8

М Г Т У и м е н и Н. Э. Б а у м а н а

Лабораторная работа

по химии.

«Определение жесткости воды».

Выполнила: Косяк Анна

Факультет: НУК РЛМ

Группа: БМТ2 - 12

Дата выполнения: 29. 10. 2004

Дата сдачи: 05. 11. 2004

М О С К В А

2 0 0 4

1. Цель работы.

Ознакомиться с одним из свойств воды – жесткостью, способами ее определения и устранения.

2. Теоретическая часть.

1. Жесткость воды.

1. Состав природных вод.

Вода – одно из наиболее важных и распространенных химических соединений на нашей планете. Она покрывает 80% поверхности Земли и содержится во многих ее объектах: входит в состав горных пород и минералов, присутствует в почве и атмосфере, содержится во всех живых организмах. Ее важность заключается в том, что она является регулятором климатических условий на земле и универсальным растворителем в процессах, происходящих как в живой, так и неживой природе. Хорошая растворяющая способность воды, обусловленная полярностью ее молекул, приводит к тому, что в природе она чаще всего встречается не в виде индивидуального химического соединения, а в виде сложной многокомпонентной системы, в состав которой входят минеральный вещества, газы, коллоидные и крупнодисперсные частицы, а также различные микроорганизмы. Растворенные в воде компоненты находятся друг с другом в равновесии, образуя комплексы различного состава.

Одержание или концентрация тех или иных компонентов в природной воде зависит от вида водоисточника, температуры, времени года и многих других факторов.

Природные водоемы, находящиеся вблизи промышленных центров, содержат еще и вещества, являющиеся результатом деятельности человека. Это выбросы шахт, заводов, фабрик. Большинство из них являются вредными веществами, делающими часто непригодными природные водоемы для жизнедеятельности человека.

Основными газами, содержащимися в природной воде, являются СО₂, О₂, СН, СО, Н₂, N₂. Следует отметить, что относительное содержание кислорода в воде выше, чем в воздухе.

Среди основных минеральных веществ, присутствующих в природной воде – гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция и магния. Их источником являются горные породы – известняки, доломиты, растворяющиеся в результате контакта с природной водой в ходе ее круговорота.

Наличие в воде растворенных веществ увеличивает температуру ее кипения и понижает температуру замерзания. Последнее используется широко в практике для предотвращения образования льда зимой: на дорогах рассыпают соль, понижая тем самым температуру замерзания воды.

1. Виды жесткости и единицы ее измерения.

Воду с растворенными в ней солями называют жесткой, а совокупность свойств такой воды – жесткостью. Жесткая вода образует накипь на стенках паровых котлов, отопительных приборов и бытовой металлической посуды. Она не пригодна для производства бумаги и крашения тканей, для приготовления пищи и напитков. В жесткой воде не пенится мыло, плохо развариваются овощи и мясо.

Согласно ГОСТ 6055 – 86 различают:

• карбонатную жесткость – это совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней гидрокарбонатов кальция, магния и железа. Часто этот вид жесткости называют временной или устранимой;

• некарбонатную жесткость – совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция, магния и железа. Этот вид жесткости также называют постоянной или неустранимой;

• общую жесткость, складывающуюся из карбонатной и некарбонатной жесткости. Она равна сумме концентраций ионов Са²⁺, Mg²⁺, Fе²⁺.

Количественно жесткость воды в России выражают единицами жесткости. За единицу жесткости принимают жесткость воды в одном литре которой содержится один миллимоль (ммоль) эквивалент ионов Са²⁺ или Mg²⁺. Числовое значение жесткости, выраженное в ммоль/л, совпадает со значением в моль/м³. Одна единица жесткости соответствует массовой концентрации ионов Са²⁺, равной 20, 4 мг/л или ионов Mg²⁺, равной 12, 15 мг/л.

По величине жесткости различают воду:

• очень мягкую < 1, 5 единиц (ммоль экв/л);

• мягкую 1, 5 – 3 единиц;

• среднюю 3, 6 – 6, 0 единиц

• жесткую 6, 0 – 9, 0 единиц

• очень жесткую > 9, 0 единиц.

