ЖЕСТКОСТЬ И УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ

Жесткость – один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод.

Жесткой называют воду с повышенным содержанием ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Сумма концентраций ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ является количественной мерой жесткости воды:

Ж= С Ca²⁺ + С Mg²⁺.

Измеряют жесткость числом миллимолей ионов жесткости (Ca²⁺ и Mg²⁺) в 1 кг воды (ммоль/кг). В связи с тем, что плотность воды близка к единице, жесткость можно измерять в ммоль/дм³ или ммоль/л.

Различают жесткость воды общую Ж ₀, карбонатную Ж _к и некарбонатную

Ж _нк.

В связи с тем, что в воздухе достаточно велико содержание СО₂, в природной воде есть растворенный диоксид углерода. Протекает взаимодействие СО₂ с Н₂О:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО^-₃ ,

результатом которого является образование гидрокарбонат-иона. Концентрация ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде, эквивалентная содержанию иона НСО₃^-, определяет карбонатную жесткость воды, а концентрация ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ , эквивалентная всем прочим анионам (SO₄^2-, Cl^- и т.д.), - некарбонатную. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды. Использование природной воды в технике требует ее предварительной очистки, в том числе умягчения (снижения жесткости до определенной нормы).

Карбонатная жесткость устраняется при кипячении воды по реакции:

t

Са(НСО₃)₂ ® СаСО₃ + СО₂­ + Н₂О

Ионы кальция и магния выпадают в виде нерастворимых карбонатов и вода становится мягкой.

Некарбонатная жесткость не устраняется при кипячении воды. Устранить ее можно дистилляцией, добавлением химических реагентов или методом ионного обмена (катионирования). При химическом методе осаждения чаще всего в качестве осадителя используют известь или соду. При этом в осадок (в виде СаСО₃ и Mg(OH)₂) переводятся все соли кальция и магния.

Для устранения жесткости методом ионного обмена или катионирования воду пропускают через слой катионита – высокомолекулярные нерастворимые соли или кислоты. При этом катионы Ca²⁺ и Mg²⁺, находящиеся в воде, обмениваются на катионы Н⁺ или Na⁺, содержащиеся в применяемом катионите:

2R^- Na⁺ + Ca²⁺ = R₂Ca²⁺ + 2Na⁺.

В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Ca²⁺ и Mg²⁺, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают последовательно через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (Н- катионит), и анионит, содержащий гидроксид ионы (ОН- анионит). В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды назывется обессоливанием.

При контроле качества воды определяют ее жесткость. Для определения общей жесткости применяют метод комплексонометрии. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии аммиачного буферного раствора (рН = 10,0) и индикатора раствором комплексона III до перехода розовой окраски в голубую.

При анализе применяют один из индикаторов: кислотный хром синий К или эриохром черный Т. В присутствии ионов жесткости Са²⁺ и Мg²⁺ эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет, в отсутствие – в голубой.

Комплексон – двузамещенная натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты.

NaOOCCH₂ CH₂COONa

N-CH₂-CH₂-N

HOOCCH₂ CH₂COOH

При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение: -2

ООССН₂ СН₂СОО

N-CH₂-CH₂-N

ООССН₂ СН₂СОО

Са,

т.е. связываются ионы Са²⁺ и Mg²⁺. Поэтому в конце титрования индикатор изменяет окраску, раствор становится голубым.

Определение карбонатной жесткости воды Ж_к сводится к измерению концентрации гидрокарбонат-иона НСО₃^- и тем самым эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости Са²⁺ и Mg²⁺. Анализ проводят методом нейтрализации. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии метилового оранжевого раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую.

Метиловый оранжевый - кислотно-основной индикатор, изменяющий свою окраску от красной при рН < 3,1 до желтой при рН > 4,4. В точке перехода метиловый оранжевый имеет оранжевую окраску.

Анион НСО₃^- в воде гидролизуется:

НСО₃^- + Н₂О = Н₂СО₃ + ОН^-

Поэтому при условии Ж_к > 0 вода имеет щелочную реакцию среды и метиловый оранжевый в ней окрашен в желтый цвет. При титровании раствором НС1 такой воды протекает реакция нейтрализации:

ОН^- + Н⁺ ® Н₂О

Ионы Н⁺ нейтрализуют количество ионов ОН^-, эквивалентной концентрации иона НСО₃^-.

Анализ воды на жесткость предполагает обычно:

а) определение общей жесткости Ж₀;

б) определение карбонатной жесткости Ж_к;

в) вычисление некарбонатной жесткости Ж_нк = Ж₀ – Ж_к.

Контрольные вопросы и задачи

1. Что такое жесткость воды?

2. Какой вид жесткости устраняется кипячением? Какие химические реакции протекают при этом?

3. Какие реагенты используют для умягчения воды методом осаждения? Какие реакции при этом протекают?

4. Как происходит умягчение воды с помощью ионного обмена?

5. Как определяют общую жесткость воды?

6. Как определяют карбонатную и некарбонатную жесткость воды?

7. В каких единицах измеряется жесткость воды?

8. Общая жесткость воды равна 4 ммоль/л. Через ионообменый фильтр пропущено 100 л Н₂О. Сколько молей ионов Са⁺² и Мg⁺² задержано фильтром, если известно, что жесткость снизилась до 0,5 ммоль/л. (Ответ: 0,35 моль ионов жесткости)

9. На титрование 200 мл Н₂О израсходовано 8 мл 0,1 н раствора комплексона. Вычислите общую жесткость воды.(Ответ: 2 ммоль/л)

10. Определите карбонатную жесткость, если на титрование 200 мл Н₂О израсходовано 8 мл 0,05н раствора НС1. (Ответ: 1 ммоль/л)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: