Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу "Химия воды"

 

 

Астрахань – 2008

УДК 54(07)

ББК 24

Определение качества воды: Лабораторный практикум по курсу "Химия воды" / А.А. Бурлинóв, Ю.И. Рябухин / Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань, 2008. – 62 с.

 

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров

 

190500.62 – Эксплуатация транспортных средств (ускоренный курс)

 

и по специальностям:

 

180103.65 – Судовые энергетические установки

 

180403.65 – Эксплуатация судовых энергетических установок

 

140104.65 – Промышленная теплоэнергетика

 

и изучающих дисциплину "Химия воды и топлив", для выполнения лабораторных работ по темам "Показатели качества воды" и "Жёсткость воды".

Кратко изложены основные понятия о показателях качества воды и даны некоторые сведения о физико-химических способах уменьшения жёсткости воды.

Содержит описание лабораторных работ, позволяющих определить временную, постоянную и общую жёсткость воды. Приведены техника безопасной работы в химической лаборатории, требования к оформлению отчёта по лабораторной работе, задачи и примеры их решения, контрольные вопросы и список рекомендуемой литературы.

 

Печатается по решению кафедры "Общая, неорганическая и аналитическая химия" (протокол № 3 от 26 марта 2008 г.)

 

Рис. 5, табл. 1, библиогр.: 9 назв., приложение – 1 табл.

 

Рецензент: доктор техн. наук, профессор Пивоварова Н.А.

 

© Бурлинóв А.А.,

Рябухин Ю.И., 2008

© Астраханский государственный

технический университет, 2008

ВВЕДЕНИЕ

 

Вода1 (оксид водорода) Н₂О, относительная молекулярная масса 18,016, – простейшее химическое соединение водорода с кислородом. Вода – жидкость без запаха, вкуса и цвета, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру плавления 0 ⁰С, температуру кипения 100 ⁰С.

Вода самое распространённое в природе вещество. Она является главной составной частью водной оболочки земного шара – гидросферы.

Поверхность земного шара на 72 % покрыта водой – это океаны, моря, реки, озёра, болота, ледники. В довольно больших количествах вода находится в атмосфере, а также в зем­ной коре. Общие запасы свободной воды на Земле составляют 1,4 млрд. км³. Почти вся вода на Земле (97,2 %) находится в Мировом океане. Приблизительно 2,1 % воды сосредоточено в полярных льдах и лед­никах. Вся пресная вода в озёрах, реках, болотах и в составе грунтовых вод составляет лишь 0,6 %. Остальные 0,1 % воды входят в состав солёных грунтовых и солончаковых вод. Атмосферная вода в виде водяного пара составляет 0,0005 %.

Изотопный состав воды.Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в сред­нем следующее (мол. %): ¹H₂¹⁶O – 99,73; ¹Н₂¹⁸О – 0,20; ¹H₂¹⁷O – 0,04; ¹H²Н¹⁶O – 0,03; остальные 5 изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных количествах. Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содер­жится небольшое количество радиоактивного оксида трития ³H₂О (или Т₂О).

По физическим свойствам тяжёлая вода (оксид дейтерия D₂O) с кислородом природного изотопного состава заметно отли­чается от обычной воды. Содержание D₂О в воде составляет 0,0145–0,0146 мас. %.

Вода, содержащая нуклид ¹⁸О (тяжёло-изотопная вода), по свойствам ближе к воде с нуклидом ¹⁶О.

Различают природную, сточную и денатурированнуюводу.

Природная вода – это вода, которая качественно и количественно фор­мируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антро­погенного воздействия1 и качественные показатели которой находятся на естественном среднемноголетнем уровне.

Природная вода представляет собой сложную много­компонентную систему, в состав которой входят минеральные вещества, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные частицы, в том числе микроорганизмы.

По величине минерализации (г/л) различают следующие природные воды: ультрапресные – до 0,2; пресные – 0,2–0,5; слабоминерализованные – 0,5–1,0; солоно­ватые – 1–3; солёные – 3–10; с повышенной солёностью – 10–35; переходные к рассолам – 35–50; рассолы – более 50.

Макро­компонентами природных вод обычно являются атомы (ионы) элементов Са, Mg, Na, К, Fe (катионогенные воды) и Si, С, S, C1 (анионогенные воды). К ми­крокомпонентам природных вод относятся редкие и рудные элементы, например,В, Li, Rb, Сu, Zn, Bi, Be, W, Br, I.

Основные газы, которые содержатся в природных водах, – это кислород О₂, диоксид углерода СО₂ и азот N₂ (харак­терны как для поверхностных, так и для глубинных условий), метан СН₄, сероводород Н₂S, монооксид углерода СО и водород Н₂ (более типичны для подземных вод и для вод вулканически активных областей).

Сточная вода– это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном упот­реблении, а также прошедшая через какую-либо загрязненную террито­рию, в том числе населённого пункта.

Денатурированнаяили природно-антропогенная вода –этоприродная вода, подвергаемая ан­тропогенному загрязнению, например, путём смешивания со сточной водой.

Минеральные воды –это природные, обычно подземные, воды, характеризующиеся повышенным содержанием биологи­чески активных минеральных или органических компонентов и обладающие определёнными химическим составом и физико-химическими свойствами (температура, радиоактивность), благодаря которым они оказывают лечебное действие.

В широком смысле к минеральным водам относят и природные воды, из которых извлекают химические элементы (например, галогены, бор), а также термальные воды, используемые в энергетических целях.

По составу минеральные воды подразделяют на азотные, метановые и углекислые. По анионному соста­ву различают следующие классы минеральных вод: гидрокарбонатные (содер­жат преимущественно НСО₃^–), сульфатные (SO₄^2–), хлоридные (Сl^–), а также гидрокарбонатно-сульфатные, хлоридно-сульфатные, хлоридно-гидрокарбонатные и хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатные. По катионному составу различают минеральные воды с преобладанием ионов Са²⁺ (кальциевые), Na⁺ (натриевые), Са²⁺ и Mg²⁺, Са²⁺, Mg²⁺ и Na⁺, Са²⁺ и Na⁺, Mg²⁺ и Na⁺.

Сумма находящихся в воде анионов, катионов, недиссоциированных молекул и биологически активных компонентов (исключая газы) определяет общую минерализацию воды, которую выражают в г/л. Различают минеральные воды слабой (1–2 г/л), малой (2–5 г/л), средней (5–15 г/л) и высокой (15–30 г/л) минерализации, а также рассольные (35–150 г/л) и крепкорассольные (свыше 150 г/л) минеральные воды.

По величине рН выделяют сильнокислые (рН < 3,5), кислые (3,5–5,5), слабокислые (5,5–6,8), нейт­ральные (6,8–7,2), слабощелочные (7,2–8,5) и щелочные (> 8,5) минеральные воды.

По температуре различают холодные (до 20 ⁰С), тёплые (слаботермальные, 20–35 ⁰С), горячие (термальные, 35–42 ⁰С) и очень горячие (высокотермальные, больше 42 ⁰С) минеральные воды.

Лечебные минеральные воды применяют для питья (общая минерализа­ция ≤ 20 г/л), ванн, душей, ингаляций, полосканий и оро­шений на курортах1. Кроме того, пользуются привозными водами, разлитыми в бутылки. Некоторые минеральные воды применяют в качестве освежающего напитка; общая минерализация таких вод хлоридно-натриевого типа не должна превышать 4–4,5 г/л, гидрокарбонатного типа – 6 г/л.

Дистиллированная вода, полученная конденсацией водяного пара, практически не содержит солей и растворённых газов и потому неприятна на вкус. Кроме того, при продолжительном употреблении она даже вредна для организма. Это связано с вымыванием из клеток тканей желудка и кишечника содержащихся в них солей и микроэлементов, которые необходимы для нормального функционирования организма.

Получение высокочистой воды – весьма сложная за­дача. Поскольку она хранится в каком–то сосуде, в ней содержатся примеси материала этого сосуда (будь то стекло или металл). Для прецизионных научных исследо­ваний наиболее чистую воду получают методом ректи­фикации (перегонкой) дистиллированной воды во фторопластовых колоннах.

