате, жёсткость воды снижается. Именно поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.
С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO 3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH) 3 , представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.
Таким образом, при кипячении воды в быту одновременно происходит и процесс частичного её умягчения.
Дистилляция
Дистилляция является традиционным, эффективным и надежным методом, обеспечивающим высокую степень очистки высокоминерализованных вод с большим солесодержанием и жёсткостью.
Общий принцип получения воды этим методом заключается в следующем: питьевая вода, прошедшая предварительную подготовку, поступает в дистиллятор, состоящий из трех основных узлов: испарителя, конденсатора и сборника.
Испаритель с водой нагревают до кипения. Пары воды поступают в конденсатор, где они сжижаются и в виде дистиллята поступают в сборник. Все нелетучие примеси, находившиеся в исходной воде, остаются в дистилляторе.
Для получения очищенной воды используют дистилляторы, которые отличаются друг от друга по способу нагрева, производительности и конструктивным особенностям.
Метод однократной дистилляции неэкономичен, так как при его использовании велики энергозатраты на нагрев и испарение (около 3000 кДж на 1 кг пара), а также затраты воды на конденсацию пара (около 8 л воды 1 кг пара). Поэтому использование однократной дистилляции целесообразно для малых потреблений воды - 10-20 л/ч.
Более эффективными и экономичными, по сравнению с обычной дистилляцией, являются высокоэффективные многоколоночные дистилляторы. Но они чрезвычайно дороги, к тому же высоки затраты на предподготовку воды для них.
Стоит отметить, что метод дистилляции удаляет все растворённые соли в исходной воде.
Применение реагентов
Различают умягчение воды известкованием, содо-известкованием и содово-натриевый метод умягчения воды.
При известковании в раствор добавляют гашеную известь Ca(OH) 2 до рН около 10. В результате протекают реакции:
Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 + 2Н 2 O,
Mg(HCO 3) 2 + 2Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + 2СaCO 3 + 2Н 2 O.
Данный способ используют при высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости воды, когда требуется одновременное снижение жесткости и щелочности. Остаточная жесткость на 0,4-0,8 мг-экв/л превышает некарбонатную жесткость.
При содо-известковании в воду добавляют гашеную известь Ca(OH) 2 и соду Na 2 CO 3 до рН около 10. В результате протекают реакции:
Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 = 2CaCO 3 + 2NaOH + Н 2 СО 3 ,
Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 + 2NaHCO 3 .
Как следует из уравнений реакций, в процессе образования и осаждения осадка из воды извлекаются соли жесткости. Вместе с ними удаляются коллоидные и взвешенные частицы с ассоциированными на них загрязнениями. На хлопьях осадка частично сорбируются органические загрязнения воды.
При содо-известковании за счет избытка ионов HCO 3 достигается бoльшая полнота удаления из воды солей жесткости. Повышение температуры до 70-80 °С позволяет довести остаточную жесткость до 0,35-1,0 мг-экв/л. Того же результата можно достигнуть увеличением доз реагентов.
Содово-натриевый метод
Добавление соды необходимо в том случае, если некарбонатная жесткость больше чем карбонатная. При равенстве этих параметров добавление соды может и не понадобиться совсем.
Гидрокарбонаты кальция и магния в реакции со щелочью образуют малорастворимые соединения кальция и магния, соду, воду и углекислый газ:
Ca(HCO 3) 2 + 2NaOH = CaCO 3 ↓
+ Na 2 CO 3 + 2H 2 O,
Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓
+ Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 .
Образовавшийся в результате реакции гидрокарбоната магния с щелочью углекислый газ снова реагирует с щелочью с образованием соды и воды:
CO 2 + NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O.
Некарбонатная жесткость
Сульфат и хлорид кальция реагирует с образовавшейся в реакциях карбонатной жесткости и щелочи содой и добавленной содой с образованием не прикипающего в щелочных условиях карбоната кальция:
CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓
+ 2NaCl,
CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓
+ Na 2 SO 4 .
Сульфат и хлорид магния реагируют со щелочью, образуя выпадающий в осадок гидроксид магния:
MgSO 4 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓
+ Na 2 SO 4 ,
MgCl 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓
+ 2NaCl.
