Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ И УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ

Цель работы: проведение анализа воды на жесткость и ее умягчение методом катионирования.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Жесткость воды – это совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде ионов  и . Суммарная концентрация ионов  (кальциевая жесткость воды) и  (магниевая жесткость воды) называется общей жесткостью. Общая жесткость включает карбонатную жесткость, обусловленную содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, и некарбонатную, обусловленную содержанием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния. Карбонатную жесткость можно снизить кипячением, поэтому такую жесткость называют временной. Некарбонатная жесткость не уменьшается при кипячении, поэтому ее называют постоянной.

Величину жесткости природных вод выражают в миллиэквивалентах на 1 л воды (мэкв/л). Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию 20,40 мг/л  или 12,16 мг/л .

ПРИМЕР 1. Вычислить жесткость воды, зная, что 500 л ее содержат 202,5 г гидрокарбоната кальция.

Решение. В 1 л воды содержится 202,5 : 500 = 0,405 г , что составляет 0,405 : 81 = 0,005 эквивалентных масс или 5 мэкв/л (81 г/моль – экивалентная масса ). Следовательно, жесткость воды 5 мэкв/л.

ПРИМЕР 2. Сколько граммов сульфата кальция содержится в 1 м³ воды, если жесткость воды, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 мэкв/л?

Решение. Мольная масса  равна 136,14 г/моль; эквивалентная масса равна 136,14 : 2 = 68,07 г/моль. В 1 м³ воды жесткостью 4 мэкв/л содержится 4•1000 = 4000 мэкв, или 4000•68,07 = 272280 мг = 272,280 г .

Жесткость природных вод колеблется в очень широких пределах – от 0,1 - 0,2 мэкв/л в водах рек и озер, расположенных в зонах тайги и тундры, до 80 - 100 мэкв/л в некоторых подземных водах и водах морей и океанов. Повышенная жесткость в водах природных источников обусловлена контактом воды с горными породами, содержащими карбонаты и сульфаты.

Применение жесткой воды недопустимо в некоторых отраслях промышленности, например в теплоэнергетике, так как в котлах и отопительных приборах образуется накипь, что ухудшает теплообмен. Поэтому жесткость является одним из показателей качества воды, который необходимо контролировать.

При необходимости использования водоисточника с высокой жесткостью воды применяют специальные методы умягчения воды. Умягчение может быть осуществлено переводом солей жесткости в труднорастворимые или комплексные соединения, перегонкой воды, методом ионного обмена.

При умягчении воды методом осаждения соли жесткости переводят в следующие труднорастворимые соединения: карбонат кальция, гидроксид магния, трехзамещенные фосфаты. В зависимости от применяемого осадителя способы обработки называют известкованием, содоизвесткованием, фосфатированием.

Процессы, протекающие при известковании (обработка известью, описываются уравнениями:

,

,

,

.

Постоянная жесткость известью не удаляется – изменяется ее состав: магниевая жесткость переходит в эквивалентное количество кальциевой.

Обработка воды содой  и известью (содоизвесткование) может быть описана теми же уравнениями (кроме последнего) и в дополнение к ним следующими:

,

.

При содоизвестковании устраняется как временная, так и постоянная жесткость.

Осаждение солей жесткости фосфатом натрия называется фосфатированием воды. Оно применяется и как самостоятельный метод умягчения и как метод доумягчения воды после предварительного снижения жесткости другими способами.

Умягчение воды переводом солей жесткости в комплексные соединения основано на образовании хорошо растворимых комплексных солей. На практике для связывания в комплекс ионов жесткости используют: гексаметафосфат натрия и комплексон 111 (трилон Б).

Наиболее глубокое умягчение воды достигается методом ионного обмена. Ионный обмен основан на способности некоторых высокомолекулярных соединений (ионитов) вступать в обратимые реакции обмена ионами, причем этот обмен происходит в строго эквивалентных соотношениях. Обменными ионами могут быть как катионы (в этом случае ионит называют катионитом), так и анионы (в этом случае ионит называют анионитом).

При умягчении воды применяют катионный обмен. Обменными ионами обычно служат ионы  или ионы  катионита.

Процесс умягчения может быть представлен уравнениями:

, ;

, .

где   - условное обозначение катионита в -форме ;

- условное обозначение катионита в - форме.

Важнейшей характеристикой ионита является его обменная емкость. В практике водоподготовки ионит характеризуют по динамической обменной емкости, выражаемой числом эквивалентов поглощаемого иона на 1 м³ ионита в рабочем состоянии.

Регенерация катионита основана на обратимости процесса ионного обмена. -катионит после истощения регенерируется 5-8 % раствором хлорида натрия, - катионит – 1-1,5 % раствором серной кислоты. После регенерации катионит отмывают умягченной водой.

Для определения жесткости воды применяют титриметрический метод, причем для определения общей жесткости используют комплексонометрическое титрование, а  карбонатную жесткость определяют методом кислотно-основного титрования.

ПРИМЕР 3. Вычислить карбонатную жесткость воды, зная, что на титрование 100 см³ этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6,25 см³ 0,08 н. раствора соляной кислоты.

Решение. Вычислим нормальность раствора гидрокарбонат кальция. Обозначив число эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора, т.е. нормальность, через Х, составляем пропорцию:

, н.

Таким образом в 1 л исследуемой воды содержится 0,005•1000 = 5 мэкв гидрокарбоната кальция или 5 мэкв ионов кальция. Карбонатная жесткость воды 5 мэкв.

Оборудование и реактивы:

1.     Мерный цилиндр вместимостью 100 мл – 1.