Морская вода. Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питья и для большинства других целей. Морскую воду часто называют солёной. Под солёностью понимают массу (г) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана солё­ность колеблется от 33 до 37 г/кг, в среднем её можно считать равной 35 г/кг. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5 % по массе растворённых солей.

Удаление солей из воды до предела, близкого к содержанию их в дистиллированной воде (доли или несколько мг/л), называется обессоливанием, а удаление солей до концентраций, допустимых при применении вод для питья (до 1 г/л), – опреснением.

Пресная вода. Основными потребителями пресной воды являются: сельское хозяйство (70 %), промышленность, включая энергетику (20 %), и коммунальное хозяйство (~10 %).

В промышленном производстве наиболее водоёмкими яв­ляются химическая, целлюлозно-бумажная и металлурги­ческая промышленность. Так, на изготовление 1 т синтетического волокна расходуется 2500–5000, пласт­массы – 500–1000, бумаги – 400–800, стали и чугу­на – 160–200 м³ воды.

Норма водоснабже­ния на одного человека 1000 т воды в год (с учётом промышленности и сельского хозяйства).

Опыт показывает, что на быто­вые нужды житель благоустроенного города расходует 200–300 л воды в день. Распределение потребления воды в среднем следующее: на приготовление пищи и питьё расходуется всего лишь 5 %, в смывном бачке туалета – 43, для ванны и душа – 34, на мытьё посуды – 6, на стирку – 4, на уборку помещения – 3 %.

Содержание солей в водопровод­ной воде, согласно требованиям органов здравоохранения, не должно превышать 0,05 %. Это намного меньше по сравнению с их 3,5 %-ным содержанием в нормальной морской во­де или по сравнению с ~0,5 %-ным содержанием в солоноватых под­земных водах.

Статистика показы­вает, что 80 % всех заболеваний в мире связано с плохим качеством питьевой воды и нарушением санитарно-гигиенических норм водоснабжения. И ещё одна циф­ра – от болезней, связанных с водой, страдает треть населения планеты, то есть 2 млрд. человек. После этих цифр так и хочется сказать: "будьте осторожны" и "берегите воду от загрязнений".

Общее число микроорганизмов в 1 мл питьевой воды должно быть не выше 100, число бактерий группы кишечных палочек (коли-индекс) – не более 3.

Техническая вода. Воду, расходуемую промышленными предприятиями, принято называть технической. Её применяют главным образом в качестве охлаждающего агента, транспортирующей среды для сыпу­чих материалов (например, гидротранспорт золы на тепловых электростанциях – ТЭС), растворителя. В целом по всем отраслям промышленности 70–75 % от общего расхода воды применяют как хладагент по циркуляционной схеме. В этом случае вода лишь на­гревается и практически не загрязняется. Главные источни­ки загрязнения охлаждающей воды систем циркуляционного водос­набжения – вода, добавляемая в системы для восполнения неизбежных потерь, и атмосферный воздух, из которого поглощаются в охладителях воды взвешенные частицы и газы, растворимые в воде.

Основными ионами, которые могут приводить к отложениям ми­неральных солей в системах циркуляционного водоснабжения, являются анионы: НСО₃^–, СО₃^2–, ОН^–, SО₄^2–, РО₄^3– и SiO₃^2–, а также катионы: Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fе³⁺, Al³⁺ и Zn²⁺. Наиболее часто встречающийся компонент солевых отложений – карбонат кальция СаСО₃. Предотвратить отложение карбонатов можно подкислением воды серной H₂SО₄ или хлороводородной кислотами НСl, её рекарбонизацией (обычно обработка топочными газами, содержащими СО₂), действием органических фосфатов, а также полифосфатов (NaPO₃)₆ и Na₅P₃О₁₀.

Для предотвращения (уменьшения) коррозии труб и теплообменного оборудования в воду доба­вляют ингибиторы коррозии, например, полифосфаты или ингибиторы на основе хромато-цинковых смесей.

Для предупреждения обрастания оборудования микрофитами (водорослями) воду в основном хлорируют (содержание Cl₂ до 5 мг/л), а иногда озо­нируют (обрабатывают озоном О₃).