Ввиду того, что в реакциях гидрокарбоната со щелочью образуется сода, которая в дальнейшем реагирует с некарбонатной жесткостью, ее количество необходимо коррелировать в соотношении карбонатной (Жк) и некарбонатной (Жнк) жесткости:
- при их равенстве соду можно не добавлять;
- при условии Жк > Жнк образуется избыток соды;
- при соотношении Жк < Жнк - недостаток соды и ее необходимо добавлять.
Процессы осаждения осуществляются в отстойниках и осветлителях со взвешенным слоем осадка.
Отстойники малопроизводительны, и получаемая в них гидроксидная пульпа имеет высокую влажность - 97-99%. Поэтому они в настоящее время практически не применяются.
На практике используются различные варианты осветлителей со взвешенным слоем осадка. В них очищаемый раствор подается снизу и проходит через слой осадка. Это увеличивает коэффициент очистки воды.
Реагентные методы в подготовке питьевой воды не используются. После них вода имеет сильнощелочную реакцию. Поэтому реагенты широко применяются в энергетике и промышленности как первая ступень очистки до механических фильтров. При совместной работе они позволяют умягчить воду, удалить взвешенные вещества, включая коллоиды, и частично очистить воду от органических веществ.
Вымораживание
Для борьбы с постоянной жёсткостью воды используют такой метод, как вымораживание льда. Для этого необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10% жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образуют жёсткость, остаются в незамерзшей воде.
Наряду с дистилляцией, это одновременно один из способов опреснения высокоминерализованных вод до питьевого качества.
Другие методы
Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.
Магнитно-ионизационный метод также использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов ее предварительно облучают ионизирующим излучением.
Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.
Ультразвуковая обработка воды также приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.
Ионообменный способ и обратноосмотические процессы целесообразно подробно рассмотреть во второй части статьи, которую мы опубликуем в нашем журнале в следующем номере.
Употребление жесткой или мягкой воды несет незначительный вред здоровью. При высоком содержании солей могут образовываться мочевые камни, а низкий уровень ненамного повышает риск появления сердечно-сосудистых заболеваний. Вкус родниковой воды обуславливается именно ее жесткостью.
Жесткая и мягкая вода
Жесткость и мягкость воды зависти от уровня содержания в ней солей. В пером случае он высок, во втором – незначителен. Данные термины появились, предположительно, из-за тех свойств, которые оказывала вода на вещи. Если постирать их в жесткой воде, то и сама ткань будет такой же. Если же мягкой, то и одежда становилась таковой.
Жесткость воды бывает временная и постоянная. Первая содержит в себе гидрокарбонат магния и кальция, вторая – другие соли. В основном это сульфаты и хлориды этих же компонентов. Выделяются они при кипячении воды.
Жесткая вода сушит кожу при умывании. В ней плохо образуется пена, а ее использование ведет к образованию накипи. В тоже время мягкая вода приводит к коррозии, а гидрокарбонатная жесткость наоборот не позволяет ей образовываться.
Способы устранения жесткости
Первый и самый простой способ – термический. Необходимо лишь вскипятить воду, из-за чего нестойкие гидрокарбонаты магния и кальция начнут разлагаться. Этим вы устраните временную жесткость воды. Кроме того, результатом разложения солей будет являться накипь.
Также можно попробовать реагентное умягчение воды. В нее необходимо добавить кальцинированную соду или гашеную известь. При этом методе соли магния и кальция превращаются в нерастворимое соединение и выпадают в осадок. Оптимальным средством устранения жесткости считается ортофосфат натрия. Он входит в состав многих препаратов бытового и производственного значения.
Еще одним способом будет являться катионирование. В воду необходимо поместить ионообменную регулируемую загрузку. Чаще всего используют ионообменную смолу. При соприкосновении с водой она поглощает катионы солей. Забирая их у кальция, магния, железа и марганца, она отдает ионы натрия и водорода, а вода становится мягкой.
Можно использовать обратный осмос. Нужно пропустить воду через полупроницаемые мембраны. При этом из воды уберутся большинство солей, в том числе и те, что отвечают за жесткость. Эффективность такого метода иногда достигает почти 100%.
Цепочки превращений
1. Карбонат кальция оксид кальциягидроксид кальциякарбонат кальциянитрат кальция.
2. Магний сульфат магниянитрат магнияоксид магнияацетат магния.
3. Хлорид кальция сульфат кальциясульфид кальциясульфат кальциягидроксид кальцияоксид кальциягидрокарбонат кальция.
