Жесткость воды и способы ее устранения.

Природная вода находится в непрерывном взаимодействии с окружающей средой. Она реагирует с атмосферой, почвой, растительностью, минœералами и различными горными породами. При этом вода растворяет органические и неорганические соединœения. Характер этого взаимодействия определяет состав природных вод, который в связи с этим принято оценивать такими технологическими показателями как жесткость, щелочность и солесодержание.

Жесткость воды (Ж ) выражается числом миллимолярных масс эквивалента катионов Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ или соответствующих им солей, содержащихся в 1 литре воды.

m – масса катиона металла или соответствующей соли, находящейся в воде, мг ;

Э м – молярная масса эквивалента катиона металла или соответствующей соли, мг ;

V – объём воды, л ;

Жесткая вода мало пригодна к употреблению. В ней плохо пенится мыло, она неприменима в ряде технологических процессов, т.к. находящиеся в ней катионы металловобразуют труднорастворимые осадки со многими анионами. Жесткая вода образует в паровых котлах и котельных установках слой накипи. Накипь плохо проводит теплоту, вызывает увеличение расхода топлива и ускоряет изнашивание тепловых котлов и котельных установок.

Различают карбонатную жесткость (Ж к ) жесткость, обусловленную присутствием в воде гидрокарбонатов Ca, Mg, Fe, и некарбонатную жесткость (Ж н), вызванную присутствием в воде сульфатов и хлоридов Ca и Mg. Общая жесткость воды равна сумме значений карбонатной и некарбонатной жесткости.

Ж о =Ж к +Ж н

Карбонатную жесткость можно легко устранить даже кипячением, при котором катионы Ca 2+ и Mg 2+ удаляются, образуя нерастворимые осадки (CaCO 3 и MgCO 3), в связи с этим эту жесткость называют также временной.

Э(HCO 3) 2 → ЭCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2 , где Э – Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ .

Другой метод устранения карбонатной жесткости (метод известкования) - это добавление к воде гидроксида кальция Ca(OH) 2 в количестве, крайне важно м для полного осаждения гидрокарбонатов:

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 → 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O

Mg(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 → Mg(OH) 2 ↓ + 2CaCO 3 ↓ + H 2 O

Метод известкования непригоден для снижения некарбонатной жесткости. Для этой цели крайне важно вводить карбонат натрия (сода), фосфат натрия или тетраборат натрия (бура):

Ca(HCO 3) 2 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + NaHCO 3 CaSO 4 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

CaCl 2 + Na 2 B 4 O 7 → CaB 4 O 7 ↓ + 2NaCl

3CaCl 2 + 2Na 3 PO 4 → Ca 3 (PO 4) 2 ↓ + 6NaCl

Ионы Ca 2+ и Mg 2+ можно также удалить из воды посредством использования катионитов.

Карбонатная (временная) жесткость в лабораторных условиях определяется титрованием пробы воды стандартным раствором хлороводородной кислоты в присутствии метилоранжа.

Ca(HCO 3) 2 + 2HCl → CaCl 2 + H 2 O + CO 2

Расчет карбонатной жесткости, с учетом результатов титрования, проводится по формуле:

(мэкв/л)

Некарбонатная (постоянная) жесткость рассчитывается по известным значениям общей и карбонатной жесткости:

Ж н = Ж о - Ж к

Общая жесткость в лабораторных условиях определяется титрованием пробы воды стандартным раствором трилона – Б в присутствии индикатора хромогена черного. Расчет производится по формуле:

(мэкв/л),

где V T и N T - объём и нормальность раствора трилона – Б.

Вода, жесткость которой имеет значение до 4 мэкв/л, считают мягкой, свыше 12 мэкв/л – очень жесткой.

Жесткость воды и способы ее устранения. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Жесткость воды и способы ее устранения." 2014, 2015.

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.

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.

ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с методами определения карбонатной и общей жесткости воды, а также с методикой умягчения водопроводной воды.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Одним из технологических показателей, принятым для характеристики состава и качества природных вод, является жесткость воды . Жесткостью воды принято называть свойство воды, которое характеризуется содержанием в ней солей кальция и магния. Суммарное содержание растворимых солей кальция и магния определяет общую жесткость воды : Ж ОБЩ = + , складывающейся из кальциевой и магниевой жесткости, обусловленной соответственно катионами кальция Ca 2+ и магния Mg 2+ .

В зависимости от природы анионов принято различать карбонатную Ж К и некарбонатную Ж НК жесткость , сумма которых определяет общую жесткость воды:

Ж ОБЩ = Ж К + Ж НК. (1)

Карбонатная жесткость характеризуется присутствием в воде растворимых гидрокарбонатов кальция Ca(HCO 3) 2 и магния Mg(HCO 3) 2 . Она обусловлена растворением в природной воде диоксида углерода CO 2 и образованием раствора угольной кислоты:

СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3 , (2) которая, диссоциируя, образует гидрокарбонат-ионы НСО 3 ¯ :

Н 2 СО 3 ↔ Н + + НСО 3 ¯ , (3) связываемые затем ионами кальция и магния с образованием соответствующих гидрокарбонатов:

Са 2+ + НСО 3 ¯ ↔ Ca(HCO 3) 2 , (4)

Mg 2+ + НСО 3 ¯ ↔ Mg(HCO 3) 2 . (4а)

При длительном кипячении воды с карбонатной жесткостью появляется осадок (CaCO 3 и MgCO 3) вследствие разложения солей:

Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 ↓+ Н 2 О + СО 2 , (5)

Mg(HCO 3) 2 = MgCO 3 ↓ + Н 2 О + СО 2 . (5а)

Поэтому карбонатную жесткость называют также временной или устранимой жесткостью .

Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде солей сильных кислот – сульфатов или хлоридов кальция и магния (MgSO 4 , MgCl 2 , CaCl 2 и др.), которые при кипячении не удаляются. Поэтому некарбонатную жесткость принято называть также постоянной жесткостью.

Жесткость воды выражается суммой миллимолей эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в одном литре воды. Один миллимоль эквивалентов жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л катионов Ca 2+ или 12,16 мг/л катионов Mg 2+ .

Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. В разных водоемах она различна, а в одной и той же реке меняется в течение года (минимальна во время паводка). Жесткость вод морей изначально выше, чем рек и озер. Так, вода Черного моря имеет общую жесткость 65,5 ммоль экв/л. Среднее значение жесткости воды мирового океана 130,5 ммоль экв/л (в том числе на Ca 2+ приходится 25,5 ммоль экв/л, на Mg 2+ – 108 ммоль экв/л).

В зависимости от величины жесткости воду делят на 5 классов: очень мягкую - 0 – 1 ммоль экв/л; мягкую - 1 – 3 ммоль экв/л; умеренно жесткую - 3 – 6 ммоль эвк/л; жесткую - 6 – 10 ммоль эвк/л и очень жесткую - > 10 ммоль экв/л.

Использование жесткой воды для удовлетворения хозяйственно-бытовых и производственных целей нежелательно. Так, при нагревании и особенно, при испарении воды эти соли образуют слой накипи, снижающий коэффициенты теплопередачи в охлаждающих и нагревающих системах, что является крайне нежелательным.

Необходимость удаления солей, определяющих жесткость, можно проиллюстрировать следующим примером. Прямоточный паровой котел производит 500 тонн водяного пара в час и использует воду с карбонатной жесткостью 1 ммоль экв/л. В 500 м 3 воды содержится 500 эквивалентов Сa(НCO 3) 2 или 500·56 = 28000 г или 28 кг гидрокарбоната кальция. При полном его разложении на стенках котла за один час работы осядет карбонат кальция в виде накипи в количестве кг. Таким образом, прямоточный котел, состоящий из системы испарительных трубок, в течение суток выйдет из строя.

