Справочный (теоретический) материал, необходимый для понимания задания и выполнения работ.

 

Примеси, растворенные в воде, оказывают существенное влияние на её свойства. Эти примеси весьма необходимы для жизни человека, животных и растений, но часто оказываются очень вредными для применения воды в технике. Так как эти примеси при высокой температуре образуют плотный осадок на стенках котлов (накипь), осаждаются на стенках труб в системах водяного охлаждения, что приводит к выходу этих систем из строя.

Жесткость водопроводной воде придают соли магния, кальция и железа. Различают жесткость временную, постоянную и общую (суммарную).

Временная жесткость обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция Ca(HCO₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂.

При гидролизе соли, образованной слабой двухосновной кислотой H₂CO₃, процесс реакции идет по следующей схеме:

CO₃²⁻ + HOH = HCO₃⁻ + OH⁻

Диссоциация бикарбоната иона:

HCO₃⁻ = Н⁺ + CO₃²⁻

настолько мала К_ДИСС.= 4,7· 10⁻¹¹, что произведение растворимости CaCO₃ не достигается и осадок не выпадает (ПР_CaCO3 = 5· 10⁻⁹; ПР _MgCO3 = 1· 10⁻⁵)

При кипячении значительно ускоряются два противоположных процесса:

а) Гидролиз иона HCO₃⁻

HCO₃⁻+ HOH = H₂CO₃ + OH⁻;К_ГИДР.=3,3· 10⁻⁸

СО₂ Н₂О

б) Диссоциация иона HCO₃⁻

HCO₃⁻ ↔ Н⁺ + CO₃²⁻

Процесс диссоциации иона HCO₃⁻ делает возможным превышение величин произведения растворимости CaCO₃ и MgCO₃ и выпадает осадок.

Суммарный процесс выражается уравнением:

Ca(HCO₃)₂ ↔ CaCO₃ + СО₂ + Н₂О

Равновесие этой реакции при кипячении сильно сдвигается вправо вследствие образования летучего (СО₂) и трудно растворимых продуктов.

Поскольку бикарбонатная жесткость устраняется кипячением, она называется временной.

Постоянная жесткость обуславливает наличие в воде сульфатов, хлоридов и других солей кальция и магния, которые не разлагаются при кипячении воды.

Сумма временной и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды. Общую жесткость можно определить двумя способами:

а) по сумме катионов Ca²⁺ и Mg²⁺;

б) по сумме анионов HCO₃⁻, SO₄²⁻, Cl⁻ и др.

Общая жесткость воды оценивается суммой ммоль - эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 литре. Один ммоль – эквивалентов жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов кальция или 12,16 мг/л ионов магния.

Жесткость природных вод колеблется в очень широких пределах – от 0,1 - 0,2 мэкв/л в водах рек и озер, расположенных в зонах тайги и тундры, до 80 - 100 мэкв/л в некоторых подземных водах и водах морей и океанов. Повышенная жесткость в водах природных источников обусловлена контактом воды с горными породами, содержащими карбонаты и сульфаты.

Применение жесткой воды недопустимо в некоторых отраслях промышленности, например в теплоэнергетике, так как в котлах и отопительных приборах образуется накипь, что ухудшает теплообмен. Поэтому жесткость является одним из показателей качества воды, который необходимо контролировать.

При необходимости использования источника с высокой жесткостью воды применяют специальные методы умягчения воды. Умягчение может быть осуществлено переводом солей жесткости в труднорастворимые или комплексные соединения, перегонкой воды, методом ионного обмена.

При умягчении воды методом осаждения соли жесткости переводят в следующие труднорастворимые соединения: карбонат кальция, гидроксид магния, трехзамещенные фосфаты. Способы обработки воды, в зависимости от осадителя, которые применяются дляумягчения воды, называют известкованием, содо-известкованием, фосфатированием.

Процессы, протекающие при известковании воды (обработка известью Са(ОН)₂) описываются уравнениями реакций:

,

,

,

.

 

Постоянная жесткость известью не удаляется – изменяется ее состав: магниевая жесткость переходит в эквивалентное количество кальциевой.

Обработка воды одновременно содой и известью (содо-известкование) может быть описана теми же уравнениями (кроме последнего) и в дополнение к ним следующими:

,