Зміщення рівноваги гідролізу

Гідроліз більшості солей є оборотною реакцією, відповідно рівновага цього процесу залежить від усіх тих факторів, які впливають на рівновагу реакцій йонного обміну. Наприклад, вона зміщується в бік розкладу вихідної солі при умові, що одержані продукти малорозчинні або леткі. Додаванням до системи надлишку однієї з утворених під час реакцій речовин, відповідно із принципом Ле-Шательє, зміщують рівновагу в бік вихідної солі. Розведення розчину (додавання надлишку води), навпаки, сприяє підсиленню гідролізу. Якщо до розчину гідролізованої солі додати реактив, який зв’язує утворені при гідролізі Н⁺ або OH^–-йони, то за принципом Ле-Шательє рівновага зміщується в бік підсилення гідролізу. У цьому випадку гідроліз може перебігати до кінця з утворенням слабких основи та кислоти. Якщо розглядати солі як продукт нейтралізації кислоти основою, то гідроліз – реакція, зворотна нейтралізації. Якщо реакція нейтралізації перебігає з виділенням тепла (екзотермічна реакція), то гідроліз солей – реакція ендотермічна. Тому підвищення температури зміщує рівновагу реакції праворуч, тобто призводить до збільшення ступеня гідролізу.

Сумісний гідроліз – взаємодія розчинів двох солей, які взаємно підсилюють гідроліз одна одної. Взаємодія в розчині двох солей, одна з яких утворена слабкою основою і сильною кислотою, а друга – сильною основою і слабкою кислотою, призводить до утворення осаду слабкої основи та малодисоційованої кислоти. Якщо змішати розчини солей Al₂(SO₄)₃ i Na₂CO₃, то реакція перебігає за схемою:

2Al³⁺ + 3CO₃^2– + 3НОН = 2Al(ОН)₃↓ + 3СО₂↑,

Al₂(SO₄)₃ + 3Na₂CO₃ + 3НОН = 2Al(ОН)₃↓ + 3СО₂↑ + 3 Na₂SO₄.

Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄^2–,

Al³⁺ + НОН ⇄ AlОН²⁺ + Н⁺,

Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃^2–,

CO₃^2– + HOH ⇄ HCO₃^– + OH^–.

При змішуванні розчинів цих солей Н⁺ і OH^–-йони нейтралізують один одного, що призводить до взаємного підсилення гідролізу обох солей.

3.3.6. Твердість води та способи її усунення

У природі чистої води немає – вода завжди містить домішки яких-небудь речовин. Зокрема, взаємодіючи із солями, що містяться в земній корі, вона набуває певної твердості. Загальна твердість води переважно зумовлюється наявністю в ній гідрогенкарбонатів, хлоридів, сульфатів та інших сполук кальцію і магнію. Якщо вода містить значні кількості солей кальцію і магнію, то таку воду називають твердою, а коли цих солей зовсім немає, або вони містяться в незначних кількостях, то – м’якою.

З погляду процесів зм’якшення води розрізняють твердість карбонатну і некарбонатну.

Карбонатна твердість зумовлена наявністю у воді розчинних гідрогенкарбонатів кальцію і магнію Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂. Під час кип’ятіння води гідрогенкарбонати розкладаються на карбонатну кислоту і нерозчинні карбонати, які випадають в осад, і загальна твердість води зменшується на величину карбонатної твердості. Тому карбонатну твердість називають тимчасовою.

При кип’ятінні йони Ca²⁺ осаджуються у вигляді карбонату:

Ca²⁺ + 2НСО₃^– = СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂,

а йони Mg²⁺ – у вигляді основного карбонату або гідроксиду магнію (при рН > 10,3)

2Mg ²⁺ + 2НСО₃^– + 2ОН^– = (MgОН)₂СО₃↓ + Н₂О + СО₂

(йони ОН^– утворюються за рахунок взаємодії йонів НСО₃^– з водою:

НСО₃^–+ Н₂О = Н₂СО₃ + ОН^–

і рівновага при нагріванні зміщується вправо).

Та частина твердості, яка залишається після тривалого кип’ятіння води, називається некарбонатною. Вона зумовлюється наявністю у воді хлоридів, сульфатів, нітратів і фосфатів кальцію і магнію. Оскільки ці солі не вилучаються, тому некарбонатну твердість називають також постійною твердістю.

Твердість води оцінюють у мг-екв/дм³ (мг-екв/л). 1 мг-екв/дм³ твердості відповідає 20,04 мг/дм³ Са²⁺ або 12,16 мг/дм³ Мg²⁺.

Загальну твердість води можна обчислити за формулою:

(3.38)

де ,  – концентрації йонів Са²⁺ та Мg²⁺.

Воду із твердістю до 3,5 мг-екв/дм³ називають м’якою, від 3,5 до 7 – середньої твердості, від 7 до 14 – твердою, понад 14 мг-екв/дм³ – дуже твердою.

Для зниження твердості води застосовують різні способи. Серед них найбільш поширеним є так званий содово-вапняний спосіб. Суть його полягає в тому, що до води додають розраховану кількість розчину гідроксиду кальцію Са(ОН)₂ (вапняна вода) і соди Na₂CO₃:

Ca(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃↓ + 2Н₂О;

Mg(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = Mg(OН)₂↓ + CaCO₃↓ + Н₂О + СО₂.

Сода знижує сталу твердість води:

СаС1₂ + Na₂СО₃ = СаСО₃↓ +2NaCl;

СаSO₄ + Na₂СО₃ = СаСО₃↓ +Na₂SO₄;

MgSO₄ + Na₂СО₃ + Н₂О = Mg(OН)₂↓ + СО₂ + Na₂SO₄.

При зм’якшенні води методом йонного обміну використовують катіоніти в Н⁺ формі (RH₂), або в Na⁺ формі (NaH₂):

RH₂ + Ca(НСО₃)₂ = RСа + 2Н₂О + 2СО₂;

RH₂ + CaSO₄ = RСа + 2Н⁺ + SO₄^2–;

RNa₂ + Mg(НСО₃)₂ = RMg + 2Na⁺ + 2HСО₃^–;

RNa₂ + CaSO₄ = RMg + 2Na⁺ + SO₄^2–.

У результаті цих реакцій катіони Са²⁺ і Mg²⁺ видаляються з води, а їх місце займають йони Н⁺ або Na⁺, що не впливають на твердість води. Оскільки реакції йонного обміну зворотні, катіоніти підлягають регенерації шляхом обробки розчинами хлоридної кислоти або хлориду натрію.

Тверда вода непридатна для цілого ряду виробництв: паперового, шкіряного, крохмального, спиртового тощо. Вона непридатна і для паросилового господарства, бо при кип’ятінні води утворюється накип, який погано проводить тепло, внаслідок чого збільшується витрата енергоносіїв. Накип викликає інтенсивне руйнування стінок котлів, що може призвести до аварій.

Твердість води шкідлива для металевих конструкцій, трубопроводів, кожухів охолоджуваних машин.