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ

1. Общая жесткость воды Ж ОБЩ определяется методом комплексонометрии. Метод основан на титровании воды раствором комплексона III в присутствии аммиачного буферного раствора (pH=10,0) и индикатора до перехода исходной розовой окраски в голубую. В качестве индикатора могут служить кислотный хром синий К или эриохром черный Т. Эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет при наличии в воде ионов жесткости Ca 2+ и Mg 2+ , а в их отсутствии – в голубой.

Комплексон III (другие названия: EDTA, трилон Б) представляет собой двузамещенную натриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты:

NaOOCH 2 С CH 2 COONa

Н 2 N – CH 2 – CH 2 – NН 2

HOOCH 2 С CH 2 COOH

При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение, в котором ион кальция Ca 2+ (или Mg 2+) выступает в роли комплексообразователя:

OOCH 2 С CH 2 COO

Н 2 N – CH 2 – CH 2 – NН 2

OOCH 2 С CH 2 COO

Связывание ионов кальция и магния комплексоном приводит к изменению окраски индикатора в оттитрованном растворе до голубого цвета.

2. Карбонатная жесткость воды Ж К определяется методом нейтрализации. Он основан на титровании воды, в которую добавляется метиловый оранжевый, раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую. Метиловый оранжевый является кислотно-основным индикатором, который при pH < 3,1 имеет красную окраску, а при pH > 4,4 окрашивается в желтый цвет. В интервале значений pH 3,1 ¸ 4,4 окраска индикатора становится оранжевой.

Титрование воды раствором HCl сопровождается протеканием реакции нейтрализации

OH ¯ + H + → H 2 O, (6)

в которой ионы H + диссоциирующей кислоты нейтрализуют гидроксид-ионы OH ‾ , образующиеся в результате гидролиза анионов HCO 3 ‾ в воде

HCO 3 ¯ + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH ¯ . (7)

Из уравнения (7) следует, что количество нейтрализующихся ионов OH¯ эквивалентно концентрации иона HCO 3 ¯.

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Природная вода обычно не используется без предварительной очистки. Качество воды, предназначенной для промышленных целей, улучшается в результате водоподготовки . На начальной стадии водоподготовки вода, прежде всего, освобождается от грубодисперсных и коллоидных примесей. Взвешенные и коллоидные примеси удаляются коагуляцией с последующим отстаиванием и фильтрацией. В систему водоподготовки входят умягчение (частичное или полное устранение карбонатной жесткости) и обессоливание (полное удаление из воды всех солей). Для умягчения и обессоливания воды применяются: физические (кипячение, дистилляция, вымораживание, электродиализ, магнитно-ионизационный метод, магнитная обработка, ультразвуковая обработка ), физико-химические (ионный обмен ) и химические (осаждение нерастворимых соединений ) методы очистки.

1. Карбонатная жесткость устраняется кипячением воды, определяющим существо термического метода . При этом гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты по реакциям (5), (5а) и

Mg 2+ + 2HCO 3 ¯ + 2OH ¯ = (MgOH) 2 СО 3 ↓ + Н 2 О + CO 2 . (8)

Образующиеся осадки удаляются фильтрованием.

Для уменьшения карбонатной жесткости также применяется метод осаждения , при котором в обработанную воду вводят известь (известкование – известковый способ ):

Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O, (9)

Mg(HCO 3) 2 + 2Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 ↓ + 2CaCO 3 ↓ + 2H 2 O. (10)

2. Устранение карбонатной Ж К и некарбонатной Ж НК жесткости осуществляется также методом осаждения, т.е. действием на воду едким натром (натронный способ ):

Ca(HCO 3) 2 + 4NaOH = CaCO 3 ↓ + Na 2 CO 3 + 2H 2 O, (11)

Mg(HCO 3) 2 + 2NaOH = Mg(OH) 2 ↓ +2Na 2 CO 3 + 2H 2 O, (12)

