19. Жесткость воды и методы её устранения

Жесткость воды отражает содержание в ней ионов кальция и магния.

Жесткость, обусловленная наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, называется временной, или карбонатной (Ж_вр). Жесткость, обусловленная хлоридами и сульфатами этих металлов, называется постоянной (Ж_п). Суммарная жесткость воды носит название общей жесткости. Жесткость воды (степень жесткости принято выражать в миллимолях ионов Са²⁺ или Mg²⁺ (или обоих ионов) в 1 дм³ или 1 кг воды – ммоль/дм³ или ммоль/кг.

Зная, что молярные массы эквивалентов ионов Са²⁺ и Mg²⁺ соответственно равны 20,04 и 12,16 мг/дм³, можно рассчитать общую жесткость воды (в ммоль/дм³): .

Часто в расчетах жесткости используют формулу

где m – масса вещества, обусловливающего жесткость воды или применяемого для устранения жесткости воды, г; М_экв – молярная масса эквивалента этого вещества (г/моль∙экв); V – объем воды (л); Ж – жесткость воды (моль/дм³).

Пример 1. Вычислить жесткость воды, зная, что в 500 л содержится 202,5 г Са(НСО₃)₂.

Решение.

Временная жесткость воды обусловлена наличием соли гидрокарбоната кальция и вычисляется:

Молярная масса эквивалента Ca(HCO₃)₂ равна

следовательно, жесткость воды:

Пример 2. Сколько граммов СаSO₄ содержится в 1м³ воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 ммоль/дм³?

Решение.

Молярная масса СаSO₄ равна 136 г/моль; молярная масса эквивалента равна: Из формулы жесткости находим, сколько граммов сульфата кальция содержится в 1 м³ (1м³ = 1000 дм³) воды:

Пример 3. Сколько граммов соды надо прибавить к 500 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 5 ммоль/дм³?

Решение.

Находим количество моль эквивалентов солей, обусловливающих жесткость воды из формулы:

Один из методов устранения жесткости воды – введение соды (Na₂CO₃). Согласно закону эквивалентов,

отсюда находим массу соды для устранения жесткости воды:

Пример 4. Вычислить карбонатную жесткость воды, зная, что на титрование 100 см³ этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6,25 см³ 0,08 н раствора НСl.

Решение.

Вычисляем нормальность раствора гидрокарбоната кальция. Обозначив количество моль эквивалентов растворенного вещества в 1л раствора, т.е. нормальность, через х, составляем пропорцию:

Таким образом, в 1 л исследуемой воды содержится 0,005∙1000= = 5 ммоль·экв гидрокарбоната кальция, или 5 ммоль/дм³ Са²⁺- ионов. Карбонатная жесткость воды равна 5 ммоль/дм³.

Карбонатную (временную) жесткость можно рассчитать умножением объема кислоты (V, мл), пошедшего на титрование на концентрацию кислоты:

Контрольные задания

541. Какую массу Na₃РО₄ надо прибавить к 500 л воды, чтобы устранить ее карбонатную жесткость, равную 5 ммоль/дм³?

Ответ: 118,3 г.

542. Какие соли обусловливают жесткость природной воды? Какую жесткость называют карбонатной, некарбонатной? Как можно устранить карбонатную, некарбонатную жесткость? Напишите уравнения соответствующих реакций. Чему равна жесткость воды, в 100 л которой содержится 14,632 г гидрокарбоната магния?

Ответ: 2 ммоль/дм³.

543. Вычислите карбонатную жесткость воды, зная, что для реакции с гидрокарбонатом кальция, содержащимся в 200 см³ воды, требуется 15 см³ 0,08 н раствора HCl. Ответ: 6 ммоль/дм³.

544. В 1л воды содержится ионов магния 36,47 мг и ионов кальция 50,1 мг. Чему равна жесткость этой воды? Ответ: 5,5 ммоль/дм³.

545. Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 400 л воды, чтобы устранить жесткость, равную 3 ммоль/дм³? Ответ: 63,6 г.

546. Вода, содержащая только сульфат магния, имеет жесткость 7 ммоль/дм³. Какая масса сульфата магния содержится в 300 л этой воды? Ответ: 126 г.

