проект. Проект по дисциплинe Химия по тeмe Определение жёсткости воды
 Скачать 44.43 Kb.
|
|
Государственноe профессиональноe образовательноe учреждениe «Кемеровский аграрный техникум» имени Г.П. Левина ПРОЕКТ по дисциплинe: «Химия» по тeмe: «Определение жёсткости воды» Обучающийся__________________ Костин Владимир Александрович (подпись) Группа 216р Руководитeль проeкта ___________ Петрунникова Ольга Юрьевна, (подпись) преподаватель п. Металлплощадка 2022 СодержаниеВведение 2 1 Жесткость воды: понятие, сущность и виды 4 2 Природа происхождения жесткости воды 7 3 Методы определения жесткости воды 9 Заключение 14 Список литературы 15 ВведениеАктуальность заключается в том ,что 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. Вода входит в состав организма человека, всех растений и животных. Она играет исключительно важную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Вода является уникальным веществом, определяющим возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Вода — ценнейший природный ресурс. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производствах. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей. Здоровье человека и качество воды, которую он потребляет для обеспечения своей жизнедеятельности, связаны напрямую. Огромное количество исследований, проведённых учёными разных стран, доказывает, что существует прямая связь между качеством питьевой воды и продолжительностью жизни людей. По данным ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) почти 90% всех болезней человечества вызвано применением для различных бытовых нужд и питья именно некачественной воды. Поэтому повышение качества воды является актуальной проблемой современности. Качество воды характеризуется ее температурой, содержанием в ней взвешенных веществ, ее цветностью, запахом, привкусом, жесткостью, содержанием отдельных химических элементов и соединений, активной реакцией и другими показателями. Одной из характеристик воды, заинтересовавших меня, является ее жесткость. Поэтому проблема моего исследования: для улучшения качества воды необходимо снизить ее жесткость. Цель исследования: выявить эффективные методы снижения жесткости воды в быту. Гипотеза: если исследовать методы снижения жесткости воды, то можно выявить наиболее эффективные из них. Задачи: -углубить теоретические знания о предмете исследования-жесткости воды; -исследовать экспериментальным путем жесткость местной воды, провести опыты, снижающие жесткость воды. Предмет исследования - жесткость местной воды. 1 Жесткость воды: понятие, сущность и видыЖесткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния. Жесткость воды- один из критериев качества воды. Общая жесткость - суммарная концентрация ионов магния, кальция. Сумма карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость - определена присутствием в воде гидрокарбонатов и карбонатов кальция и магния. Этот тип жесткости воды почти, что целиком устраняется при кипячении воды, и поэтому получил название временной жесткостью. При повышении температуры воды гидрокарбонаты распадаются, в результате образуется угольная кислота и выпадает в осадок карбонат кальция и гидроксид магния. Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость). По уровню жесткости воду делят на 4 типа: Мягкая вода (менее 2 миллиэквивалентов на литр); Нормальная вода (от 2 до 4 миллиэквивалентов на литр); Жесткая вода (от 4 до 6 миллиэквивалентов на литр); Очень жесткая вода (6 и более миллиэквивалентов на литр). Единицы измерения жесткости воды В мире используется несколько единиц измерения жесткости. В РФ принята в качестве единицы жесткости воды - моль на кубический метр (моль/м3). Вред, наносимый жесткостью водой. В ходе выполнения работы выяснялся вопрос вреда, которые может быть нанесен использованием жесткой воды. Рассмотрим несколько аспектов. Вред жесткой воды для здоровья человека Высокая жесткость способствует росту мочевых камней и развитию мочекаменной болезни. Это связано с накоплением солей, которые просто не успевают выводиться из организма. При умывании жесткая вода сушит кожу. Это происходит из-за появления «мыльных шлаков» образованных из мыла, которое не способно мылиться и растворяться в жесткой воде. Эти мыльные шлаки закупоривают поры, не давая им свободно дышать, вследствие чего могут развиваться кожные воспаления, не давать покоя зуд и жжение кожи. Образование тонкой корки на волосах разрушает естественную жировую пленку. Происходит это так же, как и на коже рук – «мыльные шлаки» не вымываются и постепенной накапливаются. Это может вызвать зуд кожи головы, перхоть и даже выпадение волос. 