Опыт 1. Определение временной жесткости

Тема: Жесткость воды

Жесткость воды обусловлена содержанием в ней растворимых солей кальция, магния, железа: нитратов, хлоридов, гидрокарбонатов и др. Различают жесткость временную и постоянную. Временная жесткость обусловлена содержанием гидрокарбонатов: Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, Fe(HCO₃)₂, постоянная – содержанием хлоридов, нитратов, сульфатов этих металлов: CaCl₂, MgCl₂, Ca(NO₃)₂. Сумма постоянной и временной жесткости составляют общую жесткость воды:

Ж_общ. = Ж_пост. + Ж _врем.

Жесткость воды оценивается числом миллимоль эквивалентов ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, содержащихся в одном литре воды. Единица жесткости – моль/л. Для определения величины одного моль кальция и магния используют соотношения:

М _эк (Ca²⁺) = Ar (Ca)/В = 40,08/2 = 20,04; М _эк (Mg²⁺) = Ar (Mg)/В = 24,31/2 = 12,15;

где В – стехиометрическая валентность кальция и магния, равная 2.

Классификация воды по степени жесткости приведена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика жесткости воды

Присутствие солей кальция и магния в значительных количествах делает воду непригодной для многих технических целей, поэтому снижение жесткости или ее устранение является важной задачей. Устранение жесткости производится тремя способами. Сущность методов заключается в удалении из воды катионов металлов.

1.1 Физический способ. Основан на термическом разложении солей:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + Н₂О

Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃↓ + CO₂ + Н₂О,

таким образом, после выпадения осадков, содержание катионов металлов в воде уменьшается. Этот способ пригоден для устранения временной жесткости воды, т.к. сульфаты, нитраты, и хлориды этих металлов при нагревании и кипячении воды остаются в растворе. В промышленности этот метод используют в тех случаях, когда вода в технологическом процессе применяется горячей, подогрев воды производят в отдельных аппаратах.

1.2 Химический способ. Основан на удалении из воды ионов кальция, магния, железа за счет перевода их в трудно растворимые соединения: карбонаты, гидроксиды, тетрабораты и др. Для этого к воде добавляют реагенты – осадители. Обычно добавляют гашенную известь Са(ОН)₂. В результате электролитической диссоциации извести: Са(ОН)₂ → Са²⁺ + 2ОН^-, возрастает рН раствора, что приводит к смещению углекислого равновесия:

ОН^- + Н₂СО₃ → НСО₃^-+ Н₂О

НСО₃^-+ ОН^- → СО₃^2-+ Н₂О

в сторону образования карбонат-ионов, в результате чего достигается произведение растворимости карбоната кальция, и он выпадает в осадок:

Ca²⁺ + СО₃^2- = CaCO₃↓ ПР (CaCO₃) = 5·10^-9

Кроме того, при увеличении концентрации ОН^- достигается произведение растворимости гидроксида магния и он тоже выпадает в осадок:

Mg²⁺ + 2ОН^- = Mg(OH)₂↓; ПР (Mg(OH)₂) = 2·10^-11

Реакции, протекающие при введении извести можно записать в молекулярной форме уравнениями:

Ca(HCO₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2CaCO₃↓ + 2Н₂О,

Mg(HCO₃)₂ + Са(ОН)₂ = Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2Н₂О.

Метод известкования непригоден для снижения постоянной жесткости. Для этих целей необходимо вводить хорошо растворимую соль, содержащую карбонат-ионы. Обычно, для устранения постоянной жесткости в воду добавляют соду Na₂CO₃, которая при диссоциации дает ионы СО₃^2-, связывающие катионы кальция и магния:

Na₂CO₃ = 2Na + СО₃^2-, Ca²⁺ + СО₃^2- = CaCO₃↓,

в молекулярной форме уравнение выглядит так:

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + Na₂SO₄.

Сравнение значений произведения растворимости сульфата кальция (6·10^-6) и карбоната кальция (5·10^-9) показывает, что связывание ионов кальция в виде карбоната является более прочным. Учитывая, что ортофосфаты еще менее растворимы, чем карбонаты, более полного устранения жесткости можно достичь с помощью реагента - осадителя Na₃PO₄:

3CaSO₄ + 2Na₃РO₄ = Ca₃(РO₄)₂↓ + 3Na₂SO₄; ПР (Ca₃(РO₄)₂) = 1·10^-29

Этот процесс используют для «доумягчения» воды после устранения жесткости с помощью извести или соды.

