Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 227
Скачиваний: 11
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
)n + 6nO2 (при действии света)
Получение воды:
Воду получают по реакции нейтрализации, т.е. реакции взаимодействия между кислотами и щелочами:
Также воду можно получить – восстановление металлов водородом из их оксидов:
1.2. Жесткость и методы устранения жесткости воды
Жесткость - один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод. Жесткой называют воду с повышенным содержанием ионов Сa2+ и Mg2+ Сумма концентраций ионов Сa2+ и Mg2+ является количественной мерой жесткости воды.
Ж=С(Сa+2)+С(Mg+2)
Измеряют жесткость числом мили молей эквивалентов ионов жесткости (Сa2+ и Mg2+в 1кг воды (ммоль/кг).В связи с тем, что плотность воды близка к единице, жесткость можноизмерять в ммоль/дм или ммоль/л.
В связи с тем, что в воздухе достаточно велико содержание СО2 , в природной воде есть растворимый диоксид углерода. Протекает взаимодействие СО2 с Н2O:
CO2 + H2O= H2CO3
Результатом, которого является образование гидрокарбонат-иона. Концентрация ионов Сa+2и Mg+2в воде, эквивалентная содержанию иона НСО3-, определяет карбонатную жесткость воды, а концентрация ионов Сa+2и и Mg+2, эквивалентная всем прочим анионам (SO42-, Cl- и т.д.), - некарбонатную. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды.
Следовательно, временная жесткость воды вызывается присутствием гидрокарбонатов таких как, Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2, постоянная жесткость вызвана присутствием в воде сульфатов и хлоридов Сa2+ и Mg2+.
При контроле качества воды определяют ее жесткость. Для определения общей жесткости используют метод комплексонометрии. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии аммиачного буферного раствора (рН=9,0) и индикатора раствором комплексона III до перехода розовой окраски в голубую. При анализе применяют один из индикаторов: кислотный хром синий К или Эрихом черный Т. В присутствии ионов жесткости
Сa2+ и Mg2+ эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет, в отсутствии - в голубой. Комплексен III - двузамещенная натриевая соль этелендиаминтетра - уксусной кислоты:
При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение: т.е. связываются ионы Сa+2 и Mg+2 .Поэтому в конце титрования индикатор изменяет окраску, раствор становится голубым. Определение картой жесткости воды - Жк сводится к определению концентрами гидрокарбоната-иона НСО3- и, тем самым, эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости Сa2+ и Mg2+ Анализ проводят методом нейтрализации.
В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии индикатора 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 3,1 метиловый оранжевый имеет оранжевую окраску.
Анион - в воде гидролизуется: HCO3-
HCO3- + H2O=H2CO3+ ОН-
Поэтому при условии Жк > 0 вода имеет щелочную реакцию среды и метиловый оранжевый в ней окрашен в желтый цвет. При титровании раствором НСl такой воды протекает реакция нейтрализации:
OH- + Н+ = Н2О
Ион H+ нейтрализует количество ионов OH-а, эквивалентное концентрации иона HCO3-
Анализ воды на жесткость предполагает обычно:
а) определение общей жесткости, Жо,
б) определение карбонатной жесткости, Жк
в) вычисление некарбонатной жесткости Жнк = Жо - Жк.
Таблица 1.1
Классификация воды по общей жесткости
1.2.1. Устранение жесткости воды.
1. Реагентные методы. Основаны на обработке воды реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения СаСО3, Са(ОH)2, Мg(ОH)2, Са3(PО4)2.
В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия и бария, ортофосфат натрия. Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. Кальцинированную соду применяют, если карбонатная жесткость немного больше некарбонатной. Фосфатирование применяют для доумягчения воды до значений 0,02-0,03 мг-экв/л.
Са2+ + 2НСО-3 + Са2+ + 2ОН- = 2СаСО3↓ + 2Н2О
Mg2+ + 2НСО-3 + Са2+ + 4ОН- = Mg(ОН)2↓+ 2СаСО3↓ + 2Н2О.
При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная – содой:
Са2+ + СО2-3= СаСО3↓
Mg2+ + СО2-3 = Mg СО3
и далее MgСО3 + Са2+ + 2ОН -= Mg(ОН)2↓ + СаСО3↓
2.Термический метод. Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:
Ca(HCO3)2 = СаСО3 ↓+ СО2↑+ Н2О,
Mg(HCO3)2 = Мg2(ОН)2СО3↓ +3СО2↑ + Н2О,
и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.