547. Вычислите жесткость воды, зная, что в 600 л ее содержится 65,7 г гидрокарбоната магния и 61,2 г сульфата кальция.

Ответ: 3 ммоль/дм³.

548. В 220 л воды содержится 11 г сульфата магния. Чему равна жесткость этой воды? Ответ: 0,83 ммоль/дм³.

549. Жесткость воды, в которой растворен только гидрокарбонат кальция, равна 4 ммоль/дм³. Какой объем 0,1 н раствора HCl потребуется для реакции с гидрокарбонатом кальция, содержащимся в 75 см³ этой воды? Ответ: 3 см³.

550. В 1м³ воды содержится 140 г сульфата магния. Вычислите жесткость этой воды. Ответ: 2,33 ммоль/дм³.

551. Вода, содержащая только гидрокарбонат магния, имеет жесткость 3,5 ммоль/дм³. Какая масса гидрокарбоната магния содержится в 200 дм³ этой воды? Ответ: 51,1 г.

552. К 1м³ жесткой воды прибавили 132,5 г карбоната натрия. Насколько понизилась жесткость? Ответ: на 2,5 ммоль/дм³.

553. Чему равна жесткость воды, если для ее устранения к 50 л воды потребовалось прибавить 21,2 г карбоната натрия?

Ответ: 8 ммоль/дм³.

554. Какая масса СаSО₄ содержится в 200 л воды, если жесткость, обусловливаемая этой солью, равна 8 ммоль/дм³?

Ответ: 108,9 г.

555. Вода, содержащая только гидрокарбонат кальция, имеет жесткость 9 ммоль/дм³. Какая масса гидрокарбоната кальция содержится в 500 л воды? Ответ: 364,5 г.

556. Какие ионы надо удалить из природной воды, чтобы сделать ее мягкой? Введением каких ионов можно умягчить воду? Составьте уравнения соответствующих реакций. Какую массу Са(ОН)₂ надо прибавить к 2,5 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 4,43 ммоль/дм³? Ответ: 0,406 г.

557. Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 0,1м³ воды, чтобы устранить жесткость, равную 4 ммоль/дм³? Ответ: 21,2 г.

558. К 100 л жесткой воды прибавили 12,95 г гидроксида кальция. На сколько понизилась карбонатная жесткость?

Ответ: на 3,5 ммоль/дм³.

559. Чему равна карбонатная жесткость воды, если в 1 л ее воды содержится 0,292 г гидрокарбоната магния и 0,2025 г гидрокарбоната кальция? Ответ: 6,5 ммоль/дм³.

560. Какую массу гидроксида кальция надо прибавить к 275 л воды, чтобы устранить ее карбонатную жесткость, равную 5,5 ммоль/дм³? Ответ: 56,06 г.

561. Сколько граммов Ca(OH)₂ необходимо прибавить к 1000 л воды, чтобы удалить временную жесткость, равную 2,86 ммоль/дм³? Ответ: 106 г.

562. Чему равна временная жесткость воды, в 1л которой содержится 0,146 г гидрокарбоната магния? Ответ: 2 ммоль/дм³.

563. Жесткость воды, содержащей только гидрокарбонат кальция, равна 1,785 ммоль/дм³. Определить массу гидрокарбоната в 1л воды. Ответ: 144,7 мг.

564. Сколько карбоната натрия надо добавить к 5 л воды, чтобы устранить общую жесткость, равную 4,60 ммоль/дм³? Ответ: 1,22 г.

565. При кипячении 250 мл воды, содержащей гидрокарбонат кальция, выпал осадок массой 3,5 мг. Чему равна жесткость воды? Ответ: 0,28 ммоль/дм³.

566. В 100 л воды содержится 8,5 г хлорида кальция. Вычислите жесткость воды. Ответ: 1,53 ммоль/дм³.

567. Некарбонатная жесткость воды равна 5,3 ммоль/дм³. Рассчитайте, сколько Na₃PO₄ следует взять, чтобы умягчить 100 л такой воды. Ответ: 29 г.

