Конспект лекций по химии. Часть 2. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.А. Новосельнов, Е.М. Мясоедов

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ХИМИИ Ч а с т ь 2

Учебное пособие

Под редакцией профессора доктора химических наук В.И. Сидорова

МОСКВА 2010

Л е к ц и я 1

Жёсткость воды

Природные воды всегда содержат в растворённом или во взвешенном состоянии те или иные вещества. Наличие в воде примесей определяет возможность её использования в той или иной области и необходимость предварительной обработки (полное или частичное освобождение от примесей). В каждом конкретном случае учитывается вредное влияние присутствующих примесей. Так, наличие в воде газов, особенно кислорода, способствует коррозии металлов. Избыточное содержание углекислого газа ускоряет разрушение бетонных сооружений. Большое влияние на качество воды оказывают растворённые в ней соли. Они являются сильными электролитами, и в природной воде практически полностью диссоциируют на ионы.

Общее содержание в воде растворённых нелетучих веществ, выраженное в граммах, миллиграммах на литр, называют солё-

ностью воды.

Для определения величины солёности, выпаривают воду до определённого объема и взвешивают сухой остаток.

Жёсткость воды – это частный случай солёности. Солёная вода не всегда является жёсткой, но жёсткая вода всегда является солёной.

Обычно воду называют жёсткой, если в ней плохо мылится мыло. Мыло состоит из натриевых солей стеариновой и других высших органических кислот. Моющее действие мыла связано с тем, что указанные соли гидролизуются водой. При этом образуются жирные кислоты и свободная щёлочь, например:

С17Н35СООNa + Н2О ↔ С17Н35СООН + NaОН

Щёлочь (NaOH) разрушает жировые вещества, удерживающие грязь, а кислота, содержащая длинный углеводородный радикал, выступает в роли ПАВ (поверхностно активного вещества), способствуя образованию пены. Ионы двухвалентных металлов, например кальция, преобразуют растворимые натриевые соли мыла в нерастворимые в воде кальциевые соли высших жирных кислот.

3

Поэтому мыльная пена в жёсткой воде может появиться только после осаждения всех катионов двухвалентных металлов. Это является причиной непроизводительного перерасхода мыла.

Жёсткая вода обладает также рядом других нежелательных свойств: она образует накипь в водонагревательных или охладительных устройствах; в ней плохо развариваются овощи, мясо, она не пригодна для использования в некоторых производствах (пищевых, текстильных, химических и др.).

Изучение ионного состава воды показало, что её жёсткость зависит только от содержания свободных ионов кальция и магния (а также двухвалентных ионов железа и марганца, если они содержатся в воде). Следует отметить, что ионы Fe+2 в воде достаточно быстро окисляются до ионов Fe+3, наличие которых также может влиять на величину жёсткости воды. Содержание других ионов в природных водах (например, ионов натрия или хлора), не оказывает подобных вредных влияний.

Таким образом, жёсткой называют воду, в которой содержатся ионы следующих металлов: Ca+2, Mg+2, Fe+2, Fe+3, Mn+2.

В России общую величину жёсткости воды выражают суммой концентраций этих ионов, выраженных в миллиэквивалентах на литр (мэкв/л).

Отрицательные ионы, присутствующие в воде, не влияют на общую величину жёсткости, но определяют её разновидности:

карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную).

Карбонатной жёсткостью называют часть общей жёсткости, эквивалентную содержащимся в воде ионам (НСО3)–.

Временной её называют потому, что она может быть почти полностью устранена простым кипячением воды.

Именно временная жёсткость является основной причиной образования накипи.

Некарбонатной (или постоянной) жёсткостью называют часть общей жёсткости, эквивалентную содержащимся в воде другим отрицательным ионам (кроме ионов НСО3–).

Некарбонатная жёсткость не может быть устранена кипячением, поэтому её часто называют постоянной.

