Основные теоретические положения. Жёсткость природных вод, в основном, обусловлена содержанием в них растворимых солей кальция и магния

Жёсткость природных вод, в основном, обусловлена содержанием в них растворимых солей кальция и магния. Разумеется, жёсткость воды могут вызывать не только ионы Ca2+иМg2+, но и катионы других металлов, однако в естественных водах из катионов, образующих нерастворимые мыла, в значительных количествах прucутствуют только катионы кальция и магния. Эти ионы входят в состав гидрокарбонатов Са(НСО3)2, Mg(HCO3)2, сульфатов (СаSO4и MgSO4) и хлоридов (СаСl2и MgCl2). Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало.

Жёсткость, придаваемая воде гидрокарбонатами кальция и магния, называется карбонатной или временной жесткостью. В воде содержащей ионы HCO3-, устанавливается равновесие:

НСО3-+ H2O ↔ H2CO3+ ОН- (1)

Также протекают реакции:

- разложения угольной кислоты H2CO3 ↔ СО2+ H2O (2)

- электролитическая диссоциация НСО3-↔ Н++СО32- (3)

Равновесия в этих процессах связаны между собой. При нагревании воды растворимость СO2уменьшается, часть её улетучивается и равновесие (2) смещается вправо. Вследствие этого смещается вправо равновесие (1), создаётся избыток ионов ОН-, которые взаимодействуют с ионами Н+, вызывая смещение вправо равновесия (3).

В результате этих реакций ионы НСО3-переходят в ионы СО32-no суммарному уравнению

2НСО3-↔ СО32-+H2O+СO2 (4)

В молекулярном виде:

Са(НСО3)2 ↔ СаСО3 +H2O+СO2

Mg(HCO3)2 ↔ MgCO3+H2O+СO2 (5)

Таким образом, при кипячении воды жёсткость, вызванная присутствием гидрокарбонатов кальция и магния, устраняется и поэтому называется временной жёсткостью.

Жёсткость, обусловленная хлоридами и сульфатами этих металлов, называется постоянной жёсткостью, она кипячением не устраняется..

Суммарная жёсткость воды носит название общей жесткости. Жесткость воды (степень жёсткости) принято выражать в ммллиэквивалентах ионов Са2+и Mg2+в 1 л воды (мэкв/л). 1 мэкв/л соответствует содержанию в 1 л воды 20, 04 мг кальция или 12, 16 мг магния.В зависимости от содержания ионов Са2+и Mg2+ природные воды делятся на следующие группы:

Таблица 2.1

Методы устранения жёсткости воды

Применяемые на практике методы устранения жёсткости природной воды условно можно разделить на химические и физические. В первом случае уменьшение жёсткости связано с добавлением к воде различных химических веществ (реагентные методы). Физические методы понижения жёсткости воды основаны на использовании различного рода воздействия на воду (магнитное «электрическое поле, ультразвук и др.) и потому могут считаться безреагентными.

Химические методы устранения жёсткости воды основаны на химических реакциях, в результате которых катионы кальция и магния, придающие жёсткость воде, переводятся в нерастворимые соединения (осадок). Таких методов несколько.

Если вода обладает только временной жёсткостью, то для её устранения применяют известковый способ, т.е. обрабатывают воду известью Са(OН)2:

Са(НСО3)2 +Са(OН)2= 2СаСO3 + H2O

Mg(HCO3)2+ Са(ОН)2= СаСO3+ MgCO3+ 2H2O

Так как ПР(MgCO3) больше, чем ПР(Mg(ОН)2), то окончательное удаление Mg2+ происходит не в виде карбоната, а в виде гидроксида:

MgCO3+ Са(ОН)2 = СаСO3 + Mg(ОН)2

Суммируя уравнения, относящиеся к гидрокарбонату магния, получим:

Mg(HCO3)2+2Са(ОН)2= 2СаСO3+ Mg(ОН)2+ 2H2O

Таким образом, при взаимодействии извести с гидрокарбонатами кальция и магния образуются осадки СаСO3и Мg(OН)2.

При этом способе недопустим избыток извести, который может привести к повышению жёсткости. Поэтому количество вводимой извести должно точно соответствовать результатам анализа воды на жёсткость.

Для устранения как временной, так и постоянной жёсткости воды нередко применяют известково-содовый способ устранения жёсткости. Известь осаждает гидрокарбонаты кальция и магния, как указано выше, а сода - хлориды и сульфаты по реакциям:

CaCl2+ Nа2CO3 = CaCO3+ 2NaCl

СаSO4+ Nа2CO3 = CaCO3+ Nа2SO4

MgCl2 + Nа2CO3 = MgCO3+ 2NaCl

MgSO4+ Nа2CO3 = MgCO3+ Nа2SO4

Кроме указанных способов, основанных на добавлении к воде растворимых реактивов, широкое распространение получили способы устранения жёсткости, основанные на прохождении (фильтрации) воды через слой специальных веществ - ионообменных смол (ионитов).

Иониты представляют собой твёрдые электролиты, у которых один ион является поливалентным и нерастворимым, а ионы противоположного знака могут обмениваться на ионы, находящиеся в водном растворе. При этом, если обмениваются катионы, иониты называются катионитами, при обмене анионов - анионитами, а сам метод носит название метода ионного обме на. Этот метод может быть использован как для умягчения воды, так и для её обессоливания (деионизации).

Ионообменные свойства смолам придают имеющиеся в них активные группы. Для катионитов такими группами являются - SO3H, -SiOOH, - COOН, - ОН; для анионитов - - NH2, - NH2OH и другие. К ионитам относятся также и некоторые сложные неорганические соединения, в частности алюмосиликаты натрия (пермутиты).

В общем случае процесс диссоциации ионообменных смол можно представить в виде:

катионит: _R- СООН = RСOO-+ H+

анионит: R-NH2.HOH = R-NH3 ++ ОН-

Использование ионитов позволяет практически полностью удалить из воды растворенные в ней соли, являющиеся электролитами. Вода, прошедшая через такие ионообменники, близка к дистиллированной, но обходится в несколько раз дешевле воды, полученной перегонкой.

Цель работы - научиться определять временную жёсткость воды методом кислотно-основного титрования.