4. Магний оксид магниягидроксид магнияхлорид магниягидроксокарбонат магниясульфат магниягидроксид магния.
5. Сульфид магния оксид магния…гидроксид магния…нитрат магния.
6. Кальций гидроксид кальциякарбонат кальцияоксид кальциякарбид кальциягидроксид кальциягидрокарбонат кальция.
Расчетные задачи
У р о в е н ь А
1. При взаимодействии 13,7 г металла с водой выделяется 2,24 л газа (н. у.). Определите металл. Какой осадок и в каком количестве образуется, если к полученному раствору прибавить избыток сульфата натрия?
Решение
Газ (H 2) выделяется при взаимодействии M Ia и IIa подгрупп с водой.
По закону эквивалентов:
Если М Ia подгруппы, то
A r (M) = Э валентность = 68,5 (нет такого металла).
Если М IIa подгруппы, то
A r (M) = Э валентность = 137 (Ba).
Ba + 2H 2 O = Ba(OH) 2 + H 2 ,
Ba(OH) 2 + Na 2 SO 4 = BaSO 4 + 2NaOH,
(BaSO 4) = (Ba(OH) 2) = (Ba) == 0,1моль,
m (BaSO 4) = M = 0,1 233 = 23,3 г.
Ответ . Металл – Ba; m (BaSO 4) = 23,3 г.
2. Какой объем 0,5М раствора гидроксида кальция необходимо добавить к 81 г 10%-го раствора (плотность 1 г/см 3) гидрокарбоната кальция для полноты образования осадка? Определите массу осадка.
Ответ . 100 мл Ca(OH) 2 , 10 г СaCO 3 .
3. На раствор, содержащий 23,3 г смеси сульфата и хромата калия, подействовали избытком хлорида бария. Осадок отфильтровали, промыли, а затем к нему добавили избыток соляной кислоты. Часть осадка растворилась, оставшуюся часть отфильтровали, промыли и просушили. Масса осадка после просушивания составила 23,3 г. Определите состав исходной смеси.
Ответ . 17,4 г K 2 SO 4 и 5,9 г K 2 CrO 4 .
4. Имеется смесь кальция, оксида кальция и карбида кальция с молярным соотношением компонентов 1:3:4 (в порядке перечисления). Какой объем воды может вступить в химическое взаимодействие с 35 г такой смеси?
Ответ . 17,568 мл.
5. Растворимость гидроксида стронция в воде при 100 °С равна 28 г, а при 25 °С – 1 г на 100 г воды. 200 г раствора гидроксида стронция, насыщенного при 100 °С, охладили до 25 °С. Найдите массу октагидрата гидроксида стронция, выпавшего в осадок при охлаждении раствора.
Ответ . 93,08 г Sr(OH) 2 8H 2 O.
У р о в е н ь Б
1. Некоторую массу кристаллогидрата карбоната магния прокаливали до прекращения выделения газов. Последние были пропущены через промывные склянки с концентрированной серной кислотой и известковой водой. Масса первой склянки увеличилась на 1,8 г, а во второй выпало 2 г осадка. Определите состав исходного кристаллогидрата и его массу.
Ответ . Пентагидрат MgCO 3 5H 2 O; 3,48 г.
2. Молярное соотношение карбоната, гидрокарбоната и нитрата кальция в смеси массой 100 г равно 1:2:3 (в порядке перечисления). Какой объем при 1200 °С и нормальном давлении займут газообразные продукты разложения этой смеси?
Решение
Уравнения реакций разложения компонентов смеси:
По условию задачи:
(CaCO 3) : (Ca(HCO 3) 2) : (Ca(NO 3) 2) = 1: 2: 3.
Пусть (CaCO 3) = x моль.
Тогда (Ca(HCO 3) 2) = 2x ;
(Ca(NO 3) 2) = 3x ;
100х + 162 2х + 164 3х = 100,
х 0,109 моль.
При р = 101,3 кПа и t = 1200 °C в газообразном состоянии выделяется:
СО 2 по уравнению (1):
1 (CO 2) = (CaCO 3) = x = 0,109 моль;
H 2 O, СО 2 по уравнению (2):
2 (H 2 O) = (Ca(HCO 3) 2) = 2x = 0,218 моль,
2 (CO 2) = 2(Ca(HCO 3) 2) = 4x = 0,436 моль;
О 2 по уравнению (3):
3 (O 2) = (Ca(NO 3) 2) = 3x = 0,327 моль.
