Методические указания к самостоятельной работе
по дисциплине ''Химия'' для студентов нехимических специальностей
КУРСК 2005
Составители: И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи
УДК 546
Жёсткость воды и методы её умягчения: Методические указания к самостоятельной работе по дисциплине ''Химия'' для студентов нехимических специальностей / Курск. гос. техн. ун-т. Сост.:, И. В. Савенкова, Ф.Ф. Ниязи Курск, 2005. 18с.
Излагаются методические материалы по оценке жёсткости воды и методам её умягчения, представлены лабораторная работа по данной теме и индивидуальные задания для студентов.
Предназначены для студентов нехимических специальностей.
Библиогр.: 6 назв.
Рецензент канд. хим. наук, доцент кафедры химии В. С. Мальцева
ЛР № 020980 от 09. 12. 96. ПЛД № 50-25 от 01. 04. 97.
Подписано в печать. Формат 60х84 1 / 16. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 0,62. Уч.-изд. л. 0,67. Тираж 50 экз. Заказ.
Курский государственный технический университет.
Подразделение оперативной полиграфии Курского государственного технического университета.
Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 305040 Курск, ул. 50 лет Октября 94.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ
1. Жёсткость воды и причины её образования. Единицы измерения жёсткости.
2. Виды жёсткости: временная, постоянная, общая, карбонатная и некарбонатная. Какими ионами они обусловлены?
3. Влияние жёсткости на рН воды.
4. Негативные последствия использования жёсткой воды в промышленности.
5. Основные методы умягчения промышленных вод. Чем руководствуются при их выборе?
6. Термический метод умягчения воды. Его достоинства и недостатки.
7. Реагентные методы, используемые для умягчения воды. Какие химические процессы происходят при умягчении воды методом: а) известкования; б) фосфатирования; в) содовым; г) добавлением гидроксида натрия?
8. Умягчение воды ионнообменным методом.
9. Ионообменная емкость катионита и анионита. В каких единицах она выражается? От каких факторов зависит?
10. Почему для регенерации катионита его промывают раствором хлористого натрия, а затем водой? Можно ли регенерировать катионит, промывая его раствором хлористого магния?
Природная вода является сложной многокомпонентной системой, в которой содержатся в растворенном виде различные органические и неорганические соединения.
Содержащиеся в воде вещества условно можно разделить на пять групп:
1) Главнейшие ионы.
Катионы: Na+, Ca2+, Mg2+, K+ (реже Fe2+, Fe3+, Mn2+);
Анионы: HCO3-, SO42-, Cl-, CO32- (реже HSiO3-, SO32-, S2O32-).
2) Растворенные газы.
В воде чаще всего растворены: углекислый газ, кислород, азот, сероводород, метан и др.
3) Биогенные вещества.
К биогенным веществам относятся те соединения, которые возникают в связи с жизнедеятельностью организмов. В их состав входят различные формы азота (аммиачный, нитритный, нитратный), фосфора, кремния, железа.
4) Микроэлементы.
К ним относятся элементы, которые содержатся в воде в количествах меньших 10-3 %.
5) Органические вещества.
Это могут быть различного рода растительные и животные организмы, микроорганизмы и продукты их взаимодействия с окружающей средой.
Природные воды сильно различаются по общему содержанию растворенных солей и по относительному содержанию различных ионов. Это различие может существенно влиять на свойства воды и, следовательно, на применение ее в различных областях.
Специфические свойства воде придают ионы Ca2+ и Mg2+, присутствие которых определяют жесткость воды.
Жесткость воды – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод, который характеризуется содержанием числа миллимолей эквивалентов ионов Са2+ и Мg2+ в 1л воды. Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в воде 20,04мг/л Са2+ или 12,16мг/л Mg2+, что соответствует значению эквивалентной массы этих ионов.
Эти ионы появляются в природных водах в результате взаимодействия с известняками или в результате растворения гипса.
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca2+ + 2HCO3-
Жёсткость природных вод колеблется в широких пределах. Вода, жёсткость которой менее 4 мэкв/л ионов Са2+ и Мg2+, характеризуется как мягкая, от 4 до 8 – умеренно жёсткая, от 8 до 12 – жёсткая и более 12 мэкв/л – очень жёсткая.
Например, наиболее мягкой является вода атмосферных осадков (0,07-0,1мэкв/л), а жесткость океанской воды составляет 130мэкв/л.
Различают несколько видов жёсткости: общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную.
Общей жёсткостью называется суммарная концентрация ионов Ca2+, Mg2+ в воде, выраженная в мэкв/л.
Постоянная жёсткость - часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды при атмосферном давлении в течение определённого времени.
Временная жёсткость – часть общей жёсткости, удаляющаяся кипячением воды при атмосферном давлении в течение определённого времени. Она равна разности между общей и постоянной жёсткостью.
Карбонатная жёсткость – часть общей жёсткости, эквивалентная концентрации гидрокарбонатов кальция и магния.
Некарбонатная жёсткость - часть общей жёсткости, равная разности между общей и карбонатной жёсткостью.
Пример 1. В 5 м3 воды содержится 250 г ионов кальция и 135 г ионов магния. Определить общую жесткость воды.
Решение. Найдем содержание ионов кальция и магния (в мг/л) в воде:
250 × 1000 / 5 ×1000 = 50 (мг/л) ионов Са2+
и 135 × 1000 / 5 × 1000 = 27 (мг/л) ионов Mg2+.
1 мэкв жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов. Са2+ или 12,16 мг/л ионов Мg2+; следовательно,
Ж = 50/20,04 + 27/12,16 = 4,715 (мэкв/л).
Ответ: вода умеренно жесткая.
Пример 2. Вычислить карбонатную жёсткость воды, зная, что на титрование 100мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6,25мл, 0,08 н раствора НС1. Привести уравнение соответствующей реакции.
Решение: Задачу решаем используя закон эквивалентов для растворов.
N1•V1 = N2•V2, (1)
где N1 и N2 – нормальность растворов 1 и 2, моль-экв/л
V1 и V2 – объём растворов 1 и 2, мл
Вычислим нормальность раствора гидрокарбоната кальция:
N1 = 6,25•0,08 ⁄ 100 = 0,005 н
Следовательно, в 1 л воды содержится 0,005•1000 = 5 мэкв гидрокарбоната кальция.
Ответ: Ж=5мэкв/л
Ионы Ca2+ и Mg2+ не представляют опасности, но значительное их содержание в воде приводит к перерасходу мыла, ухудшению вкуса продуктов и т.д. При нагревании и, особенно при испарении воды соли этих металлов образуют слой накипи, снижающий коэффициенты теплопередачи в охлаждающих и нагревающих системах, что является крайне нежелательным.
Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки. Процесс, приводящий к снижению жёсткости воды, называется умягчением воды.
Способы умягчения воды можно разделить на три основные группы:
1) термическое умягчение воды; 2) реагентные методы умягчения; 3) умягчение воды методом ионного обмена.
