Понятие о жесткости воды
Лабораторная работа №4
Определение органолептических свойств и жесткости воды.
Понятие о жесткости воды.
Жесткость воды зависит от присутствия в ней растворимых солей кальция, в некоторых случаях – солей магния и железа. Жесткая вода при кипячении образует накипь вследствие оседания карбонатов и оксикарбонатов кальция, магния и железа. Мыло в жесткой воде не мылится (не вспенивается), так как образуются нерастворимые в воде кальциевые и магниевые соли жирных кислот.
Жесткая вода не пригодна для питания паровых котлов и для применения в химической технологии. Очень жесткая вода вредна для здоровья, так как может вызывать увеличение содержания кальция в крови, усиление кальцификации организма и ослабление процессов регенерации. Человек потребляет в сутки 0,7-2 г кальция с пищей и питьевой водой. По данным токсикологов, кальций в дозе 3,5-5,2 мг/кг массы или концентрации в питьевой воде 100-150 мг/л увеличивает заболеваемость населения болезнями почек, артритами и полиартритами. Кальций – биогенный элемент. Он необходим для нормального течения многих жизненных процессов. Он участвует в образовании костей и зубов, в процессе свертывания крови, регулирует возбудимость нервно-мышечного аппарата, повышает тонус сердечной мышцы. Поэтому неблагоприятен как дефицит, так и его избыток в организме.
Различают жесткость воды временную (или устранимую) и постоянную. Временная жесткость воды обусловлена присутствием в воде бикарбонатов, дигидрокарбонатов Ca(HCO3)2, реже Mg(HCO3)2 и Fe(HCO3)2. Временную жесткость можно устранить кипячением воды.
При кипячении воды бикарбонаты разлагаются с образованием карбонатов, оксикарбонатов и гидроксидов:
Ca(HCO3)2=CaCO3 + H2O + CO2
Mg(HCO3)2= MgCO3 + H2O + CO2
2Mg(HCO3)2= Mg(OH)2CO3 + H2O + 3CO2
Fe(HCO3)2=Fe(OH)2 + 2CO2
Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней преимущественно сульфатов и хлоридов кальция и магния и не устраняется кипячением. Сумма временной (устранимой) и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды.
Проявление жесткости воды.
На внутренних стенках паровых котлов и трубопроводов из жесткой
воды осаждаются нерастворимые соли в основном СаСО3 по реакции:
Са(НС03)2 =↓ СаСО3 + Н20 + С02.
Они снижают теплопроводность стенок, вызывая затем местный перегрев их и коррозию металла. Случайное отделение накипи от раскаленной стенки может вызвать быстрое испарение воды и взрыв котла. Жесткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например, крашение тканей.
При стирке в жесткой воде повышается расход моющих средств. Это обусловлено образованием солей органических кислот Са2+ и Mg2+.
2Na(Cl7H35COO) + Са(НС03)2 =↓ Ca(С17H35COO)2 +2NaHC03
Кроме того, при стирке в жесткой воде те же соли осаждаются на ткани, ухудшая ее свойства (белые ткани приобретают стойкий желтоватый цвет).
Синтетические моющие средства обеспечивают эффективный и экономичный процесс стирки в мягкой и жесткой воде, так как они не образуют нерастворимых солей.
В жесткой воде плохо развариваются овощи, особенно стручковые, так как содержащиеся в них пектины образуют на стенках клеток нерастворимые соединения с ионами кальция и магния.
Общее содержание кальция в организме человека в среднем составляет 1,9% от общей массы тела, при этом 99% всего количества приходится на долю скелета и лишь 1% содержится в остальных тканях и жидкостях организма. Суточная потребность в кальции для взрослого человека 0,45-1,2 г. Кальций участвует во всех жизненных процессах организма. Нормальная свертываемость крови происходит только в присутствии солей кальция. Кальций играет важную роль и в нервно-мышечной возбудимости организма.
При избытке кальция наблюдаются: болезни костной системы, мышечная слабость, затруднение координации движений, деформация костей позвоночника и ног, самопроизвольные переломы, болезни внутренних органов.
Недостаток кальция вызывает тахикардию, аритмию, побеление пальцев рук и ног, боли в мышцах, повышенную раздражительность, галлюцинации, потерю памяти, умственную отсталость. Волосы становятся грубыми и выпадают, ногти - ломкими, кожа утолщается и грубеет, на эмали зубов появляются ямки, хрусталик глаза теряет прозрачность.
Характеристика видов жесткости воды
| Виды жест кости воды | Соли, содержание которых обуславливает жесткость | Способы устранения |
| Временная (карбонатная) | Гидрокарбонаты Са(НСО3)2, Mg(HC03)2, гидроксикарбонаты Са(ОНСО3)2, Mg(ОHC03)2, | Кипячение, реагентный |
| Постоянная (некарбонатная) | Хлориды СаС12, MgCl2, сульфаты CaS04, MgS04. | Реагентный, с помощью ионообменных смол, ионитов |
| Общая (является суммой временной и постоянной) | Гидрокарбонаты, гидроксикарбонаты, хлориды и сульфаты. | Смешанный |
В природных условиях кальций и магний попадают в воду вследствие воздействия диоксида углерода на карбонатные минералы или в результате биохимических процессов, происходящих в увлажненных слоях почвы.
