Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая химия. Часть I. Учебное пособие для самостоятельной подготовки студентов
.pdf
71
б) нельзя, так как NаН2РО4 и Nа3РО4 имеют щелочную реакцию;
в) нельзя, так как NаН2РО4 и Nа3РО4 имеют нейтральную реакцию;
г) можно, так как NаН2РО4 имеет щелочную реакцию, а Nа3РО4 имеет
кислую реакцию;
д) можно, так как NаН2РО4 имеет кислую реакцию, а Nа3РО4 имеет щелочную реакцию?
119. Для каких солей гидролиз проходит ступенчато:
а) для солей многокислотных оснований;
б) для солей многоосновных кислот;
в) для средних солей;
г) для двойных солей;
д) для кислых солей.
РАЗДЕЛ 5. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ
При изучении данного раздела рекомендуется использовать литературу
[1, с. 393-397, 2, с. 218-223, 3, с. 149-153].
Вопросы, рассматриваемые в данном разделе:
1. Жесткость воды. Единицы выражения жесткости воды в России.
2. Временная и постоянная жесткость воды.
3. Состав пресных и морских вод.
4. Очистка природных вод методом ионообменной хроматографии. Ос-
новы водоподготовки.
Введение
Для химических целей, для приготовления растворов электролитов,
в производстве лекарственных препаратов и для других задач вода должна
быть исключительно чистой. Высокие требования к чистоте воды применяются при ее использовании для питания паровых котлов и парогенераторов.
Соответствующие требования к чистоте воды обусловлены тем, что примеси,
72
присутствующие в ней, способствуют развитию коррозии металла паровых
лэквммоль
котлов, а также провоцируют образование накипи внутри установок. Образующаяся плотная накипь на стенках и трубках паровых котлов имеет низкий
коэффициент теплопроводности, ведет к увеличению расхода топлива, снижает производительность котла и может стать, вследствие образования вздутий и трещин в кипятильных трубах, причиной аварий.
Природную воду, содержащую большое количество примесей, использовать для питания энергетических установок нельзя. Предварительно такую
воду подвергают специальной обработке – проводят водоподготовку. Жест-
кость представляет собой одну из основных характеристик показателя качества воды.
Растворимые в воде соли кальция и магния обусловливают ее жест-
кость. Различают жесткость временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную). Временная жесткость зависит от растворенных в воде гидро-
карбонатов кальция и магния Са(НСО3 )2 и Мg(НСО3 )2 . Она устраняется кипячением воды, вследствие чего растворимые гидрокарбонаты кальция и магния переходят в нерастворимые карбонаты:
Са(НСО3 )2 = СаСО3 ↓ + Н2О + СО2 ;
Мg(НСО3 )2 = МgСО3 ↓ + Н2О + СО2 .
Постоянная жесткость обусловлена присутствием в природных водах
растворимых солей кальция, магния (сульфатов, хлоридов и др. – МgСℓ2 ,
МgSО4 , СаСℓ2, СаSО4 ).
Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости дает общую жесткость
воды.
Жесткость воды в России выражают суммой миллимоль-эквивалентов
ионов кальция и магния в 1 литре воды
. В зарубежных странах
жесткость воды выражают в градусах. Например, французский градус соответствует 10 мг СаСО3 в одном литре воды.
73
В пресных водах соли представлены главным образом ионами Са2+,
3
2
4
2
4
3
3
2
4
Мg2+, НСО
, а в соленых водах содержится – Nа+, К+, SО
, Сℓ– причем, чем
выше концентрация соленых вод, тем больше в них содержится – Nа+, Сℓ–.
Природную воду можно очистить дистилляцией или перегонкой. Воду
кипятят, а пар собирают в чистую и холодную емкость, где он конденсируется
уже без растворенных веществ. Иногда дистилляцию повторяют несколько раз.