При эксплуатации различных транспортных средств, машин и установок, снабжённых двигателями внутреннего сгорания (ДВС), кроме топлив и смазочных материалов, применяются различные технические жидкости, создаваемые в большинстве своём на водной основе. К ним относятся охлаждающие жидкости, которые заливают в системы охлаждения двигателей, гидравлические и амортизаторные жидкости, которые используют для заполнения гидроподъёмных, тормозных и амортизационных систем, различные промывочные жидкости для очистки масляных систем двигателей без их разборки и др.

 

Порядок выполнение работы

 

В воду, налитую в цилиндр диаметром 40–50 мм и высотой не менее 40 см, медленно опускают проволоку с кольцом чёрного цвета толщиной 1 мм и диаметром 20 мм. Кольцо изготовлено на конце прямого участка проволоки и изогнуто под углом 90⁰ к нему.

Кольцо опускают в воду при боковом освещении на глубину, при которой оно станет невидимым, и отмечают глубину погружения кольца в сантиметрах. Затем медленно поднимают кольцо, отмечая глубину, при которой оно снова становится видимым. Средняя величина из этих измерений и характеризует прозрачность воды "по кольцу". Перевод прозрачности по "кольцу" в прозрачность "по шрифту" (Снеллена, рис. 1), которую определяют с использованием специального цилиндра, приведён в таблице.

 

Количественное определение прозрачности воды (в см)

 

Прозрачность	Значение
"по кольцу", "по шрифту"		2,5
Взвешенные частицы, мг/л	200–100	100–85	35–25	50–14	30–10	17–10	12–8	9–6	8–5	6–5

 

Опыт 2.Определение запаха воды

(Визуально-органолептический способ)

 

Запах воды обусловлен наличием в ней летучих пахнущих веществ, которые попадают в воду естественным путём либо со сточными водами. Практически все органические вещества (в особенности жидкие) имеют запах и придают его воде. Обычно запах определяют при нормальной (20 ⁰С) и повышенной (60 ⁰С) температуре воды.

Запах по характеру подразделяют на две группы, описывая его субъективно по своим ощущениям (таблица).

1. Естественного происхождения (от живущих и отмерших организмов, от влияния почв, водной растительности и т. п.).

2. Искусственного происхождения; такие запахи обычно значительно изменяются при обработке воды.

Характер запаха

 

Запах естественного происхождения	Запах искусственного происхождения
землистый	нефтепродуктов (бензиновый и др.)
гнилостный	хлорный
плесневый	уксусный
торфяной	фенольный и др.
травянистый	сероводородный
болотный	аммиачный

Порядок выполнение работы

 

Для определения запаха отбирают пробу воды в широкогорлую колбу объёмом 0,25–0,5 л. Накрывают горло колбы фильтровальной бумагой или часовым стеклом. Затем нагревают колбу в водяной бане до температуры воды 60–70 ⁰С, и, совершая плавные вращательные движения, открывают колбу.

Соблюдая осторожность, определяют запах.

Определение запаха сильнопахнущих проб воды можно производить без предварительного нагревания.

Количественно интенсивность запаха характеризуют следующие показатели:

 

отсутствие запаха – едва заметный – заметный – сильный – очень сильный.

 

Опыт 3.Обнаружение примесей нефтепродуктов

(Визуально-органолептический способ)

 

Нефтепродуктами называют смеси углеводородов, а также индивидуальные химические соединения, получаемые из нефти и нефтяных газов: алифатические [например н-гептан (I) и изооктан (II)], ароматические [например бензол (III) и толуол (IV)] и алициклические [например циклопентан (V) и циклогексан (VI)] соединения:

 

 

Примеси нефтепродуктов бывают трёх типов – плёночные, растворённые и эмульгированные.

Плёночные примеси нефтепродуктов – это нефтепродукты, находящиеся на поверхности водного объекта в виде тонкого, близкого к мономолекулярному слою (плёнки).

Растворённые примеси нефтепродуктов – это нефтепродукты, находящиеся в водной толще в растворённом состоянии.

Эмульгированные примеси нефтепродуктов – это нефтепродукты, находящиеся в водной толще в виде эмульсии (размер частиц более 0,45 нм).

Определение растворённых и эмульгированных примесей нефтепродуктов обычно производится суммарно.