действием кальцинированной содой (содовый способ ):

CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl, (13)

MgSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4 , (14)

а также действием фосфатом натрия Na 3 PO 4 (фосфатный способ ):

3Ca(HCO 3) 2 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 ↓ + 6NaНCО 3 , (15)

3MgSO 4 + 2Na 3 РO 4 = Mg 3 (PO 4) 2 ↓ + 3Na 2 SO 4 , (16)

3CaCl 2 + 2Na 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4) 2 ↓ + 6NaCl. (17)

С помощью применения известкового и содового способов умягчения (обычно они используются вместе) жесткость воды понижается до 0,3 ммоль экв/л, а фосфатного – до 0,03 ммоль экв/л.

3. Очень эффективным является метод устранения жесткости воды путём ионного обмена, который получил широкое распространение в технике. Он основан на способности некоторых природных и искусственных высокомолекулярных соединений – ионитов – обменивать входящие в их состав радикалы на ионы, которые находятся в растворе. Такой способностью обладают некоторые природные и синтетические соединения (алюмосиликаты), например натриевый алюмосиликат (Na 2 OּAl 2 O 3 ּ2SiO 2 ּnН 2 О), а также синтетические органические ионообменники (ионообменные смолы) в виде выпускаемых химической промышленностью гранул, зернистых порошков, поропластов, волокон, тканей, мембран. Они содержат подвижные функциональные группы, например сульфо- (-SO 2 OH), карбоксо- (-COOH), гидроксо- (-ОН) группы.

Иониты, сорбирующие катионы, называются катионитами , а сорбирующие анионы – анионитами . В качестве катионитов в основном применяются Na + -катиониты (алюмосиликаты: цеолит, глауконит, пермутит) и Н + -катиониты (синтетические смолы и сульфированный уголь). К используемым анионитам относятся ОН¯-аниониты на основе карбамидных смол.

При пропускании воды через слой катионита катионы Ca 2+ и Mg 2+ обмениваются на катионы Na + в соответствии с уравнением, определяющим равновесие катионного обмена:

R 2- Na 2 + ТВ + Са 2+ ВОДН « R 2- Са 2+ ТВ + 2Na + ВОДН, (18а)

где R 2- является отрицательно заряженной частицей катионита, например в случае натриевого алюмосиликата R 2- = 2- .

Для удаления из воды не только катионов Ca 2+ и Mg 2+ , но и других катионов и анионов ее пропускают через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (H + -катионит) и анионит, содержащий гидроксид-ионы (OH¯-анионит). Равновесия катионного и анионного обмена для этих случаев можно записать в виде:

R ¯ H + ТВ + Kt + ВОДН « RKt + ТВ + H + ВОДН, (18б)

R + OH ¯ ТВ + An ¯ ВОДН « R + An ¯ ТВ + OH ¯ ВОДН, (18в)

где Kt + и An ¯ соответственно катионы и анионы, подлежащие удалению из воды. В данном случае катионит находится в форме H + -катионита и в раствор переходит ион водорода, а анионит – в OH ¯ -форме и в результате ионного обмена в воду поступают гидроксид-ионы. В итоге, если очищаемую воду пропустить последовательно через катионит и анионит, то она освободится как от катионов, так и анионов солей. Такая обработка воды называется обессоливанием.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестаёт работать – утрачивает способность умягчать воду. Для возобновления работоспособности ионита его подвергают регенерации. Для этого через катионит пропускают раствор NaCl или Na 2 SO 4 (для Na + -катионита), а в случае H + -катионита – раствор HCl или H 2 SO 4 . При этом ионы Ca 2+ и Mg 2+ переходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na + и H + . Для регенерации анионита его обрабатывают раствором щёлочи. В результате поглощенные анионы вытесняются в раствор, а анионы вновь насыщаются ионами OH ¯ .

