Засоби усування твердості води

При тривалому використанні твердої води стінки парових котлів поступово вкриваються твердою кіркою накипу. Така кірка вже при товщині шару в 1 мм дуже знижує передавання тепла стінками котла і, отже, призводить до збільшення витрати палива. Крім того, вона може бути причиною утворення здуттів і тріщин в кип’ятильних трубах і на стінках самого котла.

Тверда вода не дає піни з милом, бо розчинені натрієві солі жирних кислот – пальмітинової і стеаринової, які є в милі – переходять у нерозчинні кальцієві солі тих самих кислот:

 

2С17Н35СООNа + СаSО4 = (С17Н35СОO)2 Са↓ + Nа2SО4
стеарат натрію	стеарат кальцію

Видалення солей, які зумовлюють твердість, називається водопом’якшенням, входить у систему водопідготовки – обробки природної води, яку використовують для живлення парових котлів і для різних технологічних процесів.

Під час водопідготовки звільняються від грубодисперсних і колоїдних домішок і від розчинених речовин. Завислі і колоїдні домішки видаляють коагуляцією їх солями (звичайно Аl₂(SО₄)₃ ), що додаються до води, з подальшою фільтрацією.

Аl₂(SО₄)₃ + ЗСа(НСО₃)₂ → 2Аl(ОН)₃↓ + 3СаSо₄ + 6СО₂↑

При коагуляції в воді підвищується кількість сульфатів і вільної вугільної кислоти, але зменшується бікарбонатна лужність.

Для водопом’якшення застосовують способи осадження і йонного обміну. Способом осадження катіони Са²⁺ і Мg²⁺ переводять у малорозчинні сполуки, що випадають в осад. Цього досягають фізичним методом – кип’ятінням:

Са(НСО₃)₂ СаСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

або хімічним методом – введенням у воду відповідних реагентів.

Під час кип’ятіння зникає лише карбонатна твердість. При застосуванні хімічного методу найчастіше як осаджувач використовують вапно. При цьому відбуваються реакції:

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ → 2СаСО₃↓ + 2H₂О

МgСl₂ + Са(ОН)₂ → Мg(ОН)₂↓ + СаСl₂

Якщо концентрація СаSО₄ + СаСl₂ складає більше 10 мг-екв/л, можна застосувати вапно-содову обробку води:

СаSО₄ + Nа₂СОз → СаСО₃↓ + Nа₂SО₄

СаСl₂ + Nа₂СОз → СаСО₃↓ + 2NаСl

Са(ОН)₂ + Nа₂СОз → СаСО₃↓ + 2NаОН

Щоб ліквідувати твердість методом йонного обміну або катіонування, воду пропускають через шар катіоніту. При цьому йони Са²⁺ і Мg²⁺, які є у воді, обмінюються на йони Nа⁺, що містяться у катіоні. У деяких випадках треба видалити з води не тільки йони Са²⁺ і Мg²⁺, а й інші йони. У таких випадках воду пропускають послідовно через катіоніт, що містить в обмінній формі гідроген-йони (Н-катіоніт), та аніоніт, що містить гідроксильні йони (ОH-аніоніт). В результаті вода звільнюється від катіонів та аніонів солей. Така обробка називається знесолюванням води.

Приклад реакції катіонного обміну (R – означає смолу):

2R‾ – Nа⁺ + Са²⁺(НС )₂ → (R‾)₂Сa²⁺ + 2Nа⁺НСО₃^–

Для аніонного обміну широко застосовується високоосновна смола в хлоридній формі:

R⁺Cl‾ + Nа⁺N → R⁺N + Nа⁺Cl‾

Таким чином звільняють воду від нітратів.

Коли процес йонного обміну доходить до рівноваги, йоніт перестає працювати – втрачає здатність пом’якшувати воду. Але будь-який йоніт легко зазнає регенерації. Для цього через катіоніт пропускають концентрований розчин NаСl (Nа₂SO₄) або НС1 (Н₂SO₄). При цьому йони Са²⁺ і Мg²⁺ переходять у розчин, а катіоніт знову насичується йонами Nа⁺ або H ⁺. Для регенерації аніоніту його обробляють розчинами лугу або соди (цей розчин, внаслідок гідролізу карбонатного йону, також має лужну реакцію). В результаті поглинуті аніони витісняються в розчин, а аніоніт знову насичується йонами ОН^–.