Наиболее эффективным способом очистки природных вод является ме-
тод ионообменной хроматографии. Этот метод заключается в использовании
гигантских молекул синтетических смол, называемых ионообменными смолами. В этом способе процесс очистки воды происходит в два этапа, на каждом из которых вода очищается или от катионов, или от анионов. Схема процесса представлена на рис. 1.
чистая вода
(Н+, Сℓ–, SО
, НСО
) Н+ + ОН– → Н2О
жесткая вода
(Nа+, Са2+, Мg2+, НСО
, Сℓ–, SО
)
Рис. 1. Схема очистки воды при помощи ионообменных смол:
1 – емкость с фильтром из катионообменной смолы;
2 – емкость с фильтром из анионообменной смолы.
74
В качестве катионообменных смол используются смолы, содержащие
2
4
VМ
m
Ж
Э
ОН
2
ОН
Ж
2
активные кислотные группы: –SО3Н, –СООН, –ОН, в которых ион водорода
способен замещаться на катионы. Например:
2R – СООН + Са2+ → (R – СОО)2Са + 2Н+,
где R – углеводородный радикал.
В анионообменных смолах активными группами являются замещенные
аммонийные основания, ОН– – группы которых способны замещаться
на анионы. Например:
2[R – NН3]+ [ОН]– + SО
→ [R – NН3]2SО4 + 2ОН–,
где R – углеводородный радикал.
В результате реакций в воде остаются ионы Н+ и ОН– , которые соединяются в молекулы воды:
Н+ + ОН– =Н2О.
Жесткость воды находят, применяя формулу
, (21)
где
– жесткость воды;
m – масса вещества, обуславливающего жесткость воды или применяемого
для устранения жесткости воды, мг;
МЭ – молярная масса эквивалента этого вещества, моль-экв;
V – объем воды, л.
Контрольные вопросы
1. Что такое жесткость воды? В каких единицах она выражается
в России?
сткость воды?
2. Содержанием каких солей определяется временная и постоянная же-
3. Какие ионы входят в состав пресных вод, а какие – морских вод?
75
4. Какие способы очистки природных вод Вы знаете? На чем основан
лэквммоль
ОН
Ж
2
ОНЭ
ОН
VМ
m
Ж
2
2
ОН
V
2
B
А
Мgэквмоль
M
m
Мg
MgЭ
Mg
2
1
2
2
Mg
А
г/моль15,12
2
3,24
метод ионообменной хроматографии?
Примеры решения задач
1. В одном литре воды содержится 36,47 мг ионов магния и 50,1 мг ио-
нов кальция. Чему равна жесткость этой воды?
Решение
Жесткость воды в России выражается суммой миллимоль-эквивалентов
ионов Мg2+ и Са2+ в 1 л воды
Растет жесткость воды (
,
где m – масса вещества, обуславливающего жесткость воды или применяемо-
го для устранения жесткости воды, мг;
МЭ – молярная масса эквивалента этого вещества, моль-экв;
– объем воды, л.
Подсчитаем, сколько миллимоль-эквивалентов магния содержится в 1 л
раствора:
Количество моль-экв Мg2+ =
где
В – валентность магния, равная 2, поскольку этот элемент находится во вто-
– атомная масса магния, г;
) производится по формуле (21):
.
,
рой группе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева или
1 моль-экв Мg2+ =
1 ммоль-экв Мg2+ = 12,15 мг/моль.
.
76
Количество миллимоль-эквивалентов ионов магния в 1 л раствора будет
15,12
47,36
л
экв-ммоль
2
2
CaЭ
Ca
M
m
B
A
Ca
Ca
А
2
40
20
1,50
л
экв-ммоль
л
овэквивалент-ммоль
равно:
Количество ммоль-экв Мg2+ =
Дальше найдем, сколько миллимоль-эквивалентов кальция содержится –
в 1 л раствора:
Количество моль-экв Са2+ =
(1 моль-экв Са2+ =
где
В – валентность кальция, равная 2, поскольку кальций находится во второй
дет равно:
– атомная масса кальция, г:
группе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева
или
1 моль-экв Са =
1 ммоль-экв Са2+ = 20 мг/моль.
