Жесткость природных вод и ее устранение

Мерой содержания в природных водах солей является жесткость воды. Природная вода, содержащая большое количество растворённых солей кальция, магния и железа, называется жёсткой. Различают общую, временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жёсткости.

Общей жёсткостьюназывается суммарная концентрация ионов Ca2+, Mg2+ и Fe2+ в воде, выраженная в ммоль экв/л. Общая жёсткость воды равна сумме постоянной и временной жёсткости.

Постоянной жёсткостьюназывается часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Постоянную жёсткость воды называют также некарбонатной жёсткостью, т.к. она обусловлена наличием сульфатов, хлоридов, силикатов кальция, магния и железа.

Временной жёсткостьюназывается часть общей жёсткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Она равна разности между общей и постоянной жёсткостью. Временную жёсткость также называют карбонатной жёсткостью, т.к. она обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния.

По величине жёсткости воду делят на 6 классов.

Классы Жёсткость воды (ммоль экв/л)
1 (очень мягкая) 2 (мягкая) 3 (средней жёсткости) 4 (довольно жёсткая) 5 (жёсткая) 6 (очень жёсткая) 0 – 1,5 1,5 – 3,0 3,0 – 4,5 4,5 – 6,0 6,0 – 10,0 свыше 10,0  

Жёсткая водаоказывает вредное действие на технологические процессы и вызывает неприятные явления при использовании её в быту.

Обработка воды, приводящая к снижению жесткости воды, называется умягчением воды.

Существующие способы умягчения можно разделить на 3 группы:

q реагентные (химические) методы умягчения воды. Химическая обработка воды основана на переводе растворимых солей кальция и магния в труднорастворимыее соли; В качестве реагентов–осадителей применяют известь, соду, едкий натр, фосфаты натрия и др. Чаще применяется сода в смеси с известью или едким натром;

q умягчение воды методом ионного обмена (пропускание воды через ионообменные смолы);

q термическое умягчение воды (кипячение).

Для устранения временной жёсткости воды применяют:

– термическое умягчение (кипячение):

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

– реагентное умягчение гашёной известью:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Известь нейтрализует углекислоту, которая является одной из причин коррозии металлов, осаждает железо и способствует коагуляции коллоидов, например, кремниевой кислоты.

Для устранения общей жёсткости методом осаждения используют:

– карбонат натрия (соду):

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

– фосфат натрия (тринатрийфосфат):

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

В последнее время для очистки воды стали широко применять иониты (ионообменные смолы). Метод ионного обмена – катионирование основан на фильтровании через слой катионита, при котором происходит замещение ионов Ca2 и Mg2+, содержащихся в воде, на катионы Na+, K+ или NH+4, содержащиеся в твёрдой фазе катионита. В качестве катионитов в основном применяют иониты КУ-I и КУ-2.

В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Ca2+ и Mg2+, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают последовательно через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (Н+-катионит) и анионит, содержащий гидроксильные ионы (ОН–анионит). В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется обессоливанием:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Обменная ёмкость жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru катионита определяется из соотношения:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (ммоль экв/г),

где: V- объём воды, пропущенный через катионит, л;

m – масса катионита, г.

Общая жёсткость воды может быть рассчитана по формуле:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (ммоль экв/л)

где:m1, m2, m3– массы содержащихся в воде катионов кальция, магния (или соответствующих им солей), мг;

Мэкв.1 , Мэкв.2 , Мэкв.3 – молярные массы эквивалентов металлов (или соответствующих им солей), г/моль экв;

V– объём воды, л.

Примеры решения типовых задач.

Пример 1.Расчет массовой доли, молярной концентрации и молярной концентрации эквивалента раствора.

Задача 1. Определите массовую долю, молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалента раствора, полученного при смешении 200 мл 2М раствора серной кислоты ( жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru =1,18 г/мл) и 200 мл 8% раствора серной кислоты ( жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru =1,05 г/мл).

