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
1.4.9. Расчет жесткости,
устраненной методом ионного обмена
ПР ИМ Е Р 12. Определите, на сколько ммоль-экв/л понизится жесткость воды в результате Н-катионирования, если концентрация ионов Н+ в воде увеличилась на 10 мг/л.
Решение
По условию задачи в 1 л воды масса ионов Н+ составляет
10 мг, или 0,01 г.
Для решения задачи следует помнить, что обмен ионов
жесткости на ионы Н+ идет в эквивалентных количествах:
n
(Н+) = n
экв
(Ca2+ ) + n
экв
(Mg2+).
экв
Определяем n
Таким образом, n
(Н+) по формуле:
экв
экв
(Ca2+) + n
экв
г/моль-экв,
моль-экв.
(Mg2+) = 0,01 моль-экв.
Значение жесткости, которая устраняется в результате
Н-катионирования, вычисляем по формуле:
ммоль-экв/л.
1.5. Задания для самостоятельной работы
1.5.1. Задание по теме «Жесткость воды»
Решите задачу (в соответствии с вариантом).
1. Вычислите массу гидрокарбоната кальция Са(НСО3)2,
которую необходимо добавить к дистиллированной воде для
получения 5 л воды с жесткостью 3,5 ммоль-экв/л.
2. Рассчитайте общую жесткость воды, в которой содержа-
ние ионов Ca2+ составляет 100 мг/л, а ионов Mg2+ – 20 мг/л.
31
3. Найдите жесткость насыщенного раствора СаSO4, если
растворимость этой соли при обычных условиях составляет
0,01 моль/л.
4. Определите общую жесткость минеральной воды, если
результаты ее анализа показали содержание ионов Ca2+ 0,4 г/л,
а ионов Mg2+ – 0,08 г/л.
5. Определите жесткость воды, в 3 м3 которой содержится
300 г МgCl2 и 3 моль Са(НСО3)2.
6. Вычислите общую жесткость воды и массу ионов Mg2+
и Ca2+ в 2 м3 этой воды, если в ней содержание ионов Mg2+ составляет 36 мг/л, а кальциевая жесткость равна 4 ммоль-экв/л.
7. Рассчитайте кальциевую и магниевую жесткость воды
и массу ионов Ca2+ и Mg2+ в 35 м3 этой воды, если содержание ионов Са2+ равно 20 мг/л, а общая жесткость воды – 12 ммоль-экв/л.
8. Определите карбонатную и некарбонатную жесткость
воды после смешивания 10 л воды, содержащей 9 г хлорида
кальция СаС12, и 4 л воды, содержащей 15 г гидрокарбоната
магния Mg(НСО3)2.
9. Вычислите массу сухого остатка, образующегося при выпаривании 0,5 л воды при 100 °С, если ее общая жесткость равна
28 ммоль-экв/л, а некарбонатная жесткость – 15 ммоль-экв/л.
Солевой состав воды: Са(NO3)2 и Са(НСО3)2.
10. Рассчитайте общую, карбонатную и некарбонатную
жесткость воды после добавления к 5 м3 воды, содержащей
3,3 кг MgCl2, 0,5 м3воды, содержащей 0,8 кг Са(НСО3)2.
11. Найдите жесткость воды, в которой массовая доля
MgSO4 составляет 0,009 %.
12. Определите общую жесткость воды и массу ионов Mg2+
и Ca2+ в 4 м3 воды, если содержание ионов Ca2+ в ней равно
120 мг/л, а магниевая жесткость воды составляет 6,4 ммоль-экв/л.
13. Вычислите массу СаCl2, необходимую для приготовления 15 л воды с жесткостью 4,2 ммоль-экв/л.
14. Рассчитайте карбонатную жесткость Н2О и массовую
долю Са(НСО3)2 в ней, если на титрование 10 см3 этой воды затрачено 1,6 см3 0,1 н раствора HС1.
32
15. Определите карбонатную жесткость 0,05 М раствора
хлорида кальция Са(НCО3)2 и объем 0,1 н HCl, израсходованный
на титрование 20 см3 этого раствора.
16. Найдите массу солей в 200 см3 воды и массовую долю
Са(НСО3)2 в ней, если ее общая жесткость составляет 7 ммоль-экв/л,
а некарбонатная жесткость – 10 ммоль-экв/л. Солевой состав воды:
Са(НСО3)2 и Mg(NO3)2.
17. Найдите молярную концентрацию и жесткость воды,
если на титрование 50 см3 воды израсходовано 7,8 см3 0,05 М
раствора Н2SO4.
18. Вычислите жесткость воды, содержащей 0,09 % CaSO4.
Определите массу этой соли в 1 м3 воды.