1. Методы устранения и снижения жесткости воды.

Устранение или снижение жесткости воды называют умягчением. Его осуществляют различными методами.

1. 1 Термическая обработка воды.

Сущность этого метода заключается в предварительном нагревании воды до 70 – 80^о С или ее кипячении. Метод позволяет устранить только временную (карбонатную) жесткость, обусловленную наличием в воде хорошо растворимых гидрокарбонатов кальция, магния и железа. При этом катионы Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ осаждаются в виде нерастворимых соединений.

Распад гидрокарбонатов магния и железа, в отличии от гидрокарбоната кальция, протекает сложнее: он одновременно сопровождается процессами гидролитического разложения их карбонатов. Это объясняется тем, что карбонаты магния и железа, в отличие от карбоната кальция, более растворимы, чем их гидроксиды.

Если временная жесткость предварительно не была устранена, то вышеприведенные процессы протекают при нагревании воды в паровых котлах, системах водяного отопления и охлаждения, бытовой металлической посуде с образованием в них слоя накипи из нерастворимых соединений. Это снижает коэффициенты теплопередачи и ухудшает их теплотехнические характеристики. При этом происходит перерасход топлива и перегрев металлических поверхностей. Чем больше железа содержится в воде, тем более бурым является цвет накипи.

При термической обработке воды удается также снизить и содержание в ней растворимых газов, т. к. их растворимость с увеличением температуры падает.

1. 2 Химическая обработка воды (реагентный метод)

Этот метод позволяет устранить как временную жесткость, так и постоянную. Сущность его заключается в обработке воды специальными реагентами, образующими ионами, вызывающими жесткость, малорастворимые соединения.

К числу таких реагентов относятся: сода Na₂CO₃, негашеная CaO и гашеная Ca(OH)₂ извести, различные фосфаты натрия (Na₃PO₄, Na₆P₆O₁₈) и др.

При обработке воды известью (гашеной или негашеной) происходит устранение ее временной жесткости и одновременное снижение ее щелочности. Процесс называется известкованием или декарбонизацией.

Обработка известью позволяет связать и растворенный в воде углекислый газ. Использование фосфатов натрия предпочтительнее, так как образующие фосфаты кальция, магния и железа менее растворимы, чем соответствующие их карбонаты и гидроксиды.

Для одновременного устранения карбонатной и некарбонатной жесткости широкое распространение в промышленности получил известково – содовый метод: обработка воды смесью СаО и Nа₂СО₃. Вода, умягченная этим способом, имеет остаточную жесткость равную 0, 5 – 0, 1 ммоль зкв/л. Он становится еще более эффективным, если его проводить при нагревании, сочетая достоинства химического и термического методов.

1. 3 Ионообменный метод.

Это современный физико – химический метод, широко используемый в промышленности, особенно в гидрометаллургии. Использование его для умягчения и деминерализации воды позволяет не только уменьшить ее жесткость, но достичь ее глубокой очистки. Вода, подвергшаяся такой обработке, практически не содержит посторонних ионов: ни катионов, ни анионов. Метод основан на способности некоторых веществ, не растворимых в воде, стехиометрически обменивать свои ионы на ионы внешней среды (воды, растворов электролитов). Вещества, обладающие такими свойствами, называют ионообменниками (ионообменными сорбентами) или сокращенно ионитами. Большинство ионитов – твердые, ограниченно набухающие вещества, аморфной или кристаллической структуры. Они состоят из каркаса (матрицы) и закрепленных на нем иогенных (активных функциональных) или комплексообразующих групп. Эти группы диссоциируют, давая полионы (фиксированные ионы, ковалентно связанные с каркасом) и эквивалентное число подвижных противоионов, способных к обмену и компенсирующих своими зарядами заряды полионов.