4. Замедляется процесс приготовления пищи, из-за многочисленных солей плохо разваривается мясо. Это приводит к плохому усвоению белка и может вызвать заболевания желудочно-кишечного тракта. Вред жесткой воды для коммуникаций 1. Соли жесткости так же, как и на бытовых приборах, выпадают в осадок или кристаллизуются, образуя на поверхности коммуникационных путей и крупных приборов и установок накипь. Накипь истончает стенки коммуникаций, впоследствии полностью разрушая их. 2. Обилие выпадающих в осадок или накипь солей жесткости, приводит к частым выходом из строя крупных водонагревательных установок, типа бойлеров. 3. В системах оборотного водоснабжения, образующиеся накипные отложения, водные камни и шлам из солей уменьшают проходимость труб, при этом падает теплоотдача. Падает напор воды, уменьшается количество воды в радиаторах, закупориваются входы и выходы воды из домов, что может привести к полному закупориванию коммуникационных сетей. Все это увеличивает энергозатраты. Вред жесткой воды для техники и предметов быта 1. Мыльные средства из-за наличия большого количества солей в воде крайне плохо пенятся и отмывают загрязнения. Поэтому количество порошков, моющих средств для мытья посуды требуется гораздо больше. 2.Кроме плохого вспенивания мыльных средств, из-за контакта жесткой воды с ними образуются разводы и твердый налет на сантехнике и поверхности посуды, так как выпадает солевой осадок. Такой налет тяжело отмывается с посуды, а так же негативно влияет на сантехнику, постепенно разрушая ее поверхности 3. В процессе нагревания воды в электроприборах соли не просто выпадают в осадок, а кристаллизуются и выпадают в виде накипи. Именно накипь является основной причиной быстрой поломки водонагревательных приборов. 4. Жесткая вода оставляет пятна, разводы и грязные налеты на свежевыстиранных вещах, цвет тускнеет. От них избавиться очень сложно и это, опять же, требует повышенных затрат моющих средств. Ткань, постиранная в жесткой воде, становится грубой и неэластичной, потому что соли забивают в ней все свободное пространство. Уменьшается прочность одежды и белья. 2 Природа происхождения жесткости водыВода, проходя через атмосферу в виде снега или дождя, впитывает оксид углерода (СО2), достигает землю в виде слабокислотного раствора СО2 + Н2О = Н2СО3, называемого угольной кислотой. Вода, выпадающая на землю, обычно обессолена и имеет малую жесткость. По мере прохождения воды через почву, содержащую известняк, гипс, она взаимодействует с ними и получаются соли, которые потом распадаются на ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). Жесткость воды не зависит ни от состояния водопровода, ни от коммунальных хозяйств, т.е. все дело в особенностях определенной географической территории. Классификация местных вод В пояснительной записке документа «Схема территориального планирования Переславского муниципального района Ярославской области» дается характеристика химического состава поземных вод нашего района. «Подземные воды зоны обычно пресные с минерализацией до 1г/дм3 , преимущественно гидрокарбонатные кальциевые. Вторая зона – минерализованных сульфатных и сульфатно-хлоридных вод – охватывает водоносные толщи перми, триаса и верхне- и частично, среднекаменноугольнольных отложений. Нижняя границы этой зоны простирается до 25 глубины 420-450м. Наличие в кровле этой зоны регионального кимеридж-келловейского водоупора и, преимущественно, глинистый состав пермской и триасовой толщ обуславливают почти полное отсутствие взаимосвязи с пресными водами