Нефтепродукты обнаруживаются по запаху, радужным плёнкам, плавающим капелькам и мути, а также маслянистому пятну на фильтровальной бумаге после пропускания через неё воды.

Порядок выполнение работы

 

В стакан объёмом 500 мл наливают пробу исследуемой воды и отмечают наличие радужных плёнок и плавающих капель на поверхности.

В боковом проходящем свете отмечают присутствие мути.

Наличие нефтяных масел в воде определяют также пропусканием 1–2 л исследуемой воды через фильтровальную бумагу и высушиванием последней на воздухе при температуре 40–50 ⁰С.

Появление маслянистого пятна на бумаге свидетельствует о наличии примесей нефтепродуктов в исследуемой пробе.

 

Порядок выполнение работы

Полоску универсальной индикаторной бумаги смачивают исследуемой водой. Сравнивая цвет полоски с наиболее близкой окраской прилагаемой к набору индикаторной бумаги шкалы, определяют значение рН.

Цвет полоски может не соответствовать в точности цветам, показанным на шкале, а представлять собой промежуточную, переходную окраску. В таком случае значение рН определяют с погрешностью до 0,5.

Метод Б. Инструментально–электролитический метод определения водородного показателя

 

Порядок выполнение работы

 

Подключают прибор к электросети и дают прогреться в течение 30 мин. Настраивают прибор по двум буферным растворам – в кислой и щелочной областях значения рН. Для этого наливают в стакан соответствующий буферный рас­твор, опускают в него электроды, фиксируют значение рН и, если необходимо, корректируют его с помощью специальной настрой­ки.

Перед каждым погружением в буферный или ис­следуемый раствор электроды тщательно промывают дистил­лированной водой и осторожно удаляют избыток воды с их поверхности фильтровальной бумагой.

Измеряют величину рН в анализируемом растворе.

По окон­чании работы выключают прибор.

Электроды промывают ди­стиллированной водой и погружают в воду для хранения.

 

Порядок выполнения работы

 

К 50 мл исследуемой воды, отмеренной цилиндром в коническую колбу, добавляют 2 капли раствора индикатора фенолфталеина.

Если пурпурная окраска не появляется, то добавляют 2 капли раствора индикатора метилового оранжевого и проводят титрование соляной кислотой до перехода окраски из соломенно-жёлтой в оранжевую.

Если пурпурная окраска при добавлении фенолфталеина появилась, то титрование проводят раствором НСl до её исчезновения, а затем прикапывают раствор метилового оранжевого.

Суммарное количество кислоты, пошедшее на титрование, определяет общую щёлочность воды.

Для уменьшения погрешности титрование следует вести на фоне белой бумаги.

Общую щёлочность воды вычисляют по формуле:

 

Щ = · 10³,

 

где V₁ – объём раствора НСl, расхо­дуемый на титрование пробы воды, мл;

V_В – объём воды, взятой для титрования, мл;

с – молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) или молярная концентрация НСl, моль/л;

10³ – коэффициент перевода моль/л в ммоль/л.

 

Примечание. Щёлочность свыше 1000 мг/л не даёт чёткой окраски раствора в эквивалентной точке.

Количественное содержание щелочей определяется путём их нейтрализации 0,1 н. раствором НСl в присутствии индикатора фенолфталеина с предварительным кипячением пробы воды в течение 3–5 мин.

Опыт 6. Определение общей кислотности сточных вод

 

Кислотностью называется содержание в воде веществ, вступающих в реакцию со щелочами (NаОН, КОН). К этим веществам относятся:

а) сильные кислоты (соляная НСl, азотная НNО₃, серная Н₂SО₄ и др.);

б) слабые кислоты (уксусная СН₃СООН, сероводородная Н₂S, сернистая Н₂SО₃ и др.);

в) катионы слабых оснований (ионы аммония NН₄⁺, железа Fе²⁺, алюминия Аl³⁺);

г) органические основания.

 

Реактивы и оборудование

 

Гидроксид натрия, 0,1 н. титрованный раствор; индикатор – 0,1 % водный раствор метилового оранжевого; образец воды для исследования.

Лабораторный штатив с лапкой, бюретка, мерный цилиндр, воронка, коническая колба (колба Эрленмейера) на 250 мл.

 

Порядок выполнения работы

 

К 50 мл анализируемой воды прибавляют 1–2 капли раствора индикатора метилового оранжевого (см. сноску в лаб. работе № 2) и проводят титрование 0,1 н. раствором NаОН до перехода окраски раствора в устойчивый жёлтый цвет. Общую кислотность вычисляют по формуле:

 

К = · 10³,

 

где V₁ – объём раствора NаОН, расхо­дуемый на титрование пробы воды, мл;

V_В – объём воды, взятой для титрования, мл;

с – молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) или молярная концентрация НСl, моль/л;

10³ – коэффициент перевода моль/л в ммоль/л.

 

Порядок выполнение работы

 

Колбу объёмом 0,5 л заполняют на ¹/₃ исследуемой водой и взбалтывают примерно полминуты.

Проба считается положительной, если пена сохраняется более 1 мин.

Значение рН воды при этом должно быть в интервале 6,5–8,5 (при необходимости воду нейтрализуют – подщелачивают или подкисляют).

 

Опыт 8.Определение содержания взвешенных частиц

 

В сточной воде содержатся в коллоидном и суспендированном состояниях взвешенные частицы. Содержание этих частиц определяют путём пропускания определённого объёма сточной воды через фильтр: мембранный, из пористого стекла (типа воронки Шотта) или из плотной фильтровальной бумаги.

 

Порядок выполнение работы

 

Высушенный при 105–110 ⁰С до постоянной массы фильтр взвешивают на технохимических электронных весах и пропускают через него предварительно взболтанную для равномерного распределения взвешенных частиц исследуемую воду объёмом 1 л. После этого фильтр с остатком взвешенных частиц высушивают до постоянной массы (перед взвешиванием фильтр для охлаждения помещают в эксикатор).

 

	Содержание взвешенных частиц х (в мг/л) вычисляют по формуле: х = · 106, где m1 – масса фильтра, г; m2 – масса фильтра с остатком взвешенных частиц, г; V – объём исследуемой воды, мл. 106 – коэффициент перевода г/мл в мг/л.
Воронка Шотта

 

Опыт 9.Определение содержания растворённых веществ

(определение сухого остатка)

 

Сухой остаток – это остаток, полученный после выпаривания отфильтрованной пробы воды и высушенный до постоянной массы при 110–120 ⁰С.

В процессе определения сухого остатка некоторые растворённые в воде вещества претерпевают изменения. Бикарбонаты кальция и магния Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂ разлагаются и переходят в карбонаты СаСО₃ и МgСО₃; хлорид магния гидролизуется с выделением хлороводорода: МgСl₂ + 2Н₂О = Мg(ОН)₂ + 2НСl; некоторые органические вещества окисляются; крупные коллоидные частицы задерживаются на фильтре, а сульфаты кальция и магния СаSО₄ и МgSО₄ удерживают кристаллизационную воду, поэтому по сухому остатку можно лишь приблизительно судить о количестве растворённых в воде веществ.

 

Реактивы и оборудование

 

Образец воды для исследования.

Коническая колба (колба Эрленмейера) на 250–1000 мл, фарфоровая чашка, водяная баня, сушильный шкаф, фильтровальная бумага.

 

Порядок выполнения работы

 

Около 100 мл анализируемой профильтрованной воды наливают в мерную колбу и часть её помещают во взвешенную фарфоровую чашку, которую устанавливают на кипящую водяную баню. Под чашку подкладывают несколько слоёв фильтровальной бумаги, чтобы её дно не загрязнилось осадками от брызг кипящей воды. По мере выпаривания в чашку добавляют анализируемую воду. После упаривания всей пробы воды остаток в чашке высушивают в течение 2–3 часов в сушильном шкафу при 110-120 ⁰С до постоянной массы. Содержание сухого остатка х (в мг/л) вычисляют по формуле:

 

х = · 106,

где m1 – масса чашки, г; m2 – масса чашки с сухим остатком, г; VВ – объём исследуемой воды, мл; 106 – коэффициент перевода г/мл в мг/л.

 

Опыт 10.Определение прокалённого остатка

 

При прокаливании потерю или привес (за счёт образования оксидов) определяют, прокаливая сухой остаток в муфельной печи.