4

Таким образом:

Общая жёсткость воды

Величина общей жёсткости (Жо) равна сумме значений карбонатной (Жк) и некарбонатной (Жнк) жёсткости:

Жо = Жк + Жнк

Величина жёсткости различных вод колеблется в широких пределах. Принято воды с общей жёсткостью до 4 мэкв/л называть мягкими, от 4 до 6 мэкв/л - средней жёсткости, от 8 до 12 мэкв/л - жёсткими, и выше 12 мэкв/л - очень жёсткими водами.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖЁСТКОСТИ ВОДЫ

Различие в величине жёсткости пресных вод связано с особенностями минералогического состава грунта, с которым соприкасается вода. Возникновение жёсткости природных вод происходит, в основном, в результате медленного частичного растворения водой таких широко распространённых в природе минералов, как природный гипс, известняки, доломиты и т.п. Известняки в чистой воде практически нерастворимы. Однако, природные воды, поглощая из воздуха углекислый газ, всегда содержат в небольшой концентрации растворенную углекислоту, которая, взаимодействуя с нерастворимыми карбонатами кальция и магния (основными компонентами известняков), переводит их в растворимые гидрокарбонаты:

СаСО3 + Н2СО3 → Са(НСО3)2

MgCO3 + Н2СO3 → Mg(HCO3)2

5

Жёсткость воды может также возникать в результате деятельности человека. Отходы производства, продукты коррозии металлов, сточные воды могут содержать растворимые соединения кальция, магния, железа или марганца, вызывая увеличение жёсткости.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЁСТКОСТИ ВОДЫ

Определение жёсткости воды имеет большое практическое значение. На основании анализа воды решается вопрос о возможности её использования, и производятся расчёты по технологии умягчения воды (уменьшения или полного устранения жёсткости).

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ (СПЕКТРОСКОПИЯ, ИОНОМЕТРИЯ И Т.Д.)

Эти методы с использованием специальных приборов позволяют непосредственно определить содержание в воде ионов металлов. Общую жёсткость воды при этом рассчитывают по формуле:

ЭMei+2 - эквивалентная масса иона металла (г/экв).

Величину эквивалентной массы металла рассчитывают делением его атомной массы на величину заряда катиона (для металлов, определяющих жёсткость воды, она, как правило, равна 2).

Если известно содержание в воде растворённых солей, то величину жёсткости можно рассчитать с использованием формулы для вычисления эквивалентной концентрации (нормальности) раствора: СН (экв/л).

где νЭ – число эквивалентов растворённого вещества ( νЭ = МmЭ ),

m – масса растворённого вещества (г),

МЭ – эквивалентная масса растворённого вещества (г/экв), V – объём раствора (л).

6

Эквивалентная масса связана с молярной массой вещества (MM) соотношением:

МЭ = Мn Мb

где n – число атомов металла (в солях или основаниях), или число активных атомов водорода (в кислотах);

b – валентность атома металла или водорода, например:

Для Fe2(SO4)3 (n=2, b=3); Ca(OH)2 (n=1, b=2); Mg(HCO3)2 (n=1, b=2).

2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ КАРБОНАТНОЙ ЖЁСТКОСТИ ВОДЫ

СПРИМЕНЕНИЕМ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ (НCl)

Определение карбонатной жёсткости основано на титровании

– прибавлении по каплям к некоторому объёму исследуемой воды (чаще всего 100 мл) раствора соляной кислоты известной концентрации (как правило, 0,01 н.) в присутствии индикатора (метилоранж). При этом протекает реакция разложения гидрокарбонатов карбонатной жёсткости, например:

Са(НСО3)2 +2НСl → CaС12 + 2Н2О + 2СО2

Момент эквивалентности (завершения) реакции определяют по изменению окраски метилоранжа: из жёлтой она становится

оранжевой.

Этот способ применим к воде, не содержащей других кислых солей, например NaHCO3.

ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ: все вещества реагируют между собой и образуются в результате реакций в равных эквивалентных количествах.

Из закона эквивалентов следует, что число эквивалентов кислоты, затраченной на титрование воды, равно числу эквивалентов солей, содержащихся в данном объёме воды.