3. Термохимический метод. Умягчение осуществляют с применением извести и соды или едкого натра и соды при температуре воды более 100° С (до 165° С). Термохимический метод умягчения применяется в основном при подготовке воды для питания котлов. Только в этом случае утилизируется почти все тепло, затраченное на подогрев воды.
4.Магнитный метод. Механизм воздействия магнитного поля на воду окончательно не выяснен. Существующие гипотезы объясняют влияние магнитного поля на деформацию ионов, их сближение и образование центров кристаллизации; воздействие на коллоидные примеси в воде; влияние на структуру воды. Сущность метода заключается в том, что при воздействии магнитного поля накипь образуется не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки легко удаляются. Метод эффективен при обработке кальциево-карбонатных вод.
5.Умягчение воды диализом (метод нано фильтрации) основан на разделении растворенных веществ с различными молекулярными массами под действием разных скоростей диффузии через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Растворенные вещества (соли жесткости) диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора, растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро- и ацетат целлюлозными пленочными мембранами. Достаточно дорогой способ умягчения воды, требует предварительной очистки воды. При диализе происходит удаление из воды всех солей, в том числе необходимых человеку микроэлементов.
6.Метод ионного обмена основан на обмене между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. В качестве ионитов могут использоваться неорганические и органические материалы, способные к обмену ионов и практически нерастворимые в воде. К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, гидрослюды (глауконит). Органические природные иониты - это гуминовые кислоты почв и углей. К органическим искусственным ионитам относят ионообменные смолы с развитой поверхностью. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами.
Иониты имеют плохо связанные с основной структурой материала подвижные, способные к обмену катионы (H+или Na+) или анионы (OH–) и прочно связанные между собой высокомолекулярные ионыR. В процессе ионообменного умягчения воды происходит замена ионов H+, Na+или OH–на ионы жесткости:
Мg2+ + 2HR→ MgR2 + 2H+;
Са2+ + 2NaR→ CaR2 + 2Na+;
HСO3- + ROH→ RHCO3 + OH–.
Применяя совместное H,–Na-катионирование, можно получить остаточную жесткость в пределах 0,05-0,005 мг∙экв/л.
7.Криогенный метод- вымораживание льда. Вода постепенно замораживается, когда остается примерно 10 % жидкости от первоначального количества, незамерзшая вода сливается, а лед оттаивается и превращается обратно в воду. Все соли, которые образуют жесткость, остаются в незамерзшей воде.
8. Метод перегонки – испарение воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.
Последнее два метода используются для умягчения воды, в малых количествах.
1.2.2. Значение жесткости воды.
Как я уже говорила, жёсткость воды определяется содержанием в воде растворенных солей кальция и магния, которые при нагревании выпадают в осадок, образуя налёт, всем хорошо известный как накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин (недаром дорогие модели бытовой техники снабжены встроенными смягчителями).
На бытовом же уровне жёсткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств при стирке белья и умывании, а также ухудшением потребительских свойств воды. При кипячении достаточно жёсткой воды на её поверхности образуется плёнка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жёсткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков.
С точки зрения применения воды для питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жёсткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус.
Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жёсткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жёсткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.
Получение воды:
Воду получают по реакции нейтрализации, т.е. реакции взаимодействия между кислотами и щелочами:
-
H2SO4 + 2KOH = K2SO4 + H2O; -
HNO3 + NH4OH = NH4NO3 + H2O; -
2CH3COOH + Ba(OH)2 = (CH3COO)2Ba + H2O.
Также воду можно получить – восстановление металлов водородом из их оксидов:
-
CuO + H2 = Cu + H2O.
1.2. Жесткость и методы устранения жесткости воды
Жесткость - один из технологических показателей, принятых для характеристики состава и качества природных вод. Жесткой называют воду с повышенным содержанием ионов Сa2+ и Mg2+ Сумма концентраций ионов Сa2+ и Mg2+ является количественной мерой жесткости воды.
