3 Химические свойства воды

Вода является слабым электролитом

Н–ОН ↔ Н⁺ + ОН^–, К_д1 = 1,8·10^–16.

Образующийся ион водорода взаимодействует с молекулой воды с образованием иона гидроксония

Н⁺ + Н₂О = Н₃О⁺,

но для простоты записывают только ион водорода (Н⁺).

При растворении в воде основных классов неорганических соединений (кислот, оснований, солей) происходит их взаимодействие (гидратация) с образованием иногда относительно устойчивых соединений (кристаллогидратов), которые можно выделить из водного раствора.

Например: CuSО₄·5Н₂О, Nа₂SО₄·10Н₂О, АlСl₃·6Н₂О, и др.

При растворении солей, образованных слабой кислотой или слабым основанием, протекает гидролиз. Например, гидролиз ацетата натрия:

СН₃СООNа → Nа⁺ + СН₃СОО^–,

СН₃СОО^– + Н⁺ОН^– ↔ СН₃СООН + ОН^–, рН > 7 (среда щелочная).

Если кислота и основание, образующие эти соли, не только слабые электролиты, но и малорастворимые или разлагающиеся с образованием

летучих продуктов, то гидролиз часто протекает необратимо. Например, совместный гидролиз хлорида алюминия и сульфида натрия:

2АlСІ₃ + 3Na₂S + 6НОН ↔ 2А1(ОН)₃ + 3H₂S + 6NaCl,

2Al³⁺+ 6СІ^– + 6Na⁺ + 3S^2– + 6НОН ↔ 2А1(ОН)₃ + 3H₂S + 6Na⁺ + 6СІ^–,

2Al³⁺ + 3S^2– + 6НОН ↔ 2А1(ОН)₃ + 3H₂S.

Многие соединения не могут существовать в водном растворе вследствие полного разложения. Например,

(NH₄) ₂СО₃ = 2NH₃↑+ СO₂↑ + Н₂О.

Степени окисления элементов в молекуле воды имеют значения – Н⁺¹₂О^–2. Таким образом, за счет Н⁺ вода может проявлять окислительные свойства, а за счет О^–2 – восстановительные. Окислительные и восстановительные свойства воды определяются значениями соответствующих окислительно-восстановительных потенциалов:

2Н₂О + 2е = Н₂ + 2ОН^–, φ⁰ = –0,83 В,

2Н₂О – 4е = О₂ + 4Н⁺, φ⁰ = +1,23 В.

Вода может окислять только очень активные металлы. Например,

К + 2Н₂О = Н₂↑+ 2КОН.

Восстановительные свойства вода может проявлять только в реакции с фтором, как более электроотрицательным элементом, чем кислород.

Окисление и восстановление воды с образованием водорода и кислорода легко достигается при электролизе воды с инертным анодом.

Вода – термодинамически крайне устойчивое соединение. Однако при температуре выше 1000 ^оС начинает разлагаться по реакции 2Н₂О = 2Н₂ + О₂, но даже при температуре 2000 ^оС степень термической диссоциации не превышает 2 %.

В заключение следует отметить, что ассоциаты жидкой воды содержат пустоты, которые могут заполняться молекулами таких газов, как Хе, Cl₂, С₂Н₆ и др. Такие соединения называются соединениями включения или клатратами. Клатраты при пониженных температурах от 0 до 24 ^оС выпадают в осадок в виде соединений состава: Хе·6Н₂О, Cl₂·8Н₂О, С₂Н₆·6Н₂О и др. Клатраты – малоустойчивые соединения, существующие только при низкой температуре. На практике они применяются для разделения смесей благородных газов, углеводородов и опреснения морской воды.

4 Жесткость воды

Вследствие высокой полярности вода является хорошим растворителем соединений с ионными и полярными химическими связями (кислот, оснований, солей). При прохождении через почву вода обогащается этими соединениями. Так как в почве преобладают соли кальция и магния, они составляют основу растворимых примесей природной воды.

Вода, содержащая ионы кальция и магния, называется жесткой. При продолжительном питании жесткой водой паровых котлов, теплообменников их стенки покрываются «накипью». Теплопроводность накипи значительно ниже теплопроводности металла, поэтому для поддержания постоянной теплопередачи необходимо повышать температуру нагрева, что соответственно приводит к увеличению расхода топлива. В производстве соков, напитков, сахара и других пищевых продуктов используется значительные количества воды, которая для улучшения качества готовой продукции в случае необходимости подвергается водоподготовке.

Общая жесткость воды характеризует суммарное содержание солей кальция, магния и других многовалентных тяжелых металлов. Общая жесткость включает постоянную и временную жесткости.

Постоянная жесткость обусловлена наличием в воде солей кальция и магния с серной, хлороводородной и другими сильными кислотами.