верхней зоны. Для этой зоны характерны воды пестрого состава – сульфатные и сульфатно-хлоридные натриевые и натриево-кальциевые с преобладающей минерализацией до 10-20 г/дм3 . Ниже по разрезу солоноватые воды замещаются солеными, а затем рассолами хлоридными натриевыми и натриево-кальциевыми с минерализацией до 280-320г/дм3 . Здоровье населения – важнейший показатель благополучия жителей Переславского муниципального района. Проблема качества питьевой воды – предмет особого внимания общественности, администрации муниципального района. Необходимость решения этой проблемы обусловлена ухудшением санитарно-гигиенических показателей воды, что потенциально несет угрозу ухудшению здоровья населения, способствует обострению социальной напряженности. Особенно остро стоит эта проблема в Переславском муниципальном районе также в связи с тем, что подземные источники водоснабжения не соответствуют по содержанию вредных химических веществ (содержание железа) требованиям ГОСТа 2874-82 «Вода питьевая» и СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода». Имеющиеся очистные сооружения не могут обеспечить очистку всего объема добычи воды. По данным протоколов лабораторных исследований питьевая вода поступающая от артезианских скважин в сети центрального водопровода: д. Горки – 2,49±0,45 мг/дм2 общего железа, что превышает норматив в 8,3 раза. Норматив по СанПиНу 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» – не более 0,3 мг/дм3.121 Ухудшение качества воды, используемой для питьевого водоснабжения, создает серьезную опасность для здоровья населения. Режим подземных вод формируется под воздействием естественных и искусственных факторов. К естественным режимообразующим факторам относятся метеорологические условия – атмосферные осадки, температура воздуха, гидрологический режим поверхностных вод, фильтрационные свойства водовмещающих пород; к искусственным – эксплуатация подземных вод, подпор водохранилищ и другие. Особенностью структуры залегания подземных вод является то, что водоупорные свойства грунтов не обеспечивают защиту вод четвертичных отложений от загрязнений с поверхности. Процент неудовлетворительных проб воды подземных водоисточников по санитарно-химическим показателям составляет в районе – 95,83 %. Практически 46 % подземных источников имеют повышенное содержание природного железа и, соответственно, цветности и мутности». Следовательно, присутствие в воде гидрокарбонатов и карбонатов кальция и магния свидетельствует о жесткости воды. 3 Методы определения жесткости воды1. Самым простым и быстрым способом проверки, по мнению хозяек, является обычный чай. Достаточно заварить листовой чай, дать ему время настояться и спустя несколько минут посмотреть на его оттенок. Если вода жесткая, он будет мутным и темным. В мягкой воде чай приобретает персиковый цвет. 2. Моющие средства тоже могут помочь узнать жесткость воды. Если мыло моментально пенится, то содержание солей в воде минимально. А вот если пенообразование затягивается, значит, стоит задуматься о качестве воды. 3. Мыло станет помощником в определении степени жесткости, если его покрошить в воду. Нерастворенные частицы будут свидетельствовать об избыточном содержании кальция и магния. Можно измерить жесткость воды в домашних условиях. Для этого нам понадобится хозяйственное 72 % мыло и дистиллированная вода. Находим у мыла поперечный разрез и с него собираем стружку. Нам понадобится всего 1 грамм. Подогреваем дистиллированную воду (около десяти мл) и добавляем в нее мыльную стружку. После этого наполняем любой удобный сосуд 0,5 л обычной воды. Берем шприц и добавляем по 1 мл мыльной воды в сосуд с чистой водой, не забывая каждый раз их размешивать. Прекратить данную манипуляцию нужно после появления устойчивых мыльных пузырей. Определите, сколько мл мыльного раствора было потрачено. Полученные данные умножьте на 2. Результат будет равняться степени жесткости. 4. Обратите внимание, как часто образуется накипь на чайнике. Чем чаще это происходит, тем больше в составе воды солей, а также кальция и магния, которые способствуют образованию налета. 