Ж=С(Сa+2)+С(Mg+2)
| Общая жесткоть воды | |
| Карбонатная(временная) | Некарбонатная( постоянная) |
| Ca(HCO3)2,Mg(HCO3)2 | MgSO4,CaSO4 ,MgCl2,CaCl2 |
Измеряют жесткость числом мили молей эквивалентов ионов жесткости (Сa2+ и Mg2+в 1кг воды (ммоль/кг).В связи с тем, что плотность воды близка к единице, жесткость можноизмерять в ммоль/дм или ммоль/л.
В связи с тем, что в воздухе достаточно велико содержание СО2 , в природной воде есть растворимый диоксид углерода. Протекает взаимодействие СО2 с Н2O:
CO2 + H2O= H2CO3
Результатом, которого является образование гидрокарбонат-иона. Концентрация ионов Сa+2и Mg+2в воде, эквивалентная содержанию иона НСО3-, определяет карбонатную жесткость воды, а концентрация ионов Сa+2и и Mg+2, эквивалентная всем прочим анионам (SO42-, Cl- и т.д.), - некарбонатную. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды.
Следовательно, временная жесткость воды вызывается присутствием гидрокарбонатов таких как, Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2, постоянная жесткость вызвана присутствием в воде сульфатов и хлоридов Сa2+ и Mg2+.
При контроле качества воды определяют ее жесткость. Для определения общей жесткости используют метод комплексонометрии. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии аммиачного буферного раствора (рН=9,0) и индикатора раствором комплексона III до перехода розовой окраски в голубую. При анализе применяют один из индикаторов: кислотный хром синий К или Эрихом черный Т. В присутствии ионов жесткости
Сa2+ и Mg2+ эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет, в отсутствии - в голубой. Комплексен III - двузамещенная натриевая соль этелендиаминтетра - уксусной кислоты:
При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение: т.е. связываются ионы Сa+2 и Mg+2 .Поэтому в конце титрования индикатор изменяет окраску, раствор становится голубым. Определение картой жесткости воды - Жк сводится к определению концентрами гидрокарбоната-иона НСО3- и, тем самым, эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости Сa2+ и Mg2+ Анализ проводят методом нейтрализации.
В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии индикатора 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 3,1 метиловый оранжевый имеет оранжевую окраску.
Анион - в воде гидролизуется: HCO3-
HCO3- + H2O=H2CO3+ ОН-
Поэтому при условии Жк > 0 вода имеет щелочную реакцию среды и метиловый оранжевый в ней окрашен в желтый цвет. При титровании раствором НСl такой воды протекает реакция нейтрализации:
OH- + Н+ = Н2О
Ион H+ нейтрализует количество ионов OH-а, эквивалентное концентрации иона HCO3-
Анализ воды на жесткость предполагает обычно:
а) определение общей жесткости, Жо,
б) определение карбонатной жесткости, Жк
в) вычисление некарбонатной жесткости Жнк = Жо - Жк.
Таблица 1.1
Классификация воды по общей жесткости
| Жесткость, мг-экв/л | Справочник по химии | Водоподготовка | Россия | USEPA (США) | |
| 0-1,5 | Мягкая (0-4 мг-экв/л) | Очень мягкая | Мягкая | Мягкая | |
| 1,5-1,6 | Мягкая | Умеренно жесткая | |||
| 1,6-2,4 | Средней жесткости | ||||
| 2,4-3,0 | Достаточно жесткая | Жесткая | |||
| 3,0-3,6 | Умеренно жесткая | ||||
| 3,6-4,0 | Жесткая | ||||
| 4,0-6,0 | Средней жесткости | ||||
| 6,0-8,0 | Жесткая | Очень жесткая | |||
| 8,0-9,0 | Жесткая | ||||
| 9,0-12,0 | |||||
| >12,0 | Очень жесткая | ||||
1.2.1. Устранение жесткости воды.
1. Реагентные методы. Основаны на обработке воды реагентами, образующими с кальцием и магнием малорастворимые соединения СаСО3, Са(ОH)2, Мg(ОH)2, Са3(PО4)2.
В качестве реагентов используют известь, кальцинированную соду, гидроксиды натрия и бария, ортофосфат натрия. Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости. Кальцинированную соду применяют, если карбонатная жесткость немного больше некарбонатной. Фосфатирование применяют для доумягчения воды до значений 0,02-0,03 мг-экв/л.
