9.3. Задачи для самостоятельного решения

Составьте ионные и молекулярные уравнения гидролиза солей. Какое значение рН (больше или меньше 7) имеют водные растворы этих солей?

241. СН₃СООNa, Zn(NO₃)₂, A1₂(SO₄)₃

242. NH₄Cl, ZnSO₄, Ca(HCO₃)₂

243. Cu(HCOO)₂, (NH₄)₂S, Na₂SO₄

244. CuSO₄, AlPO₄, ZnS

245. (NH₄)₂CO₃, CH₃COONH₄, CaCO₃

246. Al(CH₃COO)₃, Cu(NO₃)₂, Na₂CO₃

247. NaClO, KNO₂, Na₃PO₄

248. (NH₄)₂CO₃, AlPO₄, СН₃СООNa

249. A1₂(SO₄)₃, Al(CH₃COO)₃, CuSO₄

250. Ca(HCO₃)₂, A1C1₃, ZnS

251. Li₂S, AlPO₄, NiSO₄

252. Na₂S, СоС1₂, Na₂CO₃

253. K₂CO₃, Cr₂(SO₄)₃, (NH₄)₂CO₃

254. RbCl, Ni(NO₃)₂ Pb(NO₃)₂

255. NiSO₄, СоС1₂, RbCl

256. (NH₄)₂CO₃, Al(CH₃COO)₃, Cs₂CO₃

257. CuCl₂, K₂S, ZnCl₂.

258. Na₃PO₄, Cs₂CO₃, CuSO₄.

259. Li₂S, СоС1₂, СН₃СООNa

260. NH₄Cl, RbCl, Ca(HCO₃)₂

261. A1C1₃, ZnS, Al(CH₃COO)₃

262. KNO₃, СrС1₃, Cu(NO₃)₂, NaI

263. ZnSO₄, Cu(NO₃)₂, CuCl₂

264. СrС1₃, RbCl, К₂СО₃

265. Смешали равные объемы 0,01 М раствора AgNO₃ и 0,04 М раствора HI. Будет ли образовываться осадок, если произведение растворимости AgI равно 9,710^-17. Плотность всех растворов принять равными 1 г/мл.

266*. Определить степень диссоциации кислоты H₂S, если ее константа диссоциации равна 1,23∙10^-13. При решении воспользоваться уравнением Оствальда. Рассматривать суммарное уравнение диссоциации: H₂S=2H ⁺ + S ^2- .

267*. Определить степень диссоциации кислоты HF, если ее константа диссоциации равна 6,67∙10^-4. При решении воспользоваться уравнением Оствальда.

268*. Что такое рН и рОН? Чему равен рН 0,02 молярных растворов уксусной кислоты и гидроксида аммония, если степень их диссоциации, при данных условиях равна 3,1 %?

269*. Что такое рН и рОН? Чему равен рН 0,1 молярных растворов уксусной кислоты и гидроксида аммония, если степень их диссоциации, при данных условиях равна 1,3 %?

270*. Смешали равные объемы 0,02 М раствора СаCl₂ и 0,02 М раствора КОН. Будет ли образовываться осадок, если произведение растворимости Са(ОН)₂ равно 5,510^-6. Плотность всех растворов принять равными 1 г/мл.

Раздел 10. Жесткость воды и методы ее устранения

10.1. Теоретическая часть

Жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей кальция, магния и железа (карбонатами, гидрокарбонатами, сульфатами, хлоридами и др.) (ГОСТ Р 52407-2005 Вода питьевая. Определение жесткости). Воду с растворенными в ней солями называют жесткой, а совокупность свойств такой воды — жесткостью.

Жесткость — один из главных технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод. Различают карбонатную, некарбонатную и общую жесткость.

Карбонатная жесткость (Ж_к) — это совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней в основном гидрокарбонатов кальция, магния и железа и незначительной части их карбонатов.

В воде всегда присутствует свободная углекислота (СО₂, Н₂СО₃) и связанная углекислота в виде солей гидрокарбонатов и карбонатов. Эти формы углекислоты могут переходить друг в друга в зависимости от кислотности воды.

При увеличении концентрации кислот карбонаты превращаются в гидрокарбонаты:

2СаСО₃ + 2НС1 = Са(НСО₃)₂ + CaCl₂

СО₃^2-+Н⁺ = НСО₃^-

При увеличении концентрации кислоты гидрокарбонаты превращаются в свободную углекислоту (СО₂, Н₂СО₃)

Са(НСО₃)₂ +2HCl = CaCl₂ +2Н₂СО₃

Н₂СО₃ =Н₂О+СО₂

При подщелачивании воды происходят обратные реакции

Н₂СО₃ +NaOH =NaHC0₃ + Н₂О

Н₂СО₃+ ОН^- = НСО₃^- + Н₂О

NaНСО₃ + NaOH = Na₂C0₃ + Н₂О

НСО₃^- + OH^- = C0₃^2- + Н₂О

Карбонатная жесткость отвечает той части содержащихся в воде катионов Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, которая эквивалентна содержащимся в ней анионам НСО₃^-, С0₃^2-. Часть карбонатной жесткости, которая может быть устранена кипячением, называют устранимой или временной.