Катионитный метод умягчения воды снижает ее карбонатную жесткость до 0,01 - 0,05 ммоль экв/л.

4. Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к источнику постоянного тока, через пористые мембраны, которые расположены перед электродами на пути движения ионов. Мембраны, расположенные возле катода, содержат катионит, а возле анода - анионит. Ионы электролита обмениваются с ионами ионообменников, разряжаемых на поверхности соответствующих электродов. Таким образом, ионы металлов, обусловливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

5. Магнитно-ионизационный метод так же, как и метод электродиализа, использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля.

6. Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворённых веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.

7. Ультразвуковая обработка воды так же, как и магнитная, приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.

Для определения жесткости воды необходимо сделать её анализ и затем рассчитать жесткость в единицах ГОСТ, используя закон эквивалентов.

Пример 1. Вычислить жесткость воды, зная, что в 500 л её содержится 202,5 г Ca(HCO 3) 2 .

Решение. В 1 л воды содержится 202,5:500 = 0,405 г Ca(HCO 3) 2 . Эквивалентная масса Ca(HCO 3) 2 равна 162:2 = 81 г/моль. Следовательно, 0,405 г составляют 0,405:81 = 0,005 эквивалентных масс или 5 ммоль экв/л.

Пример 2. Сколько граммов CaSO 4 содержится в одном кубометре воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 ммоль экв/л?

Решение. Молярная масса CaSO 4 – 136,14 г/моль, эквивалентная масса – 136,14: 2 = 68,04 г/моль. В 1 м 3 воды с жесткостью 4 ммоль экв/л содержится 4∙1000 = 4000 ммоль экв или 4000∙68,07 = = 272280 мг = 272,28 г CaSO 4 .

Пример 3. Сколько граммов соды надо добавить к 500 л воды, чтобы устранить её жесткость, равную 5 ммоль экв/л?

Решение. В 500 л воды содержится 500 · 5 = 2500 ммоль экв солей, обусловливающих жесткость воды. Для устранения жесткости следует прибавить 2500∙53 = 132500 мг = 132,5 г соды (53 г/моль – эквивалентная масса Na 2 CO 3).

Пример 4. Какое количество (в мл) раствора ЭДТА 0,1н необходимо для титрования воды с Ж ОБЩ = 6 ммоль экв /л?

Решение. Из закона эквивалентов следует, что для титрования требуется V 2 = (Ж ОБЩ ∙V 1)/(N 2 ∙1000) = 6500/(0,1∙1000) = 30 мл ЭДТА.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Определение общей жесткости водопроводной воды

Отмерить мерным цилиндром 50 мл водопроводной воды (из-под крана) и перелить её в колбу емкостью 250 мл, добавить 5 мл аммиачно-буферного раствора и индикатор – эриохром черный Т – до появления розовой окраски (несколько капель или несколько кристаллов). Заполнить бюретку раствором ЭДТА 0,04 н (синонимы – трилон Б, комплексон III) до нулевой отметки.

Приготовленную пробу медленно при постоянном перемешивании оттитровать раствором комплексона III до перехода розовой окраски в голубую. Результат титрования записать. Повторить титрование ещё один раз.

Если разница результатов титрований превышает 0,1 мл, то оттитровать пробу воды третий раз. Определить средний объем комплексона III (V К, СР)

израсходованного на титрование воды, и по нему рассчитать общую жесткость воды.

Ж ОБЩ = , (20) где V 1 – объём анализируемой воды, мл; V К,СР – средний объём раствора комплексона III, мл; N К – нормальная концентрация раствора комплексона III, моль/л; 1000 – коэффициент перевода моль/л в ммоль/л.

Определить класс жесткости водопроводной воды.

Опыт 2. Умягчение воды методом катионирования и определение общей жесткости умягченной воды

Очистить водопроводную воду от примесей, пропустив её через колонку, заполненную катионитом. Умягченную воду собрать в стакан (можно пользоваться заранее приготовленной умягченной водой, собранной в колбу).