 

Порядок выполнения работы

 

Взвешивают 5–10 мг сухого остатка, предварительно полученного по методике (опыт 9) и помещают его в фарфоровую чашку диаметром 5–7,5 см. Выдерживая в муфельной печи при температуре 700–800 ⁰С, остаток доводят до постоянной массы.

Результат взвешивания пересчитывают на количество воды, взятой для получения исходной массы сухого остатка.

Прокалённый остаток выражают в мг на л исследуемой воды.

ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ

 

Ввиду широкой распространённости кальция, его соли почти всегда содер­жатся в природной воде. Из природных солей кальция: известняк СаСО₃, доломит – СаСО₃ · МgСО₃, гипс СаSО₄ · 2Н₂О только последний несколько растворим в воде (см. приложение). Однако, если вода содержит диоксид углерода, то карбонат кальция тоже может переходить в раствор в виде гидрокарбоната кальция:

 

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂

 

Природная вода, содержащая в растворе большое количество солей кальция и магния, называется жёсткой водой в противоположность мягкой воде, содержащей мало солей кальция и магния или совсем не содержащей их.

Жёсткостью воды называется совокупность свойств воды, обусловленная наличием в ней преимущественно катионов Са²⁺ (кальциевая жёсткость) и Мg²⁺ (магниевая жёсткость).

Жёсткость воды бывает двух видов: карбонатная и некарбонатная.

Карбонатная, или временная, жёсткость воды (Ж_К) обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния:

 

Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂

 

Некарбонатная, или постоянная, жёсткость воды (Ж_НК) обусловлена присутствием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов кальция и маг­ния:

 

МSО₄, МСl₂, МSiО₃, М(NО₃)₂, М₃(РО₄)₂ (М – Са²⁺, Мg²⁺)

 

Совокупность карбонатной и некарбонатной жёсткости называется общей жёсткостью воды.

 

Ж_О = Ж_К + Ж_НК.

 

Жёсткость воды выражают суммой миллимоль эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды. Один миллимоль эквивалентов ионов жёсткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов Са²⁺ или 12,16 мг/л ионов Mg²⁺.

Жёсткость природных вод изменяется в широких пределах: от 0,1–0,2 ммоль/л в реках и озёрах, расположенных в зонах тайги и тундры, до 80–100 ммоль/л и более в подземных водах и морях.

Среднее значение жёстко­сти воды Мирового океана 130,5 ммоль/л (из них на ионы Са²⁺ приходится 22,5 ммоль/л, на ионы Mg²⁺ – 108 ммоль/л).

 

 

По значению жёсткости воду условно подразделяют на:

 

очень мягкую < 1,5 ммоль/л

мягкую 1,5–4 ммоль/л

средней жёсткости 4–8 ммоль/л

жёсткую 8–12 ммоль/л

очень жёсткую > 12 ммоль/л

 

В зависимости от конкретных условий на различных производствах допускаемая жёсткость воды может быть различной. Жёсткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов должна быть не выше 7,0 ммоль/л, сухой остаток – 1000 мг/л, рН – от 6,0 до 9,0. Для питьевой воды, подаваемой без специальной обработки, по согласова­нию с органами санитарно-эпидемиологической службы допу­скаются следующие показатели: об­щая жёсткость – до 10 ммоль/л, сухой остаток – до 1500 мг/л, содержание ионов железа и марганца – соответственно до 1 и до 0,5 мг/л.

 

Жёсткость воды рассчитывают по формуле:

 

Ж = · 10³,

 

где m(В) – масса растворённого вещества, г;

М_экв (В) – молярная масса эквивалентов вещества, г/моль;

V – объём воды, л;

10³ – коэффициент перевода моль/л в ммоль/л.

 

Присутствие в воде значительного количества солей кальция или магния де­лает её непригодной для многих технических целей. Так, при продолжитель­ном питании паровых котлов жёсткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи. Такая корка уже при толщине слоя в 1 мм сильно по­нижает передачу теплоты стенками котла и, следовательно, ведёт к увеличению расхода топлива. Кроме того, она может служить причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла.