19. Определите жесткость воды, в 3 л которой содержится
4,7 г Са(НСО3)2. Вычислите массовую долю гидрокарбоната
кальция в воде.
20. Найдите жесткость воды, полученной при смешивании
10 л воды, содержащей 0,08 % СаNO2, и 20 л 0,01 М раствора
хлорида магния MgCl2.
21. Вычислите жесткость воды, в которой содержание нит-
рата кальция CaNO3 составляет 0,006 %.
22. Определите все виды жесткости раствора, полученного
при смешивании 5 л 0,1 М раствора Mg(НСО3)2 с 50 л 0,05 %
раствора СаCl2.
23. Рассчитайте жесткость воды и молярную концентрацию
хлорида магния в ней, если массовая доля MgС12 в воде составляет 0,02 %.
24. Вычислите все виды жесткости раствора, полученного
при смешивании 2 л 0,0005 н раствора гидрокарбоната магния
Mg(НСО3) с 4 л 0,5 % раствора нитрата кальция Са(NO3)2.
25. Определите все виды жесткости воды, в 5 л которой со-
держится 30 г сульфата кальция CaSO4 и 5 г гидрокарбоната
магния Mg(НСО3)2.
26. Найдите жесткость воды, в которой содержание СаCl2
составляет 0,05 %. Рассчитайте молярную концентрацию хлорида кальция в воде.
33
27. Рассчитайте общую жесткость воды, если в 12 л этой
воды содержится 8 г нитрата магния Mg(NO3)2 и 28 г гидрокарбоната кальция Са(НСО3).
28. Определите жесткость воды, если на титрование
100 см3 воды затрачено 12,5 см3 0,1 М раствора Н2SO4.
29. Рассчитайте все виды жесткости воды, если в 1 м3 этой
воды содержится 24 г Mg(НСО3)2, 20 г СаI2, 30 г CaSO4 и 30 г
Са(НСО3)2.
30. Вычислите жесткость воды, если содержание гидрокар-
боната кальция в ней составляет 0,07 %. Определите массу соли
Са(НСО3)2 в 5 л воды.
1.5.2. Задание по теме «Устранение жесткости воды»
Решите задачу (в соответствии с вариантом).
1. Вычислите массу фосфата натрия Na3РO4, необходимую
для умягчения 150 л воды с общей жесткостью 10 ммоль-экв/л.
Составьте уравнения реакций умягчения этой воды, если солевой состав воды: Са(НСО3)2 и Mg(NO3)2.
2. Рассчитайте массу гашеной извести для устранения карбонатной жесткости, равной 9,6 ммоль-экв/л, в 50 м3 воды. Составьте уравнения реакций, протекающих при умягчении воды,
содержащей соли Mg(НСО3)2 и Са(НСО3)2.
3. Определите карбонатную жесткость воды, если для ее
устранения к 1 м3 потребовалось добавить 148 г гашеной извести. Составьте уравнения реакций, протекающих при умягчении
воды, содержащей соли Са(НСО3)2 и Mg(НСО3)2.
4. Найдите общую жесткость воды, если в процессе ее уст-
ранения к 1000 см3 воды добавили 0,64 г фосфата натрия
Na3PO4. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе
умягчения воды, содержащей Са(НСО3)2 и MgСl2.
5. Вычислите некарбонатную жесткость воды, если для ее
устранения к 3 м3 воды добавили 485 г карбоната натрия. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения
воды, содержащей соли CaСl2 и Mg(NO3)2.
34
6. Определите жесткость воды, если при обработке 0,5 м3
воды, содержащей нитрат кальция Ca(NO3)2, карбонатом натрия
выпал осадок массой 76 г. Составьте уравнение реакции, протекающей при устранении жесткости воды.
7. Рассчитайте жесткость воды, содержащей гидрокарбонат
магния Mg(НСО3)2, если в процессе кипячения 1 л этой воды
образовался осадок массой 0,8 г. Составьте уравнение реакции,
протекающей при кипячении данной воды.
8. Определите обменную емкость катионита, если через адсорбционную колонку, содержащую 200 см3 набухшего ионита,
можно пропустить 50 л воды с общей жесткостью 30 ммоль-экв/л.
9. Вычислите жесткость воды, обусловленную только гид-
рокарбонатом кальция Са(НСО3)2, если при кипячении 30 л этой
воды выпал осадок массой 13,3 г. Составьте уравнение реакции,
протекающей при кипячении данной воды.
10. Укажите метод умягчения воды и рассчитайте массы
реагентов, необходимых для устранения жесткости в 12,5 м3 воды, которая имеет Жо = 9 ммоль-экв/л и Жк = 6 ммоль-экв/л. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения.