Определить общую жесткость 100 мл умягченной воды Ж К ОБЩ по методике опыта 1 и класс жесткости умягченной воды.

Результаты опыта записать в таблицу:

Записать уравнения процессов, протекающих при катионировании, для случаев:

а) H + -катионита;

б) Na + -катионита.

Опыт 3. Определение карбонатной и некарбонатной жесткости воды

Отобрать мерным цилиндром 50 мл водопроводной воды и перелить её в коническую колбу. Добавить к исследуемой воде несколько капель метилового оранжевого до появления желтой окраски, которая должна соответствовать или быть очень близкой к окраске контрольного раствора с этикеткой «до титрования». Заполнить бюретку раствором соляной кислоты 0,1 н до нулевой отметки.

Оттитровать приготовленную пробу раствором соляной кислоты. Оттитрованная проба должна иметь оранжевую, но не розовую окраску индикатора, и соответствовать или быть очень близкой к окраске контрольного раствора с этикеткой «после титрования».

Результат титрования записать. Повторить титрование ещё один раз. Если результаты двух титрований совпадут (различие не должно превышать 0,1 мл), рассчитать карбонатную жесткость воды. В противном случае оттитровать ещё одну пробу воды. Определить среднее значение объема раствора соляной кислоты, израсходованной на титрование воды. Рассчитать карбонатную жесткость Ж К воды в единицах ммоль экв/л, используя закон эквивалентов:

где V 1 – объём пробы анализируемой воды, мл; V К,СР – средний объём раствора HCl, израсходованного на титрование, мл; 1000 – коэффициент перевода моль экв/л в ммоль экв/л; N К – нормальность раствора HCl.

Определить некарбонатную жесткость:

Ж НК = Ж ОБЩ – Ж К. (22)

Результаты опыта записать в таблицу:

Определить класс жесткости воды по карбонатной и некарбонатной жесткости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие катионы называются ионами жесткости?

2. Какой технологический показатель качества воды называют жесткостью?

3. Почему жесткую воду нельзя применять для регенерации пара на тепловых и атомных электростанциях?

4. Какой метод умягчения называют термическим? Какие химические реакции протекают при умягчении воды этим методом?

5. Как осуществляют умягчения воды методом осаждения? Какие реагенты используют? Какие реакции протекают?

6. Можно ли умягчать воду с помощью ионного обмена?

7. Какой процесс следует проводить для умягчения воды: катионирования или анионирования? Почему? Составить уравнения реакций, протекающих при умягчении воды с помощью ионного обмена.

8. Как определяют общую жёсткость воды?

9. Как находят некарбонатную жесткость воды?

10. Путём анализа было установлено, что в одном литре исследуемой воды содержится 42 мг ионов магния и 112 мг ионов кальция. Вычислить общую жесткость воды.

11. Сколько граммов соды надо прибавить к 10 л воды, чтобы устранить её общую жесткость, равную 4,64 ммоль экв/л?

12. Вычислить карбонатную жесткость, если на титрование 200 мл воды израсходовано 8 мл 0,05 н раствора соляной кислоты.

13. Жесткость воды обусловливается только гидрокарбонатом кальция. При кипячении 200 мл воды в осадок выпало 3 мг карбоната кальция. Чему равна жесткость воды?

14. Сколько граммов гашеной извести Са(ОН) 2 надо добавить к 1 м 3 воды, чтобы устранить ее временную жесткость, равную 2,5 ммоль экв/л?

15. Какое количество негашеной извести СаО требуется добавить к 100 л воды, содержащей 36,45 мг экв/л ионов Mg 2+ для снижения уровня их содержания в четыре раза?

16. Какое количество гидроксида кальция необходимо для снижения уровня содержания ионов Ca 2+ c 20,04 мг экв/л до 5,01 мг экв/л в воде, объем которой равен 10 м 3 ?

