Контрольные вопросы и задачи

1.Что такое раствор? Привести примеры жидкого, газообразного и твердого раствора.

2. Как измеряют плотность раствора?

3. Назвать несколько способов выражения концентрации растворов.

4. В чем сущность метода титрования? Для чего служат индикаторы?

5. Плотность 10 %-ного раствора NaCl 1,071 г/мл. Сколько г NaCl необходимо для приготовления I л 10 %-ного раствора?

6. Вычислить титр, нормальность и молярность растворов серной кислоты следующих концентраций:

а) 34 %; б) 70 %; в) 96 % (плотности см. в табл.1).

7. На титрование 10 мл 0,122 н раствора каустика пошло 12,2 мл раствора соляной кислоты. Определить нормальную концентрацию кислоты.

8. Какой объем 3,0 н раствора серной кислоты требуется для нейтрализации 8,415 г КОН?

Лабораторная работа 2. Определение и устранение жесткости воды

Цель работы: провести анализ воды на жесткость и ознакомиться с методами умягчения воды.

Теоретическое обоснование

Жесткой называют воду с повышенным содержанием ионов Ca²⁺

и Mg²⁺. Измеряют жесткость суммой ммоль экв ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды, - ммоль экв/л. 1 ммоль экв/л соответствует 20,04 мг/л катионов Ca²⁺ или 12,16 мг/л катионов Mg²⁺.

Различают жесткость воды общую Ж_ОБЩ, карбонатную Ж_К и некарбонатную Ж_НК.

В связи с тем, что в воздухе достаточно велико содержание СО₂ в природной воде есть растворенный диоксид углерода. Протекает взаимодействие СО₂ с H₂O:

СО₂ + H₂O _^ Н₂СО_{3 }^ НСО₃^- + H ⁺

результатом которого является образование гидрокарбонат-иона. Концетрация ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в воде, эквивалентная содержанию НСО₃ ^-, определяет карбонатную жесткость воды, а концентрация ионов Са²⁺ и Mg²⁺, эквивалентная всем прочим анионам (SO₄^2-, Cl^- и т.д.) – некарбонатную. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость

Ж_ОБЩ = Ж_К + Ж_НК.

При контроле качества воды определяют ее жесткость. Для определения общей жесткости применяют метод комплексометрии. Он основан на титровании исследуемой воды в присутствии аммиачного буферного раствора ( рН = 10,0) и индикатора двузамещенной натриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты ( техническое название «комплексон III» или «трилон Б»).

NaOOCCH₂ CH₂COONa

N – CH₂ – CH₂ – N

HOOCCH₂ CH₂COOH

В качестве индикатора применяется краситель эриохром черный Т, дающий с ионами Са²⁺ и Mg²⁺ растворимые комплексы винно-красного цвета. Эти комплексы менее устойчивы, чем комплексы кальция и магния с трилоном Б. Поэтому при титровании пробы воды в присутствии этого индикатора винно-красные комплексы разрушаются и образуются бесцветные соединения Са²⁺ и Mg² с трилоном Б, а индикатор приобретает собственную синюю окраску.

Определение карбонатной жесткости воды Ж_К сводится к измерению концентрации гидрокарбонат-иона НСО₃^- и тем самым эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости Са²⁺ и Mg²⁺. Анализ проводят методом нейтрализации. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии метилового оранжевого раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую.

Метиловый оранжевый — кислотно-основной индикатор, изменяющий свою окраску от красной при рН < 3,1 до желтой при рН > 4,4. В точке перехода метиловый оранжевый имеет оранжевую окраску.

Анион НСО₃^- в воде гидролизуется:

НСО₃^- + Н₂О _^ Н₂СО₃ + OH ^-

Поэтому при условии Жк > 0 вода имеет щелочную реакцию среды и метиловый оранжевый в ней окрашен в желтый цвет. При титро­вании раствором НС1 такой воды протекает реакция нейтрали­зации:

ОН ^- + Н⁺  Н₂О

Ионы Н⁺ нейтрализуют количество ионов ОН^-, эквивалентное кон­центрации иона НСОз ^-

Анализ воды на жесткость предполагает обычно:

а) определение общей жесткости Ж_ОБЩ;

б) определение карбонатной жесткости Ж_К;

в) вычисление некарбонатной жесткости Ж_НК = Ж_ОБЩ – Ж_К.

Жесткость воды колеблется в широких пределах: от 0,1 ммоль экв/л в некоторых озерах и реках до 80-100 ммоль экв/л в подземных водах, морях и океанах. Различают воду мягкую (общая жесткость до 2,0 ммоль экв/л), средней жесткости (2-10 ммоль экв/л) и жесткую (более 10 ммоль экв/л).

Повышенная жесткость воды способствует образованию накипи в паровых котлах, отопительных приборах и бытовой металлической посуде, что приводит к перерасходу топлива и перегреву металлических поверхностей.