Са2+ + 2НСО-3 + Са2+ + 2ОН- = 2СаСО3↓ + 2Н2О
Mg2+ + 2НСО-3 + Са2+ + 4ОН- = Mg(ОН)2↓+ 2СаСО3↓ + 2Н2О.
При одновременном добавление извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жёсткости (известково-содовый способ). Карбонатная жёсткость при этом устраняется известью (см. выше), а некарбонатная – содой:
Са2+ + СО2-3= СаСО3↓
Mg2+ + СО2-3 = Mg СО3
и далее MgСО3 + Са2+ + 2ОН -= Mg(ОН)2↓ + СаСО3↓
2.Термический метод. Для избавления от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием осадка среднего или основного карбоната:
Ca(HCO3)2 = СаСО3 ↓+ СО2↑+ Н2О,
Mg(HCO3)2 = Мg2(ОН)2СО3↓ +3СО2↑ + Н2О,
и жёсткость воды снижается. Поэтому гидрокарбонатную жёсткость называют временной.
3. Термохимический метод. Умягчение осуществляют с применением извести и соды или едкого натра и соды при температуре воды более 100° С (до 165° С). Термохимический метод умягчения применяется в основном при подготовке воды для питания котлов. Только в этом случае утилизируется почти все тепло, затраченное на подогрев воды.
4.Магнитный метод. Механизм воздействия магнитного поля на воду окончательно не выяснен. Существующие гипотезы объясняют влияние магнитного поля на деформацию ионов, их сближение и образование центров кристаллизации; воздействие на коллоидные примеси в воде; влияние на структуру воды. Сущность метода заключается в том, что при воздействии магнитного поля накипь образуется не на поверхности нагрева, а в массе воды. Образующиеся рыхлые осадки легко удаляются. Метод эффективен при обработке кальциево-карбонатных вод.
5.Умягчение воды диализом (метод нано фильтрации) основан на разделении растворенных веществ с различными молекулярными массами под действием разных скоростей диффузии через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Растворенные вещества (соли жесткости) диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора, растворитель (вода) диффундирует в обратном направлении. Диализ осуществляется в мембранных аппаратах с нитро- и ацетат целлюлозными пленочными мембранами. Достаточно дорогой способ умягчения воды, требует предварительной очистки воды. При диализе происходит удаление из воды всех солей, в том числе необходимых человеку микроэлементов.
6.Метод ионного обмена основан на обмене между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. В качестве ионитов могут использоваться неорганические и органические материалы, способные к обмену ионов и практически нерастворимые в воде. К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, гидрослюды (глауконит). Органические природные иониты - это гуминовые кислоты почв и углей. К органическим искусственным ионитам относят ионообменные смолы с развитой поверхностью. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами.
Иониты имеют плохо связанные с основной структурой материала подвижные, способные к обмену катионы (H+или Na+) или анионы (OH–) и прочно связанные между собой высокомолекулярные ионыR. В процессе ионообменного умягчения воды происходит замена ионов H+, Na+или OH–на ионы жесткости:
Мg2+ + 2HR→ MgR2 + 2H+;
Са2+ + 2NaR→ CaR2 + 2Na+;
HСO3- + ROH→ RHCO3 + OH–.
Применяя совместное H,–Na-катионирование, можно получить остаточную жесткость в пределах 0,05-0,005 мг∙экв/л.
7.Криогенный метод- вымораживание льда. Вода постепенно замораживается, когда остается примерно 10 % жидкости от первоначального количества, незамерзшая вода сливается, а лед оттаивается и превращается обратно в воду. Все соли, которые образуют жесткость, остаются в незамерзшей воде.
8. Метод перегонки – испарение воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.
Последнее два метода используются для умягчения воды, в малых количествах.
1.2.2. Значение жесткости воды.
Как я уже говорила, жёсткость воды определяется содержанием в воде растворенных солей кальция и магния, которые при нагревании выпадают в осадок, образуя налёт, всем хорошо известный как накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин (недаром дорогие модели бытовой техники снабжены встроенными смягчителями).
На бытовом же уровне жёсткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств при стирке белья и умывании, а также ухудшением потребительских свойств воды. При кипячении достаточно жёсткой воды на её поверхности образуется плёнка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жёсткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков.
С точки зрения применения воды для питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жёсткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус.
Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жёсткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жёсткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.