Определение жесткости воды

Огромное количество неизученных проблем существует в окружающем нас мире. Какую воду мы пьём? Сколько в ней содержится железа? Какое рН имеет обычное мыло? и другие. Как ответить на такие вопросы? Для этого необходимо провести исследование.

На упаковке средства для смягчения воды «Calgon» дана следующая информация: в водопроводной воде содержатся соли жесткости, которые могут привести к образованию известкового налета во всем доме. Известковый налет может оседать на нагревательном элементе, других жизненно важных частях стиральной машины, а также на белье. Образование накипи может привести: к сокращению службы вашей стиральной машины, повышенному потреблению стирального порошка, а известковые отложения на белье могут сделать его жестким на ощупь.

Для полной защиты от накипи положитесь на защиту «Calgon»

Объекты исследования – вода:

Водопроводная вода г. Красноярск

➢ Проба № 1 - Советский район

➢ Проба № 2 – Центральный район

➢ Проба № 3 - Железнодорожный район

➢ Проба № 4 – Октябрьский район

➢ Проба № 5 – Кировский район

➢ Проба № 6 – Ленинский район

➢ Проба № 7 - Свердловский район г. Лесосибирск

➢ Проба № 8 – вода из центрального водопровода г. Лесосибирска

➢ Проба № 9 – вода из частных скважин г. Лесосибирска п. Берёзовка

➢ Проба № 10 - водопроводная вода п. Березовка

➢ Проба № 11 – вода из частной скважины п. Березовка

Предмет исследования: жесткость воды.

а) понятие «Жесткость»

В природе чистая вода не встречается: она всегда содержит примеси, каких либо веществ. В частности, взаимодействуя с солями, содержащимися в земной коре, она приобретает определенную жесткость.

Жесткость воды – совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция, магния и железа

Анионами растворимых солей Са2+ Mg2+ Fe2+ могут быть: гидрокарбонат - ионы НСО3,- сульфат – ионы SO42-, хлорид - ионы Cl- , нитрат – ионы NO3- и другие.

б) виды жесткости

Различают временную (карбонатную) жесткость воды, обусловленную наличием в воде гидрокарбонатов: кальция Ca(HCO3), магния Mg(HCO3), Fe(HCOO3)2 и постоянную жесткость (некарбонатную), обусловленную наличием в воде сульфатов: кальция CaSO4, магния MgSO4, железа FeSO4; хлоридов: кальция CaCl2, железа FeCl2, магния MgCl2 и других солей.

Жесткость воды количественно выражается числом ммоль эквивалентов (ммоль/ экв. ) ионов кальция, магния и железа, содержащихся в 1л воды

1 ммоль экв/л жесткости соответствует содержанию 20. 04 мг/л ионов кальция, 12. 16 мг/л ионов магния или 27, 9 мг/л ионов железа .

в) характеристика воды по жесткости

Характеристика воды по жесткости Ж общая ммоль экв/л

Очень мягкая вода Не более 1. 5

Мягкая вода От 1. 5 до 4. 0

Вода средней жесткости От 4. 0 до 8. 0

Жесткая вода От 8. 0 до 12

Очень жесткая вода Свыше 12. 0

Жесткость воды для хозяйственно – питьевых целей не должна превышать 7 ммоль экв/л.

г) последствия использования жесткой воды.

• В жесткой воде плохо развариваются продукты питания, так как катионы кальция, магния и железа с белками пищи образуют нерастворимые соединения. В такой воде плохо завариваются чай и кофе, теряется их вкус. В жесткой воде плохо развариваются овощи. Постоянное употребление жесткой воды может привести к расслаблению желудка и отложению солей в организме человека.

