Основные теоретические положения

Жесткость – это один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод. Она представляет собой совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней:

–  катионов  Са²⁺,  Mg²⁺ и  Fe²⁺;

– анионов  HCO ,  SO ,  NO ,  Сl^–,  РО  и др.

Количественно жесткость может быть выражена числом граммов катионов кальция и магния, содержащихся в 1 дм³ воды. Однако чаще пользуются специальными единицами жесткости – миллимолями (ммоль) или миллиэквивалентами (мэкв).

1 мэкв ионов Са²⁺ или Mg²⁺ равен одной тысячной мольной массы их эквивалентов, содержащейся в 1 дм³ раствора. То есть 1 мэкв жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/дм³ ионов Са²⁺ или 12,16 мг/дм³ ионов Mg²⁺.

По значению жесткости природную воду делят на:

l) очень мягкую – жесткость менее 1,5 мэкв/дм³ (например, дождевая вода);

2) мягкую – жесткость лежит в пределах от 1,5 мэкв/дм³ до 3,0 мэкв/дм³;

3) средней жесткости – значение жесткости равно 3,0 ÷ 6,0 мэкв/дм₃;

4) жесткую – жесткость равна 6,0 ÷ 9,0 мэкв/дм³;

5) очень жесткую – жесткость более 9 мэкв/дм³ (например, морская вода).

Жесткая вода образует накипь на стенках нагреваемых сосудов, что существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Катионы Са²⁺ и Mg²⁺ под действием анионов жирных кислот мыла (например, стеарат натрия С₁₇Н₃₅СООNа) образуют малорастворимые соли, мешающие моющему действию мыла и увеличивающие его расход. При этом протекают следующие реакции:

 

2 С₁₇Н₃₅СОО^– + Са²⁺ = (С₁₇Н₃₅СОО)₂Са;

 

2 С₁₇Н₃₅СОО^– + Mg²⁺ =(C₁₇H₃₅COO)₂Mg.

 

Жесткая вода непригодна для производства бумаги, для крашения тканей, приготовления пищи, напитков и т.д. Питьевая вода должна иметь жесткость не выше 7 мэкв/дм³; особенно нежелательно присутствие катионов магния, которые придают воде горький вкус.

Различают временную (иначе карбонатную)жесткость Ж_вр , обусловленную наличием в воде гидрокарбоната кальция Са(НСО₃)₂ и гидрокарбоната магния Mg(HCO₃)₂, и постоянную (иначе некарбонатную) жесткость Ж_пост , связанную с наличием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния (CaSO₄, СаС1₂, MgSO₄, MgCl₂). Сумма временной и постоянной жесткостей составляет общую жесткость воды Ж_общ.

Анализ воды на жесткость обычно предполагает определение временной, общей и постоянной жесткости.

 

Определение временной жесткости

Вода, содержащая ионы HCO , СO , Mg²⁺ и Ca²⁺, имеет щелочную реакцию, следовательно, мерой жесткости может служить щелочность воды. Поэтому определение временной жесткости можно провести методом прямого кислотно-основного титрования. В этом случае воду титруют стандартизированным раствором соляной кис­лоты в присутствии индикатора метилового оранжевого. При этом протекает следующий комплекс реакций:

 

HCO  + Н+ = Н₂О + СО₂ ↑;

 

Са(НСО₃)₂ + 2НС1 = СаСl₂ + 2СО₂ ↑ + 2Н₂О;

 

Mg(HCO₃)₂ + 2HCl  = MgCl₂ + 2СО₂ ↑ + 2Н₂О.

 

Определение общей жесткости методом комплексонометрии

Метод основан на способности комплексного соединения этилендиаминтетраацетат (ЭДТА) натрия, которое также называют трилоном Б или комплексоном III, взаимодействовать с ионами Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и т.д. с образованием комплексного соединения вида

 

                   HOOCH₂C                    CH₂COOH

                                    

                                      N-CH₂- CH₂-N

 

                   OOCH₂C                               CH₂COO

 

                                                 Ca

                             

При определении общей жесткости исследуемый образец воды титруют раствором трилона Б в присутствии индикатора эриохром черный Т, который окрашивает раствор в малиновый цвет. В точке эквивалентности происходит разрушение комплекса с индикатором и образование комплекса с трилоном Б, в результате чего окраска раствора изменяется на сине-голубую. Постоянную жесткость определяют по разности между общей и временной жесткостью.

 

Методы устранения жесткости

 

Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки, в том числе умягчения (снижения жесткости до определенной нормы).

Временная жесткость устраняется простым кипячением, так как при нагревании происходит разложение гидрокарбонатов кальция и магния

	t, оC

Са(НСО₃)₂  СаСО₃ + Н₂О + СО₂ ,

	t,оC

Mg(HCO₃)₂  Mg(OH)₂ + 2CO₂.

 

С ионами Fe²⁺ реакция происходит сложнее из-за того, что FeCO₃ представляет собой неустойчивое в воде вещество, пере­ходящее в результате гидролиза и последующего окисления на воз­духе в Fe(OH)₃. Чем больше в воде железа, тем более бурым цветом обладает накипь.

Устранить временную жесткость можно также действием гидроксида кальция или соды:

 

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ + 2Н₂О,

 

Са(НСО₃)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaHCO₃.

 

Постоянную жесткость устраняют, добавляя к воде соду, при этом протекает следующий процесс:

 

CaSO₄ + Na₂CO₃ = СаСО₃ + Na₂SO₄.

 

Таким образом, сода устраняет и временную, и постоянную жест­кость, а Са(ОН)₂ – только временную.

В промышленности для умягчения воды пользуются цеолита­ми, в частности, алюмосиликатом натрия. При пропускании воды через его слой происходит обмен катионов Са²⁺ и Mg²⁺ на катионы Na⁺

 

2NaAlSi₂O_{6, тв} + Са²⁺ = Ca(AlSi₂O₆)_{2, тв} + 2Na⁺.

Для той же цели пользуются ионообменными фильтрами на основе различных полимеров, в частности, полистирола RSO₃H и RSO₃Na:

 

2RSO₃Na _тв + Са²⁺ = (RSO₃)₂Ca _тв + 2Na⁺.

Порядок выполнения работы

Приборы и реактивы: бюретка вместимостью 25 см³, колбы конические вместимостью 250 см³, мерная колба вместимостью 100 см³,  мерный цилиндр вместимостью 25 см³, стаканы химические вместимостью 50 см³, капельница, резиновая груша, бумага фильтровальная; 0,1 М растворы титрантов: хлороводородной кислоты и трилона Б; аммиачно-буферный раствор (рН = 9÷10), анализируемая вода, раствор метилового оранжевого, дистиллированная вода.

Х о д р а б о т ы

 

Часть 1. Определение временной жесткости воды

1. Раствор хлороводородной кислоты (иначе титранта) с молярной концентрацией эквивалента С _э (НCl) = 0,1 моль/дм³ перелить в химический стакан и заполнить им бюретку до нулевой отметки по нижнему уровню жидкости.

2. С помощью мерной колбы отобрать 100 см³ анализируемой воды и перенести в коническую колбу для титрования.

3. Из капельницы к отобранному раствору добавить 3 капли индикатора метилового оранжевого. Содержимое колбы перемешать.

4. Полученный анализируемый раствор оттитровать из бюретки раствором титранта до точки эквивалентности, то есть до изменения окраски раствора с оранжево-желтой на оранжево-красную.

5. Записать объем титранта, израсходованный на титрование, по бюретке в табл. 7.

6. Повторить титрование дважды.

                    Таблица 7