ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЕ УМЯГЧЕНИЯ

Цельработы

Освоение методов устранения жесткости воды.

Краткиетеоретическиесведения

Жесткость природной воды обусловлена содержанием в ней растворимых солей кальция и магния. Различают жесткость общую (Жобщ), времен-

ную (Жвр) и постоянную (Жпост):

Жобщ = Жвр + Жпост.

(4.1)

Общей жесткостью называется суммарная концентрация ионов Ca2+ и Mg2+ в воде. Единица измерения жесткости − число миллимоль эквивалентов

ионов Ca2+ и Mg2+ или их соединений в одном литре воды, n ммоль·экв/л.

Один миллимоль эквивалент жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л ионов кальция или 12,16 мг/л ионов магния. Моль атомов Ca равен 40 г/моль; моль атомов Mg – 24 г/моль, т. е. молярная масса эквивалентов равна:

	Mýêâ (Ca2 +) =		A		=	40	= 20	г/моль;
		Вален тн о сть				2
	Mýêâ (Mg2 +) =		A		=	24	=12	г/моль.
			Вален тн о сть			2

Таким образом, 1 мэкв Ca2+ = 20,04 мг, 1 мэкв Mg2+ = 12,16 мг).

Временной (карбонатной) жесткостью называется часть общей жесткости, удаляющейся кипячением воды при атмосферном давлении в течение

некоторого времени. Временная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. При кипячении происходит пре-

вращение гидрокарбонатов в труднорастворимые карбонаты, которые выпа-

дают в осадок. При этом концентрация ионов Ca2+ и Mg2+ в воде существенно снижается, что и приводит к умягчению воды:

Ca(HCO3)2 t→ CaCO3↓ + CO2↑ + H2O

Постоянной (некарбонатной) жесткостью называется часть общей жесткости, остающаяся после кипячения воды; это сульфаты (CaSO4, MgSO4), хлориды (CaCl2, MgCl2), нитраты (Ca(NO3)2, Mg(NO3)2) кальция и магния, т. е. растворимые соли.

Химия. Лаб. практикум

-39-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЕ УМЯГЧЕНИЯ

Краткие теоретические сведения

Жесткость воды Ж рассчитывается по формуле

Æ = m 1000	,	(4.2)
Mýêâ V

где m – масса соли, г; Мэкв – молярная масса эквивалентов солей, г/моль; V –

объем воды, л.

На практике установилась градация природных вод по величине их общей жесткости:

а) до 4 ммоль·экв/л – мягкая вода; б) 4–8 ммоль·экв/л – умеренно-жесткая вода; в) 8–12 ммоль·экв/л – жесткая вода;

г) свыше 12 ммоль·экв/л – очень жесткая вода.

Вода, применяемая в технике и быту, должна удовлетворять определенным требованиям. Присутствие в воде значительного количества солей кальция и магния делает воду непригодной для многих технических целей. Например, жесткая вода образует в паровых котлах и котельных установках слой накипи (осадки из CaCO3 и CaSO4·2H2O). Накипь плохо проводит тепло, вызывает увеличение расхода топлива и ускоряет изнашивание паровых котлов и котельных установок.

В жесткой воде мыло, представляющее собой натриевую соль стеариновой кислоты, не обладает моющим действием, поскольку обмен ионов натрия на ионы кальция и магния приводит к нерастворимым кальциевым и

магниевым солям:

2C17H35COONa + CaSO4 = (C17H35COO)2Ca↓ + Na2SO4

После осаждения ионов кальция и магния мыло становится мылким. Поэтому устранение жесткости воды очень важно для технического исполь-

зования и хозяйственно-бытового водоснабжения.

Процесс, приводящий к снижению жесткости воды, называется ее умяг-

чением. Существующие способы умягчения воды можно разделить на три группы: 1) реагентные методы, 2) метод обменаионов, 3) термический метод.

При реагентных методах в жесткую воду вносят вещества, которые дают с ионами Са2+ и Mg2+ малорастворимые соли. Это гашеная известь

(кальций гидрооксид), сода (динатрий карбонат), тринатрий фосфат, гидро-

ксид бария (II) и др. Умягчение воды идет по реакциям:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ + 2H2O

CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3↓ + Na2SO4

3CaSO4 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4

Для умягчения воды широко применяется метод ионообменной адсорбции, основанный на явлениях поглощения – обмена ионов специальными полимерными смолами – катионитами. Катиониты представляют собой син-

Химия. Лаб. практикум

-40-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЕ УМЯГЧЕНИЯ

Краткие теоретические сведения

тетические или природные смолы, содержащие группы – –COOH, –SO3H и др.,

которые способны обменивать ионы Na+ или H+ на Ca2+ и Mg2+ по схеме: Ca2+ + 2HR ' CaR2 + 2H+

Ca2+ + 2NaR ' CaR2 + 2Na+

где R – остаток молекулы катионита, имеющий отрицательный заряд.