3. ВИЗНАЧЕННЯ ТВЕРДОСТІ ВОДИ

Для визначення загальної твердості води застосовують метод комплексонометричного титрування, заснований на використанні реакцій, які супроводжуються утворенням комплексних сполук катіонів з комплексонами.

Комплексони є похідними амінополікарбонових кислот, серед яких найбільше практичне значення має етилендіамінтетраоцтова кислота. На практиці звичайно застосовують двозаміщену натрієву сіль цієї кислоти (ЕДТА), що відома також під назвами комплексон III або трилон Б. Структурна формула ЕДТА має вид:

HOOCH₂C CH₂COONa

N–CH₂–CH₂–N

HOOCH₂C CH₂COOH

 

Комплексон III утворює внутрікомплексні солі із йонами металів (йонами твердості) шляхом заміщення атомів Гідрогену карбоксильних груп, а також утворенням координаційного зв'язку з атомом Нітрогену:

 

OOCH₂C CH₂COONa

N–CH₂–CH₂–N

NaOOCH₂C CH₂COO

Me

 

 

Комплекси, які утворюються комплексонами з катіонами металів, досить стійкі і мають рК_нест від 8 до 26 (для ЕДТА), що забезпечує практично повне зв'язування металу, що визначають, у комплекс.

Як індикатори застосовують органічні барвники, які утворюють з йонами металів (йонами твердості) теж комплексні сполуки, але менш стійкі. Забарвлення комплексної сполуки індикатора відрізняється від забарвлення вільного індикатора. Тому в процесі титрування комплексна сполука індикатора з катіоном металу руйнується й індикатор виділяється у вільному виді, при цьому відбувається зміна забарвлення титрованого розчину в точці еквівалентності.

У даній роботі використовується як індикатор барвник еріохром чорний Т, який має синє забарвлення у лужному середовищі, а його комплекс з йонами твердості – червоне забарвлення. Якщо у воду внести барвник, то розчин забарвиться у червоний колір, а під час титрування розчином комплексона ІІІ у точці еквівалентності – у синій, тому що утвориться інший, безбарвний, комплекс, і індикатор перейде у вільну форму. Визначення буде правильним, якщо розчин має рН 10. З цією метою у воду додають амоніачний буферний розчин з рН 10.

Для визначення КАРБОНАТНОЇ ТВЕРДОСТІ можна використати метод титрування певного об'єму води розчином хлоридної кислоти відомої концентрації в присутності індикатора метилового оранжевого.

ПОСТІЙНУ ТВЕРДІСТЬ води розраховують по різниці між загальною й карбонатною твердістю.

ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

Прилади і реактиви. Бюретки місткістю 25 мл. Піпетки місткістю 100 і 50 мл. Конічні колби місткістю 250 мл. Лійки для бюреток. Індикатори: метиловий оранжевий. Еріохром чорний Т (0,2 %-ий розчин у спирті). Розчини: хлоридної кислоти (0,1 н., титрований); буферний розчин (20 г хч амоній хлориду розчинити в дистильованій воді, додати 100 мл 25 %-ого розчину амоніаку і дистильованої води до мітки в мірній колбі місткістю 1 л); ЕДТА (0,02 н., титрований; 3,7224 г ЕДТА розчинити в мірній колбі місткістю 1 л у дистильованій воді, розчин довести до мітки). Вода для аналізування.

а) Визначення тимчасової твердості

Тому що вода, що містить гідрокарбонати кальцію і магнію, має лужну реакцію (чому?), визначення карбонатної твердості виконується безпосереднім титруванням води хлоридною кислотою в присутності індикатора – метилового оранжевого.

