51) Основные св-ва воды (окисляемость, жёсткость и т.д.). Типы жёсткости воды и физико-химические способы умягчения воды в сис-ме промышленной водоподготовки. Катионирование и анионирование. Расчёт жёсткости воды.Св-ва воды.
Химические свойства воды
вода – весьма активное в химическом отношении вещество.
1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:
2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно)
Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.
Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:
C + H2O = H2 + CO (при сильном нагревании)
2) Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем:
3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:
SO2 |
+ |
H2O |
= |
H2SO3 |
|
|
|
|
сернистая кислота |
SO3 |
+ |
H2O |
= |
H2SO4 |
|
|
|
|
серная кислота |
CO2 |
+ |
H2O |
= |
H2CO3 |
|
|
|
|
угольная кислота |
4) Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой. Примеры таких реакций мы уже встречали:
CaO |
+ |
H2O |
= |
Ca(OH)2 |
|
|
|
|
гидроксид кальция (гашеная известь) |
Не все оксиды металлов способны реагировать с водой. Часть из них практически не растворима в воде и поэтому с водой не реагирует. Мы уже встречались с такими оксидами. Это ZnO, TiO2, Cr2O3, из которых приготовляют, например, стойкие к воде краски. Оксиды железа также не растворимы в воде и не реагируют с ней.
5) Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется. Это так называемые гидраты. Если гидрат кристаллический, то он называется кристаллогидратом. Например:
CuSO4 |
+ |
5 H2O |
= |
CuSO4.5H2O |
вещество белого цвета (безводный сульфат меди) |
|
|
|
кристаллогидрат (медный купорос), синие кристаллы |
Приведем другие примеры образования гидратов:
H2SO4 + H2O = H2SO4.H2O (гидрат серной кислоты)
NaOH + H2O = NaOH.H2O (гидрат едкого натра)
Соединения, связывающие воду в гидраты и кристаллогидраты, используют в качестве осушителей. С их помощью, например, удаляют водяные пары из влажного атмосферного воздуха.
6) Особая реакция воды – синтез растениями крахмала (C6H10O5)n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:
6n CO2 + 5n H2O = (C6H10O5)n + 6n O2 (при действии света)
Окисляемость: Окисляемость - это величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых (при определенных условиях) одним из сильных химических окислителей.
Существует несколько видов окисляемости воды:
перманганатная;
бихроматная;
иодатная;
цериевая.
Жёсткость воды:
Жесткость воды - определенное свойство воды, которое связывают с растворенными в ней соединениями магния и кальция, то есть наличием в воде катионов этих элементов (при повышении температуры соли этих металлов выпадают в осадок и образуют весьма прочные отложения). Жесткость воды во многом определяет пригодность воды для использования как промышленных, так и в бытовых целях. Выделяют 2 типа жесткости воды: - временная – карбонатная жесткость, обусловлена присутствием на ряду с кальцием, магнием и железом гидрокарбонатных анионов; - постоянная – некарбонатная жесткость, характеризуется присутствием сульфатных, нитратных и хлоридных анионов, соли кальция и магния которых прекрасно растворяются в воде; - общая жесткость определяется как суммарная величина наличия солей магния и кальция в воде, то есть суммой карбонатной и некарбонатной жесткости.
Принято классифицировать жесткость воды следующим образом: - мягкая вода – жесткость 3,0 мг-экв/л и более - средняя жесткость – от 3,0 до 6,0 мг-экв/л - жесткая вода – свыше 6,0 мг-экв/мл.
Умягчение воды Умягчение воды в промышленной водоподготовке - очистка от соединений кальция и магния, обусловливающих жесткость воды. Одним из наиболее эффективных способов умягчения воды является известково-содовый в сочетании с фосфатным. Процесс умягчения основывается на следующих реакциях:
1. Обработка гашеной известью для устранения временной жесткости, удаления ионов железа и связывания СО2:
2. Обработка кальцинированной содой для устранения постоянной жесткости:
3. Обработка тринатрийфосфатом для более полного осаждения катионов Са2+ и Mg2+.
Также для умягчения воды применяют мембранные технологии (нанофильтрации и низконапорный обратный осмос), а также технологии ионного обмена.
Катионированиие и анионирование.
Ионитные методы обработки воды основаны на способности некоторых практически нерастворимых в воде материалов вступать в ионный обмен с растворенными в воде солями, сорбируя из обрабатываемой воды одни ионы и отдавая в раствор эквивалентное количество других ионов, которыми ионит периодически насыщается при регенерации. В качестве таких нерастворимых фильтрующих материалов используются катиониты и аниониты.
Катиониты при регенерации их растворами NaCl, H2SO4 или NH4Cl способны обменивать содержащиеся в них катионы (соответственно Na+, H+ или NH4+) на катионы обрабатываемой воды; этот процесс называется катионированием.
