ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ. Саратовский государственный технический университет

Саратовский государственный технический университет

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по общей химии для студентов всех специальностей

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ ЖЕСКОСТИ ВОДЫ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по общей химии

Составили:

СТАНКЕВИЧ Маргарита Ефимовна

РОДИОНОВ Вячеслав Викторович

Рецензент Т.Н. Чеголя

Редактор Р.А. Козина

Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01

Подписано в печать 14.03.02 Формат 60x84 1/16

Бум. тип. Усл.-печ.л. 0,93( 1,0) Уч.-изд.л 0,9

Тираж 100 экз. Заказ 119 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

Г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Копипринтер С1ТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Цель работы: ознакомить студентов с крайне нежелательным явле­нием в природе - жесткостью воды, методами ее количественного опреде­ления и устранения. Эти знания особенно нужны студентам строительных, энергетических и автомеханических специальностей.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вода является весьма распространенным в природе веществом. Од­нако природная вода обычно содержит различные растворенные соли и другие примеси, нежелательные для использования воды в промышленно­сти и быту. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит некоторые количества различных веществ, которые она захватывает, про­ходя через атмосферу.

Жесткость волы обусловлена, в основном, растворенными солями кальция и магния. Возможно присутствие солей и других металлом, на­пример, железа.

Различают два вида жесткости воды: временную (карбонатную) и постоянную.

Временная (карбонатная) жесткость обусловлена присутствием гид­рокарбонатов кальция и магния - Ca(HCO3)2 и Mg(HCO)2. Наличие этих солей в воде объясняется растворением карбонатов кальция и магния под действием природной воды и растворенного в ней углекислого газа (диок­сида углерода) при контакте с породами, содержащими эти соли, напри­мер:

СаСОз + СО2 + H2O = Са(НСО₃)₂
нерастворим растворим

Карбонатная жесткость называется временной потому, что эти соли разлагаются просто при кипячении воды (подробнее об этом при рассмот­рении способов устранения жесткости).

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде, главным образом, сульфатов и хлоридов кальция и магния – CaSO4, MgSO4, СаСl2, MgCI₂.

Особенно опасным является CaSO₄, обладающий небольшой рас­творимостью.

В сумме временная и постоянная жесткость составляют общую же­сткость воды:

Ж общ = Ж врем + Ж пост

В России жесткость воды характеризуется числом миллиэквииалентов ионов кальция и магния, содержащихся в одном литре воды. Один миллиэквивалеит (мэкв) жесткости соответствует содержанию 20,4 мг/л

ионов Са²⁺ и 12,16 мг/л ионов Mg²⁺ (20,04 мг Са² и 12,16 мг Mg²' - милли-эквивалентные массы этих катионов, т.е. массы 1 10^-3 эквивалентов этих ионов). Так как в воде, как правило, содержатся одновременно катионы обоих металлов, то жесткое и» иолы определяется следующим выражением:

где С и СMg - соответственно, содержание ионов Са²⁺ и Mg²⁺ (мг) в 1 литре воды.

Пример. В одном литре иолы содержится 50,1 мг ионов кальция и 54,7 мг ионов магния. Чему равна жесткость воды?

(мэкв/л).

На практике чаще известны массы солей, а не ионов кальция и маг­ния. В этом случае жесткость можно определить как число миллиэквивалеитов солей, содержащихся в 1 л воды (т.к. 1 мэкв соли содержит 1 мэкв катионов Са²⁺ или Mg²⁺). Для этого необходимо массу соли m , выражен­ную в мг и рассчитанную на один литр воды, разделить на миллиэквивалентную массу m Э , этой соли, т.е. формула приобретает вид:

Пример. В 100 л воды содержится 14,632 г гидрокарбоната магния и 13,608 г сульфата кальция. Чему равна жесткость воды?

Находим миллиэквивалентиые массы этих солей:

Переводим массы солей в мг (умножаем массы солей на 1000), под­ставляем данные в приведенную выше формулу и получаем:

Жесткость природных вод различна в разных водоемах, а в одной и той же реке изменяется в течение года (минимальна во время паводка).

В табл. I приведены величины жесткости воды некоторых рек России в летнее время .

