144
Глава 15. Жесткость воды и ее методы устранения
Студент должен уметь:
1.Определять жесткость воды по массе содержащихся в воде ионов и солей;
2.Определять временную жесткость по объему кислоты, пошедшей на еѐ титрование;
3.Рассчитывать массу вещества, необходимую для устранения жесткости воды.
Жесткость воды – это свойство природной воды, обусловленное присутствием в ней катионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+).
Жесткая вода не пригодна для использования в системах горячего водоснабжения, для охлаждения двигателей тракторов и машин. Такая вода образует осадки СаСО3 и MgСО3 (накипь), которые снижают теплоотдачу и приводят к преждевременному износу паровых котлов, двигателей и нередко выводят их из строя.
Общая жесткость (Жо) складывается из кальциевой и магниевой жесткости.
Жо = ЖСа2+ + ЖMg2+
Соли кальция и магния в зависимости от их состава придают воде двоякого рода жесткость: карбонатную (Жк) и некарбонатную (Жн).
Карбонатная жесткость воды («временная» или «устранимая») зависит от содержания в ней гидрокарбонатов кальция и магния (Ca(HCO3)2), Mg(HCO3)2), которые при кипячении воды разлагаются:
t
Ca(HCO3)2 CaCO3 ↓ + H2O + CO2↑
t
Mg(HCO3)2 MgCO3 ↓ + H2O + CO2↑
Карбонатную жесткость можно устранить добавлением к воде гашеной извести: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 ↓ + 2H2O
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ +Mg(OH)2+ 2H2O
Некарбонатная жесткость воды (постоянная.) вызывается присутствием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния (MgCl2, MgSO4, CaCl2, CaSO4). Кипячением она не устраняется. Для устранения некарбонатной жѐсткости катионы кальция и магния переводят в осадок действием карбоната натрия (соды) и других веществ:
145
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4
MgSO4 + Na2CO3 +H2O = Mg(OH)2↓ + Na2SO4 +CO2↑
Кроме термического и химического методов устранения жесткости воды широко используются физико-химические методы ионного обмена. Ионнообменные смолы-иониты содержат закрепленные на твердой матрице ионы одного знака и противоионы, способные переходить в раствор. Катиониты содержат подвижные ионы Na+или H+ – это сульфоугли или алюмосиликаты. Аниониты включают подвижные гидроксид-ионы, это так называемые искусственные смолы. Иониты периодически регенерируют (восстанавливают).
Жесткость воды измеряется в миллимолях – эквивалентов катионов кальция и магния в 1 л воды (ммоль/л).
М(Са2+) = 40,08 г/моль или 40,08 мг/ммоль М(f(Са2+)= ½ М(Са2+) = ½ 40,08 = 20,04 мг/ммоль М(Mg2+) = 24,32 г/моль или 24,32 мг/ммоль М(f(Mg2+)= ½ М(Mg2+) = ½ 24,32 = 12,16 мг/ммоль
Таким образом, 1 ммоль/л жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг ионов кальция Са2+ или 12,16 мг ионов магния Mg2+.
При общей жесткости (в ммоль/л) природные воды делятся на следующие группы: мягкая – до 4, средняя – 4-8, жесткая – 8-12, очень жесткая – больше
12.
Жесткость воды определяют по формуле:
m(X)
Ж =
Z1 M(X) V
где m (Х) – масса в мг катионов Ca2+или Mg2+ (или соответствующих им солей или вещества, применяемого для устранения жесткости);
Z1 М ( Х ) – молярная масса эквивалентов катионов Ca2+ или Mg2+ (или
соответствующих им солей, или вещества, применяемого для устранения жесткости);
V – объем воды, л.
146
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ
Определение жесткости воды по массе содержащихся в ней ионов и солей
Пример 1. В 1 л воды содержится 120,5 мг Са2+ и 37,5 мг Mg2+.Определить общую жесткость воды.
Дано: |
|
|
Решение |
|
|
|
|
|
|
|||
m(Са2+) – 120,5 мг |
1.Определим количество ионов Са2+ и Mg2+ в 1 л |
|||||||||||
m(Mg2+) – 37,5 мг |
воды по формуле: (f (x) |
m(x) |
|
|||||||||
V (Н2О) = 1 л |
M(f (x) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
120,5мг |
|
|
||
Жо – ? |
|
|
(f (Ca 2 |
в 1 л) = |
|
6ммоль / л |
||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
2+ |
|
|
|
|
|
|
20,08мг / ммоль |
|||||
М(f(Са |
)=20,08 мг/моль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
М(f(Mg |
2+ |
)=12,16 мг/ммоль |
(Mg |
2 |
в 1 л) = |
|
37,5мг |
3ммоль / л |
||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
12,16мг / ммоль |
||||||||
|
|
|
Жо = ЖСа2+ + ЖMg2+ |
|
|
|||||||
|
|
|
Жо = 6 +3 = 9 ммоль/л |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответ: Жо = 9 ммоль/л.