На практике также применяются неорганические катиониты – цеолиты (минералы) или пермутиты (искусственные соединения), отвечающие со-

ставам Na2O·Al2O3·3SiO2·nH2O.

После насыщения катионита ионами Ca2+ и Mg2+ его регенерируют, пропуская через катионит раствор хлорида натрия.

Метод ионного обмена имеет преимущества перед методом осажде-

ния. Последний связан с громадным расходом реагентов и все же часто не дает той степени «умягчения» воды, которая необходима.

Для умягчения воды также используют калгон (calgon) и подобные ему вещества – натриевые соли полифосфорных кислот. Эти соли образуют нерастворимые комплексы с ионами кальция и магния, освобождая при этом ионы натрия.

Количественно жесткость воды можно определить титрованием опре-

деленного объема воды раствором соляной кислоты или трилона Б известной концентрации в присутствии индикатора. Применяются и весовые методы определения жесткости.

Экспериментальнаячасть

Опыт 1 Определениевременнойжесткостиводы

Временную жесткость воды определяют титрованием воды раствором

соляной кислоты:

Ca(HCO3)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O + 2CO2↑

В основе метода титрования лежит закон эквивалентов: вещества реа-

гируют друг с другом в строгих весовых соотношениях, пропорциональных их эквивалентам; соляная кислота титрует бикарбонат ион:

HCO3− + H+ = H2O + CO2↑,

	C		− VH O =Cê Vê ,
		HCO3		2
где ÑÍ ÑÎ 3−	− нормальная концентрация ионов HCO 3− , моль/л; нормальность
воды по ионам Ca2+ такая же, как и ионов HCO −, т. е.					C	Ca	2+ = C	− ; V			−
				3				HCO3	H2O
	Химия. Лаб. практикум									-41-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЕ УМЯГЧЕНИЯ

Экспериментальная часть

объем воды, взятый на анализ, мл; Ск − нормальная концентрация кислоты,

моль/л; Vк − объем кислоты, пошедшей на титрование, мл.

Момент эквивалентности определяется по изменению окраски индикатора. Жесткость воды (число миллимоль эквивалентов Са2+ в 1 литре воды)

рассчитывают по формуле Æâð	= Ñ	2+ 1000, или Æâð =	Ñê Vê 1000 .
	Ñà		VH O
			2

В три конические колбы отмерьте по 100 мл водопроводной воды, прибавьте в каждую из них по 3-4 капли индикатора метилового-оранжевого и титруйте 0,1 н. раствором соляной кислоты.

Титрованный раствор кислоты (0,1 н.) готовится лаборантами и наливается в бюретку на 25−50 мл. Проследите, чтобы кончик бюретки был заполнен раствором. Доведите уровень жидкости в бюретке до нуля. Отсчет ведите по нижнему уровню мениска. Титруйте пробы воды раствором кислоты из бюретки.

Проведите ориентировочный опыт. Для этого прибавляйте из бюретки в коническую колбу с пробой воды по 0,5 мл кислоты, перемешивая жид-

кость вращением колбы (держите колбу большим и указательным пальцами

правой руки, придавая безымянным пальцем вращательные движения жидкости в колбе). Конец титрования (сходятся эквивалентные количества веществ) определяется по изменению окраски индикатора от желтой до оранжевой.

Повторите титрование еще три раза, но более точно. Для этого по-

следние порции кислоты прибавляйте по каплям, пока не произойдет изменение окраски индикатора от одной капли кислоты.

Объем израсходованной на титрование кислоты отсчитывайте по

нижнему мениску с точностью до 0,05 мл.

Перед каждым титрованием колбу для воды необходимо вымыть и сполоснуть дистиллированной водой.

Из полученных данных, которые не должны различаться между собой более чем на 0,1 мл (результаты первого замера не учитываются как ориентировочные), берут средние. Результаты опыта запишите в виде табл. 4.1.