Суммарное количество молей газообразных продуктов разложения:
0,109 + 0,218 + 0,436 + 0,327 = 1,09 моль (н.у.).
Из уравнения состояния идеальных газов находим объем:
pV = RT ,
Ответ . V = 131,8 л.
3. Смесь равных количеств гидроксида и карбоната двухвалентного металла прокалили. Масса твердого остатка оказалась меньше массы исходной смеси в 1,775 раза. К этому остатку добавили в 10 раз большую массу 5%-го раствора серной кислоты. Рассчитайте массовые доли веществ в образовавшемся растворе.
Ответ . 6% MgSO 4 .
4. При обработке водой смеси гидрида и нитрида двухвалентного металла с равными массовыми долями образовалась газовая смесь с плотностью по водороду 2,658. Установите металл, входящий в состав соединений (при расчетах цифры не округлять!).
Ответ . Кальций.
5. Магниевую пластинку массой 16 г опустили в 16%-й раствор сульфата меди(II) массой 350 г. Когда пластинку извлекли, массовые доли содержащихся в растворе солей оказались одинаковыми. Во сколько раз увеличилась масса пластинки?
Ответ. В 4,5 раза.
Качественные задачи
1. С какими из данных веществ будет взаимодействовать гидроксид магния: соляная кислота, азотная кислота, углекислый газ, хлорид натрия, гидроксид бария, серная кислота, оксид меди(II)?
Ответ . HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 .
2. В склянках без этикеток находятся сода, мел, гипс и сульфат натрия. Как с помощью воды и азотной кислоты можно распознать эти вещества?
Ответ .
3. Вещество А – легкий, довольно твердый серебристо-белый металл. При взаимодействии вещества А с В, являющимся простым газообразным веществом, образуется соединение С, растворимое в воде с образованием щелочного раствора. При обработке вещества С серной кислотой образуется соль, кристаллогидрат которой применяется в медицине для наложения фиксирующих повязок при переломах. Приведите уравнения реакций.
Ответ . А – Ca; B – H 2 ; С – CaH 2 ; кристаллогидрат – CaSO 4 2H 2 O.
4. Вещество А – оксид, растворимый в воде с образованием щелочного раствора. Соединение В, находящееся в таком растворе, реагирует с газом С, не имеющим запаха, с образованием белого осадка, который постепенно растворяется по мере дальнейшего пропускания газа С. Приведите уравнения реакций, идентифицируйте вещества.
Ответ . А – CaO, BaO; B – Ca(OH) 2 , Ba(OH) 2 ; С – CO 2 .
5. Вещество А, входящее в состав одного из самых распространенных в земной коре минералов, разлагается при высокой температуре на два оксида, один из которых В всегда образуется в процессе жизнедеятельности. При взаимодействии вещества В с графитом при нагревании получается токсичный для теплокровных животных газ С, без цвета и запаха, горючий. Приведите уравнения реакций, идентифицируйте вещества.
Ответ . А – CaСO 3 ; B – CO 2 ; С – CO.
Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа № 1
с углубленным изучением отдельных предметов
Адрес: Белгородская область,
Исследование жесткости воды
и способов ее устранения
ученица 11 «А» класса МОУ «Средняя
общеобразовательная школа № 1
с углубленным изучением
отдельных предметов
Адрес: Белгородская область,
Научный руководитель: ,
учитель химии МОУ «Средняя
общеобразовательная школа № 1
с углубленным изучением
отдельных предметов
г. Нового Оскола Белгородской области»
Адрес: Белгородская область,
г. Новый Оскол,
г. Новый Оскол
1. Введение ………………………………………………………………….3
2. Жесткость воды и способы ее устранения…………………………….4
· Почему вода становится жесткой………………………………………4
· Значение жесткости воды в жизни человека…………………………..4
· Способы устранения жесткости………………………………………...5
3. Исследование жесткости воды и способов ее устранения…………...8
4. Заключение и выводы
5. Список использованной литературы
Введение
Кто учился наукам, но не применяет их,
похож на того, кто пахал, но не сеет.