Пример 2. Вычислите жесткость воды, зная, что в 500 мл ее содержится 0,202г
Ca(HCO3)2. |
|
|||
|
|
|||
Дано: |
Решение: |
|||
V (H2O) = 500 мл; |
1-ый способ решения задачи (по пропорции) |
|||
m(Ca(HCO3)2) = 0,202 г |
1. Определим массу соли в 1 л воды |
|||
|
В 0,5 л воды содержится 0,202 г Са(HCO3)2 |
|||
Ж – ? |
||||
M (Ca(HCO3)2) = 162 г/моль |
В 1 л -------------------------Х г |
|||
М(f(Ca(HCO3)2) = |
Х = 0,404 г/л |
|||
|
1 |
М(Ca(HCO3)2) = 81 г/моль |
М(f(Са(HCO3)2)= ½ М(Са(HCO3)2) = |
|
2 |
= ½ 162 = 81 г/моль |
|||
|
||||
|
|
|
2. Определим количество эквивалентов соли в |
|
|
|
|
1 л воды по формуле: |
|
|
|
|
|
|
147
(f (x) |
m(x) |
; |
(f (Ca(HCO |
|
) |
|
) |
m(Ca(HCO |
3 ) |
2 в1л) |
|
0,404 |
0,005моль /л или |
|
M(f (x) |
3 |
2 |
M(fCa(HCO |
3 ) 2 ) |
81 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
5 ммоль эквивалентов Ca(HCO3)2 в 1 л воды. Это 5 ммоль/л Са2+
2-ой способ решения задачи (по формуле, вытекающей из пропорции)
|
|
Ж = |
|
|
m(X) |
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1 |
M(X) V |
|||
|
|
|
|
Z |
|||
|
|
|
|
|
|
||
Ж= |
0,202 |
0,005 моль/л или 5 ммоль/л |
|||||
81 0,5 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
Ответ: Жесткость = 5 ммоль/л.
Расчет временной жесткости по результатам титрования Пример 3. Вычислить временную (карбонатную) жесткость воды, зная, что на
титрование 100 мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция,
потребовалось 6,25 мл 0,08 н раствора HCl.
Дано: |
|
Решение |
|
|
||
V(НСО3–)= V(H2O) = 100 мл |
|
1. Вычислим молярную концентрацию |
||||
V (HCl) = 6,25 мл |
|
эквивалентов ионов НСО3- по формуле: |
||||
C(f(HCl) = 0,08 моль/л |
|
C(f(1)·V(1) = C(f(2)·V(2) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
ЖК – ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C(f(HCO ) = |
V(HCl ) C(fHCl) |
= |
6,25 0,08 |
= 0,005 моль/л |
||
|
|
|||||
3 |
|
V(HCO ) |
100 |
|
||
|
|
|
||||
|
|
3 |
|
|
|
|
Следовательно, в 1 литре воды содержится 0,005 моль эквивалентов НСО 3 или 5 ммоль/л Ca(HCO3)2 . Это 5 ммоль Ca2+-ионов.
Ответ: ЖК = 5 ммоль/л.
148
Определение массы солей, обусловливающих жесткость
Пример 4. Сколько граммов CaSO4 содержится в 1000 л воды, если жесткость,
обусловленная присутствием этой соли, равна 4 ммоль/л?
Дано:
V (H2O) = 1000 л
Ж = 4 ммоль/л
m (CaSO4) – ?
М(CaSO4) = 136,14 г/моль
Решение
1. Определим молярную массу эквивалентов соли
М(f(СаSO4)= |
1 |
М(СаSO4)= |
136,14 |
=68,07 г/моль= |
||
Z |
|
2 |
||||
|
|
|
||||
68,07 мг/ммоль
2. Определим массу соли по формуле:
Ж = |
m(x) |
m(x) = Ж · M(fx) · V ; |
M(f (x) V |
m(CaSO4) = 4 ммоль/л 68,07 мг/ммоль 1000 л = 272280 мг = 272,28 г.
Ответ: В 1000 л воды содержится 272,28 г CaSO4.
Расчеты по умягчению жесткости
Пример 5. Какую массу соды надо добавить к 500 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 5 ммоль/л?
Дано: |
Решение |
|
|
|
|
|
V (H2O) = 500 л |
1. Определим молярную массу эквивалентов |
|||||
Ж(H2O) = 5 ммоль/л |
соли |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
106 |
|
|
m (Na2CO3) – ? |
М(f(Na2CO3) = |
М(Na2CO3) = |
г/моль = |
|||
М(Na2CO3) 106 г/моль |
Z |
|
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
53 г/моль = 53 мг/ ммоль
2.Определим массу соли по формуле: m(x) = Ж · M(fx) · V; m(Na2CO3) = 5 ммоль/л · 53 мг/ммоль · 500 л = 132500 мг или 132,5 г
Ответ:132,5 г Na2CO3.
149
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Сколько граммов CaSO4 содержится в 200 л воды, если жесткость,
определяемая этой солью, равна 7 ммоль/л?
Ответ: 95,2 г
2. Вычислите карбонатную жесткость воды, зная, что для реакции с
Ca(HCO3), содержащимся в 100 мл этой воды, требуется 65 мл 0,1 н
раствора HCl.
Ответ: 6 ммоль/л
3. В 250 мл жесткой воды содержится 4,6 мг ионов Ca2+ и 2,432 мг ионов
Mg2+. Определите общую жесткость воды.
Ответ: 1,72 ммоль/л
4. На титрование 100 мл жесткой воды израсходовано 15 мл 0,05 н раствора трилона Б (ЭДТА). Чему равна общая жесткость воды?
Ответ: 7,5 ммоль/л
5. Рассчитайте изменение жесткости воды в результате Na-катионирования,
если концентрация ионов Na+ в воде увеличилась на 46 мг/л.
Ответ: 2 ммоль/л
6.Вычислите обменную емкость сульфоугля, если через адсорбционную колонку, которая содержит 50 г сульфоугля, пропущено 11,4 л воды с общей жесткостью 8 ммоль/л (до появления катионов кальция и магния в фильтрате).