5. Еще одним подтверждением жесткости воды служит образование белых следов от брызгов воды на стекло. 6. Определить жесткость воды можно с помощью марганцовки. Контактируя с солями жесткости, марганцовка приобретает желтый оттенок. Если желтого оттенка нет - вода не жесткая. 7. По интенсивности образования накипи в чайнике можно сделать определённые выводы: чем больше налета, тем жёстче вода. Методы снижения жесткости воды Термический метод - кипячение Термический метод умягчения воды или кипячение - один из наиболее простых и распространенных способов снижения её жесткости. При кипячении жесткой воды гидрокарбонат кальция, который чаще всего является причиной повышенной жесткости, под действием температуры, распадается, образуя углекислый газ и осадок из карбоната кальция. С помощью этого способа умягчения можно значительно снизить содержание в воде солей жесткости. Таким методом умягчения (кипячением) можно также уменьшить частично и жесткость, вызванную сульфатом кальция СаSO4., так как его способность растворяться в воде снижается до 0,65 г/л при температуре кипения - 100°C. Недостатком его можно считать то, что устранить полностью кипячением жесткость воды не удастся, в связи с тем, что СаСО3 хотя и частично (13 мг/л при температуре 13°С), но, всё же, может растворяться. К тому же, при кипячении образуется осадок, который будет необходимо удалять. Реагентные методы Реагентные методы умягчения воды - применение для снижения её жесткости веществ, способных связывать имеющиеся в жесткой воде ионы Са+2 и Mg+2 и превращать их в нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. В качестве таких веществ (реагентов) для умягчения воды, в зависимости от её состава, может применяться известь, кальцинированная сода, едкий натр, синтетические реагенты или даже обычная пищевая сода. В зависимости от используемых реагентов методы водоумягчения классифицируют на известковый, известково-содовый, щелочной, фосфатный и бариевый. Умягчение с помощью извести. Такой способ наиболее целесообразно применять для умягчения воды с высоким содержанием карбонатных соединений и небольшой некарбонатной жесткостью. При этом методе смягчения в воду вместе с известью добавляют ещё и реагенты-коагулянты. При введении в воду гашёной извести в виде известкового молока гидрокарбонат кальция соли осаждаются в виде карбонатов: Са(НСОз)2+Са(ОН)2 + 2Н= 2СаСОз2О, Дальнейшее введение в воду извести приводит к гидролизу магниевых солей и образованию малорастворимого гидроксида магния, который при рН≥ 10,2…10,3 выпадает в осадок: Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MgCО3 + СаСО3 + CO2 + 2H2О MgCО3 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCO3, Известкованием устраняют из воды и некарбонатную магниевую жесткость при условии, что рН воды будет не ниже 10,2 (при других значениях рН воды гидроксид магния не выпадает в осадок): MgSO4+ Ca(OH)2= Mg(OH)2+ CaSO4 MgCl2+ Ca(OH)2= Mg(OH)2+ CaCl2 Приведенные уравнения показывают, что магниевая жесткость устраняется, но значение общей жесткости остается неизменным, так как магниевая жесткость заменяется кальциевой, некарбонатной. Поэтому данный способ можно применять только для умягчения воды с большим значением карбонатной жесткости. Известково-содовый метод (известь+сода). Этот способ применяют только при относительно неглубоком умягчении - до 1,4-1,8 мг-экв/л.Этот метод используют для одновременного понижения карбонатной и некарбонатной жесткости, когда не требуется глубокого умягчения воды. Химизм процесса описывается реакциями:MgS04 + Na2СОз = MgСОз↓ + Na2SO4 CaCl2+Na2CO3= СаСОз↓ + 2NaCl После добавления в воду реагентов происходит мгновенное образование коллоидных соединений СаСОз и Mg(OH)2, однако их переход от коллоидного состояния в грубодисперсное, т.е. в то состояние, при котором они выпадают в осадок, занимает длительное время. Поэтому часто известково-содовый способ сочетают с термическим. Например, такое сочетание используют при умягчении воды, которая используется для питания котлов низкого давления, для подпитки теплосети и т.