17. Сколько граммов фосфата натрия необходимо для снижения уровня карбонатной жесткости до 0,05 мг экв/л в 1м 3 воды, если концентрация первоначально содержащихся бикарбонат-ионов НСО 3 ¯ в воде составляла 2,5 мг экв/л?

Библиографический список

1. Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высшая школа, 2002.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. М.: Интеграл-пресс, 2002.

3. Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия. СПб.: Химия, 2002.

4. Угай А.Я. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 2000.

5. Соколов Р.С. Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. М.: Гуманит. центр ВЛАДОС, 2003. Т. 1: Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ.

6. Коровин Н.В., Мингулина Э.И., Рыжова Н.Г. Лабораторные работы по химии: Учеб. пособие для техн. направ. и спец. вузов. М.: Высшая школа, 2001.

7. Хомченко Г.П. Практикум по общей и неорганической химии с применением полумикрометода. М.: Высшая школа, 1980.

Приложение

Основы метода титрования и техника эксперимента

Титрованием называется количественное определение вещества титриметрическим методом путем медленного приливания к раствору исследуемого продукта раствора реагента с точно измеренной концентрацией в количестве, которое соответствует содержанию определяемого вещества в строго эквивалентных количествах. Раствор реагента с точно измеренной концентрацией называется стандартным или титрованным , а также титрантом . Титрование проводят до тех пор, пока

не будет достигнута точка эквивалентности , в которой количество титранта становится теоретически строго эквивалентным количеству определяемого вещества в соответствии с уравнением химической реакции. Точка эквивалентности может быть установлена различными способами, например визуально по изменению окраски индикатора, который добавляют к титруемому раствору.

Для точного определения объемов растворов при проведении титрования используют мерную химическую посуду (рис. 1). Пипетки служат для отмеривания и переноса небольших объемов жидкостей. Они представляют собой длинные стеклянные трубки, расширенные в средней части (рис.1, а). Нижний конец пипетки оттянут, а в верхней ее части нанесена метка, до которой следует набирать жидкость. На расширенной части пипетки указана ее емкость, выраженная в миллилитрах. Используются также измерительные пипетки небольшой емкости, не имеющие расширения (рис. 1, б), градуированные на 0,1-1 мл.

а б в г д

Рис. 1. Мерная посуда для титрования:

а, б – пипетки; в, г, д – бюретки

Для заполнения пипетки ее берут за верхнюю часть большим и средним пальцами правой руки и погружают нижний конец в раствор до дна сосуда. Придерживая левой рукой сосуд с раствором, всасывают жидкость в пипетку ртом (кроме легколетучих и ядовитых жидкостей ) или с помощью резиновой груши так, чтобы уровень в ней стал на 2-3 см выше метки. Затем быстро закрывают верхнее отверстие пипетки указательным пальцем. Избыток жидкости медленно сливают до метки, ослабив нажим указательного пальца. После этого палец снова прижимают к отверстию и переносят пипетку в другой сосуд, отнимают палец от отверстия, давая жидкости стечь по стенкам сосуда.

Бюретки, представляющие собой узкие градуированные цилиндрические стеклянные трубки (рис 1, в-д), предназначены для точного измерения объема жидкостей. Нижний конец бюретки сужен и снабжен притертым краном (рис. 1, в), или соединен с резиновой трубкой, которая зажимается снаружи металлическим зажимом. Применяются также бюретки с резиновыми трубками, которые закрываются изнутри стеклянным шариком (рис. 1, д). Отсчет объемов раствора проводится с помощью нанесенных на бюретки делений и цифр. В верхней части бюреток находится нулевое деление.

В исходном состоянии уровень жидкости в бюретке, закрепленной в штативе строго вертикально, должен быть установлен на нулевом делении. Для этого в бюретку через воронку наливают жидкость на 2-3 см выше нулевого деления. Затем снимают воронку и сливают избыток жидкости. Уровень прозрачных растворов устанавливают по нижнему краю мениска.

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