Саади
В 80-х годах 20 века в нашей стране появились книги Пола Чаппиуса Брэгга, посвященные пропаганде здорового образа жизни. И хотя многие ученые считают его мнение спорным, книги Пола Брэгга заслуживают внимания. Один из разделов его книги (Мои первые опыты с жесткостью) посвящен проблеме жесткости воды, где автор в своих воспоминаниях описывает болезнь своего деда, который умер от того, что его кровеносные сосуды стали окаменевшими от жесткой воды, и женщину, жившую в их краях (несчастную называли каменной женщиной, так как тело её от большого количества солей в буквальном смысле слова окаменело). Та женщина была одной из многочисленных жертв жесткой воды. Органам несчастной не удалось справиться с переработкой большого количества неорганических веществ, содержащихся в такой воде, и они стали очень активно накапливаться в ее организме.
Соединения кальция осаждаются в нашем организме в виде камней в почках и желчном пузыре.
На сегодняшний день очистка воды является не прихотью и баловством, а скорее жизненной необходимостью. Дело в том, что такие неприятные явления, как накипь, сторонние привкусы, запахи, а также наличие мутного осадка доставляют не только массу неудобств, но и являются причиной многих заболеваний. Вода низкого качества способствует отложению солей, ускоряет процесс старения организма, становится причиной перехода многих заболеваний в хроническую стадию. К тому же хлор содержит ряд веществ, способных вызывать раковые заболевания. А ведь именно вода является основой всей жизни и без воды не может обходиться ни один живой организм. К примеру, человек состоит из воды на 60-65%. Поэтому чистая вода жизненно необходима для каждого человека. К сожалению, природная вода в наше время совершенно непригодна для употребления без предварительной очистки, что подтверждают различные анализы воды. Всем известно, что фильтрационные станции, которые якобы проводят очистку воды, давно нуждаются в капитальном ремонте , а водопроводные сети, по которым вода доставляется в наши дома, требуют замены.
Целью нашей работы стало исследование уровня жесткости воды в нашем родном городе.
Жесткость воды и способы ее устранения
Почему вода становится жесткой
Кальций и его соединения очень нужны организму: ведь именно из ортофосфата кальция Са3(Р04)2 состоят кости и зубы человека и животных. Образуются они из растворимых соединений кальция, которые разносит кровь по всему организму. Благодаря катионам кальция Са2+ кровь получает возможность свертываться, образуя сгустки, закупоривая ранки и прекращая кровотечения.
Соединения кальция бывают не только полезными, но и очень вредными - например, когда они придают жесткость обычной воде. В повседневном обиходе слово «жесткость», на первый взгляд, можно применить только к твердым телам: твердой может быть скамейка в парке или табуретка на кухне. Однако жесткой бывает и вода.
Основным источником попадания в воду солей магния и кальция являются размываемые природными водами залежи известняков, гипса и доломитов..
В маломинерализованных водах больше всего ионов кальция. С увеличением степени минерализации содержание ионов кальция быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния в минерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых водах нескольких десятков граммов.
Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием - мягкой. Различают временную жёсткость (карбонатную), образованную гидрокарбонатами и постоянную жёсткость (некарбонатную), вызванную присутствием других солей. Временная жёсткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния (Са(НСО3)2; Мg(НСО3)2). Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в воде сульфатов, хлоридов Са и Мg (СаSO4,CaCl2,MgSO4,MgCl2).
Значение жесткости воды в жизни человека
Жесткостью воды называется сумма растворенных в воде ионов кальция Са2+ и магния Mg2+.
Ионы кальция и магния не приносят особого вреда живым организмам, однако наличие их в воде в большом количестве нежелательно, поскольку такая вода непригодна для хозяйственных нужд.
В жесткой воде увеличивается расход мыла и порошка при стирке белья, медленно разваривается мясо и овощи, снижается моторика желудка. Жесткая вода непригодна для систем водоснабжения и питания водонагревательной техники.
Жесткость измеряется в миллиграммах эквивалент на литр (мг-экв/л). Промышленные стандарты допустимого значения жесткости зависят от типа используемого оборудования. Обычно, считается жесткой вода с жесткостью 1 мг-экв/л и более.
Жесткость – это наиболее распространенная проблема качества воды. Первоначально термин «жесткая вода» применялся к воде, стирка в которой была затруднена.
Жёсткая вода при умывании сушит кожу, в ней плохо образуется пена при использовании мыла. Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах и т. п. В то же время, использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб, так как, в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность , которую обеспечивает гидрокарбонатная (временная) жёсткость. Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, хотя есть данные о том, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая - незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний.
Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.