Жёсткая вода не даёт пены с мылом, так как содержащиеся в мыле рас­творимые натриевые соли жирных кислот – пальмитиновой и стеариновой – переходят в нерастворимые кальциевые соли тех же кислот:

 

2C₁₇ H₃₅COONa + CaSO₄ = (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓+ Na₂SO₄

стеарат натрия стеарат кальция

 

Жёсткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологиче­ских процессов, например при крашении.

Приведённые выше примеры указывают на необходимость удаления из воды, применяемой для технических целей, солей кальция и магния. Удаление этих со­лей, называемое водоумягчением, входит в систему водоподготовки – обработки природной воды, используемой для питания паровых котлов и для различных технологических процессов.

В ходе водоподготовки вода освобождается от грубодисперсных и коллоид­ных примесей и от растворённых веществ. Взвешенные и коллоидные примеси удаляют их коагуляцией добавляемыми к воде солями [обычно А1₂(SО₄)₃] с по­следующей фильтрацией.

Для умягчения воды применяют химические и физические методы.

Химические методы

 

Для водоумягчения применяют методы осаждения и ионного обмена. Путём осаждения катионы Са²⁺ и Mg²⁺ переводят в малорастворимые соединения, вы­падающие в осадок. Это достигается либо кипячением воды, либо химическим путем – введением в воду соответствующих реагентов.

Термический методприменим для устранения карбонатной (временной) жёсткости воды. При кипячении (1 час и более) гидрокарбонаты металлов разрушаются, образуя трудно растворимые вещества и одновременно выделяется углекислый газ:

 

М(НСО₃)₂ = МСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

 

(М = Са, Мg)

 

Разложение гидрокарбонатов магния может идти и другим путём за счёт гидролиза солей:

 

2Мg(НСО₃)₂ = (MgOH)₂CO₃↓ + 3СО₂↑ + Н₂О

или

Мg(НСО₃)₂ = Mg(OH)₂↓ + 2СО₂↑

 

Разложение гидрокарбонатов железа сопровождается полным гидролизом солей с одновременным окислением:

 

4Fе(НСО₃)₂ + О₂ = 4FеО(ОН)↓ + 8СО₂↑ + 2Н₂О

 

При кипячении жёсткость воды уменьшается на величину карбонатной жёсткости, поэтому карбонатную жёсткость называют временной.

При реагентных методах для умягчения воды используются различные химические вещества (реагенты), которые путём осаждения переводят катионы жёсткости – катионы кальция и магния – в осадок (в нерастворимые вещества).

Карбонатную жёсткость воды можно устранить добавлением щёлочи (обычно гидроксида кальция – гашёной извести).

При химическом методе осаждения чаще всего в качестве осадителя пользу­ются известью или кальцинированной содой. При этом в осадок [также в виде СаСО₃ и Mg(OH)₂] переводятся все соли кальция и магния.

 

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2	=	2СаСО3↓ + 2Н2О
Са(НСО3)2 + СаО	=	2СаСО3↓ + Н2О
Мg(НСО3)2 + Са(ОН)2	=	Мg(ОН)2 + 2СаСО3↓ + 2Н2О

 

Процесс обработки воды гашёной – Са(ОН)₂ или негашёной – СаО известью, при котором происходит устранение временной жёсткости называют известкованием.

Карбонат натрия (кальцинированная сода) и ортофосфат натрия устраняют не только временную, но и постоянную жёсткость воды:

 

Са(НСО3)2 + Nа2СО3	=	СаСО3↓ + 2NаНСО3
3Са(НСО3)2 + 2Nа3РО4	=	Са3(РО4)2↓ + 6NаНСО3
СаСl2 + Nа2СО3	=	СаСО3↓ + 2NаСl
МgSО4 + 2Nа2СО3 + Н2О	=	(МgОН)2СО3↓ + Nа2SО4 + СО2↑
3МgСl2 + 2Nа3РО4	=	Мg3(РО4)2↓ + 6NаСl

При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться и от карбонатной, и от некарбонатной жесткости. Это известково-содовый способ. Карбонатная жесткость уст­раняется известью, некарбонатная – содой. Другим часто используемым смягчителем воды является гексаметафосфат натрия:

 

2СаС1₂ + Na