• При стирке белья жесткая вода ухудшает качество тканей (ткань впитывает соли, становится желтой, ветшает) и требует повышенной затраты мыла. В жесткой воде мыло плохо мылится. Мыло представляет собой натриевые соли высших карбоновых кислот, например, стеарат натрия C17H35COONa. При растворении мыла в жесткой воде образуется плохо растворимые в воде стеараты кальция, магния и железа:

2C17H35COO- + Ca2+ = (C17H35COO)2Ca↓

2C17H35COO- + Mg2+ = (C17H35COO)2Mg↓

2С17Н35СОО- + Fe2+ = (C17H35COO)2Fe↓

• Жесткая вода непригодна для использования в паровых котлах: растворенные в ней соли при кипячении образуют на стенках котлов слой накипи, который плохо проводит теплоту. Это вызывает перерасход топлива, преждевременный износ котлов, а иногда, в результате перегрева котлов, и аварии.

• Жесткость воды вредна для металлических конструкций, трубопроводов, кожухов охлаждаемых машин.

д) способы устранения жесткости воды.

Для устранения жесткости воды (её умягчения) необходимо ионы кальция, магния и железа перевести в осадок.

Временную (карбонатную) жесткость воды устраняют кипячением, так как при этом гидрокарбонаты кальция, магния и железа разлагаются, образуя при этом карбонат кальция, гидроксид магния, карбонат магния, оксид железа (3):

Ca(HCO3)2 = CaCO3↓ + H2O + CO2↑

Mg(HCO3)2 = Mg(OH)2↓ + 2CO2↑

Mg(HCO3)2 = MgCO3 ↓+ H2O + CO2↑

4Fe(HCO3)2 = Fe2O3↓ + 4H2O + 8CO2↑

Постоянную жесткость кипячением устранить нельзя.

Для устранения общей жесткости воды добавляют смесь гашеной извести Са(ОН)2 и соды Na2СО3 (известково-содовый способ). При этом временная жесткость воды устраняется гашеной известью:

Ca2+ + 2HCO3- + Ca2+ + 2OH- = 2CaCO3↓ + 2H2O

Mg2+ + 2HCO3- + 2Ca2+ + 2OH- = Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2H2O

4Fe(HCO3)2 + 8 Ca(OH)2 + O2 = 4FeO(OH) ↓+ 8CaCO3↓ + 10H2O

Постоянная - устраняется содой:

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaCl

MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3↓ + Na2SO4

FeCl2 + Na2CO3 = FeCO3↓ + 2NaCl

Также для устранения постоянной жесткости можно использовать ортофосфат натрия:

3FeCl2 + 2Na3PO4 = Fe3(PO4)2 ↓+ 6NaCl

Современные способы умягчения воды основаны на применении катионитов. Катионитами называются твердые вещества, содержащие в своем составе подвижные катионы, способные обмениваться на ионы внешней среды.

Для устранения жесткости в качестве катионитов применяют алюмосиликаты Na2│Al2Si2O8*n H2О. Это соединение условно можно выразить формулой Na2R, где R это анион.

При пропускании жесткой воды через колонку, заполненную катионитом, происходит обмен катионов:

Na2R +Ca 2+ = 2Na+ + CaR

Na2R + Mg2+ =2Na + MgR на катионите задерживаются катионы кальция и магния, а в раствор переходят ионы натрия; в результате этого процесса жесткость воды уменьшается.

Через некоторое время, когда большая часть ионов натрия катионита обменяется на катионы кальция и магния, катионит необходимо регенерировать, т. е. восстановить первоначальные свойства. Для этого через катионообменные колонки пропускают насыщенный раствор хлорида натрия, при этом происходят обратные процессы:

CaR +2Na+ = Ca2+ + Na2R

MgR + 2Na+ = Mg2+ + Na2R

После промывки катионит можно снова использовать для умягчения воды

Методика проведения эксперимента

Метод определения общей жесткости является комплексометрическим (титриметрическим) и основан на образовании прочного комлексного соединения катионов кальция и магния с трилоном Б в щелочной среде (рН 10. 0 – 10. 5) в присутствии индикатора – кислотного хром темно – синего).

Используемый метод является унифицированным и соответствует РТ 52. 24. 395 – 95, ИСО 6058.