Аниониты при их регенерации щелочью NaOH, содой Na2CO3 или поваренной солью NaCl способны как бы заряжаться соответственно анионами ОН-, CO32- или Сl- и затем обменивать их на анионы, содержащиеся в обрабатываемой воде; этот процесс называется анионированием.
Расчёт жёсткости воды: Количественно жёсткость воды представляет собой молярную концентрацию эквивалента в-ва, обуславливающего жёсткость или требующегося для её устранения, обозначаемую в этом случае как «Ж» и выражаемую в моль-экв/л (моль-экв/дм3, ммоль/л)
52) Физические и химические св-ва кремния. Основные св-ва важнейших соединений кремния.Физические св-ва:
Кремний (Si) – стоит в 3 периоде, IV группе главной подгруппы периодической системы. Физические свойства: кремний существует в двух модификациях: аморфной и кристаллической. Аморфный кремний – порошок бурого цвета, плотностью 2,33 г/см3, растворяется в расплавах металлов. Кристаллический кремний – это кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском, твердый и хрупкий, плотностью 2,4 г/см3. Кремний состоит из трех изотопов: Si (28), Si (29), Si (30).
Химические св-ва:
Кремний – неметалл. На внешнем энергетическом уровне кремний имеет 4 электрона, что обуславливает его степени окисления: +4, -4, -2. Валентность – 2, 4. Аморфный кремний обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический. При обычных условиях он взаимодействует со фтором: Si + 2F2 = SiF4. При 1000 °C Si реагирует с неметаллами: с CL2, N2, C, S.
Из кислот кремний взаимодействует только со смесью азотной и плавиковой кислот:
По отношению к металлам ведет себя по-разному: в расплавленных Zn, Al, Sn, Pb он хорошо растворяется, но не реагирует с ними; с другими расплавами металлов – с Mg, Cu, Fe кремний взаимодействует с образованием силицидов: Si + 2Mg = Mg2Si. Кремний горит в кислороде: Si + O2 = SiO2 (песок).
Диоксид кремния или кремнезем – стойкое соединение Si, широко распространен в природе. Реагирует со сплавлением его с щелочами, основными оксидами, образуя соли кремниевой кислоты – силикаты. Получение: в промышленности кремний в чистом виде получают восстановлением диоксида кремния коксом в электропечах: SiO2 + 2С = Si + 2СO?.
В лаборатории кремний получают прокаливанием с магнием или алюминием белого песка:
SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.
3SiO2 + 4Al = Al2О3 + 3Si.
Кремний образует кислоты: Н2SiO3 – мета-кремниевая кислота; Н2Si2O5 – двуметакремниевая кислота.
Важнейшие соединения кремния.
Моносилан SiH4. Родоначальник гомологического ряда кремневодородов SinH2n+2. Представляет собой очень ядовитый бесцветный газ с запахом, напоминающим AsH3 и H2S. tпл=-185оС [1],tкип=-112оС [1]. На воздухе самовоспламеняется, так как температура его воспламенения ниже комнатной. При нагревании разлагается. Не растворяется в холодной воде. Весьма реакционноспособен. Сильный восстановитель. Получают при действии разбавленной соляной кислоты на силицид магния.
Оксид кремния (II) (кремнезем) SiO2. Встречается главным образом в виде минерала кварца. Загрязненный примесями кварц - обычный песок - является одним из основных продуктов разрушения горных пород. Бесцветное, очень тугоплавкое твердое вещество. В воде практически нерастворимо. Не действуют на кремнезем и кислоты, за исключением HF. Щелочи постепенно переводят в раствор, образуя соответствующие соли кремневой кислоты. Получают взаимодействием кремния и кислорода. Применяют как строительный материал.
Кремниевая кислота H2SiO3. Почти нерастворима в воде (в форме истинного раствора). Легко образует коллоидные растворы и поэтому осаждается только частично. Осадок имеет вид бесцветного студня, причем состав его отвечает не просто формуле H2SiO3 или H4SiO4, а более общей nSiO2.mH2O со значениями n и m, изменяющимися в зависимости от осаждения. Кремневая кислота очень слаба.
Стекло Na2CaSi6O14 или Na2O.CaO.6SiO2. Довольно близко к этому составу подходит обычное оконное стекло. Практически нерастворимо, однако вода частично разлагается с его поверхности, вымывая преимущественно натрий. Получают из соды, известняка и песка.
Карбид кремния (карборунд) SiC. Твердое, тугоплавкое вещество. Его кристаллическая решетка аналогична решетке алмаза. Является полупроводником. Интенсивно реагирует с расплавленными щелочами (в присутствии кислорода), выше 600оС взаимодействует с хлором. Получают в больших количествах в электрических печах при 2300оС при взаимодействии избытка углерода с оксидом кремния.
53) Природные соединения кремния. Применение кремния в современном строительстве.