В природных водах европейской части России соединения кальция содержатся в среднем в концентрации 67,2 мг/л.
В поверхностные водоемы кальций может поступать со сточными водами предприятий по добыче и обработке извести, целлюлозно- бумажных, химических, нефтехимических, стекольных, химико- фармацевтических, кожевенных, лакокрасочных, машиностроительных, пивоваренных. В сточных водах нефтехимических предприятий содержится в среднем 1228 мг/л Са.
Жесткость воды выражается в миллиграмм-эквивалентах ионов Са на 1 л. 1 мэкв жесткости соответствует содержанию 40,08/2=20,04 мг Са2+
или 24,31/2=12,16 мг Mg в 1 литре воды, где 40,08 и 24,31-атомные массы Са и Mg.
По действующему ГОСТу на питьевую воду жесткость ее может быть не более 7 мэкв/л, т. е. Максимально допустимая концентрация кальция в питьевой воде равна 20,047*7=140,28 мг/л.
Временную жесткость воды определяют титрованием стандартным раствором НС1, общую жесткость - комплексонометрически.
Российская классификация воды по степени ее жесткости
|
Интересно заметить, что общая жесткость воды рек и озер в тайге и тундре составляет 0,1-0,2 ммоль экв/л, морей, подземных вод - 80-100 мэкв/л. В поверхностных водах преобладает карбонатная жесткость, которая составляет 70-80% от общей жесткости. Максимальная жесткость природных вод обычно наблюдается в конце зимы, минимальная - в период паводка. Жесткость подземных вод практически постоянна и не изменяется с временами года.
Способы умягчения воды
Жесткость воды устраняют физическими и химическими методами. Временная жесткость устраняется кипячением воды. При этом гидрокарбонаты и гидроксикарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты:
Са(НС03)2=СаС03+С02↑+Н20
Химическое умягчение воды основано на введении в воду реагентов, обогащающих ее анионами СО3 и ОН-, в результате чего образуются малорастворимые СаСОз и Mg(OH)2. Для этого природную воду обрабатывают гашеной известью или кальцинированной содой:
CaS04 + Na2C03 = CaC03↓ +Na2S04
Ca(HC03)2 + Са(ОН)2 = 2 СаС03 + 2 Н20
Временная жесткость может быть устранена введением негашеной извести:
Са(НСО)2 + СаО= 2СаСО + Н 2 О
Для удаления ионов Са2+ и Mg2+ можно применять также фосфат натрия Na3P04, буру Na4B207, поташ К2СО3 и др.
Широкое распространение в технике получил метод устранения жесткости воды путем ионного обмена. В этом методе используется способность некоторых природных и искусственных высокомолекулярных соединений - ионитов - обменивать входящие в их состав радикалы на ионы, находящиеся в растворе.
По характеру обмениваемых ионов среди ионитов различают катеониты и аниониты. Катионитами являются алюмосиликаты типа цеолитов, например, Na2[Al2Si208]nH20, искусственно приготовленные гидратированные алюмосиликаты - пермутиты, ряд силикатов и другие. Происходящий между алюмосиликатом и жесткой водой обмен ионами можно схематически представить так:
Na2R + Ca(HC03)2 ↔ CaR + 2NaHC03
Na2R + CaSO ↔ CaR + Na2S04
где R - сложный алюмосиликатный анион.
Для умягчения воды применяют также различные искусственные органические высокомолекулярные вещества, называемые ионообменными смолами. Катионобменные смолы содержат активные группы -S03H,
- СООН, -ОН , в которых атом водорода способен замещаться на катионы по схеме:
2RH+Ca2+=R2Ca+2H+
В анионообменных смолах активными являются основные группы - NH2, =NH, =N. Обменными анионами служат ОН--группы, которые образуются на поверхности смолы в процессе ее гидратации.
Схема анионного обмена:
2ROH + SO 42- = R2S04 + 2ОН-,
где R - сложный органический радикал.
В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Са2+ и Mg2+, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают последовательно через катионит и анионит. В итоге вода освобождается и от катионов, и от анионов. Такая обработка воды называется обессоливанием.
Кроме того, жесткость можно устранить вымораживанием льда, перегонкой, но в последнем случае необходимо иметь специальную установку.
Контрольные вопросы
1. Вычислите общую, карбонатную и некарбонатную жесткость воды, если на титрование двух ее проб по 100 мл каждая израсходовано: на первую - 8,2 мл 0,05 н раствора трилона Б, на вторую - 2,8 мл 0,1 н НС1.
2. В 10 л воды содержится 0,41 г Са(НС03)2 и 0,91 г MgS04. определите карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды.
3. Насколько понизится жесткость воды (кальциевая), если к 3 m3 прибавить 477 г Na2C03?
4. Какую массу негашеной извести следует прибавить к 10 л воды для устранения временной жесткости, равной 5 мэкв/л? Напишите уравнение реакции.
5. Рассчитайте общую жесткость минеральной воды, содержащей 70 мг/дм3 Са2+ и 36 мг/дм3 Mg2+.
6. В 1 м воды содержится 140 г сульфата магния. Вычислите жесткость этой воды.