По знаку заряду подвижных противоионов, т. е. по знаку заряду обменивающихся ионов, иониты делятся на катиониты, аниониты и амфолиты, по химической природе каркаса – на неорганические, органические и минерально – органические.

1. Практическая часть.

Опыт 1.

а) Название эксперимента.

Определение временной жесткости воды.

б) Ход эксперимента.

Пипеткой на 100 мл отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды.

В каждую из колб добавим по 3 капли раствора индикатора – метилового оранжевого (щелочной раствор имеет желтую окраску, а кислый – красную).

В бюретку на 50 мл нальем до приблизительного 0 значения 0, 1н раствор соляной кислоты и запишем точное значение начального положения уровня кислоты (по нижнему уровню мениска).

Поставим обе колбы на лист белой бумаги. Одну из них оставим в сторону, она будет служит контрольным образцом для сравнения цвета растворов.

Во вторую по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 1 н раствора соляной кислоты до перехода окраски раствора от желтой до оранжево – красной и сравним с цветом раствора, находящимся в первой колбе.

В момент изменения окраски запишем значение положения уровня раствора кислоты (по нижнему краю мениска) в бюретке и вычислим израсходованный на титрование объем соляной кислоты.

Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться. Если такое произойдет, то эксперимент придется повторить.

в) Наблюдения.

При добавлении метилового оранжевого индикатора в воду она становится желтой, а при добавлении потом туда соляной кислоты цвет меняется на красный.

г) Уравнение реакции.

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂ ↑ + H₂O

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

д) Проведение расчетов.

Рассчитаем среднее значение объема кислоты, пошедшей на титрование, и по нему вычислим временную жесткость воды.

V_н = 0

V_кHCL1 = 1, 12 мл

V_кHCL2 = 1, 19 мл

V_кHCL3= 1, 06 мл

V_кHCL1 +V_кHCL3 +V_кHCL2 1, 12 + 1, 19 + 1, 06 3, 37

V_срHCL = —————————— = ————————— = ——— = 1, 123 мл

3 3 3

N_HCl * V_срHCL 0, 1 * 1, 123

Нвр = —————— * 1000= ——————— * 1000 = 1, 123 ммоль экв/л

V_H2O 100

е) Вывод.

По полученным данным о жесткости воды, можно утверждать, что вода очень мягкая, так как значение жесткости меньше 1, 5 единиц по ГОСТ.

Опыт 2.

а) Название эксперимента.

Определение общей жесткости воды.

б) Ход эксперимента.

В бюретке (на 50 мл) заполним 0, 05н трилона Б до примерно нулевого деления и запишем точное положение уровня по нижнему краю мениска. Пипеткой (на 100 мл) отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды, добавим в них 5 мл буферного раствора и сухой соли эриохрома черного, и перемешаем.

Поставим обе колбы на лист белой бумаги, затем одну из колб будем использовать в качестве контрольного образца для сравнения цвета растворов.

Во вторую, по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 05 раствора трилона Б до перехода окраски от одной капли из винно – красной в фиолетовую.

Подождем 1 – 2 минуты, перемешивая раствор. Если окраска не стала сине – голубой с зеленоватым оттенком, доведем ее до этого цвета, добавив еще несколько капель раствора трилона Б из бюретки.

Сравним цвет рабочего раствора с окраской контрольного раствора в первой колбе.

В момент изменения окраски запишем положение уровня раствора трилона Б в бюретки по нижнему мениску и вычислим израсходованный на титрование объем трилона Б.

Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться друг от друга. Если все же отличаются, опыт придется повторить.

в) Наблюдения.

При добавлении эриохрома черного в раствор, цвет раствора становится

розоватым. А при добавлении туда избытка раствора трилона Б цвет меняется на сине – голубой.

г) Уравнение реакции.

д) Проведение расчетов.

Рассчитаем среднее из близких результатов значение объема трилона Б,

пошедшего на титрование, и по нему вычислим общую жесткость воды.

V_н = 0

V_{ктрилонаБ1} = 2, 68 мл

V_{ктрилонаБ2} = 2, 74 мл