Лабораторная работа «Получение жесткой воды и изучение ее свойств. Устранение временной и постоянной жесткости»

Лабораторная работа

«Получение жесткой воды и изучение ее свойств. Устранение временной и постоянной жесткости»

Цель: закрепление знаний по теме «Растворы», формирование понятия «жесткость» воды, развитие умений по устранению жесткости воды; продолжить формирование умения проводить химические реакции.

Оборудование: набор реактивов и лабораторной посуды для проведения реакций.

ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Выполняя опыты, нужно пользоваться растворами только указанной концентрации и соблюдать рекомендуемую дозировку. Не делать дополнительных опытов без разрешения преподавателя.

Следует аккуратно работать с реактивами: внимательно читать этикетки, не уносить реактивы общего пользования на свои рабочие столы, во избежание загрязнения реактивов держать склянки с растворами и сухими веществами закрытыми, не путать пробки, не высыпать и не выливать обратно в склянки неиспользованные или частично использованные реактивы.

Если во время работы будет пролита кислота или щелочь, удалять их следует быстро, так как эти реактивы портят стол и другие предметы, и осторожно, чтобы не прожечь одежду и не повредить руки.

При нагревании растворов на электроплитке будьте внимательны: избегайте термических ожогов.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Важнейшим свойством природных вод является их жесткость. Если в воде

находятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые соли жирных кислот, то в

такой воде затрудняется образование пены при стирке белья или мытье рук, вследствие

чего возникает ощущение жесткости. Отсюда и возникло понятие "жесткой" воды.

Жесткость природных вод более всего обусловлена содержанием в них

растворимых солей кальция и магния.

Для промышленного водоснабжения жесткая вода почти всегда является

нежелательной, а иногда и недопустимой, нежелательна она и для бытовых нужд. К тому

же некоторые соли, обусловливающие постоянную жесткость природных вод,

способствуют разрушению (коррозии) металлических и бетонных конструкций.

Возможность коррозии бетона следует учитывать при строительстве зданий и

сооружений и предусматривать меры защиты. В каждом отдельном случае надо, прежде

всего, выяснить характер возможного воздействия среды на бетон, в том числе и

природных вод. Для этого необходимо знать их важнейшую характеристику - жесткость.

Жесткость, вызванная присутствием гидрокарбонатов кальция и магния,

называется временной жесткостью, поскольку устраняется при кипячении.

Жесткость, обусловленная хлоридами и сульфатами этих металлов, не устраняется

при кипячении. Этот вид жесткости называется постоянной жесткостью.

Суммарная жесткость воды носит название общей жесткости.

В промышленности жесткая вода, используемая для питания паросиловых

установок, приносит особенно большой вред. При работе паровых котлов в жесткой воде, содержащей Са(НСОз)2, Mg(HCO3)2 или CaSO4, на внутренней поверхности стенок котла образуется слой накипи, уменьшающий их теплопроводность и тем самым понижающий коэффициент полезного действия установки. Замедленная теплопередача через стенки котла приводит к их перегреву и вследствие этого к ускоренной коррозии (окислению кислородом воздуха). В результате прочность стенок котла постепенно понижается, что может привести к его взрыву.

Образование осадка (накипи) при использовании воды, обладающей временной

жесткостью, связано с выпадением в осадок малорастворимых карбонатов - СаСОз и

MgCO3. Если в воде присутствует сульфат кальция, то он выпадает в осадок из-за резкого

понижения его растворимости при нагревании. Особенно прочная, но вместе с тем

пористая, малотеплопроводная накипь образуется при одновременном содержании в воде

гидрокарбонатов и сульфата кальция.

Соли магния (MgCl2 и MgSO4) и СаСl2, содержащиеся в воде, не приводят к

образованию в котлах накипи, так как они хорошо растворимы в воде, но вызывают

коррозию стенок и металлической арматуры. Эти соли, как электролиты, способствуют

протеканию электрохимических процессов на поверхности стали и тем самым ускоряют

процесс ее коррозии под действием воды и кислорода. Кроме того, MgCl2 и MgSO4, как

соли слабого основания и сильных кислот, гидролизуются, повышая концентрацию

водородных ионов и, создавая кислую среду, что также ускоряет процесс коррозии стали.

Методы устранения и снижения жесткости воды.

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

1. Метод кипячения. Он 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.

Сa(HCO₃)₂ = СaCO₃ + СО₂ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃ + СО₂ + H₂O

1. Химическая обработка воды (реагентный метод). Этот метод позволяет устранить как временную жесткость, так и постоянную. Сущность его заключается в обработке воды специальными реагентами, образующими с ионами, вызывающими жесткость, малорастворимые соединения. К числу таких реагентов относятся: сода Na₂CO₃, негашеная CaO и гашеная Ca(OH)₂извести, различные фосфаты натрия (Na₃PO₄, Na₆P₆O₁₈) и др. 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.

CaSО₄ + Na₂CО₃ = CaCО₃↓+ Na₂CО₃

MgCl₂ + Na₂CО₃ = MgCО₃↓ + 2NaCl

1. Ионообменный метод. Это современный физико – химический 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 ионогенных (активных функциональных) или комплексообразующих групп.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Качественное определение жесткости воды с помощью раствора мыла.

В пробирках под номерами 1,2,3 находятся соответственно водопроводная, водопроводная кипяченая, дистиллированная вода. В каждую пробирку опускают по одинаковому кусочку мыла, сильно встряхивают в течение 1-2 мин, добиваясь более полного его растворения. Далее вода отстаивается. Сделайте выводы – опишите наблюдаемое.

Опыт 2. Устранение некарбонатной жесткости воды с помощью реакций ионного обмена.

Получите воду с постоянной, некарбонатной жесткостью. Для этого в пробирку с водой добавьте 1-2 капли хлорида кальция. Устраните некарбонатную жесткость: к полученному раствору добавьте раствор карбоната натрия. Что наблюдаете? Составьте уравнения реакций.

Сделать общий вывод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое жесткость воды?

2. Виды жесткости воды.

3. В каких единицах выражается жесткость воды?

4. Какому содержанию Са2* и Mg2+ соответствует жесткость 1 мэкв/л?

5. Как определить временную жесткость воды?

6. Как определить общую жесткость воды?

7. Как определить постоянную жесткость воды?

8. Известковый способ умягчения воды.

9. Известково-содовый способ умягчения воды.

10. Ионнообменный способ умягчения воды.