60. Угольная кислота и ее соли. Жесткость воды и способы ее устранения. Карбонатное равновесие в природе.

Ответ. Н2СО3 – угольная кислота. В индивидуальном состоянии не выделена, существует только в растворе, является слабым электролитом. Проявляет все свойства кислот. Наиболее распространен в природе карбонат кальция – СаСО3 (известняк, мрамор, мел). Залежи пород, содержащих карбонат кальция, особенно известняка, встречаются довольно часто. Из искусственно получаемых карбонатов большое значение имеет карбонат натрия Na 2CO3. Безводный карбонат натрия известен под названием «кальцинированная сода», а кристаллогидрат Na 2CO3∙10H2O – «кристаллическая сода». Соду применяют для производства мыла, стекла. При насыщении раствора соды углекислым газом она переходит в гидрокарбонат натрия NaHCO 3. Гидрокарбонат натрия известен под названием «питьевая сода». Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении. При нагревании гидрокарбонат натрия разлагается с выделением углекислого газа и паров воды: 2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + СО2. Поэтому питьевую соду вводят в состав хлебопекарных порошков, добавляемых к тесту. Такое тесто подходит без применения дрожжей и заквасок, наполняясь пузырьками углекислого газа, выпеченный из него продукт получается пористым и мягким. Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых солей жёсткости). Вода с большим содержанием солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой. Термин «жёсткая» по отношению к воде исторически сложился из-за свойств тканей после их стирки с использованием мыла на основе жирных кислот — ткань, постиранная в жёсткой воде, более жёсткая на ощупь. Этот феномен объясняется, с одной стороны, сорбцией тканью кальциевых и магниевых солей жирных кислот, образующихся в процессе стирки на макроуровне. С другой стороны, волокна ткани обладают ионообменными свойствами, и, как следствие, свойством сорбировать многовалентные катионы — на молекулярном уровне. Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО3)2; Mg(НСО3)2, и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2). Жёсткая вода при умывании сушит кожу, в ней плохо образуется пена при использовании мыла. Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах и т. п. В то же время использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб, так как в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность, которую обеспечивает гидрокарбонатная (временная) жёсткость. Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, однако есть данные о том, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая — незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Вкус природной питьевой воды, например воды родников, обусловлен именно присутствием солей жёсткости. Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда. Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м³), однако, на практике для измерения жёсткости используются градусы жёсткости и миллиграмм-эквиваленты на литр (мг-экв/л). Жёсткость воды поверхностных источников существенно колеблется в течение года; она максимальна в конце зимы, минимальна — в период паводка. В подземных водах жёсткость обычно выше (до 8-10, реже до 15-20 °Ж) и меньше изменяется в течение года. Методы устранения. Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи: Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O. Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту. Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 или гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3. Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na3PO4, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения: 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO42 + 6NaHCO3. 3MgSO4 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2 + 3Na2SO4жОртофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента. Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдаёт ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. При правильно подобранной ионообменной загрузке жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 °Ж, при двухступенчатом — до 0,01 °Ж В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду. Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Различают нанофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам нанометров) и пикофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам пикометров). В качестве недостатков данного метода следует отметить: необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану; относительно высокая стоимость 1 л получаемой воды (дорогое оборудование, дорогие мембраны); низкую минерализацию получаемой воды (особенно при пикофильтрации). Вода становится практически дистиллированной. Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией. Постоянное употребление жесткой воды может вызвать нарушение минерального баланса организма (например, моче- или почечнокаменную болезнь). Использование жесткой воды для питания и купания новорожденных увеличивает риск атопического дерматита и/или экземы у детей. Средний возраст первых симптомов — 3 мес. Причем появление экземы запускает механизм развития аутоаллергии по цепочке «атопический марш» — от экземы к пищевой аллергии и астме. Возникновение процесса солеобразования связано с нарушением равновесного состояния системы нефть - вода - газ; в процессе раз-газирования наблюдаются выделение углекислого газа и нарушение карбонатного равновесия системы. КАРБОНАТНАЯ СИСТЕМА - гетерогенная система, состоящая из взаимосвязанных соединений: растворенной в воде двуокиси углерода (или диоксида углерода - СО2), угольной кислоты имеет важнейшее значение в биосфере, регулируя содержание углекислоты в атмосфере, осадкообразование в водоемах, карстовые явления и др. процессы. Однако возможно, что при этом недооценивается буферная роль океанов с участием угольной кислоты, образуемой при вымывании из атмосферы СО2, ответственной за осаждение и растворение карбонатов и бикарбонатов кальция. Скорость этой реакции (карбонатное равновесие) во многом определяется водородным показателем рН, зависящим от температуры, давления и содержания углекислоты в растворе, а также от соотношения парциальных давлений СО2 над раствором и в атмосфере. Но при этом следует принимать во внимание эффект глобальной циркуляции океанических вод, подверженной периодическим изменениям в зависимости от изменения инсоляции, что оказывает влияние на температуру и плотность вод. Поэтому резервы океана, чтобы поглотить из атмосферы всю избыточную углекислоту, образующуюся за счет сжигания органических топлив, на самом деле могут быть значительно выше. Так или иначе, нельзя не учитывать тот факт, что система океан - атмосфера отличается высокой степенью нестабильности, и эта нестабильность решающим образом воздействует на климат. Установлено, что отложение солей наблюдается только в обводненных скважинах. В результате обводненности нефти возможно обеднение водной фазы углекислым газом за счет перехода последнего в нефть. При этом уменьшение концентрации углекислоты в воде может привести к нарушению карбонатного равновесия и выпадению в осадок карбонатов кальция и магния. Обе указанные характеристики имеют большое значение. Выбор же определяющей характеристики следует производить индивидуально в каждом конкретном случае, руководствуясь следующими соображениями. Если продолжительность контакта агрессивной воды с карбонатом кальция достаточна для установления карбонатного равновесия, определяющей является карбонатная емкость воды. Если же продолжительность контакта мала, то величина карбонатной емкости не имеет практического значения и определяющей является другая характеристика агрессивных свойств воды - интенсивность карбонатной агрессии. Кроме этих двух экстремальных случаев большое распространение в практике имеют промежуточные положения, когда продолжительность контакта агрессивной воды с карбонатом кальция меньше необходимой для достижения равновесия, но соизмерима с ней. В таких случаях необходимо считаться с обеими характеристиками агрессивных свойств воды.   В закрытых системах исключается контакт сточной воды с кислородом воздуха на всем пути движения ее от места сброса до нагнетательной скважины. Коррозионная активность воды не повышается, значительно снижается загазованность окружающей среды. Для многих типов пластовых сточных вод очистка под избыточным давлением предотвращает нарушение карбонатного равновесия и выпадение в осадок минеральных солей. Сооружения закрытой напорной системы, как правило, выполняются из металла и могут изготавливаться на заводе в виде блоков и обвязочных трубопроводов. В настоящее время закрытые системы для очистки пластовых вод эксплуатируются и строятся в разных районах страны. Одной из центральных задач является максимальная утилизация попутных пластовых и промысловых сточных вод в системах поддержания пластового давления. Ограничивающими факторами служат допустимый предел загрязнения этих вод механическими частицами, нефтью и химическая совместимость их с пластовыми водами. В то же время специальные исследования и анализ функционирующих систем сбора, транспорта и подготовки сточных вод на нефтепромыслах показали, что роль названных ограничивающих факторов существенно зависит от различных химических равновесий в формирующихся смесях (в частности, карбонатного равновесия) и нередко поддается регулированию.