Определение жесткости воды. Лабораторная работа по химии. Определение жесткости воды. Косяк Анна Факультет нук рлм группа бмт2 12
 Скачать 74.5 Kb.
|
|
М Г Т У и м е н и Н. Э. Б а у м а н а Лабораторная работа по химии. «Определение жесткости воды». Выполнила: Косяк АннаФакультет: НУК РЛМ Группа: БМТ2 - 12 Дата выполнения: 29. 10. 2004 Дата сдачи: 05. 11. 2004 М О С К В А2 0 0 4 1. Цель работы. Ознакомиться с одним из свойств воды – жесткостью, способами ее определения и устранения.2. Теоретическая часть. Жесткость воды. Состав природных вод. 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. Ее важность заключается в том, что она является регулятором климатических условий на земле и универсальным растворителем в процессах, происходящих как в живой, так и неживой природе. Хорошая растворяющая способность воды, обусловленная полярностью ее молекул, приводит к тому, что в природе она чаще всего встречается не в виде индивидуального химического соединения, а в виде сложной многокомпонентной системы, в состав которой входят минеральный вещества, газы, коллоидные и крупнодисперсные частицы, а также различные микроорганизмы. Растворенные в воде компоненты находятся друг с другом в равновесии, образуя комплексы различного состава. Одержание или концентрация тех или иных компонентов в природной воде зависит от вида водоисточника, температуры, времени года и многих других факторов. Природные водоемы, находящиеся вблизи промышленных центров, содержат еще и вещества, являющиеся результатом деятельности человека. Это выбросы шахт, заводов, фабрик. Большинство из них являются вредными веществами, делающими часто непригодными природные водоемы для жизнедеятельности человека. Основными газами, содержащимися в природной воде, являются СО2, О2, СН, СО, Н2, N2. Следует отметить, что относительное содержание кислорода в воде выше, чем в воздухе. Среди основных минеральных веществ, присутствующих в природной воде – гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция и магния. Их источником являются горные породы – известняки, доломиты, растворяющиеся в результате контакта с природной водой в ходе ее круговорота. Наличие в воде растворенных веществ увеличивает температуру ее кипения и понижает температуру замерзания. Последнее используется широко в практике для предотвращения образования льда зимой: на дорогах рассыпают соль, понижая тем самым температуру замерзания воды. Виды жесткости и единицы ее измерения. Воду с растворенными в ней солями называют жесткой, а совокупность свойств такой воды – жесткостью. Жесткая вода образует накипь на стенках паровых котлов, отопительных приборов и бытовой металлической посуды. Она не пригодна для производства бумаги и крашения тканей, для приготовления пищи и напитков. В жесткой воде не пенится мыло, плохо развариваются овощи и мясо. Согласно ГОСТ 6055 – 86 различают: карбонатную жесткость – это совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней гидрокарбонатов кальция, магния и железа. Часто этот вид жесткости называют временной или устранимой; некарбонатную жесткость – совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция, магния и железа. Этот вид жесткости также называют постоянной или неустранимой; общую жесткость, складывающуюся из карбонатной и некарбонатной жесткости. Она равна сумме концентраций ионов Са2+, Mg2+, Fе2+. Количественно жесткость воды в России выражают единицами жесткости. За единицу жесткости принимают жесткость воды в одном литре которой содержится один миллимоль (ммоль) эквивалент ионов Са2+ или Mg2+. Числовое значение жесткости, выраженное в ммоль/л, совпадает со значением в моль/м3. Одна единица жесткости соответствует массовой концентрации ионов Са2+, равной 20, 4 мг/л или ионов Mg2+, равной 12, 15 мг/л. По величине жесткости различают воду: очень мягкую < 1, 5 единиц (ммоль экв/л); мягкую 1, 5 – 3 единиц; среднюю 3, 6 – 6, 0 единиц жесткую 6, 0 – 9, 0 единиц очень жесткую > 9, 0 единиц. Методы устранения и снижения жесткости воды. Устранение или снижение жесткости воды называют умягчением. Его осуществляют различными методами. 