Определение временной или карбонатной жесткости воды, понятие и методы устранения жесткости воды, проведение анализа - физико-химические свойства воды и грунта. Определение временной, или карбонатной жесткости воды в аквариуме
Представить себе жизнь без воды сегодня невозможно. Любой человек использует ее каждый день, не обходится без воды и производство. Во многих технологических процессах воду используют постоянно. Производство микросхем, даже абразивные чистки применяют воду с завидным постоянством. И можно смело утверждать, что без качественной воды сегодня не продержаться на рынке. Что касается обычных потребителей, то вода плохого качества влияет на здоровье. Негативно влияет. Снижает качество обработки продуктов и многое-многое другое.
В чем причина плохого качества воды? Что делает ее жесткой? Сразу нужно уточнить, что варианты загрязнения могут быть самыми разными. От банальной грязи и твердых примесей, до невидимых органических примесей, которые могут сделать воду вирусоносной, жесткой или железистой.
На сегодня идентифицировано несколько. Что вообще понимают под термином «жесткость»? Это такая характеристика воды, которая подразумевает под собой наличие в воде определенного размера включений солей кальция и магния.
Подразумевает наличие в воде карбонатных солей. Это как раз и есть соли кальция и магния. Жесткость может быть и сульфатной. Но в большинстве случаев встречается именно карбонатная. А это практически 98 процентов случаев. Потому и будем уделять карбонатной жесткости воды больше всего внимания.
Итоговое содержание солей в воде именуют жесткостью. Даже если быть совсем точной, то это общая жесткость. Для жизни это один из самых важных факторов. Для производства также есть большое значение в этом показателе. Для тех, кто держит аквариум, карбонатная жесткость воды также является важным показателем. Т.к. в очень некачественной воде рыбы жить не смогут. Данный показатель подвергается постоянному контролю. Даже пресную воду следует различать по жесткости.
Общую жесткость делят на два подвида постоянную и временную. Эти виды также могут называться карбонатной, то есть временной и некарбонатной, то есть постоянной.
Карбонатную жесткость воды образуют гидрокарбонаты и карбонаты кальция и магния, о которых говорилось выше, при показателе кислотно-щелочного баланса, равного 8,3. Некарбонатную жесткость образуют кальциевые и магниевые соли сильнодействующих кислот.
Соли, образующие жесткость, ведут себя по-разному в воде. Одни при нагреве выпадают в осадок, другие полностью растворяются. Это и послужило признаком иерархии. Соли, которые создавали малорастворимый осадок, создали временную жесткость, то есть устранимую. Те же соли, которые растворялись в воде, образовали постоянную жесткость.
Более или менее с начальными понятиями определились. Теперь рассмотрим более подробно про и узнаем, какие вещества и как образуют столь нужную нам для рассмотрения карбонатную жесткость воды.
Временная жесткость воды присутствует вместе с двухвалентными катионами кальция, магния и железа, а также бикарбонатных и гидрокарбонатных анионов. Стоит такую воду нагреть, и гидрокарбонаты разлагаются. На смену им приходят – малорастворимый карбонатный осадок, вода и углекислый газ.
Когда говорят об устранении жесткости в воде, то имеют в виду именно карбонатную жесткость воды. Ее можно устранить из воды, т.к. ее составляющие вступают в реакцию. Это временное явление и даже прокипятив воду, жесткость можно убрать, правда, тогда все прелести такой воды в виде накипи осядут на стенках оборудования.
Ну и постоянная жесткость остается в воде и после кипячения. Источники ее создания, это сульфаты, силикаты, хлориды и нитраты. На постоянную жесткость нельзя повлиять. Правда, при устранении карбонатной жесткости воды уменьшается количество и постоянной.
Что понимают под временной и постоянной жесткостью мы разобрались. Какие же на сегодня существуют варианты устранения карбонатной жесткости? Можно ли без лишних расходов сделать это в домашних условиях? И почему так вредная некачественная вода?
О накипи можно слагать легенды. Каждый из нас лицезрел ее на стенках чайника, кастрюль, не знал как с ней справится, когда она покрывает прочным слоем сеточку крана. Чего и говорить, но жесткая вода в домашних условиях, одна из самых больших проблем любой хозяйки. Времени на устранение уходит очень много, денег при этом не меньше, и бытовые приборы страдают от устранения налета не меньше, чем от самой накипи.
Но кроме бытовых проблем, данные доставляют огромное количество неприятностей промышленности. Котельные, металлургия, микроэлектроника, химическая промышленность, теплоэнергетика. Все эти отрасли обойтись без качественной воды не могут. Качественная вода предполагает в дальнейшем производство качественной продукции.
