Тема 6. Жесткость воды и реакции солей жесткости в водных растворах

Рекомендуемая литература: [1], гл. 37, § 37.2; [2], гл.12, § 12.3; [3], гл. 6, § 8; [4], гл. 16.

Жесткость – это один из важнейших показателей качества воды. Жесткость обусловлена наличием в природной воде ионов кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺), реже железа (Fe²⁺, Fe³⁺), которые входят в состав растворимых в воде природных солей. Жесткость бывает двух типов: временная и постоянная.

Временная жесткость (гидрокарбонатная) связана с наличием в воде гидрокарбонатов кальция, магния, железа. Она получила такое название в связи с тем, что эти соли легко разлагаются при температуре 90 º С.

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде растворимых средних солей кальция, магния, железа и др. (чаще всего сульфатов и хлоридов).

Суммарное содержание всех растворимых солей кальция, магния, железа в воде характеризует ее общую жесткость и выражается суммой миллиэквивалентов ионов Са²⁺ и Мg²⁺, содержащихся в одном литре воды.

По общей жесткости природные воды делят на следующие категории:

< 1, 5 мэкв/л – очень мягкая;

1, 5 – 3, 0 мэкв/л – мягкая:

3, 0 – 6, 0 мэкв/л – средняя;

6, 0 – 10, 0 мэкв/л – жесткая;

> 10, 0 мэкв/л – очень жесткая.

Наличие солей жесткости в воде существенно ограничивает возможность ее использования по различным направлениям. Это связано с тем, что при использовании воды могут произойти превращения солей жесткости в нерастворимые соединения. Отсюда и произошел, возможно, термин «жесткая вода». Поэтому в процесс подготовки воды для водоснабжения населения, различных технологических процессов и паросиловых установок при необходимости включают умягчение воды, т.е. снижение содержания в ней растворимых солей кальция, магния, железа.

Все методы устранения жесткости основаны на переводе растворимых солей жесткости в нерастворимые соединения с последующим отделением их от воды еще до ее использования. Используют физический, химические и ионнообменные способы устранения жесткости.

Физический (термический) способ применяется для устранения солей временной жесткости:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

Химические методы основаны на необратимых обменных реакциях, приводящих к образованию нерастворимых соединений. Например, для устранения временной жесткости на практике чаще всего используют известкование:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2 CaCO₃↓ + 2 H₂O

р. с.э. н. р. сл. э.

Mg(HCO₃)₂ + 2 Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓ + 2 H₂O

р с. э. н. р. н. р. сл. э.

Постоянная жесткость на практике чаще всего устраняется содовым и фосфатным методами, например:

CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄

р. р. н. р. р.

Ионнообменный способ устранения жесткости основан на том, что некоторые природные и искусственные высокомолекулярные вещества – иониты способны к обмену ионов с раствором электролита. Иониты (ионообменные смолы) представляют собой твердый зернистый материал, набухающий, но нерастворимый в воде. Иониты способны обменивать ионы, входящие в их состав, на ионы, находящиеся в воде и обусловливающие ее жесткость.

Ионообменные смолы подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты способны обмениваться с окружающим раствором электролита катионами, а аниониты – анионами.

Для придания высокомолекулярному соединению ионообменных свойств в его состав химическим путем вводят ионогенные группы. Для катионитов это: SO₃H, SiO₃H, COOH и другие, которые имеют кислотный характер и в водных растворах отщепляют ионы Н⁺. Для анионитов ионогенными являются группы основного характера: -NH₂, -NHR и др. Они образуют гидратированные формы, которые в водных растворах отщепляют гидроксид-ионы:

2 RH + Ca²⁺ → R₂Ca + 2H⁺ катионный обмен

2 ROH + SO₄²⁻ → R₂SO₄ + 2 OH⁻ анионный обмен,

где R – высокомолекулярный органический радикал.

В зависимости от требования, предъявляемого к качеству воды, очистку ограничивают только катионным обменом, удаляя из неё ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, либо ещё и анионным обменом, что позволяет получать химически чистую воду.

Тема 7. Соединения кальция и вяжущие вещества на их основе (спецраздел)

Рекомендуемая литература: [1], гл. 34, с.640-642.