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(C_l7H₃₅COO) + 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   Характерис тика Очень мягкая мягкая Средней жесткости жесткая Очень жесткая Общая жесткость, мэкв/л <1,5 1,5-3,0 3,0-6,0 6,0-9,0 >9,0

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 ₄^2- = 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.