11. Предложите метод умягчения воды и рассчитайте массы необходимых реагентов для устранения жесткости воды
объемом 10 м3, содержащей 700 г Mg(НСО3)2, 850 г Са(НСО3)2,
180 г СаCl2, 650 г MgCl2. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения.
12. Рассчитайте массу фосфата натрия Na3PO4, необходи-
мую для умягчения 3 л воды, содержащей 0,75 г Ca(NO3)2, 1,3 г
Са(НСО3)2 и 0,9 г Mg(НСО3)2. Найдите массу образующегося
осадка. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе
умягчения.
13. Определите жесткость воды, содержащей только гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2, если после кипячения 1 л этой воды образуется осадок массой 270,2 мг. Напишите уравнение реакции, протекающей при кипячении воды.
14. Рассчитайте карбонатную и некарбонатную жесткость
воды, если для ее устранения в 1 м3 воды внесли 280,3 г Ca(OH)2
и 780 г Na2CO3. Составьте уравнения реакций, протекающих
в процессе умягчения. Солевой состав воды: Mg(НСО3)2 и CaI2.
35
15. Вычислите значение устраненной жесткости воды, если
для умягчения через 25 л воды использовали 100 г сухого катионита с ПОЕ, равной 0,0072 моль-экв/г.
16. Вычислите массы реагентов для умягчения 5 м3 воды содово-известковым методом, если некарбонатная жесткость воды
равна 3 ммоль-экв/л, общая жесткость – 8 ммоль-экв/л. Составьте
уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения.
17. Определите карбонатную и общую жесткость воды, ес-
ли для ее умягчения к 300 см3 воды потребовалось добавить
0,048 г Na2CO3 и 0,072 г Ca(OH)2. Составьте уравнения реакций,
протекающих в процессе умягчения.
18. Рассчитайте массу гидроксида кальция, которую необходимо добавить к 550 л воды, чтобы устранить ее карбонатную
жесткость, равную 11 ммоль-экв/л. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения.
19. Определите общую жесткость после умягчения воды
с исходной Жо = 10 ммоль-экв/л, если к 2 м3 этой воды добавили
270 г соды Na2CO3. Солевой состав воды: Са(НСО3)2,
Mg(НСО3)2, СаCl2 и MgCl2. Составьте уравнения реакций, про-
текающих в процессе умягчения.
20. Рассчитайте объем воды с общей жесткостью
4,2 ммоль-экв/л, который можно пропустить через слой 500 см3
набухшего ионита для полного удаления катионов Ca2+ и Mg2+,
если ПОЕ катионита составляет 0,035 моль-экв/л.
21. Вычислите массы негашеной извести СаО и соды
Na2CO3∙10Н2О, необходимые для умягчения 2 м3 воды с общей
жесткостью 24 ммоль-экв/л и карбонатной – 15 ммоль-экв/л. Со-
ставьте уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения.
22. Определите, на сколько единиц понизилась жесткость
воды, если к 1 м3 данной воды добавили 132,5 г карбоната натрия Na2CO3. Составьте уравнения реакций, протекающих
в процессе умягчения.
23. Найдите массу фосфата натрия Na3PO4, которую необходимо добавить к 1 м3 воды для устранения жесткости, равной
16 ммоль-экв/л. Составьте уравнения реакций, протекающих
в процессе умягчения воды, содержащей ионы Mg2+ и Ca2+.
36
24. Вычислите массу гашеной извести, необходимую для
умягчения 5 м3 воды, имеющей карбонатную жесткость
18 ммоль-экв/л. Составьте уравнения реакций, протекающих
в процессе умягчения воды, содержащей соли Mg(НСО3)2
и Са(НСО3)2.
25. Рассчитайте объем воды с общей жесткостью
8 ммоль-экв/л, который можно пропустить через слой 50 см3
набухшего ионита для полного удаления катионов Ca2+ и Mg2+,
если обменная емкость катионита составляет 0,0088 моль-экв/л.
26. Найдите жесткость воды, если в процессе ее устранения
к 10 л воды добавили 11 г фосфата натрия Na3РO4. Составьте
уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения воды,
содержащей ионы Ca2+ и Mg2+.
27. Вычислите жесткость воды, если для ее устранения
к 100 л воды прибавили 42,4 г соды. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе умягчения. Солевой состав воды:
Са(НСО3)2, Mg(НСО3)2, СаCl2 и MgCl2.
28. Вычислите величину устраненной жесткости воды, если
для умягчения через 100 л воды использовали 150 г сухого катионита с ПОЕ, равной 0,0083 моль-экв/г.
29. Определите, на сколько ммоль-экв/л понизится жест-
кость воды в результате Na-катионирования, если концентрация
ионов Na+ в воде увеличилась на 92 мг/л.
