Жесткость воды. Методические указания.

Федеральное агентство по образованию
Томский государственный архитектурно-строительный
университет
Жесткость
воды:
методические
указания
к
лабораторной работе / Сост. Лапова Т.В. – Томск: Изд-во
Том. гос. архит. - строит. ун-та, 2006. – 11 с.
Рецензент к.б.н. Т.М. Южакова
Редактор Т.С. Володина
ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ
Методические
указания
к
лабораторной
работе
«Жесткость воды» по дисциплине «Химия» предназначены для
студентов всех специальностей всех форм обучения.
Печатаются по решению методического семинара кафедры
химии № 9 от 02.07.06.
Методические указания к лабораторной работе
Составитель Т.В. Лапова
Утверждены и введены в действие проректором по учебной
работе В. С. Плевковым
с 01.01.07
до 01.01.12
Подписано в печать
Формат 60х90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л. Тираж
экз. Заказ №
Томск 2006
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
Отпечатано с оригинал - макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
Цель работы
Практическое знакомство со способами определения
временной, постоянной и общей жесткости водопроводной
воды.
Задачи
1. На практике познакомиться с двумя методами количественного химического анализа – методом кислотноосновного и методом комплексонометрического титрования.
2. Экспериментально определить временную, постоянную и общую жесткость воды.
3. Сделать вывод о принадлежности воды к определенному классу.
Оборудование и реактивы
1. Бюретки на 25 мл, закрепленные на штативах.
2. Конические колбы емкостью 250 мл.
3. Мерные колбы; цилиндры; пипетки.
4. Химические стаканы емкостью 150-200 мл.
5. 0,1 Н раствор хлороводородной кислоты.
6. Индикатор метиловый оранжевый (0,02 %-ный раствор).
7. 0,05 Н раствор трилона Б.
8. Индикатор эриохром черный Т (1% смесь индикатора с
твердым хлоридом натрия).
9. Аммонийная буферная смесь. Готовится растворением
20 г хлорида аммония в 100 мл дистиллированной воды с
добавлением 100 мл 20%-ного раствора NH4OH, затем
объем полученного раствора доводится до 1 л.
3
Теоретическая часть
Природная вода представляет собой сложную многокомпонентную систему, содержащую почти все элементы
периодической системы. Совокупность свойств воды, которые обусловлены содержанием в ней, в основном, катионов
Са2+, Mg2+ и Fe2+, называют жесткостью воды.
По составу солей, определяющих жесткость, различают временную, постоянную и общую жесткость. Временная
(карбонатная) жесткость обусловлена присутствием в воде
гидрокарбонатов кальция, магния и железа. При кипячении
катионы Са2+, Mg2+ и Fe2+ осаждаются в виде нерастворимых соединений:
Са(НСО3)2 = СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О
(1)
Mg(HCO3)2 = MgСО3↓ + СО2↑ + Н2О
(2)
MgСО3 + Н2О = Mg(OH)2 + CO2↑
(3)
4Fe(HCO3)2 + 2Н2О + O2 = 4Fe(OH)3↓ + 8CO2↑
(4)
Постоянная (некарбонатная) жесткость обусловлена
присутствием в воде хлоридов, сульфатов и других солей
кальция, магния и железа (II). Постоянная жесткость кипячением не устраняется. Суммарное содержание солей магния и кальция в воде называется общей жесткостью.
Жесткость воды в России выражают суммой миллимоль-эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся
в одном литре воды (ммоль · экв/л). Один миллимольэквивалентов жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л
Са2+ или 12,16 мг/л Mg2+. В других странах для выражения
жесткости воды используют так называемые градусы жесткости.
В зависимости от количественного содержания двухвалентных катионов природную воду делят на классы:
4
до 1,5 ммоль · экв/л
очень мягкую
1,5 – 3,0 ммоль · экв/л
мягкую
3,0 – 5,4 ммоль · экв/л
умеренно жесткую
5,4 – 10,7 ммоль · экв/л
жесткую
более 10,7 ммоль · экв/л
очень жесткую
Присутствие в воде значительного количества солей
жесткости делает воду непригодной для многих технических целей. Так, при продолжительном питании паровых
котлов жесткой водой, их стенки постепенно покрываются
плотной коркой накипи. Такая корка сильно понижает передачу теплоты стенкам котла, и, следовательно, ведет к увеличению расхода топлива. Кроме того, она может служить
причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла. Жесткой водой
нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например при крашении, при производстве искусственных волокон, особо ценных сортов бумаги.
Жесткая вода не дает пены с мылом, так как содержащиеся в мыле растворимые натриевые соли органических
кислот – пальмитиновой и стеариновой – переходят в нерастворимые кальциевые соли тех же кислот:
2С17Н35СООNa + CaSO4 = (C17H35COO)2Ca + Na2SO4
стеарат натрия
стеарат кальция
В строительстве нужно учитывать жесткость воды,
контактирующей с бетоном, т.к. MgCl2, CaSO4 и MgSO4 вызывают магнезиальную и сульфатную коррозию бетона.