Способы устранения жесткости
Различают общую жесткость, которая складывается из временной и постоянной .
Кипячение.
Временная жесткость (устранимая или карбонатная) обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов Са(НСО3)2 и Mg(НСО3)2. Карбонатную жесткость легко устранить кипячением воды , при котором Са2+ и Mg2+ удаляются образуя нерастворимые осадки:
Са(НСО3)2 CаСО3↓ + СО2 + Н2О
Ионы Mg осаждаются в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН > 10,3).
2Mg2+ + ОН)2СО3↓ + СО2 + Н2О
(ионы ОН- образуются за счет взаимодействия ионов с водой: и равновесие при нагревании смещается вправо).
Для уменьшения карбонатной жесткости применяется метод известкования , при котором в обрабатываемую воду вводят известь Са(ОН)2. Реакции, протекающие при введении извести, можно записать в молекулярной форме:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + Н2О
Mg(НСО3)2 + Са(ОН)2 → Mg(ОН)2↓ + 2СаСО3 + Н2О
Постоянная жесткость (неустранимая или некарбонатная) сохраняется при кипячении воды, поскольку постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде сульфатов, хлоридов и других солей Са и Mg. Количественно она равна концентрации ионов Са2+ и Mg2+ за вычетом временной жесткости. Для снижения карбонатной жесткости обычно используют кальцинированную соду (Na2CO3):
MgSO4 + Na2CO3 → MgCO3↓ + Na2SO4
При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ ).
Вся жесткость устраняется и при введении ортофосфата натрия , тетрабората натрия и др. Поскольку ортофосфаты менее растворимы, чем карбонаты, их использование при умягчении воды более удобно:
3CaSO4 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 3Na2SO4
Современный способ умягчения воды основан на использовании ионно-обменных смол - ионитов (катионитов и анионитов). Катиониты – это синтетические ионно-обменные смолы – алюмосиликаты, например:
Их состав условно можно выразить общей формулой Na2R, где Na+ - весьма подвижный катион и R - - частица катионита, несущая отрицательный заряд.
При протекании жесткой воды через слой катионита происходит обмен катионов по реакциям:
Ca2+ + Na2R → 2Na+ + CaR
Mg2+ + + Na2R → 2Na+ + MgR
Таким образом, ионы Ca2+ и Mg2+ из раствора переходят в катионит. Для восстановления катионита его промывают концентрированным раствором NaCl:
CaR + 2NaCl → СаCl2 + Na2R
После промывки катионит можно использовать снова для удаления жесткости из воды.
Обратный осмос . Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды . В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.
Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.
Термический способ . Основан на нагреве воды, устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту. В промышленности применяется, например, на ТЭЦ.
Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду соды или гашеной извести. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.
Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода . Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. Как правило, жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом - до 0,01 мг-экв/л.
Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является отофосфат натрия Na3PO4: 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓+ 6NaHCO3 3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4 Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому достигается лучшее умягчение воды. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду. Определенное умягчение воды происходит и в бытовых фильтрах для питьевой воды. Отфильтрованная вода дает меньше накипи. Полностью очистить воду можно методом перегонки(дистилляцией)
На сегодняшний день существуют отличные фильтры для очистки воды, которые без проблем устанавливаются в квартире и служат прекрасным средством для качественной водоподготовки. Возможно, многие сегодня предпочитают покупать в супермаркетах очищенную воду в бутылях. Выбор такой воды поистине огромен, но можно ли быть на 100% быть уверенным в её качестве? Пожалуй, нет! Именно поэтому очистка воды при помощи специально предназначенных фильтров для очистки является наиболее оптимальным решением для современного человека, заботящегося о своем здоровье и здоровье своих близких. Системы для очистки воды бывают самые разнообразные. Как правило, они отличаются: производительностью, некоторыми параметрами, степенью очистки воды, а также дизайном. Фильтры для воды прекрасно очищают воду и делают её пригодной для питья, уменьшают содержание в ней алюминия , железа, марганца, хлора, всевозможных нитратов. Кроме того, фильтры для очистки воды помогают устранить неприятный запах, привкус, а также избавиться от микробов и бактерий, содержащихся в воде. Вода, которая прошла очистку через такие системы, становится менее жесткой, однако абсолютно не теряет полезные вещества, необходимые для человеческого организма. Фильтры для воды – это отличная возможность получать очищенную воду в неограниченных количествах, не выходя из дома. Правильно подобранный фильтр станет отличным решением проблемы чистой воды, поправит здоровье и продлит ваше долголетие.