1 Термическая обработка воды. Сущность этого метода заключается в предварительном нагревании воды до 70 – 80о С или ее кипячении. Метод 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. Распад гидрокарбонатов магния и железа, в отличии от гидрокарбоната кальция, протекает сложнее: он одновременно сопровождается процессами гидролитического разложения их карбонатов. Это объясняется тем, что карбонаты магния и железа, в отличие от карбоната кальция, более растворимы, чем их гидроксиды. Если временная жесткость предварительно не была устранена, то вышеприведенные процессы протекают при нагревании воды в паровых котлах, системах водяного отопления и охлаждения, бытовой металлической посуде с образованием в них слоя накипи из нерастворимых соединений. Это снижает коэффициенты теплопередачи и ухудшает их теплотехнические характеристики. При этом происходит перерасход топлива и перегрев металлических поверхностей. Чем больше железа содержится в воде, тем более бурым является цвет накипи. При термической обработке воды удается также снизить и содержание в ней растворимых газов, т. к. их растворимость с увеличением температуры падает. 2 Химическая обработка воды (реагентный метод) Этот метод позволяет устранить как временную жесткость, так и постоянную. Сущность его заключается в обработке воды специальными реагентами, образующими ионами, вызывающими жесткость, малорастворимые соединения. К числу таких реагентов относятся: сода Na2CO3, негашеная CaO и гашеная Ca(OH)2 извести, различные фосфаты натрия (Na3PO4, Na6P6O18) и др. При обработке воды известью (гашеной или негашеной) происходит устранение ее временной жесткости и одновременное снижение ее щелочности. Процесс называется известкованием или декарбонизацией. 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. Для одновременного устранения карбонатной и некарбонатной жесткости широкое распространение в промышленности получил известково – содовый метод: обработка воды смесью СаО и Nа2СО3. Вода, умягченная этим способом, имеет остаточную жесткость равную 0, 5 – 0, 1 ммоль зкв/л. Он становится еще более эффективным, если его проводить при нагревании, сочетая достоинства химического и термического методов. 3 Ионообменный метод. Это современный физико – химический метод, широко используемый в промышленности, особенно в гидрометаллургии. Использование его для умягчения и деминерализации воды позволяет не только уменьшить ее жесткость, но достичь ее глубокой очистки. Вода, подвергшаяся такой обработке, практически не содержит посторонних ионов: ни катионов, ни анионов. 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 иогенных (активных функциональных) или комплексообразующих групп. Эти группы диссоциируют, давая полионы (фиксированные ионы, ковалентно связанные с каркасом) и эквивалентное число подвижных противоионов, способных к обмену и компенсирующих своими зарядами заряды полионов. По знаку заряду подвижных противоионов, т. е. по знаку заряду обменивающихся ионов, иониты делятся на катиониты, аниониты и амфолиты, по химической природе каркаса – на неорганические, органические и минерально – органические. Практическая часть. Опыт 1. а) Название эксперимента. Определение временной жесткости воды. б) Ход эксперимента. Пипеткой на 100 мл отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды. В каждую из колб добавим по 3 капли раствора индикатора – метилового оранжевого (щелочной раствор имеет желтую окраску, а кислый – красную). В бюретку на 50 мл нальем до приблизительного 0 значения 0, 1н раствор соляной кислоты и запишем точное значение начального положения уровня кислоты (по нижнему уровню мениска). Поставим обе колбы на лист белой бумаги. Одну из них оставим в сторону, она будет служит контрольным образцом для сравнения цвета растворов. Во вторую по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 1 н раствора соляной кислоты до перехода окраски раствора от желтой до оранжево – красной и сравним с цветом раствора, находящимся в первой колбе. В момент изменения окраски запишем значение положения уровня раствора кислоты (по нижнему краю мениска) в бюретке и вычислим израсходованный на титрование объем соляной кислоты. Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться. Если такое произойдет, то эксперимент придется повторить. в) Наблюдения. При добавлении метилового оранжевого индикатора в воду она становится желтой, а при добавлении потом туда соляной кислоты цвет меняется на красный. г) Уравнение реакции. CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 ↑ + H2O Ca(HCO3)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O + 2CO2 ↑ д) Проведение расчетов. Рассчитаем среднее значение объема кислоты, пошедшей на титрование, и по нему вычислим временную жесткость воды. Vн = 0 VкHCL1 = 1, 12 мл VкHCL2 = 1, 19 мл VкHCL3= 1, 06 мл VкHCL1 +VкHCL3 +VкHCL2 1, 12 + 1, 19 + 1, 06 3, 37 VсрHCL = —————————— = ————————— = ——— = 1, 123 мл 3 3 3 NHCl * VсрHCL 0, 1 * 