Большая магниевая жесткость придает воде горький привкус, поэтому общая жесткость питьевой воды во избежание ухудшения ее органолептических свойств не должна превышать 10 ммоль экв/л.

Умягчение воды состоит в полном или частичном удалении из нее солей кальция и магния.

Способы умягчения воды подразделяются на физические, химические и физико-химические.

Физические способы предусматривают термическую обработку воды, или кипячение, дистилляцию и вымораживание. При термической обработке, или кипячении устраняется только карбонатная жесткость (ее называют временной), так как обусловливающие ее гидрокарбонаты кальция и магния переходят в нерастворимые углекислые соли и выпадают в виде плотного осадка

Ca(HCO₃)₂  CaCO₃  + CO₂^ + H₂O,

Mg(HCO₃)₂  MgCO₃  + CO₂^ + H₂O.

Химические способы умягчения воды заключаются в обработке ее растворами химических соединений. Наибольшее промышленное применение получили известково-содовой и фосфатный способы умягчения.

Известково-содовый способ заключается в добавлении к жесткой воде сначала известкового молока, а затем соды, при этом кальциевые соли превращаются в нерастворимый карбонат кальция, магниевые соли – в гидроксид и карбонат магния:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂  2H₂O + 2CaCO₃ 

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂  Mg(OH)₂ + 2H₂O + CaCO₃ 

CaCl₂ + Na₂CO₃  2NaCl + CaCO₃ 

MgSO₄ + Na₂CO₃  Na₂SO₄ + MgCO₃ 

Известково-содовой способ является наиболее распространенным и дешевым, но при этом достигается лишь сравнительно грубое умягчение воды (примерно до 0,3 ммоль экв/л).

Фосфатный способ состоит в обработке воды фосфатом натрия:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄  6NaHCO₃ + Ca₃(PO₄)₂

3CaCl₂ + 2Na₃PO₄  6NaCl + Ca₃(PO₄)₂.

Растворимость фосфатов кальция и магния в воде ничтожно мала, это определяет высокую эффективность фосфатного способа (содержание солей снижается примерно до 0,03 ммоль экв/л).

Фосфатный способ – достаточно дорогой способ умягчения воды, поэтому применяется главным образом в комбинированных схемах, в которых основная масса солей удаляется из воды известковым молоком или содой, а доумягчение осуществляется с помощью фос­фатов.

Из физико-химических способов наиболее широкое практиче­ское применение находят ионообменные способы, основанные на свойстве некоторых труднорастворимых твердых веществ, так на­зываемых ионитов, обменивать свои ионы на ионы солей, рас­творенных в воде.

Иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижные катионы натрия или водорода и соответ­ственно называются Na-катионитами и Н-катионитами. Аниониты содержат подвижную гидроксильную группу и называются ОН-анионитами.

В качестве Na-катионитов-применяются алюмосиликаты: глауконит, цеолит, пермутит и др.; в качестве Н-катионитов приме-няется сульфированный уголь и другие вещества; к ОН-анионитам относятся искусственные смолы сложного состава, например -карбамидные.

Если умягчение воды проводят только на фильтре с катионитом такой процесс называется катионированием. Как правило, в этом случае используют Na- катиониты.

Катионный обмен с использованием алюмосиликата состава Na₂O ^.А1₂О₃ ^. 2SiO₂ ^. nН₂О можно представить следующим образом:

Na₂O[Kaт] + СаС1_{2 }^ СаО[Кат] + 2NaCl;

Na₂O[Kaт] + Са(НСО₃)_{2 }^ СаО[Кат] + 2NaНСО₃,

где [Кат] — неучаствующая в обмене часть молекулы (А1₂Оз ^.2SiO₂^. nH₂O).

Общая жесткость в результате катионирования устраняется, а в воду переходит эквивалентное количесво ионов Na⁺.

Последовательная обработка воды на катионо- и анионообменных фильтрах позволяет не только устранить общую жесткость, но и получить полностью обессоленную воду:

H₂Кат] + CaSO_{4 }^ Са[Кат] + H₂SO₄

Н₂[Кат] + Са(НСО₃)_{2 }^ Са[Кат] + 2Н₂О + 2СО₂

2[Aн]OH + H₂SO_{4 }^ [Ah]₂SO₄ + 2Н₂О.

По качеству такая вода не уступает дистиллированной.

С течением времени иониты истощаются, поэтому их регенерируют. Этот процесс представляет собой ту же реакцию обмена, но проводимую в обратном направлении. Регенерацию катионитов проводят, промывая его раствором NaCl или HCl, анионитов – раствором NaOH:

Са[Кат] + 2NaCl _^ Na₂[Кат] + CaCl₂

[Ah]₂SO₄ + 2NaOH _^ Na₂SO₄ + 2[Ан]ОН

Оборудование и реактивы: штативы Бунзена, бюретки, пипетки, конические колбы на 250 мл, фильтры, индикаторы – метиловый оранжевый и эриохром черный, 0,02 н раствор трилона Б, 10% -ный раствор NaCl, 0,1 н раствор HCl, электрическая плитка.