Карбонатную жесткость определяют объемным методом, основанным на кислотно-основном титровании. Вода, обладающая карбонатной жесткостью, имеет щелочную реакцию из-за гидролиза содержащихся в ней гидрокарбонатов и карбонатов кальция, магния и железа, протекающего по аниону, поэтому мерой ее жесткости служит щелочность (см. выше). Последняя может быть определена титрованием, например, раствором соляной кислоты с использованием соответствующего индикатора (метиловый оранжевый и др.).

Некарбонатная жесткость (Ж_нк) — совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция, магния и железа.

Все соли, оставшиеся в растворенном состоянии после кипячения, обусловливают так называемую постоянную или неустранимую жесткость воды ( Ж_нк). Она отвечает той части содержащихся в воде катионов Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, которая эквивалентна содержащимся в ней анионам S0₄^2-, NO₃^-, C1^- и др.

Общая жесткость (Ж_общ) складывается из карбонатной и некарбонатной жесткости. Она равна суммарной (общей) концентрации содержащихся в воде катионов Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺. Общую жесткость также можно рассматривать как сумму постоянной и временной жесткости.

(10.1)

Общую жесткость воды определяют стандартным трилонометрическим методом, основанным на способности трилона Б образовывать с катионами Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и многими другими достаточно прочные окрашенные комплексные соединения.

Единицей измерения жесткости является ммоль экв/л (ГОСТ Р 52407-2005).

В разных странах применяется различная классификация воды по величине общей жесткости (ммоль экв/л) (табл. 10.1).

Жесткость рассчитывается по формуле:

, (10.2)

где m–масса вещества, обусловливающего жесткость воды или применяемого для устранения жесткости воды, мг; Э – эквивалент этого вещества; V – объем воды, л;

Таблица 10.1

Классификация воды по величине общей жесткости в различных странах

Жесткость воды, ммоль/л	Справочник по гидрохимии (Россия)	Водоподготовка (Россия)	Германия	США
0 – 1,5	Мягкая	Очень мягкая	Мягкая	Мягкая
1,5 – 1,6		Мягкая		Умеренно жесткая
1,6 – 2,4			Средней жесткости
2,4 – 3,0			Достаточно жесткая
3,0 – 3,6		Умеренно жесткая		Жесткая
3,6 – 4,0			Жесткая
4,0 – 6,0	Средней жесткости
6,0 – 8,0		Жесткая	Очень жесткая	Очень жесткая
8,0 – 9,0	Жесткая
9,0 – 12,0		Очень жесткая
Свыше 12,0	Очень жесткая

Устранение или снижение жесткости воды называют умягчением. Это один из главных процессов водоподготовки, заключающийся в удалении из воды катионов Са²⁺ и Mg²⁺. Существуют три основных метода умягчения: термическая обработка, химическая обработка, ионообменный метод.

1) Термическая обработка воды. Сущность этого метода заключается в предварительном нагревании воды до 70-80 °С и ее кипячении. Метод позволяет устранить только временную жесткость, обусловленную наличием в воде хорошо растворимых гидрокарбонатов кальция, магния и железа. При этом катионы Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ осаждаются в виде нерастворимых соединений.

Ca(HCO₃)₂ ↔ CaCO₃ ↓ + H₂O +CO₂↑

2) Химическая обработка воды (реагентный метод). Этот метод позволяет устранять как временную жесткость, так и постоянную. Сущность его заключается в обработке воды специальными реагентами, образующими с ионами, вызывающими жесткость, малорастворимые соединения. К числу таких реагентов относятся: сода (Na₂CO₃), негашеная (СаО) и гашеная (Са(ОН)₂) извести, различные фосфаты натрия ( Na₃P0₄, и др.).

При обработке воды известью (гашеной или негашеной) устраняется временная жесткость воды и одновременно снижается ее щелочность. Процесс называется известкованием или декарбонацией.

CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ ↓ + 2NaCl

Для одновременного устранения карбонатной и некарбонатной жесткости широкое распространение в промышленности получил известково-содовый метод: обработка воды смесью СаО и Na₂CO₃.

MgCl₂ + H₂O + CaO + Na₂CO₃ → Mg(OH)₂ ↓ + CaCO₃ ↓ +2NaCl

3) Ионообменный метод. Это современный физико-химический метод, позволяющий не только уменьшить жесткость воды, но и достичь ее глубокой очистки. Вода после ионообменной обработки практически не содержит посторонних ионов: ни катионов, ни анионов, поэтому обладает низкой электрической проводимостью. Такая вода широко используется в электронной промышленности. Метод основан на способности некоторых веществ, нерастворимых в воде, стехиометрически обменивать свои ионы на ионы внешней среды (воды, растворов электролитов).