д. Глубина умягчения воды при известково-содовом методе соответственно равна: без подогрева воды жесткость понижается до 1-2мэкв/л; при подогреве воды до 80…90оС жесткость понижается до 0,2-0,4мэкв/л. Фосфатный метод. Данный метод умягчения воды является наиболее эффективным реагентным методом. Химизм процесса умягчения воды фосфатом натрия описывается следующими уравнениями реакций: 3CaS04 + 2Na3P04 = Саз(РО4)2↓ + Na2SO4 3MgCl2+ 2Na3PO4= Mg3(PO4)2↓ + 6NaCl 3Ca(HCO3)2+ 2Na3PO4= Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2+ 2Na3PO4= Mg3(PO4)2↓+ 6NaHCO3 Как видно из приведенных уравнений реакций, сущность метода заключается в образовании кальциевых и магниевых солей фосфорной кислоты, которые обладают малой растворимостью в воде и поэтому достаточно полно выпадают в осадок. Фосфатное умягчение обычно осуществляют при подогреве воды до 105-1500С, достигая уменьшения жесткости до 0,02-0,03мэкв/л. Из-за высокой стоимости фосфата натрия фосфатный метод обычно используют для доумягчения воды, предварительно умягченной известью и содой. Бариевый метод Умягчение воды основано на введении в нее гидроксида бария или алюмината бария и образовании практически нерастворимых соединений кальция и магния, а также сульфата бария. Химизм процесса описывается следующими уравнениями реакций: CaSO4+ Ba(OH)2= Ca(OH)2↓ + BaSO4↓ CaCl2+ BaAl2O4= BaCl2+ CaAl2O4↓ Ca(HCO3)2+ BaAl2O4= CaAl2O4↓ + BaCO3↓ + H2O + CO2 (Аналогичные уравнения реакций можно записать и для солей магния). Бариевый метод умягчения воды очень дорогой, а бариевые соли ядовиты, поэтому его целесообразно применять при частичном обессоливании воды за счет извлечения сульфатов Ионообменный метод Метод ионного обмена, который используют для смягчения жесткой воды основан на том, что вода фильтруется через специальные материалы, в которых происходит обмен ионов, входящих в их состав (чаще всего – натрия), на ионы жесткости (чаще всего - кальция или магния). В качестве ионообменных материалов используют специальные мелкозернистые смолы, которые не подвергаются залипанию оксидом железа. В процессе ионного обмена, при умягчении воды, запас необходимых ионов в таких смолах постоянно снижается и для восстановления их способности к ионному обмену проводят их регенерацию или замену. Преимуществом метода ионного обмена можно считать возможность обеспечить достаточно большую производительность и высокий уровень умягчения. Для этого на сегодняшней день имеется большой выбор фильтров. ЗаключениеОдна из экологических проблем – это проблема чистой питьевой воды. Мыло в жесткой воде не мылится, овощи плохо развариваются, а при использовании такой воды в паровых котлах, стиральных машинах, электро-чайниках образуется накипь, которая снижает эффективность их работы и может привести к разрыву. Жесткую воду перед употреблением целесообразно умягчить, удалив катионы кальция и магния. Однако для жизнедеятельности человеческого организма кальций и магний необходимы, так как играют важную роль в процессах формирования костей, свёртываемости крови, сокращения сердечной мышцы, передачи нервных импульсов. Избыток Ca+2 в организме приводит к отложению солей в шейном, грудном, поясничном отделах позвоночника, суставах конечностей. Отсюда следует, что важно вести контроль за содержанием солей кальция и магния в питьевой воде. Список литературыВасильев В.П. Аналитическая химия – М.: Дрофа, 2002 Голубева Р.М, Мансуров Г.Н. Открой для себя мир химии – М.: Дрофа, 2004 Дж. Кемпбел Современная общая химия – М.: Мир, 1985. Зайцев О.С. Исследовательский практикум по общей химии. – Издательство Московского университета, 1994. . Фролов В.И. Практикум по общей и неорганической химии – М.: Дрофа, 2002. В.В. Богородицкий- Научно-исследовательская работа по подготовке документа территориального планирования «Схема территориального планирования Переславского муниципального района Ярославской области». Пояснительная записка Том 2 Материалы по обоснованию документа территориального планирования «Схема территориального планирования Переславского муниципального района Ярославской области». |