Хід роботи. Відміряти піпеткою зазначений викладачем об’єм досліджуваної води (100 – 50 мл) і перенести її в конічну колбу для титрування. Додати 2 – 3 краплі індикатора метилового оранжевого. У приготовлену заздалегідь бюретку налити 0,1 моль/л титрований розчин хлоридної кислоти. Установити рівень на нульовій поділці і по краплях доливати хлоридну кислоту у воду до зміни забарвлення розчину від жовтого до оранжево-рожевого. Визначити об’єм витраченої на титрування хлоридної кислоти і записати його в таблицю. Титрування повторити ще два рази, щораз доливаючи в бюретку кислоти до нульової поділки й обполіскуючи колбочку для титрування. Розбіжність в об’ємі кислоти при титруванні не повинна перевищувати 0,05 мл. Результати досліду записати в таблицю:

№ титрування	Об’єм Н2О, VН2О мл	Об’єм титранту, мл	Середній об’єм розчину НСl VHCl, мл	Молярна концентрація еквівалентів розчину HCl, СHCl

 

Тимчасову твердість води (у ммоль екв/л) розраховують по формулі:

 

С_HCl V_HCl ∙1000
Твердість тимчасова (карбонатна) = –––––––––––––––––––––

V_Н2О

 

б) Визначення загальної твердості

Заповнити бюретку титрованим розчином ЕДТА (0,1 моль/л). Відміряти піпеткою зазначений викладачем об’єм аналізованої води і перенести її в конічну колбу для титрування. Долити дистильованої води до загального об’єму 100 мл (воду відміряти мензуркою). Додати 5 мл буферного розчину (NH₃ + Н₂О + NH₄Cl) для підтримки рН в інтервалі 9 – 10 і 2 – 3 краплі індикатора – еріохрому чорного, при якому розчин забарвиться в червоний колір. Перемішати розчин і відразу титрувати з бюретки розчином ЕДТА до переходу червоного забарвлення в синє. Титрування повторити три рази, як у досліді а. Результати записати в таблицю.

№ титрування	Об’єм Н2О VН2О, мл	Об’єм титранту, мл	Середній об’єм розчину ЕДТА VЕДТА, мл	Молярна концентрація еквівалентів розчину ЕДТА, С ЕДТА

 

Загальну твердість води (у мекв/л) розраховують за формулою:

С _ЕДТА∙V_ЕДТА ∙1000
Твердість загальна = –––––––––––––––––––––

V _Н2О

в) Визначення постійної твердості води

Постійна твердість води обчислюється за різницею загальної і тимчасової твердості:

 

 

До якого типу твердості відноситься досліджена вода?

Контрольні питання і задачі

1. Що таке тимчасова і постійна твердість? В яких одиницях вона вимірюється?

2. Які незручності зв’язані із застосуванням твердої води в тепловому господарстві?

3. Обчисліть твердість води, якщо на її усунення пішло 265 г натрій карбонату у розрахунку на 1 м³ води.

4. Зразок води об’ємом 1 л містить 48,6 мг гідрокарбонату кальцію і 29,6 мг сульфату магнію. Яка кількість Са²⁺ і Mg²⁺ міститься в 1 л зразка води? Чому дорівнює загальна твердість води?

5. Чому дорівнює твердість (у ммоль/л) СаС1₂ 0,005 моль/л?

6. На титрування 0,05 л зразка води витрачено 4,8 ∙ 10^–3 л розчину з молярною концентрацією НСl 0,1 моль/л. Чому дорівнює карбонатна твердість води?

7. При визначенні тимчасової твердості на титрування 0,1 л води витрачено 5,25 ∙ 10^–3 л розчину з молярною концентрацією НСl 0,101 моль/л. Чому дорівнює тимчасова твердість води?

8. Яку масу гашеного вапна треба додати в 2,5 л води, щоб усунути її тимчасову твердість, яка дорівнює 4,43 ммоль/л?

Лабораторна робота № 13

ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ І ЇХ СПОЛУК (НЕМЕТАЛИ)

 

Відмінною рисою всіх неметалічних елементів є здатність їхніх атомів приєднувати електрони. У періодичній системі елементів неметали розташовані в головних підгрупах IV-VII груп. Активність неметалів, тобто схильність до приєднання електронів у групах періодичної системи збільшується знизу вгору, а в періодах - зліва направо. Кількісно активність неметалів може бути охарактеризована величиною спорідненості до електрона (або електронегативності) і стандартним окисно-відновним потенціалом. Перша із зазначених величин характеризує процес приєднання електронів у газовій фазі, друга відноситься до процесу перетворення атома неметалу в сольватований аніон за участю молекул розчинника.