Таким образом, использование жесткой природной воды в промышленных целях возможно только после снижения жесткости. Процесс устранения или снижения жесткости воды называют умягчением. Это один из главных процессов водоподготовки. Для умягчения воды, в основном,
применяют методы осаждения и ионного обмена.
Сущность методов осаждения заключается в переводе
ионов Са2+, Mg2+ и Fe2+ в труднорастворимые соединения.
5
Этого можно достичь двумя способами: термическим и химическим.
Термический метод заключается в кипячении воды
при 100 оС около 1 часа. Метод позволяет устранить только
временную жесткость. При этом катионы Са2+, Mg2+ и Fe2+
осаждаются в виде нерастворимых соединений (реакции 1–
4).
Химический (реагентный) метод заключается в обработке воды специальными реагентами, образующими с ионами, вызывающими жесткость, малорастворимые соединения. Этот метод позволяет устранять как временную, так и
постоянную жесткость. Рассмотрим несколько примеров
такого умягчения.
1. Известкование – обработка воды известью, при этом
устраняется временная жесткость воды и одновременно
снижается ее естественная щелочность, обусловленная присутствием в природной воде гидрокарбонатов:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + 2Н2О
(5)
Mg(HCO3)2 + 2Са(ОН)2 = Mg(ОН)2↓ + 2СаСО3↓ + 2Н2О (6)
2. Введение расчетного количества соды. Этот метод
позволяет устранить как временную, так и постоянную жесткость воды:
Са(НСО3)2 + Na2CO3 = СаСО3↓ + 2NaHСО3
(7)
MgCl2 + Na2CO3= MgСО3↓ + 2NaCl
(8)
(9)
СаSО4 + Na2CO3 = СаСО3↓ + Na2SО4
Для одновременного устранения временной и постоянной жесткости широко применяется известково-содовый
метод: обработка воды смесью Са(ОН)2 и Na2CO3. Вода,
умягченная таким способом, имеет остаточную жесткость,
равную 0,5–1,0 ммоль · экв/л.
3. В ряде случаев для более глубокого умягчения при6
меняется обработка воды растворимыми фосфатами (фосфатное доумягчение). Этот метод позволяет устранить временную и постоянную жесткость, причем более эффективно, чем известково-содовый, так как образующиеся фосфаты
кальция, магния и железа менее растворимы, чем соответствующие их карбонаты:
(10)
3Са(НСО3)2 + 2Na3РO4 = Са3(РО4)2↓ + 6NaHСО3
3СаCl2 + 2Na3РO4= Са3(РО4)2↓ + 6NaCl
(11)
Химические способы умягчения воды имеют ряд недостатков. Это затраты на реактивы, оборудование, организацию и утилизацию осадков, а также повышение общей
минерализации раствора.
Наиболее эффективным методом умягчения воды является метод ионного обмена. Это современный физикохимический метод, позволяющий не только уменьшить жесткость воды, но и достичь ее глубокой очистки. Вода после
ионообменной обработки практически не содержит посторонних ионов: ни катионов, ни анионов.
Метод ионного обмена основан на способности некоторых веществ, нерастворимых в воде, стехиометрически
обменивать свои ионы на ионы внешней среды (воды, растворов электролитов). Вещества, обладающие таким свойством, называются ионообменниками или ионитами. Иониты,
способные к обмену катионами, называются катионитами, а
способные к обмену анионами – анионитами.
Сущность ионообменного метода умягчения воды заключается в пропускании воды через слой катионита. При
контакте жесткой воды с катионитом происходит замещение
двухвалентных катионов, содержащихся в воде, на катионы
Na+, Н+, входящие в состав ионита.
Если представить химический состав катионита в виде
RH2 или RNa2, где R – условный анион, представляющий
собой полимерный радикал, то схематически можно изобразить процесс катионирования воды так:
7
или
RH2 + Са2+ ↔ RCa + 2Н+
RNa2 + Mg2+ ↔ RMg + 2Na+.
При этом, при Н-катионировании происходит подкисление воды, а при Na-катионировании – подщелачивание.
Поэтому на практике для нейтрализации среды используют
совместное последовательное и параллельное Н-Naкатионирование.
Отработанный катионит можно вновь использовать
после регенерации. Например, при обработке кислотой восстанавливается обменная емкость Н-катионита:
RCa + 2Н+ ↔ RH2 + Са2+.
Кроме перечисленных методов для умягчения воды
применяют дистилляцию, вымораживание, магнитные,
ультразвуковые, электрохимические и другие методы обработки воды.
Порядок выполнения работы
Опыт 1. Определение временной жесткости воды
Временная жесткость воды, обусловленная присутствием гидрокарбонатов кальция, магния и железа (II), может
быть определена титрованием соляной кислотой в присутствии индикатора метилового оранжевого.
Уравнение химической реакции, протекающей при
титровании:
Ме(НСО3)2 + 2НCl = МеCl2 + 2Н2О + 2СО2,
где Ме – Са2+ или Mg2+.
Ход работы
1.1. В коническую колбу для титрования мерной пипеткой перенести 100 мл исследуемой воды. Добавить 2-3
8
капли индикатора метилового оранжевого.