Химические методы умягчения воды громоздки, связаны со значительным расходом реагентов, поэтому в последние годы широкое распространение получил метод ионного обмена.

1.3 Физико-химический способ. Способ основан на использовании ионообменных смол (ионнообменников), в которых ионы натрия или водорода, закрепленные на твердой полимерной матрице, способны замещаться на катионы кальция, магния, железа, содержащиеся в воде:

Na₂R + Ca²⁺ → CaR↓ + 2Na⁺; RH2 + Ca²⁺ → CaR↓ + 2H⁺,

где R^2- - радикал полимерной цепи.

Через колонку, заполненную гранулами катиона, сверху подают жесткую воду, которая, проходя слой катионита, обменивает катионы, в результате чего снижается как временная, так и постоянная жесткость воды.

Оценка жесткости воды и категории жесткости производятся, если известны значения хотя бы одного из экспериментальных данных: 1) масса содержащихся в воде солей; 2) объем реактива, пошедшего на титрование воды; 3) количество или масса реагента, необходимого для устранения жесткости.

Пример 1. Вычислить временную жесткость, если в одном литре воды содержится 60,12 мг ионов Ca²⁺ и 28,37 мг ионов Mg²⁺.

Решение: находим число эквивалентов ионов кальция по соотношению:

1 ммоль Ca²⁺ - 20,04 мг Ca²⁺

Х - 60,12 мг Ca²⁺ Х = 60,12/20,04 = 3,0 ммоль

находим число эквивалентов ионов магния по соотношению:

1 ммоль Mg²⁺- 12,15 мг Mg²⁺

Х - 28,37 мг Mg²⁺ Х = 28,37/12,15 =2,5 ммоль

Общее число эквивалентов ионов в расчете на 1 литр воды составляет:

Ж = 3,0+2,5 = 5,5 ммоль/л, следовательно, вода умеренно жесткая.

Пример 2. Определить временную жесткость воды, если на титрование 100 мл воды, содержащей гидрокарбонат магния, израсходовано 8 мл 0,1 н раствора соляной кислоты.

Решение: При титровании жесткой воды соляной кислотой происходит следующая химическая реакция:

Mg(HCO₃)₂ + 2HCl = MgCl₂ +2CO₂↑ + 2Н₂О.

В соответствии с законом эквивалентов, количества эквивалентов всех участвующих в реакции веществ должно быть одинаковыми, следовательно:

С_эк. (Н₂О)·V(Н₂О)·= С_эк. (HCl)·V(HCl), где

V(Н₂О) – объем титруемой жесткой воды, V(HCl) – объем раствора кислоты, израсходованной на титрование, С_эк. (HCl) – эквивалентная концентрация кислоты, С_эк. (Н₂О)· - эквивалентная концентрация солей жесткости в воде. Из этой формулы:

С_эк. (Н₂О) = (8·10^-3 ·0,1)/0,1 = 8·10^-3 моль/л = 8 ммоль/л, следовательно, вода жесткая.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Определение временной жесткости

Временная жесткость воды определяется титрованием исследуемой воды децинормальным раствором соляной кислоты (в присутствии индикатора - метилоранжа).

Ход опыта.

1. В большой химический стакан налить воду из под водопроводного крана, дать отстояться 10 мин.

2. Отмерить мерной пипеткой 50 мл исследуемой воды. Операцию повторить три раза, набрав по 50 мл воды в три конические колбы или стаканы.

3. Добавить в каждую колбу по 2-3 капли метилоранжа.

4. Заправить бюретку 0,1 н раствором соляной кислоты. Для этого бюретку ополоснуть раствором кислоты и заполнить им до верхнего (нулевого) деления бюретки, предварительно заполнив титрованным раствором нижний оттянутый конец. В момент отсчета показания бюретки, глаза экспериментатора должны находиться на уровне мениска. Перед каждым титрованием бюретку заполняют кислотой до нулевого уровня.

5. Провести три титрования жесткой воды соляной кислотой до исчезновения желтой окраски и появления оранжевого (но не розового!) цвета раствора. Для этого в колбу для титрования медленно (по каплям!) вводить из бюретки, нажимая на бусинку в резиновой трубочке бюретки большим и указательным пальцами левой руки, а правой непрерывно перемешивая содержимое колбы. При появлении оранжевого цвета индикатора титрование прекращают и записывают объем пошедший на титрование кислоты. Результаты записать в таблицу:

6. Определить временную жесткость воды, записать уравнения химических реакций, происходящих при титровании, и сделать вывод о том, к какой категории жесткости она относится.