			Таблица 4.1
			Среднее значение
Номер	Объем	Объем израсходованной кислоты
опыта	воды, мл	(показания бюретки), мл	объема кислоты, мл

1100

2100

3100

Рассчитайте величину временной жесткости по формуле

Æâð	=	ÑH(HCl) V HCl 1000	.
		VH O
		2
Химия. Лаб. практикум		-42-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЕ УМЯГЧЕНИЯ

Экспериментальная часть

Опыт 2 Определениеобщейжесткостиводыкомплексонометрическимметодом

Этот метод, наиболее точный и быстрый, получил большое распространение. Он основан на титровании исследуемой воды двузамещенной солью этилендиаминтетрауксусной кислоты (тривиальное название − комплексон III или трилон Б). Трилон Б титрует непосредственно ионы кальция и магния:

HOOCH2C	CH2COONa
N– CH2 – CH2 – N	·2H2O
NaOOCH2C	CH2COOH

С помощью трилона Б можно определить любую жесткость (общую, временную и постоянную). В качестве индикатора применяется краситель эриохром черный Т, дающий с ионами Са2+ и Mg2+ растворимые комплексы винно-красного цвета. Эти комплексы менее устойчивы, чем комплексы кальция и магния с трилоном Б. Поэтому при титровании пробы воды трилоном Б в присутствии этого индикатора винно-красные комплексы разрушаются и образуются бесцветные соединения Mg2+ и Са2+ с трилоном Б, а индикатор приобретает собственную синюю окраску.

В коническую колбу налейте 100 мл водопроводной воды. При титровании в растворе должна быть слабо щелочная реакция (рН = 10), которая создается введением в исследуемую воду определенного количества аммонийного буферного раствора.

Прилейте 5 мл буферного раствора и бросьте несколько кристалликов индикатора эриохрома черного Т. Содержимое колбы перемешайте и титруйте раствором трилона Б до перехода окраски от винно-красной к синей. Конец титрования наиболее заметен, если рядом поставить заведомо перетитрованную пробу. При дальнейшем прибавлении трилона Б цвет и интенсивность окраски раствора не изменяются.

Расчет содержания суммы ионов кальция и магния производится по формуле

Æ= Ñòð.Á Vòð.Á 1000 ,

îáù VH2O

где Vтр.Б − объем раствора трилона Б, пошедшего на титрование, мл; Стр.Б − концентрация раствора трилона Б, н; VН2О − объем воды, мл.

Опыт 3 Устранениевременнойжесткостиводы

В коническую колбу налейте 100 мл водопроводной воды и прокипятите в течение 30−40 мин. Какие соли выпадают в осадок? Охладите колбу, от-

Химия. Лаб. практикум

-43-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И МЕТОДЫ ЕЕ УМЯГЧЕНИЯ

Экспериментальная часть

фильтруйте осадок через фильтр, промойте два-три раза небольшими порциями (10−15 мл) дистиллированной воды. Оттитруйте исследуемую пробу трилоном Б по методике, описанной в опыте 2. Сравните полученные результаты.

Опыт 4 Умягчениеводыкатионированием

100 мл водопроводной воды с известной жесткостью пропустите через колонку с катионитом в коническую колбу, затем определите ее жесткость комплексонометрическим способом. Сопоставьте полученные данные. Если вода после пропускания ее через катионит оказалась все же жесткой, значит, катионит истощился. Катионит следует регенерировать, промывая его 10 %-м раствором хлорида натрия, а затем дистиллированной водой для удаления освободившихся ионов кальция и магния. Составьте уравнения реакций умягчения воды катионированием и регенерации катионита.

Контрольныевопросыизадачи

1.Какая вода называется жесткой? Какими солями вызвана жесткость? В каких единицах измеряется жесткость воды?

2.Что такое временная жесткость воды? Как можно ее определить?

3.Что такое постоянная и общая жесткость воды? Каковы способы ее определения?

4.Каким образом можно устранить жесткость воды, постоянную и временную?

5.Охарактеризуйте суть метода умягчения воды катионированием.

6.На титрование 100 мл водопроводной воды было израсходовано 3,5 мл соляной кислоты титра 0,0032. Определите временную жесткость. (Ответ: 3,04 ммоль·экв/л.)

7. Требуется уменьшить временную жесткость воды с 14 до 6 моль·экв/л. Сколько гидроксида кальция необходимо затратить для умягче-

ния 1000 м3 воды? (Ответ: 296 кг.)

8.В 50 л воды содержится 4,5 г гидрокарбоната магния. Выразите временную жесткость воды в ммоль·экв/л. (Ответ: 1,2 ммоль·экв/л.)

9.Составьте молекулярные и ионные уравнения реакции, происходящей при добавлении к воде, содержащей гидрокарбонат кальция, раствора едкого натрия.

10. Известно, что в одном литре исследуемой воды содержится 42 мг ионов магнияи 112 мг ионов кальция. Вычислите общую жесткость воды.

11.Чем обусловлена необходимость умягчения воды, применяемой для промышленных и бытовых нужд?

12.Сколько граммов карбоната натрия надо прибавить к 400 мл воды, чтобы устранить жесткость, равную 3 мэкв?

13.Вода, содержащая только гидрокарбонат магния, имеет жесткость 3,5 мэкв. Сколько граммов гидрокарбоната магния содержится в 200 мл этой воды?

Химия. Лаб. практикум

-44-