И естественно является главным производственным элементом в пищевой промышленности. Нельзя произвести вкусную и полезную воду, когда ее плохо очистили. Поэтому что дома в своей квартире, что на промышленном производстве умягчению воды следует уделять достаточно внимания.
Кроме умягчения можно бороться просто с накипью. Для этого достаточно устранять налет своевременно. Но проводить такие процедуры нужно постоянно и использовать для этого агрессивные средства или специальные механические приборы, которые позволят очистить даже самый толстый слой накипи.
Способы определения карбонатной жесткости воды
Как и у каждой чистки, у очищения накипи есть масса недостатков. Мало того, что расходы на приобретение средств становятся постоянными и не малыми, так еще и бытовые приборы не так просто чистить. Да и поверхности никогда уже не будут по-прежнему гладкими. И естественно с каждым устранением накипи, поверхность будет становиться все более испорченной, а новые отложения будут образовываться быстрее. Может начать развиваться коррозия. Чтобы этого не произошло, давайте узнаем какие применяются способы для определения карбонатной жесткости воды.
Что у самой воды, что у накипи есть несколько особенностей, делающих их образование крайне неприятным. Некачественная вода плохо растворяет моющие средства. И это притом, что мы все моем в воде. Такая особенность вызывает резкое увеличение расходов и мыла с порошком и воды. Вода сегодня стоит немало, чтобы постоянно платить за определение карбонатной жесткости воды.
Что же касается непосредственно накипи, то она почти не проводит тепло. И из-за этого все беды. Образовываясь на топливных поверхностях и элементах, она просто полностью блокирует нормальную работу любого нагревательного прибора. В результате происходят необратимые вещи. Если не убирать такой налет своевременно.
Таблица. Виды и способы определения жесткости воды
| Состав исходной воды | Вид жесткости | Способ определения жесткости воды | |
| катионы кальция | анионы магния | ||
| Са | С плюсом | Карбонатная или некарбонатная | Химический анализ |
| Са |
С минусом |
Постоянная или временная | Тест-полоска для определения жесткости |
| Са | Положительный заряд |
Временная, карбонатная и в малой степени общая |
Специализированная лаборатория |
Если вы пренебрегли каким либо способом, приведённым в таблице, вы можете лишиться своего дорогостоящего оборудования. Каждый из приведенных в таблице способов определения карбонатной жесткости воды крайне важен!
Во-первых, ухудшается работа любого оборудования или бытового прибора. КПД резко идет вниз. Из-за того, что накипь плохо нагревается, приходится расходовать в разы больше топлива, электричества, мощности с целью хоть как то нагреть воду. Для промышленности такая особенность накипи выливается в огромные расходы. Прибор постепенно покрывается накипью, пока поверхность практически полностью прекращает передавать тепло воде. Тогда срабатывает система защиты. Прибор самопроизвольно отключается, с целью защитить себя от перегрева. Получив такой сигнал, приступить к очистке поверхностей следует немедленно.
Накипи ведь много не надо. Из стадии легкий известковый налет она быстро переходит в стадию твердый известковый камень, который так легко не уберешь. И когда поверхности покрыты вот таким камнем и происходит перегорание прибора. Иногда это может выглядеть как взрыв или трещина, в чем тоже мало приятного. Трубы в водопроводе разрывает и протирает по этой причине.
Возиться с постоянным устранением налета, особенно в промышленности чрезвычайно накладно. Существует ряд способов, не повредив всю систему. Средства от накипи не дешевые. Как и вызов бригады для очистки. Подвергать таким нагрузкам поверхности постоянно тоже нельзя. Какой же путь избрать? Как наиболее эффективно бороться с карбонатной жесткостью воды?
Сразу скажу, что определение карбонатной жесткости воды в домашних условиях невозможно. Единственный, так сказать, кустарный вариант доступен только для очищения очень малого количества воды. И это вода будет скорее лечебной, чем просто умягченной. Многие ведь считают, что умягчители воды – дорогое удовольствие. Сегодня, к счастью это не так. Грамотность населения и просвященность в сфере очистки воды с каждым годом растет и потому между производителями фильтров для воды увеличивается конкуренция. И в ценах на подобные очистительные приборы наметилась положительная динамика к снижению.
Но вернемся к определению карбонатной жесткости воды в домашних условиях. Единственный материал, который позволит вам действительно получить качественную воду, это кремний. Все, что вам для этого нужно, это купить кусочек кремния и настоять на нем воду в течении недели. Вода получается мягкой, еще и снабженной всевозможными полезными веществами. Все полезные свойства кремния еще не изучены до конца, в будущем его планирует плотно использовать медицина. Но для очищения воды в домашних условиях, его достаточно, только для небольших обьемов.