Количество миллимоль-эквивалентов ионов кальция в 1 л раствора бу-
,
= 20 г/моль).
= 3
.
Количество ммоль-экв Са2+ =
Сумма миллимоль-эквивалентов ионов Мg2+ и Са2+ будет равна:
3,0 + 2,5 = 5,5
ды (ж) будет равна 5,5 ммоль-экв/л.
2. Сколько граммов карбоната натрия надо прибавить к 400 л воды, что-
бы устранить жесткость, равную 3 ммоль-экв/л?
= 2,5
.
. Следовательно, жесткость во-
77
Решение
мг
мМ
мМгдемМмгm
CONa
COЭNaCOЭNaCONa
53
2
106
2
1200
32
323232
1000
1508,0
1000
200
2
3
НСОСаЭ
M
200
2,1
200
1508,0
2
3
НСОСаЭ
М
лэквммоль
Согласно закона эквивалентов: сколько ммоль-эквивалентов веществ,
определяющих жесткость воды, содержалось в 400 л воды, столько же ммольэквивалентов карбоната натрия необходимо для устранения этой жесткости.
Количество ммоль-экв веществ, определяющих жесткость воды, равняется: 3 ммоль-экв/л • 400 = 1200 ммоль-эквивалентов. Следовательно, для
устранения этой жесткости воды необходимо:
=
=1200 • 53 = 63600 мг или 63,6 г Nа2СО3 .
3. Вычислите карбонатную жесткость воды, зная, что для реакции с гид-
рокарбонатом кальция, содержащимся в 200 см3 воды, требуется 15 см3 0,08 Н
раствора НСℓ.
Решение
Согласно закона эквивалентов, сколько ммоль-экв НСℓ расходуется
на реакцию с гидрокарбонатом кальция, столько же ммоль-экв гидрокарбоната кальция находится в растворе:
=
(Количество ммоль-экв НСℓ) (Количество ммоль-экв Са(НСО3 )2 )
Отсюда
Эта величина (6 ммоль-экв), отнесенная к 1 л, и будет являться карбонатной жесткостью воды, поскольку концентрация Са(НСО3 )2 в растворе,
выраженная в ммоль-экв/л, и определяет временную или карбонатную жесткость воды. Следовательно, карбонатная жесткость воды составляет
6
.
= 0,006 моль-экв = 6 ммоль-экв.
78
4. Сколько граммов Nа3РО4 надо прибавить к 500 л воды, чтобы устра-
43
РONaЭ
M
мольмг
M
мM
РONa
РONaЭ
/7,54
3
164
3
1
43
43
4343
РONaЭмгРONa
мMm
лэквммоль
лэквммоль
л
эквммоль
VN
л
эквммоль
Ж
НСНСОН
4
2
1,0
44
НС
НС
N
V
нить ее карбонатную жесткость, равную 5 ммоль-экв/л?
Решение
Согласно закона эквивалентов, сколько ммоль-экв веществ, определяющих жесткость воды, столько же требуется ммоль-эквивалентов соли Nа3РО4 ,
чтобы устранить эту жесткость.
Подсчитаем, сколько требуется ммоль-эквивалентов Nа3РО4 для устранения карбонатной жесткости воды: 5,5 • 500 = 2750 ммоль-эквивалентов.
Для нахождения массы соли Nа3РО4 , требуещейся для устранения жесткости, количество ммоль-эквивалентов надо умножить на 1 м
Масса Nа3РО4 будет равна:
• 2750 = 54,7 • 2750 = 150425 мг или 150,425 г.
5. Жесткость воды, в которой растворен только гидрокарбонат кальция,
равна 4
акции с гидрокарбонатом кальция, содержащимся в 75 см3 этой воды?