Если обозначить нормальность (экв/л) кислоты – СHCl , объём кислоты (экв/л), пошедшей на титрование – VHCl , объём воды, взятой для титрования (мл) – VH2O

то величина карбонатной жёсткости может быть вычислена по формуле:

7

Ж= VHCl CHCl 1000

КVH2O

Если для титрования взято 100 мл воды, то формула принимает вид:

ЖК = VHCl CHCl 10.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОБЩЕЙ ЖЁСТКОСТИ ВОДЫ ТРИЛОНОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Метод основан на использовании ректива трилона-Б (динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты), который относится к классу органических соединений, называемых комплексонами. Эти вещества способны образовывать координационные связи с ионами металлов. Благодаря этим свойствам три- лон-Б может образовывать со многими катионами очень прочные внутрикомплексные соединения.

Взаимодействие трилона-Б с ионами двухвалентных металлов можно представить уравнением реакции:

CH2COONa

8

Определение величины жёсткости воды производится в присутствии индикатора эриохром чёрный Т (хромоген чёрный). Индикатор образует с ионами двухвалентных металлов комплекс фиолетово-розового цвета. В процессе титрования трилон-Б вытесняет индикатор из комплексных соединений с ионами двухвалентных металлов. В момент эквивалентности, т.е. когда все ионы жёсткости будут связаны с трилоном, возникает синяя окраска свободного индикатора. Таким образом, момент эквивалентности определяется по изменению окраски раствора: из фиолетоворозового он становится синим.

Взаимодействие трилона-Б с ионами двухвалентных металлов зависит от величины рН среды и происходит лучше в слабощелочной среде. Для поддержания постоянного значения рН перед титрованием к раствору добавляют буферную смесь, представляющую собой раствор гидроксида и хлорида аммония (NH4OH + NH4Cl) в воде.

Если обозначить нормальность (экв/л) раствора трилона - СТ, объём раствора трилона (экв/л), пошедшего на титрование - VТ, объём воды, взятой для титрования (мл) – VH2O

то жёсткость может быть вычислена по формуле:

V C 1000

ЖО= Т VТ

H2O

Некарбонатную жесткость (ЖНК) определяют по разности:

ЖНК = ЖО – ЖК

СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ ЖЁСТКОСТИ ВОДЫ

Воды с высокой жёсткостью являются непригодными для многих технических процессов, в особенности связанных с нагреванием воды. При умягчении воды её освобождают от солей жёсткости и тем самым предотвращают образование накипи, коррозию металлов и т.п.

При устранении жёсткости из воды удаляют ионы Са+2, Mg+2, Fe+2, Мn+2, переводя их в состав нерастворимых в воде веществ.

9

ТЕРМИЧЕСКИЙ МЕТОД

При нагревании воды до температуры, близкой к кипению (t>85°), происходит разложение гидрокарбонатов с образованием нерастворимых в воде соединений. Таким образом, устраняется

только карбонатная жёсткость воды:

Са(НСО3)2 T→ CaCO3↓ + H2O + CO2↑

Нерастворимый карбонат кальция выпадает в осадок. Гидрокарбонаты других металлов жёсткости образуют малорастворимые гидроксокарбонаты и гидроксиды, например:

Термическое умягчение применяется только для снижения карбонатной жёсткости. На практике в чистом виде этот метод применяется редко. Обычно подогрев воды до 80−900 совмещают с реагентным (химическим) методом обработки воды.

Некарбонатная (постоянная) жёсткость характеризуется содержанием в воде солей сильных кислот, главным образом сульфатов и хлоридов. Эти соли при кипячении остаются в растворе,

следовательно, постоянная жёсткость не может быть устранена термическим методом.

РЕАГЕНТНЫЕ (ХИМИЧЕСКИЕ) МЕТОДЫ

Эти методы основаны на использовании химических веществ (реагентов), взаимодействующих в воде с солями (ионами), придающими ей жёсткость, с образованием практически нерастворимых в воде соединений, выпадающих в осадок.

1. ИЗВЕСТКОВЫЙ МЕТОД

При добавлении в воду гашёной извести – Са(ОН)2, происходит её взаимодействие с гидрокарбонатами металлов жёсткости с образованием нерастворимых соединений (карбоната кальция и гидроксидов магния, железа или марганца), например:

Mg(HCО3)2 + Са(ОН)2 → Mg(OH)2↓ + Са(НСО3)2.

10