1, 123 Нвр = —————— * 1000= ——————— * 1000 = 1, 123 ммоль экв/л VH2O 100 е) Вывод. По полученным данным о жесткости воды, можно утверждать, что вода очень мягкая, так как значение жесткости меньше 1, 5 единиц по ГОСТ. Опыт 2. а) Название эксперимента. Определение общей жесткости воды. б) Ход эксперимента. В бюретке (на 50 мл) заполним 0, 05н трилона Б до примерно нулевого деления и запишем точное положение уровня по нижнему краю мениска. Пипеткой (на 100 мл) отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды, добавим в них 5 мл буферного раствора и сухой соли эриохрома черного, и перемешаем. Поставим обе колбы на лист белой бумаги, затем одну из колб будем использовать в качестве контрольного образца для сравнения цвета растворов. Во вторую, по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 05 раствора трилона Б до перехода окраски от одной капли из винно – красной в фиолетовую. Подождем 1 – 2 минуты, перемешивая раствор. Если окраска не стала сине – голубой с зеленоватым оттенком, доведем ее до этого цвета, добавив еще несколько капель раствора трилона Б из бюретки. Сравним цвет рабочего раствора с окраской контрольного раствора в первой колбе. В момент изменения окраски запишем положение уровня раствора трилона Б в бюретки по нижнему мениску и вычислим израсходованный на титрование объем трилона Б. Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Результаты титрования не должны отличаться друг от друга. Если все же отличаются, опыт придется повторить. в) Наблюдения. При добавлении эриохрома черного в раствор, цвет раствора становится розоватым. А при добавлении туда избытка раствора трилона Б цвет меняется на сине – голубой. г) Уравнение реакции. д) Проведение расчетов. Рассчитаем среднее из близких результатов значение объема трилона Б, пошедшего на титрование, и по нему вычислим общую жесткость воды. Vн = 0 VктрилонаБ1 = 2, 68 мл VктрилонаБ2 = 2, 74 мл VктрилонаБ3 = 2, 61 мл VктрилонаБ1 + VктрилонаБ2 + VктрилонаБ3 2, 68 + 2, 74 + 2, 62 VсртрилонаБ = ——————————————— = ————————— = 2, 68мл 3 3 Nт * VсртрилонаБ 0, 05 * 2, 68 Нобщ = ———————— * 1000 = —————— * 1000 = 1, 34 ммоль экв/л VH2O 100 е) Вывод. По полученному значению жесткости можно сделать вывод, что вода очень мягкая, так как значение жесткости меньше 1, 5 единиц по ГОСТ. Опыт 3. а) Название эксперимента. Устранение некарбонатной жесткости. б) Ход эксперимента. В чистую пробирку с помощью пипетки (на 5 мл) отмерим 5 мл раствора MgSO4 . Добавим к нему 1 каплю 0, 2 н раствора Na2CO3 . При образовании осадка, перемешаем до его растворения. Добавлять раствор Na2CO3 будем до тех пор, пока осадок перестанет растворяться. То же самое проделаем с растворами CaCl2 и CaSO4. в) Наблюдения и уравнения реакций. Результаты наблюдений и уравнения реакций запишем в таблицу.
г) Вывод. Так как осадок при взаимодействии MgSO4 практически нерастворим, то его концентрация выше, чем у осадков CaCl2 и CaSO4, а следовательно этот реагент эффективней устраняет жеткость воды, чем CaSO4 и CaCl2. И следовательно хуже всех устраняет жесткость CaSO4. Контрольные вопросы. Какие виды жесткости вам известны? Какими ионами обусловлен тот или иной вид жесткости? Мне известно 3 вида жесткости: карбонатная – это совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней гидрокарбонатов кальция, магния и железа. некарбонатная - совокупность свойств воды, обусловленных присутствием в ней сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция, магния и железа. общая - складывается из карбонатной и некарбонатной жесткости. Она равна сумме концентраций ионов Са2+, Mg2+, Fе2+. В каких единицах измеряется жесткость и как она рассчитывается? Количественно жесткость воды в России выражают единицами жесткости. За единицу жесткости принимают жесткость воды в одном литре которой содержится один миллимоль (ммоль) эквивалент ионов Са2+ или Mg2+. Числовое значение жесткости, выраженное в ммоль/л, совпадает со значением в моль/м3. Одна единица жесткости соответствует массовой концентрации ионов Са2+, равной 20, 4 мг/л или ионов Mg2+, равной 12, 15 мг/л. На чем основано определение временной жесткости воды? Определение временной жесткости осуществляется титриметрическим методом, основанным на кислотно – основном титровании. Вода, обладающая временной жесткостью, имеет щелочную реакцию, поэтому мерой ее жесткости служит ее щелочность. Щелочной характер воды обусловлен процессами гидролиза гидрокарбонатов и карбонатов кальция, магния и железа, содержащихся в ней и протекающих по аниону. |