Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия в строительстве. Лабораторные и практические работы по курсу химии. Ч.2. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
(СИБСТРИН)
О.А. Полунина, Н.В. Шальнева
ХИМИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПРАК ТИЧЕСКИЕ
РАБ ОТЫ ПО КУРСУ ХИМИИ
Част ь 2
Учебное пособие
НОВОСИБИРСК 2025
УДК 69:54(075)
ББК 38+24
П 532
Полунина, О. А.
Химия в строительстве. Лабораторные и практические работы по курсу
химии : учеб. пособие / О. А. Полунина, Н. В. Шальнева ; М-во науки
и высш. образования Рос. Федерации, Новосиб. гос. архитектур.-строит.
ун-т (Сибстрин). – Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2025. – Ч. 2. –
1 CD-ROM. – Минимальные систем. требования : операционная система
Windows 7 ; Adobe Acrobat Reader X ; дисковод CD-ROM 4x ; разрешение
экрана 1024×768 с глубиной цвета 24 бит ; 60 Мбайт свободного места на
жестком диске ; оперативная память 1 Гб ; мышь. – Загл. с титул. экрана. – Текст : электронный.
ISBN 978-5-7795-1000-4
Учебное пособие включает конспективное изложение теории для
практических и лабораторных занятий по разделам дисциплины «Химия»: химия воды и коллоидная химия, подробные методические указания по выполнению лабораторных работ и решению задач, а также задания для самостоятельной работы студентов.
Пособие адресовано студентам 1 курса всех форм обучения направлений подготовки 08.03.01 «Строительство», 20.03.02 «Природообустройство и водопользование», 21.05.01 «Прикладная геодезия», 27.03.01
«Стандартизация и метрология», 27.03.02 «Управление качеством»
и специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений», для закрепления теоретических знаний, подготовки к практическим
и лабораторным работам. Приведенные решения типовых задач помогут
обучающимся понять алгоритмы их решения и будут способствовать развитию логического мышления студентов.
Рецензенты:
В.А. Шестаков, канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник
ИНХ СО РАН;
Г.В. Косолапов, канд. хим. наук, доцент
кафедры физики и химии НГАСУ (Сибстрин)
ISBN 978-5-7795-1000-4 Полунина О.А., Шальнева Н.В., 2025
Новосибирский государственный
архитектурно-строительный
университет (Сибстрин), 2025
ОГЛАВЛЕНИЕ
Используемые сокращения и обозначения .......................................... 5
1. Химия воды .......................................................................................... 7
1.1. Химический состав и классификация природной воды ............ 7
1.2. Жесткость воды. Виды жесткости ............................................ 12
1.3. Методы умягчения воды ............................................................ 17
1.4. Примеры расчетов по теме
«Жесткость и умягчение воды» ................................................. 22
1.4.1. Расчет жесткости воды по массам солей
или ионов жесткости ..................................................... 22
1.4.2. Расчет жесткости воды по концентрациям
солей жесткости ............................................................. 23
1.4.3. Расчет жесткости воды по результатам
титрования ...................................................................... 25
1.4.4. Расчет массы солей по значению жесткости воды ..... 25
1.4.5. Расчет жесткости воды, полученной
в результате смешивания образцов воды
с различной концентрацией солей жесткости ............. 26
1.4.6. Расчет жесткости воды по массе реагентов
для умягчения воды ....................................................... 27
1.4.7. Расчет массы реагентов для умягчения воды
и массы осадка, образующегося в этом процессе ....... 28
1.4.8. Расчет обменной емкости катионита ........................... 30
1.4.9. Расчет жесткости, устраненной методом
ионного обмена .............................................................. 31
1.5. Задания для самостоятельной работы ....................................... 31
1.5.1. Задание по теме «Жесткость воды» ............................. 31
1.5.2. Задание по теме «Устранение жесткости воды» ......... 34
2. Коллоидная химия ............................................................................ 38
2.1. Понятие, признаки и особенности дисперсных систем .......... 38