Решение
Согласно закона эквивалентов, чему равна жесткость воды
в
трализации этой жесткости:
. Сколько 0,1 Н раствора НСℓ потребуется для ре-
, сколько же ммоль-эквивалентов НСℓ требуется для ней-
.
Отсюда
= 40 см3 .
79
40 см3 0,1 Н НСℓ требуется для нейтрализации 1000 см3 или 1 л жесткой
1000
4075
ОН
ТэквT
V
CV
2
1000
,
ОН
V
2
л
эквммоль
V
VС
ОН
комплексIIIкомплексэкв
8
100
100081,0
1000
2
воды, а для нейтрализации 75 см3 воды будет требоваться х см3 :
1000 см3 воды – 40 см3 0,1 Н НСℓ;
75 см3 воды – х.
х =
= 3 см3 0,1 Н НСℓ.
6. Определите общую ЖО , карбонатную ЖК и некарбонатную ЖНК жест-
кость воды, если на титрование ее 100 мл потребовалось 8 мл 0,1 Н раствора
комплексона – III и 5 мл 0,1 Н раствора соляной кислоты.
Решение
Общая жесткость воды (ЖО ) и карбонатная жесткость воды (ЖК ) определяют титриметрическим методом. Общую жесткость воды (ЖО ) определяют комплексометрически титрованием пробы анализируемой воды комплексоном – III, двунатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты в щелочной среде (рН = 8) с индикатором хром темно-синим. Карбонатная жесткость (ЖК ) определяются титрованием пробы соляной кислотой с индикатором метилоранжем. Некарбонатная или постоянная жесткость воды (Жнк) определяется по разности между общей жесткостью (Жо) и карбонатной жесткостью воды (Жк).
Жесткость воды определяется по закону эквивалентов:
Ж =
, ммоль-экв/л,
где
– объем анализируемой пробы воды, см3 ;
VТ – объем титрующего раствора, см3 ;
С
– молярная концентрация эквивалентов титрующего раствора, моль-
экв,Т
экв/л.
Подставляя данные задачи, получим:
ЖО =
;
80
ЖК =
л
эквммоль
V
VС
ОН
НСНСэкв
5
100
10001,0
1000
5
2
л
эквммоль
2
1
32
32
СОNa
СОNaЭ
мМ
мM
2
106
32
СОNa
m
;
ЖНК = ЖО – ЖК = 8 – 5 = 3
7. Общая жесткость воды в реке Енисей в районе г. Красноярска равна
1,3 ммоль-экв/л. Сколько необходимо взять граммов Nа2СО3 , чтобы устранить жесткость 500 л воды?
Согласно закона эквивалентов: какое количество ммоль-экв/л составляет
жесткость воды, сколько же ммоль-экв/л необходимо взять соли Nа2СО3 , чтобы устранить эту жесткость. Следовательно, необходимо взять 1,3 ммольэкв/л Nа2СО3 на 1 л Н2О. Поскольку требуется устранить жесткость 500 л
воды, то количество миллимоль-эквивалентов Nа2СО3 надо увеличить
в 500 раз. 1,3 • 500 = 650 ммоль-экв. Чтобы количество миллимольэквивалентов выразить в миллиграммах, необходимо эту величину умножить
на молярную массу миллимоль-эквивалентов Nа2СО3 .
= 53 • 650 = 34450 мг = 34,5 г.
8. Для того, чтобы предотвратить образование накипи, проводят допаро-
.
= 53 мг/моль,
генераторную обработку воды. Сколько граммов извести Са(ОН)2 необходимо
добавить к 1 м3 воды, чтобы устранить ее временную жесткость, равную
5,0 ммоль-экв/л?
Решение
жесткость воды, столько же ммоль-экв/л необходимо добавить извести
Са(ОН)2 . Следовательно, для нейтрализации 1 л Н2О требуется 5,0 ммольэкв/л Са(ОН)2 . Поскольку необходимо устранить жесткость 1 м3 воды или
Согласно закона эквивалентов: какое количество ммоль-экв/л составляет
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]