Решение. Рассчитаем массу первого раствора и массу серной кислоты в нем:

m(р-ра)1= жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (р-ра)1 .V(р-ра)1=1,18 .200=236 (г);

m(H2SO4)1 = жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (H2SO4) . M(H2SO4)=c(H2SO4) .V(р-ра)1 .М(H2SO4)=

=2 .0,2 .98=39,2(г);

Масса второго раствора и масса серной кислоты в нем равны

m(р-ра)2 = жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (р-ра)2 .V(р-ра)2 =1,05 . 200=210 (г);

m(H2SO4)2 = m(р-ра)2 . жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru(H2SO4)=210 . 0,08 =16,8 (г).

Массовую долю полученного раствора рассчитываем по формуле:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru = жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (12,6%)

Молярная концентрация раствора

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ;

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Пример 2.Растворение веществ, взаимодействующих с водой, инахождение концентрации полученного раствора.

Задача 1. Найдите массовую долю вещества в растворе, полученном при взаимодействии 4,6 г металлического натрия с 75,6 мл воды.

Решение. Запишем уравнение реакции взаимодействия натрия с водой:

0,2моль 0,2моль 0,1моль

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2­

2моль 2моль 1моль

Рассчитаем количество вещества и массу NaOH:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (NaOH)= жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (Na) = жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (моль);

m (NaOH) = М(NaOH) . жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (NaOH)=40 .0,2=8(г).

Масса полученного раствора и массовая доля гидроксида натрия равны:

m(р-ра)= m(H2O) +m(Na) – m(H2) =76,5 + 4,6 - 2 .0,1=80 (г)

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (10%).

Пример 3.Составление ионно-молекулярных уравнений на основе данных о реагентах и продуктах реакции.

Задача 1. Напишите ионно-молекулярные уравнения реакций взаимодействия между водными растворами:

а) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

б) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

в) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

г) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

д) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Решение. Запишем уравнения взаимодействия указанных соединений в молекулярной форме:

а) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

б) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

в) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

г) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

д) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Из рассмотренных примеров видно, что в каждой из реакций присутствует предпосылка для количественного связывания реагентов – образование осадков (PbS, BaSO4, Mg(OH)2), газов (CO2) или недиссоциированных соединений (H2O).

Запишем каждую из этих реакций в ионно–молекулярной форме:

а) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

б) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

в) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

г) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

д) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Исключая одинаковые ионы из правых и левых частей уравнений, получаем их краткие ионно-молекулярные формы:

а) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

б) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

в) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

г) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

д) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Пример 4.Составление ионно-молекулярных уравнений на основе их ионно–молекулярных форм.

Задача 1. Составьте молекулярные уравнения реакций, которым соответствуют ионно–молекулярные уравнения:

а) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

б) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

в) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

г) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

д) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Решение. В левой части приведенных ионно–молекулярных уравнений указаны свободные ионы, которые образуются при диссоциации сильных электролитов. Поэтому при составлении молекулярных уравнений следует исходить из соответствующих водных растворов электролитов. Например:

а) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

б) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

в) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

г) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

д) жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Пример 5.Определение растворимости электролита по величине произведения растворимости.

Задача 1. Произведение растворимости жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru при жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru равно жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru . Вычислите молярную концентрацию жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru в насыщенном растворе при этой температуре.

Решение. Между осадком жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru и его ионами в растворе существует равновесие:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (28)

Произведение растворимости, характеризующее это равновесие

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (29)

Растворимость жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru в соответствии с равновесием (28)

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Обозначим жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , тогда жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru и жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru и жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ,

т.е. растворимость жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru в воде при жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru равна жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Пример 6.Вычисление произведения растворимости труднорастворимого электролита.

Задача 1. Растворимость фосфата серебра жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru в воде при жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru равна жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru . Определить произведение растворимости этой соли.

Решение. Диссоциация (растворение ) соли в воде характеризуется равновесием

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , откуда видно, что жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Тогда жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , а жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Пример 7.Определение возможности образования осадка в зависимости от концентрации растворов.