2.2. Классификация дисперсных систем.......................................... 40
2.2.1. Классификация по степени дисперсности ................... 41
2.2.2. Классификация по агрегатному состоянию фаз ......... 43
2.2.3. Классификация по степени взаимодействия
между частицами ........................................................... 46
2.3. Методы получения дисперсных систем ................................... 47
3
2.4. Свойства дисперсных систем .................................................... 49
2.4.1. Молекулярно-кинетические свойства .......................... 49
2.4.2. Оптические свойства ..................................................... 53
2.5. Поверхностные явления ............................................................. 55
2.5.1. Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение .. 55
2.5.2. Адсорбция ...................................................................... 56
2.5.3. Строение частиц дисперсной фазы
гидрофобного золя ......................................................... 62
2.5.4. Устойчивость и коагуляция золей электролитами ..... 66
2.6. Примеры расчетов по теме «Коллоидная химия» ................... 69
2.6.1. Получение и строение мицеллы гидрозоля ................. 69
2.6.2. Коагуляция гидрозолей электролитами ....................... 72
2.7. Задания для самостоятельной работы ....................................... 77
2.7.1. Задание по теме «Получение и строение
мицеллы гидрозоля» ...................................................... 77
2.7.2. Задание по теме «Коагуляция гидрозолей
электролитами» .............................................................. 78
3. Лабораторные работы ....................................................................... 83
Лабораторная работа № 1. Определение карбонатной
жесткости воды ........................................................................... 83
Общие положения....................................................................... 83
Экспериментальная часть .......................................................... 83
Контрольные вопросы и задания................................ ............... 85
Лабораторная работа № 2. Получение и свойства
коллоидных растворов ............................................................... 87
Общие положения....................................................................... 87
Экспериментальная часть .......................................................... 90
Контрольные вопросы и задания................................ ............... 92
Лабораторная работа № 3. Определение удельной адсорбции
уксусной кислоты на твердом адсорбенте................................ 94
Общие положения....................................................................... 94
Экспериментальная часть .......................................................... 95
Контрольные вопросы и задания................................ ............. 100
Библиографический список ................................................................ 102
Приложение ........................................................................................... 104
Оформление отчета по лабораторной работе ................................. 104
4
Сокращение
Расшифровка
ПВ
Природная вода
ПР
Произведение растворимости
ДС
Дисперсная система
ДФ
Дисперсная фаза
ДСР
Дисперсионная среда
ВМС
Высокомолекулярные соединения
ПОИ
Потенциалопределяющие ионы
ПРИ
Противоионы
ДЭС
Двойной электрический слой
Обозначение
Единица
измерения
Наименование
ОМ
мг/л, г/л
Общая минерализация
γ(iz+)
мг/л, г/л
Массовая концентрация катиона
γ(iz–)
мг/л, г/л
Массовая концентрация аниона
Щ
о
ммоль-экв
Общая щелочность воды
ПДК
мг/л
Предельно допустимая
концентрация
Ж
о
ммоль-экв/л,
мг-экв/л, оЖ
Общая жесткость воды
Жк
ммоль-экв/л,
мг-экв/л, оЖ
Карбонатная жесткость воды
Жнк
ммоль-экв/л,
мг-экв/л, оЖ
Некарбонатная жесткость воды
Ж(Са2+)
ммоль-экв/л,
мг-экв/л, оЖ
Кальциевая жесткость воды
Ж(Мg2+)
ммоль-экв/л,
мг-экв/л, оЖ
Магниевая жесткость воды
ПОЕ
моль-экв,
моль-экв/г
Полная обменная емкость ионита
СОЕ
моль-экв,
моль-экв/г
Статическая обменная емкость
ионита