Если же вы хотите поставить на поток, то вам нужен не просто умягчитель, вам нужна водоподготовка. Обойтись одним фильтром проблематично. Вода для быта и вода для потребления несколько разные инстанции и требования к качеству немного отличаются.
Для максимальной защиты предприятия или семьи дома потребуется, как минимум два умягчителя воды. Причем один должен чистить всю воду, априори. Другой будет проводить дополнительную очистку, которая поможет получить качественную питьевую воду. Для общих целей больше всего подходят, да и их чаще всего, и используют ионообменный фильтр для воды и . Для получения вкусной питьевой воды лучше всего подойдет обратный осмос или фильтр-кувшин. Если уж совсем экономично.
Для специальной очистки, которая нужна в той же фармакологии или микроэлектронике используют микро или нанофильтрацию. Из последовательного соединения всех этих приборов и складывается водоподготовка. Часто, когда обрабатывают первичную воду, такую систему дополнительно оснащают механическими фильтрами, обеззараживателями, кондиционерами и обезжелезивателями. Тогда чистка идет сто процентная. От А до Я.
В быту из всех фильтров больше всего сегодня помогают избавиться от карбонатной жесткости воды электромагнитные приборы АкваЩит. Еще совсем недавно самыми прогрессивными очистителями считались магнитные устройства. Но в процессе эксплуатации было выявлена уйма недостатков, которые очень быстро привели к закату «звезды» магнитного устройства. Тогда собственно и изобрели электромагнитный прибор, как улучшенный вариант магнита.
Ионообменный фильтр хоть и считается одним из самых старых , но тем не менее сегодня по прежнему занимает лидирующие позиции. Хотя в работе он довольно затратный. Его фильтрующая смола после полного забивания солями жесткости требует замены или восстановления. Стоит сменный картридж не то, чтобы дорого, но и не дешево. Менять при этом фильтр приходится раз в квартал.
Как вычислить карбонатную жесткость воды?
Теперь зададимся вопросом: как вычислить карбонатную жесткость воды ? Вот лишь несколько способов, как это можно сделать:
- Сделать химический анализ на жесткость;
- Отдать исходную воду в лабораторию;
- Купить специальный тест-полоску, которая покажет точную жесткость питьевой воды;
- Обратиться к специалистам за помощью в определении жесткости воды.
Если это крупное промышленное предприятие, вычислить жесткость воды можно и иными способами. Смолу придется восстанавливать путем постоянных промывок с помощью сильносоленого раствора. Потом появляются проблемы с устранением отходов, которые к тому же сильно соленные и требуют доочистки для утилизации. Но умягчает воду такой прибор намного лучше любых других. Как эконом вариант, этот прибор для вычисления карбонатной жесткости необходим и незаменим.
Электромагнитный прибор заслужил море комплиментов при использовании в быту, а также на предприятиях теплоэнергетики. У него масса плюсов, которые выгодно выделяют его из основной массы умягчителей.
Вычислить карбонатную и некарбонатную жесткость воды можно по следующей формуле Ca 2+ + 2HCO 3 - = CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2 или же такой H + + HCO 3 - <–> H 2 CO 3 <–> CO 2 + H 2 O
При всей компактности и удобстве, электромагнитный прибор в состоянии не просто связать карбонатную жесткость воды, он отлично поможет избавиться от старой накипи, застрявшей на стенках. И сделает это крайне осторожно и очень качественно. Достаточно проработать прибору месяц, как слой накипи на стенках уменьшиться значительно. Вам даже достаточно будет замерить слой накипи перед установкой прибора и спустя месяц. Разница будет ощутимой. И при этом за месяц, вам к прибору даже не придется притрагиваться. Полное отсутствие обслуживания также является немаловажным плюсом данного прибора для вычисления жесткости воды. И никакого привыкания к влиянию электромагнитных волн.
Акващит прекрасно сотрудничает с любыми поверхностями, ему не важно, из чего сделаны трубы, а также все равно с какой скоростью течет вода и холодная она, или горячая. Не работает такой прибор только с неподвижной водой. АкваЩит прекрасно не меняя химический состав жидкости. Но поскольку он сам устраняет осадок, то стоячая вода ему не страшна.
При монтаже прибора следует помнить, что ставить его нужно только на чистую внутри трубу. С остатками старой накипи прибор справится, а вот сразу пробиться через нее не сможет. Поэтому место установки следует обязательно чистить.