30. Рассчитайте массу осадка, образующегося после кипячения 30 л воды, и массу соды Na2CO3, необходимую для удаления некарбонатной жесткости воды, если в данной воде содержится 7,6 г Са(НСО3)2, 11,0 г Mg(НСО3)2, 4,8 г CaSO4 и 7,4 г
MgSO4. Составьте уравнения реакций, протекающих в процессе
умягчения.
37
2. КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Коллоидная химия – это химия реальных дисперсных сис-
тем, находящихся в окружающем мире: в живой природе, горных породах, промышленных и строительных материалах,
а также в пищевых продуктах. Методы получения и свойства
дисперсных систем обосновывают многие технологические
процессы в промышленности и формируют основы для изучения технологии производства и физико-химических свойств
строительных материалов.
2.1. Понятие, признаки и особенности дисперсных систем
Дисперсная система (ДС) – это гетерогенная система, со-
стоящая минимум из двух фаз. Фазой называют часть системы,
имеющую одинаковый состав, физические и химические свойства и отделенную от других частей системы поверхностью раздела.
Одна фаза дисперсной системы называется дисперсной фа-
зой (ДФ) и представляет собой раздробленное вещество в виде
мелких твердых частичек, капелек жидкости или пузырьков газа. Другая фаза – это сплошная, непрерывная среда, в которой
равномерно распределены частицы ДФ. Она называется диспер-
сионной средой (ДСР).
Таким образом, в ДС выделяют непрерывную среду ДСР
и раздробленные частицы ДФ [8].
Обязательными признаками ДС служат гетерогенность,
дисперсность (раздробленность) ДФ, нерастворимость или ограниченная растворимость частиц ДФ в ДСР.
Гетерогенность ДС указывает на наличие сильно развитой
межфазовой поверхности, на которой происходят явления, присущие только ДС.
Дисперсность – это мера раздробленности вещества. Ее
принято связывать с размерами частиц в интервале от 10–9 до
10–3 м. По этой причине минимальный размер частиц ДФ не мо-
38
жет быть меньше 10–9 м, т.е. 1 нанометра (нм). От размера частиц ДФ зависят свойства ДС в целом.
Количественно дисперсность характеризуют степенью дис-
персности и удельной поверхностью раздела фаз.
Степень дисперсности (D) обратно пропорциональна вели-
чине размера частиц ДФ (а):
–1
м
.
Удельная поверхность (Sуд) – это площадь поверхности час-
тиц 1 см3 или 1 г ДФ:
или
,
где S – площадь поверхности границы между фазами, м2;
V – объем ДФ, м3;
m – масса ДФ.
На удельную поверхность влияет форма частиц ДФ. Например, если частицы имеют кубическую форму с длиной ребра
(а), то получим:
;
при сферических частицах диаметром (а):
.
Значит, чем меньше размер частиц ДФ, тем больше дисперсность и удельная поверхность, что приводит к увеличению
суммарной площади поверхности раздела между фазами. Итак,
первая особенность ДС заключается в огромной площади поверхности раздела фаз, которая зависит от дисперсности ДФ.
Свойства частиц на поверхности раздела фаз отличаются от
свойств частиц в объеме. Рассмотрим частицы в системе газ –
жидкость (рис. 2).
39
Рис. 2. Нескомпенсированность
межмолекулярного взаимодействия
на границе раздела фаз
газ – жидкость
Частица в объеме жидкости взаимодействует с себе подобными частицами, и результирующая этих взаимодействий равна
нулю. На частицу на границе раздела фаз с одной стороны действуют частицы жидкости, а с другой стороны – частицы газа.
Но силы взаимодействия в жидкости больше сил взаимодействия в газе, и возникает результирующая сила, направленная
в сторону той фазы, в которой силы взаимодействия больше.
В нашем случае результирующая сила направлена вглубь жидкости [9].
Чтобы образовать межфазовую поверхность, надо перевести частицы из объема жидкости на поверхность. Для этого необходимо совершить работу по преодолению сил межмолекулярного взаимодействия, т.е. затратить энергию, которая сосредоточивается в поверхностных частицах на границе раздела фаз.
Таким образом, частицы поверхностного слоя по сравнению
с внутрифазными частицами обладают избытком свободной
энергии, которую при условии Т и р = const называют свободной
поверхностной энергией Гиббса (∆Gs). И чем больше поверхность раздела фаз, тем больше свободная поверхностная энергия. Вторая особенность ДС заключается в избытке свободной
поверхностной энергии, которая характеризуется поверхностным натяжением и суммарной поверхностью раздела фаз между
ДФ и ДСР.
2.2. Классификация дисперсных систем
Систематизация дисперсных систем применяется не только
для их изучения, но и в практической деятельности, например,
для сортировки технологических материалов в процессе их про-
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]