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
5
Обозначение
Единица
измерения
Наименование
ДОЕ
или РОЕ
моль-экв,
моль-экв/г
Динамическая или рабочая
обменная емкость ионита
а
м
Размер частиц дисперсной фазы
D
м
–1
Степень дисперсности
Sуд
м2/г, м2/см
3
Удельная поверхность
∆G
s
Дж, кДж
Свободная поверхностная энергия
Гиббса
∆х
м
Среднее смещение частицы ДФ
∆х2 м
2
Среднеквадратичное смещение
частицы ДФ
D
–
Коэффициент диффузии
NA
1/моль
Число Авогадро
р
осм
Н/м
2
Осмотическое давление
γ
кг/м3
Массовая концентрация раствора
Iр
лм
Интенсивность рассеяния света
λ
нм
Длина волны света
σ
Дж/м
2
Поверхностное натяжение
А
моль/м2,
моль/кг
Величина адсорбции
Г
моль/м2,
моль/кг
Гиббсовская адсорбция,
удельная адсорбция
Поверхностная активность
вещества
ζ
В
Электрокинетический потенциал
коллоидной частицы,
дзета-потенциал
c
к
моль/л,
ммоль/л
Порог коагуляции
по электролиту-коагулянту
Vк
л/моль,
л/ммоль
Коагулирующая способность
электролита
cкi
моль/л,
ммоль/л
Порог коагуляции
по иону-коагулятору
6
1. ХИМИЯ ВОДЫ
1.1. Химический состав и классификация природной воды
Природная вода (ПВ) находится в постоянном контакте
с окружающей средой. По происхождению ПВ делят на атмосферную (осадочная), поверхностную (вода океанов, морей,
озер, рек) и подземную (грунтовая, артезианская и др.). Химический состав поверхностной ПВ непостоянный, зависит от времени года, биологических процессов, протекающих в водоемах,
и формируется в результате ее взаимодействия с воздухом, почвой, растительностью и горными породами. Химический состав
подземных ПВ определяется условиями их образования и формируется на основе процессов выщелачивания, сорбции, ионного обмена, растворения и др. [1]. В настоящее время антропогенная деятельность приводит к загрязнению природной воды
различными примесями: взвешенными веществами (песок, ил,
глина), тяжелыми металлами (ртуть, никель, свинец, цинк, хром
и др.), нефтепродуктами, пестицидами, поверхностно-активными и радиоактивными веществами, бактериями и вирусами.
К наиболее чистой воде относится дождевая и снеговая вода
вдали от больших населенных пунктов, но и она может содержать такие растворенные вещества, как газы воздуха, соли и т.д.
Таким образом, природная вода – это не индивидуальное соеди-
нение Н2О, а водный раствор, содержащий растворенные соли,
газы, органические вещества, коллоидные и крупнодисперсные
(взвешенные) частицы и микроорганизмы.
Общее содержание минеральных солей в воде называют
общей минерализацией (ОМ, мг/л или г/л). Все растворенные
в воде соли полностью диссоциированы, частично гидролизованы и находятся в виде гидратированных ионов. Определяют ОМ
по формуле:
ОМ = Ʃ γ(iz+) + Ʃ γ(iz–),
где Ʃ γ(iz+) и Ʃ γ(iz–) – сумма массовых концентраций катионов
и анионов соответственно, мг/л.
7
Название
категории
Значение
ОМ, г/л
Примеры ПВ
Преобла-
дающие ионы
в ПВ
Ультрапресная
< 0,2
Льды и снега
Центральной
Антарктиды
и высокогорий
Cа2+, SО
4
2‒
,
НСО
3
‒
, Na+,
Cl‒, Mg2+
Пресная
0,2–0,5
Реки, озера
Повышенной
минерализации
0,5–1,0
Водоемы пустынь,
морская вода
SО
4
2‒
, НСО
3
‒
,
Na+, Cl‒, Mg2+
Солоноватая
1,0–3,0
Соленая
3,0–10,0
Сильносоленая
10,0–50,0
Воды Мертвого
моря и соленых озер
НСО
3
‒
, Na+,
Cl‒, Mg2+
Рассолы
50,0–300,0
Некоторые
подземные воды
Na+, Cl‒, Mg2+
Ультрарассолы
> 300,0
Воды глубинных
недр земли
(более 1 км)
Cl‒, Mg2+
По величине ОМ выделяют несколько категорий природной
воды (табл. 1) [2].
Таблица 1
Категории природной воды
Химические примеси, содержащиеся в ПВ, условно подраз-
деляют на пять групп [1, 3]:
1. Главные ионы. В пресной ПВ около 90–95 % от общего
солесодержания составляют катионы (Na+, Cа2+, Mg2+, K+, Fe2+)
и анионы (НСО
Ионы Na+ и K+ образуются в воде в результате растворения
минералов земной коры. Их присутствие нежелательно в технической воде, используемой для питания паровых котлов среднего и высокого давления, так как в водяном паре они обусловливают пенистый переброс солей.
Ионы Fe2+ содержатся только в подземных водах и образу-
ются за счет выщелачивания, вымывания и растворения железосодержащих пород, их содержание в грунтовых водах меньше,
‒
3
, SО
2‒
, Cl‒, СО
4
2–
, НSiО
3
8
‒
).