Задача 1. Произведение растворимости жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru при жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru равно жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru . Образуется ли осадок при смешении равных объемов жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru раствора жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru и жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru раствора жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , если степени диссоциации этих электролитов равны 1?

Решение. При смешении равных объемов растворов объем смеси стал в два раза больше объема каждого из взятых растворов, следовательно, концентрация растворенных веществ уменьшилась вдвое, т.е.

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

В соответствии с соотношением между количеством вещества ( жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ) и количеством вещества эквивалентов ( жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ) для этих солей, их молярные концентрации составят

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Тогда жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , ; отсюда произведение концентраций ионов жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru и жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru составит жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru . Эта величина существенно больше жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , следовательно, осадок образуется.

Пример 8. Вычисление константы гидролиза соли.

Задача 1. Рассчитайте константу гидролиза хлорида аммония NH4Cl, если константа диссоциации NH4ОН равна жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Решение. Константу гидролиза соли слабого основания и сильной кислоты вычисляют по формуле

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ,

где жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru – константа гидролиза; жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru – константа диссоциации слабого основания; жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru – ионное произведение воды.

Константа гидролиза NH4Cl равна

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Пример 9.Вычисление степени гидролиза соли.

Задача 1. Определите степень гидролиза жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru раствора соли жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru и жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru этого раствора, если константа диссоциации уксусной кислоты жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Решение. Степень и константа гидролиза связаны между собой соотношением

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Так как обычно степень гидролиза соли жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru значительно меньше единицы, то жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , откуда

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru (30)

КГ определяется из выражения (13):

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Поскольку молярная и нормальная концентрации жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru совпадают, то

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru рассчитывается в соответствии с уравнением (20)

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Пример 10. Совместный гидролиз солей.

Задача 1. Обоснуйте, почему совместный гидролиз водного раствора солей жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru и жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru необратим и предложите продукты совместного гидролиза.

Решение. Каждая из указанных солей гидролизуется согласно уравнениям:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru
жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

В результате этих процессов образуется пара кислота – основание жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , которые вступают между собой в необратимую реакцию нейтрализации (в). Это обусловливает необратимость реакций (а) и (б). Суммирование левых и правых частей уравнений реакций (а), (б) и (в) приводит к стехиометрическому уравнению совместного гидролиза двух солей (г).

Пример 11.Определение жесткости воды.

Задача 1. Вычислите жесткость воды, зная, что в жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru воды содержится жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Решение. В 1 л воды содержится 202,5г : 500 = 0,405г жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , что составляет 0,405 : 81 = 0,005 моль/л (81 г/моль – эквивалентная масса жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ). Следовательно, жесткость воды равна 5 ммоль экв/л.

Пример 12.Определение содержания соли по жесткости воды.

Задача 1. Сколько граммов жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru содержится в жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ?

Решение. Молярная масса жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru равна 136,14 г/моль; молярная масса эквивалента равна 136,14 : 2 = 68,07 (г/моль). В жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru воды жесткостью 4 ммоль экв/л содержится 4 . 1000 = 4000 ммоль, или 4000 . 68,07 = 272280 мг = 272,28 г жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Пример 13.Определение количества реагента для устранения жесткости воды.

Задача 1. Какую массу соды необходимо добавить к 500 мл воды, чтобы устранить ее жесткость, равную жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru ?

Решение. Количество вещества эквивалентов солей, содержащихся в 500 мл воды, составляет

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Согласно закону эквивалентов

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Массу жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru определяем по формуле:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Пример 14.Определение жесткости воды по известному количеству реагента, необходимого для устранения жесткости.

Задача 1. Вычислите карбонатную жесткость воды, зная, что на титрование 100 мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6,25 мл 0,08Н раствора НСl.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

Количество вещества эквивалентов НСl определяем по формуле:

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Поскольку жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru , то

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru .

жесткость природных вод и ее устранение - student2.ru

Наши рекомендации