2.     Бюретка вместимостью 25 мл – 2.

3.     Колбы для титрования вместимостью 200-250 мл – 3 шт.

4.     Пипетка вместимостью 5 мл – 1 шт.

5.     Колонка, заполненная катионитом – 1 шт.

6.     0,01 н раствор комплексона 111

7.     0,1 н раствор соляной кислоты.

8.     Индикатор эриохром черный  Т.

9.     Индикатор метиловый оранжевый.

10. Аммиачный буферный раствор.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ОПЫТ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ КОМПЛЕКСОНОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ.

В основе метода лежит реакция образования внутримолекулярной растворимой соли комплексона 111 с ионами  и . Ион металла замещает атомы водорода карбонильных групп , а также связывается координационной связью с атомами азота, при этом один ион металла образует соединение только с одной молекулой комплексона 111.

Комплексон 111 – это двузамещенная соль натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты

При титровании образуется соединение:

В качестве индикаторов, для фиксирования точки эквивалентности, используют металлоиндикаторы. Металлоиндикаторы – это органические красители, образующие окрашенные комплексные соединения с ионами металлов, менее прочные чем комплекс металла с комплексоном 111. Реакцию металла с индикатором можно представить уравнением:

синий	красный

Например, если в раствор соли кальция, при рН=7-11 ввести эриохром черный Т, то раствор окрасится в красный цвет, если этот раствор титровать раствором комплексона 111, который с дает бесцветный более прочный комплекс, чем комплекс  с индикатором, то в конечной точке титрования раствор примет синий цвет.

Выполнение опыта. Отберите мерным цилиндром 100 мл воды и перенесите ее в  колбу для титрования; добавьте к исследуемой воде 5 мл аммиачного буферного раствора и несколько кристалликов (на кончике шпателя) эриохрома черного Т.

Приготовленную пробу медленно при постоянном перемешивании оттитруйте раствором комплексона 111 до перехода розовой красной окраски в голубую. Результат титрования запишите. Повторите титрование еще раз. Если результаты двух титрований совпадут (мл), найдите средний объем раствора комплексона 111, израсходованный на титрование и рассчитайте общую жесткость воды. В противном случае оттитруйте пробу еще раз. Результаты опыта запишите в таблицу 1.

Общую жесткость воды рассчитываем по закону эквивалентов:

.

Таблица 1

Опытные данные

№ п/п	Объем исследуемой воды, , мл.	Объем раствора комплексона 111, , мл.	Молярная концентрация эквивалентов комплексона 111, , моль/л	Общая жесткость воды, , моль/л
1	100		0,01
2	100		0,01
3	100		0,01

ОПЫТ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНАТНОЙ И НЕКАРБОНАТНОЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ.

Определение карбонатной жесткости воды сводится к измерению концентрации гидрокарбонат-иона  и тем самым эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости  и . Для анализа используют метод кислотно-основного титрования, основанный на реакции нейтрализации.

Анион  в воде гидролизуется:

поэтому вода имеет щелочную реакцию. При титровании протекает реакция нейтрализации:

.

В качестве индикаторов используют вещества, изменяющие свою окраску в зависимости от рН среды. По своей химической природе индикаторы представляют собой слабые органические кислоты  или слабые органические основания , у которых молекулярная и ионная формы имеют различную окраску.

Согласно ионной теории индикаторов изменение цвета индикатора вызывается смещением равновесия диссоциации:

В кислой среде индикатор находится в недиссоциированой форме (), так как избыток ионов водорода связывается с анионами индикатора – преобладает окраска 1.

В щелочной среде гидроксильные ионы связывают протоны в малодиссоциирующее вещество – воду. Равновесие смещается в сторону диссоциации кислоты, что приводит к возрастанию концентрации ионной формы  - преобладает окраска 11.

Выполнение опыта. Отберите мерным цилиндром 100 мл воды и переносите ее в колбу для титрования. Добавьте к исследуемой воде 2 капли метилового оранжевого.

Приготовленную пробу медленно, при постоянном перемешивании, оттитруйте раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую. Результат титрования запишите. Повторите титрование еще раз. Если результаты двух титрований совпадут (мл), найдите средний объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование и рассчитайте карбонатную жесткость воды. В противном случае оттитруйте пробу еще раз.

Результаты опыта запишите в таблицу 2.

Таблица 2

Опытные данные

Объем исследуемой воды, , мл.	Объем раствора соляной кислоты, , мл.	Молярная концентрация эквивалентов раствора , , моль/л	Жесткость воды.
			Карбонатная , моль/л	Некарбонатная , моль/л
100		0,1

 

Рассчитываем карбонатную жесткость воды по формуле:

.

Некарбонатную жесткость воды , находят по разности:

.

ОПЫТ 3. УМЯГЧЕНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ КАТИОНИРОВАНИЯ.

Жесткую воду пропускают через катионообменную смолу в форме, при этом ионы  и  эквивалентно замещают ионы  в смоле.

Выполнение опыта. Через колонку заполненную катионитом пропустите 300-400 мл жесткой воды. Скорость фильтрования регулируйте зажимом, она не должна превышать 15 капель в минуту. Умягченную воду соберите в стакан, ополоснутый первыми порциями фильтрата.

Отберите 100 мл умягченной воды и определите общую жесткость умягченной воды.

Результаты опыта сведите в таблицу 3.

Таблица 3.

Опытные данные

Объем исследуемой воды, , мл.	Объем раствора комплексона 111, , мл.	Молярная концентрация эквивалентов комплексона 111, , моль/л	Общая жесткость воды после умягчения, , моль/л
100		0,01