26. Жесткость воды. Умягчение воды катионитами.

Растворимые соли кальция и магния обуславливают общую жёсткость воды. Если они присутствуют в воде в небольших количествах, то вода называется мягкой. При большом содержании этих солей (100 – 200 мг. солей кальция – в 1 л. в пересчёте на ионы) вода считается жёсткой. В такой воде мыло плохо пенится, так как соли кальция и магния образуют с ним нерастворимые соединения. В жёсткой воде плохо развариваются пищевые продукты, и при кипячении она даёт на стенках паровых котлов накипь. Накипь плохо проводит теплоту, вызывает увеличение расхода топлива и ускоряет изнашивание стенок котла. Образование накипи – сложный процесс. При нагревании кислые соли угольной кислоты кальция и магния разлагаются и переходят в нерастворимые карбонаты: Са + 2НСО3 = Н2О + СО2 + СаСО3↓

Растворимость сульфата кальция СаSO4 при нагревании также снижается, поэтому он входит в состав накипи.

Жёсткость вызванная присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, называется карбонатной или временной, так как она устраняется при кипячении. Помимо карбонатной жёсткости, различают ещё некарбонатную жёсткость, которая зависит от содержания в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния. Эти соли не удаляются при кипячении, и поэтому некарбонатную жёсткость называют также постоянной жёсткостью. Карбонатная и некарбонатная жёсткость в сумме даёт общую жёсткость.

Для полного устранения жёсткости воду иногда перегоняют. Для устранения карбонатной жёсткости воду кипятят. Общую жёсткость устраняют или добавлением химических веществ, или при помощи так называемых катионитов. При использовании химического метода растворимые соли кальция и магния переводят в нерастворимые карбонаты, например добавляют известковое молоко и соду:

Са + 2НСО3 + Са + 2ОН = 2Н2О + 2СаСО3↓

Са + SO4 + 2Na + CO3 = 2Na + SO4 + CaCO3↓

Устранение жёсткости при помощи катионитов – процесс более совершенный. Катиониты – сложные вещества (природные соединения кремния и алюминия, высокомалекулярные органические соединения), состав которых можно выразить формулой Na2R, где R – сложный кислотный остаток. При фильтровании воды через слой катионита происходит обмен ионов (катионов) Na на ионы Са и Mg: Са + Na2R = 2Na + CaR

Следовательно, ионы Са из раствора переходят в катионит, а ионы Na переходят из катионита в раствор. Для восстановления использованного катионита его промывают раствором поваренной соли. При этом происходит обратный процесс: ионы Са в катионите заменяются на ионы Na: 2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl

Регенерированный катионит можно снова применять для очистки воды.

Билет 33. Коллоидно-дисперсные системы. Электрокинетические явления. Электрокинетический потенциал. Коагуляция электролитами. Грубодисперсные системы: эмульсии, пены, взвеси.

Дисперсные системы, гетерог. системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой пов-стъю раздела между ними. Обычно одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределена дисперсная фаза (или неск. дисперсных фаз) в виде мелких кристаллов. твердых аморфных частиц, капель или пузырьков. Дисперсные системы условно делят на грубодисперсные и тонко(высоко)дисперсные. Последние, по традиции, наз. коллоидно-дисперсными или просто коллоидными системами. В грубодисперсных системах частицы имеют размеры от 1 мкм и выше (уд. пов-сть не более 1 м²/г), в коллоидных - от 1 нм до 1 мкм (уд. пов-сть достигает сотен м²/г).

Электрокинетическими явлениями называют перемещение одной фазы относительно другой в электрическом поле и возникновение разности потенциалов при течении жидкости через пористые материалы (потенциал протекания) или при оседании частиц (потенциал оседания). Перенос коллоидных частиц в электрическом поле называется электрофорезом, а течение жидкости через капиллярные системы под влиянием разности потенциалов — электроосмосом. Оба эти явления были открыты Ф. Ф. Рейссом в 1809 г. Электрокинетические явления свидетельствуют о том, что на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой (ДЭС), представляющий собой тонкий поверхностный слой из пространственно разделенных электрических зарядов противоположного знака. В дисперсных системах двойной электрический слой образуют ионы и дипольные молекулы. Ионный двойной электрический слой возникает либо в результате диссоциации ио-ногенных групп вещества твердой фазы, либо вследствие избирательной адсорбции ионов, достраивающих кристаллическую решетку твердой фазы. В результате на границе между твердой фазой и раствором возникает подобие конденсатора, вну­тренняя обкладка которого образована потенциалоопределяющими ионами, а наружная — противоионами.Адсорбционная (плотная) часть двойного электрического слоя состоит из потенциалопределяющих ионов и части противоионов. Диффузная часть двойного электрического слоя образована остальными противоионами. Скорость перемещения фаз в электрическом поле определяется величиной потенциала на по-зерхности скольжения, который поэтому назван электрокинетическим потенциалом и кратко обозначается как-потенциал (дзета-потенциал).

Качественная особенность дисперсных систем состоит в их агрегативной неустойчивости.

Предотвращение агрегации первичных дисперсных частиц возможно в резуль­тате действия трех факторов устойчивости дисперсных систем: 1) кинетического. 2) электрического и 3) структурно-механического.

