Определение временной и общей жесткости воды

Цель работы:опытным путем научиться определять временную и общую жесткости воды.

Теоретическая часть

Жесткость воды обусловлена содержанием солей кальция и магния, в меньшей степени солей железа и марганца. Эти соли содержатся в воде в результате растворения различных минералов, в основном двухводного гипса CaSO₄^.·2H₂O и кальциево-магниевых карбонатных горных пород (СаСО₃, MgCO₃, CaCО₃^.·MgCO₃).

Вода, содержащая соли жесткости, непригодна для многих технологических целей, поэтому жесткость воды нужно определять и снижать. При питании котлов жесткой водой на стенах барабанов, коллекторов и труб откладывается накипь, составные соединения которой крепко соединяются с поверхностью металла. Накипь имеет низкую теплопроводность, в результате чего ухудшается теплопередача через стенки котла. Это вызывает следующие отрицательные явления:

- местный перегрев стенок котла, вследствие чего образуются выпучины и свищи;

- разрывы жаровых, кипятильных, экранных и дымогарных труб и взрывы котлов;

- снижение тепло- и паропроизводительности котлов;

- увеличение процесса коррозии;

- перерасход топлива.

Различают временную (карбонатную), постоянную (некарбонатную) и общую жесткости воды.

Временная жесткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов, в основном Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Временная жесткость устраняется при кипячении воды.

Общую жесткость составляет суммарная концентрация ионов Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ в воде.

Постоянная жесткость равна разности между общей и карбонатной жесткостью. Она обусловлена присутствием солей сильных кислот – сульфатов и хлоридов кальция, магния, марганца и железа.

Жесткость выражают в миллиэквивалентах (миллимолей эквивалентов) на один литр воды (мэкв/л).

Методы устранения жесткости воды

Существует несколько методов понижения жесткости воды, применение каждого из них определяется требованиями производства. Эти методы делятся на три группы:

1) термический метод, основанный на устранении временной жесткости воды кипячением;

2) реагентные методы, при которых малорастворимые соли переводят в труднорастворимые соединения (карбонаты, фосфаты и др.), при использовании реагентов, таких как гашеная известь Са(ОН)₂, кальцинированная сода Na₂CO₃, тринатрийфосфат Na₃РО₄;

3) метод ионного обмена, основанный на фильтровании воды через иониты – неорганические и органические материалы, нерастворимые в воде, и способные к обмену имеющихся в них ионов на ионы Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, содержащиеся в воде.

Эти методы иногда комбинируют.

Для умягчения воды применяют также методы, основанные на физических явлениях:

- электролиз, основанный на явлении направленного движения ионов к электродам, подключенным к сети постоянного тока;

- магнитно-ионизационный, в котором направленное движение ионов осуществляется воздействием магнитного поля.

В отопительно-производственных котельных наиболее распространенными методами умягчения воды являются термический и катионитовый. Последний основан на применении катионитов, таких как сульфоугли, синтетические смолы КУ-1 и КУ-2, которые способны обменивать катионы Na⁺ и Н⁺, содержащиеся в них, на катионы Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, содержащиеся в воде. Катиониты можно легко регенерировать для возобновления обменной способности.

Практическая часть

Реактивы, посуда, оборудование

Водопроводная вода; индикаторы (метилоранж, эриохром черный ЭТ-00); раствор 0,1н НС1; трилон Б, аммиачно-буферная смесь (NH₄OH +NH₄C1).

Колбы конические емкостью 250 см³; мерные цилиндры (мензурки) емкостью 50 и 100 см³; бюретки емкостью 25 и 50 см³; пипетки емкостью 5, 50 и 100 см³.

Опыт № 1. Определение временной жесткости воды

Временную, или карбонатную жесткость воды можно определить кислотно-основным титрованием. Концентрация НСО в воде определяется титрованием раствором НСl:

НСО + Н⁺=Н₂О + СО₂↑,

Са(НСО₃)₂ +НС1 = СаС1₂ +2H₂O+2CO₂↑.

Ход исследования

В две конические колбы на 250 см³ отобрать пипеткой или мензуркой по 100 см³ исследуемой воды. Внести в каждую по 2–3 капли метилоранжа. Одна из проб контрольная. Из бюретки по каплям приливать в одну колбу 0,1н раствор соляной кислоты до тех пор, пока от одной капли кислоты окраска перейдет из желтой в розовую. Сравните цвета растворов в колбах с исследуемой пробой и контрольной. Титрование повторите 2–3 раза. Взяв средний расход кислоты, рассчитайте карбонатную жесткость по формуле:

,

где Ж_к – карбонатная (временная) жесткость, мэкв/л;

V_воды – объем воды, см³;

V_HC1 – объем соляной кислоты, пошедшей на титрование, см³;

N_НС1 – нормальность соляной кислоты, моль/л.