Исследование жесткости воды и способов ее устранения
Жесткость воды обусловлена наличием ионов Са2+ и Mg2+. Чем выше их содержание в природной воде (вода, прошедшая через известковые горные породы и почвы), тем больше ее жесткость.
Количественно жесткость воды выражается суммой миллиэквивалентов ионов Са2+ и Mg2+, содержащихся в одном литре воды (мэкв/л). Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов Са2+ или 12,16 мг/л ионов Mg2+.
Следовательно, при решении задач можно воспользоваться формулой:
(ммоль – экв/л),
где m – масса вещества, обусловливающего жесткость воды или применяемого для устранения жесткости воды, мг;
Мэ – эквивалентная масса этого вещества, г/моль;
V – объем воды, л.
По жесткости все природные воды делятся на мягкие (общая жесткость менее 2 ммоль/л) и жесткие со средней степенью жесткости (2-10 ммоль/л) и высокой степенью жесткости (более 10 ммоль/л).
1 - бюретка
2 - пипетка
3 - воронка
Рисунок 1 – Экспериментальная установка
Выполнение опыта
В три колбы отмерить большим мерным цилиндром по 100 мл воды. В каждую колбу с водой добавить 2-3 капли индикатора метилового оранжевого. Титрование проводим 0,1 н. раствором соляной кислоты с помощью бюретки. Уровень кислоты в бюретке установить на нулевое деление. Приливать соляную кислоту по каплям до изменения окраски раствора от желтой до оранжево-розовой. Зафиксировать объем кислоты, пошедшей на титрование. Титрование повторить еще два раза. Данные занести в таблицу.
Расчет сделать по формуле:
(ммоль – экв/л),
где – нормальная концентрация соляной кислоты;
Vcp (HCl ) – средний объем HCl, пошедший на титрование;
Vводы – объем воды взятой на титрование.
Полученные данные мы оформили в виде таблицы.
Образец воды
используемый для титрования
используемый для титрования отфильтрованной воды
Вода из под крана – кабинет химии
Вода из под крана – ул. Авиационная
Вода из под крана – ул. Октябрьская
Вода из колонки – п. Прибрежный
Вода из под крана – ул. Покровского
Вода из колодца – ул. Покровского
Вода из под крана – ул. Белгородская
Вода из под крана – ул. Солдатская
Вода газированная «Красиво»
В условиях школьной лаборатории нами было проведено исследование воды, взятой из разных источников, на предмет жесткости. Для определения жесткости было использовано титрование природной воды соляной кислотой в присутствии индикатора метилового оранжевого. Определялась карбонатная жесткость образца воды до и после пропускания ее через бытовой фильтр (был использован «Аквафор»).
В результате проведенной работы были сделаны следующие выводы:
1) Вода в г. Новом Осколе жесткая (Ж = 7-10,5). Многие люди проживают в частном секторе и пользуются водой из колодцев, а эта вода очень жесткая.
2) Вода, поступающая в водопровод подвергается очистке и умягчению (Ж = 6-7), поэтому может считаться средней жесткости (согласно ГОСТу, общая жесткость питьевой воды не должна быть более 7 ммоль/л).
3) Самым простым домашним способом умягчения воды традиционно остается кипячение.
4) Опыты показали, что бытовые фильтры также прекрасно умягчают воду. Так, взятая для исследования вода из колодца на ул. Покровского (жесткость 10,5 ммоль/л), после фильтрования имела жесткость всего 2 ммоль/л, что даже ниже физиологической нормы (3,5 ммоль/л). Таким образом, фильтры для воды – это отличная возможность получать очищенную воду в неограниченных количествах, не выходя из дома.
Список использованной литературы
1. , . руководство к практическим занятиям по гигиене с техникой санитарно-гигиенических исследований. – М.: «Медицина», 19с.
2. и. Основы химического анализа. Учебное пособие для учащихся. – М.: «просвещение», 1971. – 192 с.
3. . Неорганическая химия: Учеб. для технолог. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 432 с.
4. , . Следим за окружающей средой нашего города: 9-11 кл.: Школьный практикум. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001. – 112 с.
5. Химия: Справ. изд./В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем._ М.: Химия, 1989. – Пер. изд.: ГДР, 1986. – 648 с.