1.2. Приготовить бюретку для титрования, заполнив ее
0,1 Н раствором HCl до нулевого уровня.
1.3. Провести титрование до исчезновения желтой и
появления розовой окраски раствора. Пошедший на титрование объем HCl занести в таблицу.
1.4. Повторить титрование три раза, каждый раз заполняя бюретку до нулевого значения. Определить средний
объем 0,1 Н раствора HCl. Полученные данные занести в
таблицу.
Таблица 1
Средний объем HCl
Vср(HCl), мл
№
Объем 0,1 Н р-ра HCl
опыта
V(HCl), мл
1
2
3
1.5. Рассчитать временную жесткость воды.
По закону эквивалентов:
С(Ме(НСО3)2)⋅ V(H2O) = C(HCl) ⋅ Vcр(HCl),
где V(H2O) – объем взятой для анализа воды (100 мл),
Vcр(HCl) – объем пошедшей на титрование кислоты,
C(HCl) – молярная концентрация эквивалента соляной кислоты (0,1 моль·экв/л).
С(Ме(НСО3)) = C(HCl) ⋅ Vcр(HCl)/V(H2O) = моль · экв/л.
Тогда Жврем.= С(Ме(НСО3)2) ⋅1000 =
моль · экв/л.
Опыт 2. Определение общей жесткости методом
комплексонометрического титрования
Метод основан на связывании ионов Са2+ и Mg2+ в
комплексные соединения комплексоном – двунатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты (трилон Б):
9
HOOCH2 C
NaOOCH2 C
CH2COONa
N
CH2
CH2
N
CH2COOH
. 2H2O
Трилон Б образует с двухвалентными катионами стойкие внутрикомплексные соединения. Если трилон Б сокращенно обозначить формулой Na 2 H 2Tr ⋅ 2H 2 O , то образование комплекса с ионами Ca2+ можно представить уравнением реакции:
Ca 2+ + Na 2 H 2Tr ⇔ Na 2 [CaTr ] + 2H + .
Точку эквивалентности устанавливают с помощью так
называемого металлохромного индикатора – эриохрома черного Т. Он представляет собой органический краситель,
образующий с ионами металла окрашенные комплексные
соединения, менее прочные, чем комплексы металлов с комплексоном.
Эриохром черный Т при pH = 7–11, когда индикатор
имеет синий цвет, образует с ионами кальция и магния
внутрикомплексные соединения, окрашенные в вишневокрасный цвет:
Ca 2+ + HInd 2− ⇔ CaInd − + H + .
синий
вишнево − красный
При титровании трилоном Б этих окрашенных комплексов они разрушаются, и катионы Ca2+ и Mg2+ переходят
от индикатора к трилону Б, с которым образуют более
прочные бесцветные комплексонаты. Когда все катионы оттитрованы трилоном Б, высвобождается свободный индикатор, и происходит переход окраски от вишнево-красной к
синей, характерной для индикатора.
Ход работы
2.1. Приготовить бюретку для титрования, заполнив ее
0,05 Н раствором трилона-Б до нулевого уровня.
2.2. В коническую колбу для титрования мерной пи10
петкой перенести 50 мл исследуемой воды, добавить туда
же 5 мл аммиачного буферного раствора (для создания рН =
9 – 10) и 0,1 г (на конце шпателя) сухого индикатора эриохрома черного Т. Появится вишневое окрашивание.
2.3. Провести титрование до исчезновения вишневой и
появления синей окраски раствора. Пошедший на титрование объем трилона-Б занести в таблицу.
2.4. Повторить титрование три раза и определить
средний объем 0,05 Н раствора трилона-Б.
2.5. Полученные результаты занести в таблицу.
Таблица 2
№
Объем раствора
Средний объем
опыта
трилона-Б
трилона-Б
V(тр.-Б), мл
Vср(тр.-Б), мл
1
2
3
2.6. Вычислить величину общей жесткости воды, для
чего по закону эквивалентов рассчитать концентрацию солей жесткости:
С(солей) · V(H2O) = C(трилона-Б) · Vcр(тр.-Б)
С(солей) = C(трилона-Б) · Vcр(тр.-Б)/V(H2O)
моль-экв/л.
Тогда общая жесткость пробы воды:
ммоль·экв/л.
Жобщая = С(солей) ⋅ 1000 =
2.7. Зная общую и временную жесткость, вычислить
постоянную жесткость воды:
Жпост. = Жобщ. – Жврем.=
ммоль·экв/л.
2.8. Сделать вывод по работе, определив, к какому
классу относится анализируемая вода.
11
Список рекомендуемой литературы
1. Глинка, Н.Л. Общая химия/ Н.Л.Глинка. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 728 с.
2. Коровин, Н.В. Общая химия/ Н.В.Коровин. – М.:
Высшая школа, учебник для технических напр. и
спец. вузов. 2000. – 558 с.
3. Глинка, Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии/
Н.Л. Глинка. – М.: Интеграл-Пресс, 2002.– 240 с.
4. Коровин, Н.В. Задачи и упражнения по общей химии/
Н.В.Коровин. – М.: Химия, 2000. – 230 с.
12