568. Вычислите карбонатную жесткость воды, если в 5 л ее содержится 2,5 г гидрокарбоната магния и 1,3 г гидрокарбоната кальция. Ответ: 10,1 ммоль/дм³.

569. При обработке 0,5 л образца воды карбонатом натрия в осадок выпало 70 мг CaCO₃. Чему равна жесткость воды, если она обусловлена только сульфатом кальция? Ответ: 2,8 ммоль/дм³.

570. Рассчитайте жесткость воды, если известно, что для ее устранения к 50 л воды добавили 18 г Na₂CO₃. Ответ: 6,8 ммоль/дм³.

20. р– ЭЛЕМЕНТЫ (…ns²np^1-6)

К р – семейству относятся 30 элементов IIIA-VIIIA групп периодической системы и входят во второй и третий малые периоды, а также в четвертый – шестой большие периоды. У элементов IIIA группы появляется первый электрон на р–орбитали. В других группах IVA-VIIIA происходит последовательное заполнение р–подуровня до 6 электронов. Строение внешних электронных оболочек атомов элементов р–семейства ns²np^а, где а = 1…6.

В периодах слева направо атомные и ионные радиусы р – элементов по мере увеличения заряда ядра уменьшаются, энергия ионизации и сродство к электрону в целом возрастают, электроотрицательность увеличивается, окислительная активность простых веществ и неметаллические свойства усиливаются.

В группах радиусы атомов и однотипных ионов в общем увеличиваются. Энергия ионизации при переходе от 2р – элементов к 6р – элементам уменьшается, так как по мере возрастания числа электронных оболочек усиливается экранирование заряда ядер электронами, предшествующими внешними электронами. С увеличением порядкового номера р–элемента в группе неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.

На свойства р–элементов и их соединений оказывает влияние как появление новых подуровней на внешней электронной оболочке, так и заполнение внутренних электронных оболочек. р – элементы второго периода (В, С, N, O, F) резко отличаются от элементов нижеследующих периодов, так как, начиная с р–элементов третьего периода, появляется низколежащий свободный d-подуровень, на который могут переходить электроны с р – подуровня при возбуждении атома. Полностью заполненный 3d-подуровень у р–элементов четвертого периода (Ga, Ge, As, Se, Br) обусловливает отличие их свойств от элементов третьего периода. Максимальное заполнение 4f-подуровня в шестом периоде сказывается на различии свойств р–элементов шестого и пятого периодов.

Вдоль периода у р–элементов падает способность к образованию положительно заряженных ионов с зарядом, отвечающим номеру группы, и наоборот, способность к образованию отрицательных ионов с зарядом, равным (8 – № группы), возрастает.

р – элементы образуют двухатомные молекулы Э₂, различающиеся по устойчивости. Наиболее устойчивы молекулы элементов второго периода (N₂, O₂, F₂). При переходе от IIIA к IVA и VA группам устойчивость двухатомных молекул возрастает, а затем при переходе к VIIIА группе понижается. В группах сверху вниз прочность связи Э–Э уменьшается.

р – элементы второго периода (азот, кислород, фтор) обладают ярко выраженной способностью участвовать в образовании водородных связей. Элементы третьего и последующих периодов эту способность теряют.

При переходе от р–элементов второго периода к р–элементам третьего и последующих периодов сохраняются все типы связей, характерные для элементов второго периода, и появляются новые типы химических связей. В этом направлении увеличивается склонность элементов образовывать комплексные соединения.

При переходе вниз по группе устойчивость максимальной положительной степени окисления у р–элементов уменьшается и возрастает устойчивость низших степеней окисления. Так, для углерода устойчивая степень окисления +4, а для свинца +2, для алюминия +3, а для таллия +1.

Физические свойства простых веществ р–элементов сильно различаются. Одни вещества (кислород, азот) кипят и плавятся при очень низких температурах, другие (углерод, бор) – при очень высоких. По группам и периодам физические свойства изменяются немонотонно, и не всегда характер изменений легко связать со строением электронных оболочек и типом химических связей.

Все р–элементы и в особенности р–элементы второго и третьего периодов образуют многочисленные соединения между собой и с s-, d-, f- элементами.