Временная или карбонатная жесткость связана с содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Она образуется при взаимодействии известняка с растворенным в воде углекислым газом:

СаСО₃+ СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Временной её называют потому, что она устраняется в процессе кипячения. Гидрокарбонаты термически нестойки и разлагаются с выделением

СО₂ и образованием осадка (накипи):

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О,

Образующаяся при кипячении жесткой воды накипь растворяется, если в воде содержится растворенный углекислый газ. Таким образом, реакции разрушения и образования временной жесткости являются взаимно обратимыми и могут быть записаны в виде:

Са(НСО₃)₂ ↔ СаСО₃↓+ СО₂↑ + Н₂О.

В основе количественной характеристики жесткости воды (Ж) лежит широко применяемая в аналитической химии молярная концентрация эквивалентов (нормальная концентрация), но количество солей кальция и магния выражают не в молях, а в миллимоль эквивалентах:

Ж = n ∕ V ,

(

где n – число ммоль эквивалентов ионов кальция и магния,

V – объем воды в литрах.

Жесткость равна числу ммоль эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1л воды.

Жесткость природной воды изменяется в широких пределах. Она различна для разных водоемов и изменяется в течение года (минимальна во время паводка). По величине жесткости воду условно делят на мягкую (до 4 ммоль экв./л), средней жесткости (4 ÷ 8 ммоль экв./л), жесткую (8 ÷ 12 ммоль экв./л) и очень жесткую (более 12 ммоль экв./л).

5 Водоподготовка зависит от качества исходной воды и назначения – для технических или пищевых целей. Для технических целей водоподготовка, как правило, включает операцию водоумягчения – удаления из воды ионов кальция и магния. При этом могут применяться различные способы обработки воды. Водоподготовка для пищевой промышленности включает операции освобождения от грубодисперсных и коллоидных примесей, ряда растворенных веществ и обеззараживания воды.

Наиболее распространенным способом обеззараживания питьевой воды

является хлорирование. Причина состоит в том, что хлорирование – наиболее экономичный и эффективный метод обеззараживания питьевой воды в сравнении с любыми другими известными методами. Все остальные методы обеззараживания воды, не исключая озонирование и действие ультрафиолета, не обеспечивают обеззараживающего последействия и, следовательно, требуют хлорирования на одной из стадий водоподготовки. Это правило не является исключением и для Беларуси, где имеющаяся система озонирования питьевой воды работает совместно с оборудованием для хлорирования.

Одним из основных нежелательных примесей природной воды является двухвалентное железо. Обезжелезивание воды проводят следующим образом. Вначале проводится аэрирование воды кислородом воздуха, что переводит двухвалентное железо в нерастворимый гидроксид трехвалентного железа по реакции

4Fe⁺² + O₂ + 8HCO₃^– + 2H₂O = 4Fe(OH)₃↓+ 8CO₂,

а затем образующийся осадок гидроксида железа(III) удаляют.

Для водоумягчения применяют химические методы: осаждения и ионного обмена.

Методом осаждения катионы Са²⁺ и Mg²⁺ переводят в малорастворимые соединения, выпадающие в осадок. Это достигается применением в качестве осадителя соды или гашеной извести:

СаСІ₂ + Nа₂СО₃ = СаСО₃↓ + 2NаСІ,

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃↓ + 2Н₂О.

При добавке Са(ОН)₂ устраняется только карбонатная жесткость. Из уравнения реакции видно, что Са(ОН)₂ необходимо добавлять в стехиометрическом количестве. При недостатке Са(ОН)₂ будет остаточная жесткость за счет непрореагировавшего Са(НСО₃)₂, а при избытке – за счет непрореагировавшего Са(ОН)₂.

Методом ионного обмена воду пропускают через слой катионита. При этом катионы Са²⁺ и Mg²⁺, находящиеся в воде, обмениваются на катионы Na⁺, содержащиеся в катионите. При последовательном пропускании воды через катионит, содержащий в обменной форме катионы водорода (Н-катионит), и анионит, содержащий в обменной форме гидроксид-ионы (ОН-анионит), вода освобождается как от катионов металлов, так и от анионов солей, что приводит к полному удалению солей из воды. Такая вода является деионизированной. Не следует путать с дистиллированной водой, которую получают методом перегонки.

Когда обменная емкость ионита заканчивается, он утрачивает способность умягчать воду. Для регенерации катионита через него пропускают концентрированный раствор NaCl, Na₂SO₄, HCl или H₂SO₄, при этом ионы Са²⁺ и Mg²⁺ замещаются на ионы Nа⁺ или H⁺ . Для регенерации анионита через него пропускают раствор щелочи или соды (при гидролизе имеет щелочную среду), что приводит к замещению анионов на группы ОН^–.

Для умягчения воды применяются также физические методы: электродиализ, магнитно-ионизационный метод, магнитную и ультразвуковую обработку воды.

Метод электродиализа основан на движении катионов и анионов к противоположно заряженным электродам, подключенным к сети постоянного тока. Катионы и анионы задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

Магнитно-ионизационный метод так же, как и метод электродиализа, использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и объединение их в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.

Ультразвуковая обработка воды также приводит к укрупнению частиц осадка.