Необходимым условием слипания двух частиц дисперсной фазы является их сбли­жение, достаточное для проявления сил притяжения. Если частота столкновений к лоидных частиц мала, то дисперсная система может быть устойчивой (кинетический фактор устойчивости). Это может иметь место при очень малой концентрации дис­персных частиц (например, в некоторых аэрозолях) или при очень большой вязкости дисперсионной среды (например, в дисперсных системах типа Т1—Т2). Электрическая стабилизация дисперсных систем связана с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела фаз.

Кроме электростатического отталкивания между коллоидными частицами, как и между молекулами любого вещества, действуют межмолекулярные силы

притяжения, среди которых наибольшую роль играют дисперсионные силы. Дей­ствующие между отдельными молекулами дисперсионные силы быстро убывают с увеличением расстояния между ними. Но взаимодействие коллоидных частиц обусловлено суммированием дисперсионных сил притяжения между всеми моле­кулами, находящимися на поверхности контакта коллоидных частиц. Поэтому силы притяжения между коллоидными частицами убывают медленнее и про­являются на больших расстояниях, чем в случае отдельных молекул.

Потенциальная энергия взаимодействия {Емв) между коллоидными частица­ми представляет собой алгебраическую сумму потенциальной энергии электро­статического отталкивания (Еот) и потенциальной энергии дисперсионного при­тяжения (Епр) между ними:

Емв — Епр + Еот

Если Еот > Епр (по абсолютной величине), то отталкивание преобладает над притяжением и дисперсная система устойчива. Если Еот < Епр, то происхо­дит слипание сталкивающихся при броуновском движении коллоидных частиц в более крупные агрегаты и седиментация последних. Коллоидный раствор ко­агулирует, т. е. разделяется на коагулят (осадок) и дисперсионную среду.

В этом состоит сущность теории электрической стабилизации и коагуляции дисперсных систем Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека (теории ДЛФО).

дым — взвесь твёрдых частиц в газе.

туман — взвесь жидких частиц в газе.

суспензия — взвесь твёрдых частиц в жидкости.

эмульсия — раствор жидкости в жидкости.

пена — раствор газа в жидкости или твёрдом теле.

гель— раствор жидкости в твёрдом теле.

сплав — раствор твёрдого тела в твёрдом теле.

Адсорбционная (плотная) часть двойного электрического слоя состоит из по-тенциалопределяющих ионов и части противоионов. Диффузная часть двойного электрического слоя образована остальными противоионами. Скорость переме­щения фаз в электрическом поле определяется величиной потенциала на по-зерхности скольжения, который поэтому назван электрокинетическим потен­циалом и кратко обозначается как ^-потенциал (дзета-потенциал). Этому потен­циалу приписывают знак заряда твердой поверхности.

В постоянном внешнем электрическом поле коллоидная частица перемещает­ся к электроду, знак заряда которого противоположен знаку заряда поверхности I иоллоидной частицы (рис. 10.15, а). Электроосмотический перенос жидкости на­травлен к электроду, имеющему тот же знак, что и поверхность капилляра К рис. 10.15, б). В этом случае в электрическом поле подвижны гидратированные гротивоионы, которые увлекают прилегающие к ним слои воды.

Изменение структуры двойного электрического слоя возможно в нескольких напра­влениях. При очень малых концентрациях электролитов, по мере заполнения актив-шос центров поверхности потенциалопределяющими ионами, будет происходить увели­чение е-потенциала. Противоионы с высокой адсорбционной способностью (например, мяогозарядные ионы) могут проникнуть в адсорбционный слой в количествах, сверх-ЯЕВНвалептных первоначальным потенциалопределяющим ионам, вызывая изменение явка заряда поверхности с соответствующей перестройкой всего двойного электриче-зого слоя {перезарядка коллоидов).

Диффузная часть двойного электрического слоя наиболее лабильна и измен-чква. Противоионы обмениваются на другие ионы того же знака. Повышение концентрации раствора приводит к «вытеснению» противоионов из диффузной в хлотную часть двойного электрического слоя. Толщина двойного электрическо­го слоя и величина ^-потенциала уменьшаются. При некоторой концентрации раствора (примерно 0,1 н) все противоионы оказываются вытесненными в ад-гзрбционный слой и ^-потенциал становится равным нулю. В этом случае изме-кние межфазового потенциала от его максимального значения на поверхности твердой фазы до нулевого целиком происходит в пределах адсорбционного слоя. Такое состояние коллоидной мицеллы называют изоэлектрическим состоянием.

Из сказанного следует, что электрокинетические явления проявляются в раз--давленных растворах электролитов (< 0,1 н.). Электрокинетический потенци-■ имеет порядок 0,001—0,1 В. Несмотря на небольшую величину, ^-потенциал ■грает существенную роль в устойчивости коллоиднодисперсных систем (см. эазд. 10.9).

Электрокинетические явления находят практическое применение. Так, с мощью электрофореза проводят формование различных изделий из тонких в сей с последующим их спеканием. Метод электрофореза широко применяют для разделения, выделения и исследования биоколлоидов, особенно белков. Про­стой его вариант, называемый электрофорезом на бумаге, состоит в том, что нанесенное на полоску бумаги пятно исследуемой смеси белков разделяется ал компоненты по величине их заряда, а следовательно, и скорости движения в поле постоянного электрического тока. Этим методом исследуют качественный и количественный состав белков крови и других биологических жидкостей.

Путем электроосмоса удаляют влагу из капиллярнопористых систем и по жают уровень грунтовых вод при возведении гидротехнических и других сое жений.

Возникновение электрических полей при течении грунтовых вод помогает в геологической разведке полезных ископаемых и водных источников.