Используемое оборудование

1. Пипетка капельница.

2. Пипетка для титрования.

3. Шприц – дозатор.

4. Склянка с меткой 10 мл.

5. Спиртовка.

6. Пробирки, держатель пробирок.

Реактивы

1. Раствор буферный аммиачный.

2. Раствор индикатора хром темно – синего кислотного.

3. Раствор трилона Б (0. 05 моль/л экв. )

Ход работы

1. Мерную склянку ополоснуть несколько раз анализируемой водой. В склянку налить до метки воду (10,0 мл).

2. Добавить в склянку разными пипетками 2 – 3 капли раствора буферного аммиачного и 1 – 2 капли раствора индикатора хром – темно – синего.

3. Герметично закрыть склянку пробкой и встряхнуть для перемешивания.

4. Постепенно титровать содержимое склянки раствором трилона Б с помощью пипетки и шприца до перехода окраски в точки эквивалентности из вино – красной ярко – голубую. Наблюдать окраску на белом фоне при достаточной освещенности. Периодически встряхивать для перемешивания пробы. Определить объем пробы раствора, израсходованный на титрование общей жесткости.

5. Вторую часть данной пробы прокипятить в течение 5 минут и провести анализ повторно.

Примечание. После изменения окраски пробу необходимо выдержать ещё 0,5 минут для полного протекания реакции. Окраска может восстановиться. А этом случаи необходимо добавить ещё некоторое количество раствора трилона Б

Методика расчета общей жесткости (Сож) в моль/л.

Формула расчета:

Сож = Vож * 5

Vож * 0,05 * 1000 или Сож = - где

0,05 – концентрация раствора трилона Б, моль/л эквивалента;

Vож – количество раствора трилона Б, израсходованного на титрование;

Vпр – объём пробы, взятой для анализа, мл;

1000 – коэффициент перерасчета единиц измерения.

Анализ результатов эксперимента

1. В пробах № 1, 2, 3, 6, 7, 8 – вода мягкая (Советский. Центральный, Железнодорожный, Свердловский, Ленинский районы г. Красноярска, г. Лесосибирск – центральный водопровод) – уровень жесткости в пределах 1 до 3,5.

2. В Пробах № 4, 5 – вода средней жесткости (Октябрьский и Кировский районы г. Красноярска) – уровень жесткости в пределах от 4 до 4,5.

3. В пробах № 9,10,11 – вода жесткая (г. Лесосибирск – частные скважины, п. Березовка – центральный водопровод и родник) – уровень жесткости 8,9 до 10,6.

4. После кипячения уровень жесткости снижается во всех пробах - пределы снижения от 5,5 до 29. 78%.

Заключение

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Жители Советского, Центрального, Железнодорожного, Ленинского, Свердловского районов г. Красноярска и жители г. Лесосибирска, использующие воду центрального водопровода, могут без опасения использовать воду для хозяйственно – питьевых целей, т. к. вода имеет незначительный уровень жесткости. Использование средства «Calgon» и других средств, препятствующих образованию накипи должно быть минимально.

2. Жителям Кировского и Октябрьского районов для питьевых целей лучше использовать предварительно прокипяченную воду, т. к. после кипячения уровень жесткости снижается – вода становится мягкой, а также можно приобретать питьевую воду через торговую сеть; для стирки белья обязательно использовать средства препятствующие образованию накипи.

3. Жителям частного сектора г. Лесосибирска и п. Березовка не рекомендуется использовать воду в питьевых целях, т. к. вода даже после кипячения остается жесткой и непригодной для использования для хозяйственно – питьевых целей. Жителям г. Лесосибирска можно использовать для питья и приготовления пищи воду из центрального водопровода, т. е. через администрацию города решить вопрос с подвозом воды; для стирки белья в достаточном количестве использовать качественные средства, препятствующие образованию накипи. Жителям п. Березовка обратиться в администрацию поселка и района с целью решения вопроса об улучшения качества воды.