Опыт № 2. Определение общей жесткости воды

Общая жесткость воды определяется комплексонометрическим титрованием. Вода с солями жесткости титруется раствором комплексона, чаще всего раствором этилендиаминотетрауксусной кислоты (EДТА, комплексона II) или ее двунатриевой соли (комплексона III или трилона Б). Состав трилона Б выражается формулой:

НООС – СH₂ CH₂COONa

N–CH₂–CH₂–N

НООС – CH₂ CH₂COONa

Реакции образования комплексных солей, происходящие при титровании воды, содержащей ионы Са²⁺, Mg²⁺ и др., трилоном Б, могут быть выражены следующими сокращенными уравнениями:

Na₂H₂ трил. + Ca²⁺ = Na₂ [Ca трил.] + 2Н⁺;

Na₂H₂ трил. + Mg²⁺ = Na₂ [Mg трил.] + 2Н⁺,

где трилон является лигандом.

В качестве индикатора применяется краситель – эриохром черный, ЭТ-00, образующий с ионами Mg²⁺, Са²⁺ и др. окрашенные малодиссоциирующие комплексные соединения. Эриохром черный представляет собой кислоту и действует как кислотно- основной индикатор с изменением окраски в зависимости от рН среды.

При титровании воды трилон Б сначала реагирует со свободными ионами Са²⁺, затем со свободными ионами Mg²⁺ и, наконец, извлекает Mg²⁺из его соединения с индикатором, изменяя окраску индикатора из вишнево-красной в фиолетовую, затем в синюю (окраска индикатора в щелочной среде при отсутствии ионов Mg²⁺).

Величина рН раствора около 10 является лучшей для титрования. Для создания такой среды к анализируемой пробе воды добавляют аммиачно-буферную смесь – NH₄ОН +NH₄C1. При рН = 10 переход окраски очень резкий, вследствие чего титрование осуществляется с большой точностью.

Ход исследования

В две конические колбы на 250 см³ отмерить пипеткой или мензуркой по 100 см³ исследуемой воды, добавить в каждую пипеткой по 5 см³ аммиачно-буферного раствора и 7–8 капель раствора эриохрома черного (ЭТ-00). Перемешать растворы. Одна из проб контрольная. Во второй колбе исследуемую пробу титровать 0,1н раствором трилона Б до перехода красно-вишневой окраски в фиолетовую. Затем по каплям при тщательном перемешивании титровать до появления синей окраски. Сравнить цвета исследуемой оттитрованной пробы с контрольной. Опыт повторите 2–3 раза и возьмите среднее значение трилона Б, пошедшего на титрование. Определение общей жесткостиЖ_о6щ произвести по формуле:

,

где V_тр –объем трилона Б, пошедший на титрование пробы воды, см³;

N_тр – нормальность трилона, моль/л;

V_воды –объем пробы воды, см³.

Постоянную жесткость воды определите по разности между общей и карбонатной жесткостью:

.

Заключение

В результате выполнения лабораторных работ студенты научатся оценивать численные порядки величин, характерных для химии, ознакомятся со свойствами технических материалов, а также приобретут навыкив научно-исследовательской работе, в применении своих знаний для изучения последующих специальных дисциплини свободной ориентации в частных вопросах, возникающих в практической деятельности.

Библиографический список

1. Коровин Н. В. Учебник по химии для технич. направл. и спец. вузов. – 6-е изд., испр. – М. : Высш. шк., 2005. – 557 с.

2. Глинка Н. Л. Общая химия : учебное пособие для вузов. – изд. 30-е, испр. / под ред. А. И. Ермакова. – М. : Интеграл-Пресс, 2004. – 728 с.

3. Зубрев Н. И. Инженерная химия на железнодорожном транспорте. – М. : УМК МПС РФ, 2002. – 292 с.

4. Глинка Н. Л. Задачи и упражнения по общей химии : учебное пособие для вузов / под. ред. В. А. Рабиновича и Х. М. Рубиной. – М. : Интеграл-Пресс, 2007. – 240 с.

5. Гольбрайх З. Е. Сборник задач и упражнений по химии : учеб. пособие для студентов. – 6-е изд. / З. Е. Гольбрайх, Е. И. Маслов. – М. : ООО «Издательство АСТ»; ООО «Издательство Астрель», 2004. – 383 с.

6. Васильченко Л. М. Справочный материал по дисциплинам «Химия» и «Коррозия металлов» для студентов 1-го курса всех специальностей и форм обучения. Часть I /
Л. М. Васильченко, Г. Б. Сеницкая, А. В. Халикова, Н. В. Сотова. – Самара : СамГУПС, 2005. – 98 с.