3
Группа воды
Значение общей жесткости,
ммоль-экв/л
Очень мягкая
< 1,5
Мягкая
1,5–3,0
Средней жесткости
3,0–5,4
Жесткая
5,4–11,0
Очень жесткая
> 11,0
чем в артезианских. В поверхностных водах незначительное содержание железа (Fe3+) появляется за счет гидролиза солей железа, коррозии железа или вследствие антропогенного загрязнения водоемов. ПДК суммарного железа в ПВ составляет
0,3 мг/л, при большей концентрации вода имеет железистый
привкус и в водопроводе возможно развитие железобактерий.
Основной источник поступления в воду ионов Cа2+и Mg2+ –
это процесс растворения в воде таких горных пород, как известняк, магнезит, доломит, гипс и сложные алюмосиликаты, в присутствии угольной кислоты, например:
СаСО
известняк
МgСО
магнезит
СаСО3·МgСО
+ СО
3(т)
+ СО
3(т)
доломит
+ Н2О
2(г)
+ Н2О
2(г)
+ 2СО
3(т)
= Са(НСО3)
= Са(НСО3)
(ж)
= Mg(НСО3)
(ж)
+ 2Н2О
2(г)
+ Mg(НСО3)
2(р-р)
(ж)
=
2(р-р)
2(р-р)
,
,
.
2(р-р)
В пресных водах преобладает ион Cа2+, а при повышении
минерализации воды растет содержание ионов Mg2+. Наличие
в воде этих ионов обусловливает общую жесткость воды (Жо).
Повышенные значения Жо делают воду непригодной для хозяйственно-бытовых и производственных нужд. По величине общей жесткости ПВ делят на 5 групп (табл. 2) [4].
Таблица 2
Классификация природной воды по значению жесткости
Гидрокарбонаты (НСО
общую щелочность воды (Що):
‒
) и карбонаты (СО
3
9
2–
) определяют
3
Що = [сэк(НСО
где сэк(НСО
тов ионов НСО
‒
) и сэк(СО
3
‒
) + сэк(СО
3
2‒
) – молярная концентрация эквивален-
3
‒
и СО
3
2‒
3
2‒
)]∙103, ммоль-экв/л,
3
соответственно, моль-экв/л.
Содержание в воде этих ионов обусловлено процессами
растворения атмосферного углекислого газа, дыхания гидробионтов и растворения карбонатных пород:
Н2СО3
Гидрокарбонат-ионы НСО
Н+ + НСО
‒
преобладают в пресных водах
3
и образуются за счет взаимодействия воды с известняками под
действием диоксида углерода. Карбонат-ионы СО
–
.
3
2–
содержатся
3
в щелочных водах (рН > 8,4) и образуются при диссоциации
угольной кислоты Н2СО3 по второй ступени:
‒
Сульфат-ионы SО
НСО
Н+ + СО
3
2‒
поступают в воду за счет растворения
4
2–
.
3
гипсовых пород (СаSO4), окисления сульфидов (S2‒), серы и органических серосодержащих веществ. Значительное содержание
сульфатов в воде (более 500 мг/л) ухудшает органолептические
свойства воды, оказывает вредное физиологическое воздействие
на организм человека и вызывает коррозию бетона.
Наличие хлоридов Cl‒ в воде обусловлено хорошей растворимостью хлористых пород. Хлориды присутствуют во всех поверхностных и грунтовых водах. В пресных водах их содержание мало, а при повышении минерализации воды их концентрация увеличивается. Содержание Cl‒ в воде больше 250 мг/л придает ей соленый вкус. Хлориды активизируют коррозию металлов в воде и вызывают кислотную коррозию бетона. Высокие
концентрации хлоридов в воде для полива негативно влияют на
рост растений и способствуют засолению почв.
2. Растворенные газы. В поверхностной воде присутству-
ют в основном растворенные газы: углекислый газ, кислород,
азот. Подземные воды чаще содержат метан и сероводород.
Кислород (О2) хорошо растворяется в воде, поэтому его содержание в воде выше, чем в воздухе. Кислород в воде также
выделяется в результате фотосинтеза водных растений. Содержание О2 в воде может составлять от 6 до 10 мг/л и определяет
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]