Таблица 1

Реки	Пункт	Жесткость воды,	Мэкв/л
			общая общая	карбонатная	постоянная
	Волга	г. Вольск	5,5	3,5	2,4
	Москва	с. Татарово	4,2	4,1	0,1
	Нева	с. Ивановское	0,5	0,5

Жесткость вод морей значительно выше, чем рек и озер. Так, вода Черного моря имеет жесткость примерно 65 мэкв/л, а океана — более 100 мэкв/л.

В зависимости от количества мэкв/л солей природную воду считают очень мягкой - с жесткостью до 1,5 мэкв/л, мягкой - до 4 мэкв/л, средней жесткости - от 4 до 8 мэкв/л, жесткой - от 8 до 12 мэкв/л и очень жест­кой - свыше 12 мэкв/л.

Жесткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 мэкв/л.

Жесткая вода не пригодна для многих технологических процессов, например, для крашения тканей; в ней плохо мылится мыло. При нагрева­нии жесткой воды на стенках емкости выделяется накипь, которая плохо проводит тепло, поэтому такую воду нельзя использовать в системе охла­ждения автомобильного двигателя - двигатель перегревается и начинает детонировать. Жесткой водой нельзя питать паровые котлы - слой накипи является причиной повышенного расхода топлива, приводит к местным нагревам стенок котлов, а иногда и к взрывам. Использование жесткой во­ды снижает качество цементного камня.

Вредное влияние жесткости при практическом использовании воды приводит к необходимости проводить умягчение воды, то есть снижать концентрацию ионов кальция и магния или полностью ее обессоливать.

Для умягчения воды применяют следующие методы:

1. Термический, основанный на се нагревании или дистилляции (пе-­
регонке). Так устраняется только временная жесткость.

2. Химический, когда находящиеся в воде ионы Са²⁺ и Mg²⁺ связы­ваются различными реагентами-уммгчителями в практически нерастворимые­
соединения.

3. Метод ионного обмена, основанный на обмене ионов Са²⁺ и
Mg²⁺ , содержащихся в воде, на ионы или путем пропускания воды через иониты.

Термический метод очистки основан на том, что при нагревании ио­лы до 95-9ْ8°С гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образова­нием осадков. Происходящие процессы выражаются следующими уравне­ниями реакций:

Са(НСОз)2=СаСОз↓+СО₂+Н₂О,

Mg(HCO₃)₂=Mg(OH)2↓+CO₂ .

Однако в промышленных масштабах умягчать воду термическим методом экономически невыгодно, поэтому используют другие методы, на­пример,химический..

Если в воде присутствуют, в основном, соли временной жесткости, то в качестве умягчителя используют дешевую гашеную известь:

Са(НСОз)₂+Са(ОН)₂=2СаСО₃+ 2Н₂О, Mg(HCO₃)2+2Ca(OH)₂=Mg(OH)₂+2CaCO₃+3H₂O.

Обычно в воле присутствуют соли обоих видов жесткости. В этом случае жесткость устраняют, добавляя к воде карбонат натрия (соду), фос­фат натрия или другие вещества, способные связать ионы Са²⁺ и Mg²⁺ в не­растворимые соединения, например:

Ca(HCO3)2+Na₂CO₃ = CaCO₃+2 NaHCO_{3 ,}

3MgCI₂+2Na₃PO₄ = Mg3(PO₄)2+6NaCI .

Уравнения реакций с другими солями жесткости предлагаем студен­там написать самостоятельно.

Массу умягчителя необходимо рассчитывать, исходя из закона экви­валентов: для устранения одного миллиэквивалента жесткости требуется один миллиэквивалеит умягчителя.

Решим задачу: сколько соды требуется добавить к 100 л воды, чтобы устранить жесткость, равную 4 мжв/л?

В 100 л волги содержится 4x100=400 мэкв жесткости, столько же миллиэквивалентов соды надо добавить для ее устранения. Масса I мэкв Na₂CO₃= 106/2=53 мг, следовательно, необходимо добавить 53-400=21200(мг) =21,2 г соды. Короче, решение можно записать, используя формулу:

где m_ум - необходимая масса умягчителя (мг);

mэ(ум)- миллиэквивалентная масса умягчителя (мг);

V_H2O - объем воды в литрах.

Широкое применение в практике умягчения или полного обессоливания воды получили иониты.