Мы рассмотрели все варианты классификаций карбонатной жесткости воды, а также узнали как вычислить и как определить карбонатную жесткость. С нею сегодня есть масса возможностей справится. При этом достаточно недорогих. Так, что с целью защитить себя от вредного влияния некачественной воды лучше продумайте варианты установки системы подготовки воды заранее.
Цель работы
Определение общей щелочности воды, вызванной гидрокарбонат- и карбонат-ионами.
Карбонатная жесткость (общая щелочность) природной воды вызвана присутствием в ней анионов слабых кислот: НСО 3 - , СОз 2- , HS - , HSiO 3 - , S1O 3 2- и анионами органических кислот, гидролизую-щихся с образованием гидроксил-ионов. В большинстве природных вод щелочность вызывается присутствием гидрокарбонатов и карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов, а в сернистых водах еще и гидросернистыми соединениями.
Определение производят методом нейтрализации. Метод заключается в том, что бикарбонаты (двууглекислые соли) разлагаются при добавлении в воду соляной кислоты, в результате чего соли, образующие щелочность воды, нейтрализуются
Са(НСО 3) 2 + 2 НС1 = Са С1 2 + 2Н 2 О + 2СО 2
Mg(HCO 3) 2 + 2НС1= MgCl 2 + 2Н 2 О + 2СО 2
Момент нейтрализации узнают по изменению окраски воды при добавлении индикатора. Если вода содержит ион СОз 2- , то от прибавления фенолфталеина она окрашивается в розовый цвет (рН =8.3). Когда вода от фенолфталеина не окрашивается, а от метилового оранжевого приобретает желтую окраску, то в ней содержится только ион НСО 3 - .
Аппаратура, приборы, реактивы и растворы
Колба коническая.
0,1%-ный раствор фенолфталеина.
0,1 н раствор соляной кислоты.
0,1%-ный раствор метилового оранжевого.
Бюретка.
Пипетка или мерная колба.
Ход определения (вариант 1)
В коническую колбу помещают 50-100 мл исследуемой воды, прибавляют 7-8 капель 0,1%-ного раствора фенолфталеина и осторожно при непрерывном перемешивании титруют раствором соляной кислоты до обесцвечивания раствора. Измеряют объем израсходованной кислоты, добавляют 3-4 капли 0,1%-ного раствора метилового оранжевого и продолжают титровать тем же раствором HCI до перехода окраски из желтой в золотисто-розовую (оранжевую).
, мг/л
где V 1 - объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование аликвоты с фенолфталеином, мл;
V 2 - объем раствора соляной кислоты (считая от начала титрования), израсходованный на титрование аликвоты с метиловым оранжевым, мл; V a - аликвота исследуемой воды, мл; N - нормальность раствора соляной кислоты, г-экв/л; 30 - эквивалентная масса СОз 2- ; 61 - эквивалентная масса НСО 3 - ; 1000 - пересчетный коэффициент в мг-экв/л.
Ход определения (вариант 2)
Отмеривают пипеткой или колбой 50 или 100 мл исследуемой воды (V a) в коническую колбу на 250 мл, прибавляют 4 капли 0.1% раствора метилового оранжевого и титруют воду на белом фоне по каплям 0.1 н раствором соляной кислоты при постоянном перемешивании до перехода окраски жидкости из желтой в слабо-розовую (золотисто-оранжевую), объем (V 1). Рассчитывают содержание НСОз - по формуле:
, мг/л
ТРИЛОНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ
ЖЕСТКОСТИ
Цель работы
Определение общей жесткости воды, вызванной солями кальция и магния, с применением трилона Б и хромогена черного (смеси ЕТ-00 с NaCl) в качестве индикатора.
Общие сведения
Общая жесткость в природных водах вызывается солями кальция и магния. Различают карбонатную (устранимую) и постоянную жесткость. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния. Если воду прокипятить, то содержащиеся в ней бикарбонаты разлагаются с образованием осадка средних солей и жесткость устраняется, поэтому ее называют устранимой.
Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде других растворимых солей кальция и магния (обычно сульфатных), она не может быть устранена кипячением.
Сумма постоянной и карбонатной жесткости дает общую жесткость воды. Жесткость в природных водах чаще всего определяется объемным комплексонометрическим методом.
Комплексообразование основано на том, что вещество, содержащееся в стандартном растворе, образует с анализируемым катионом прочное комплексное соединение, растворимое в воде. Связывание определяемого иона в комплекс тем полнее, чем прочнее этот комплекс, т.е. чем меньше константа его нестойкости. Наиболее широко применяется комплексон, называемый трилоном Б - это кислая двунатриевая соль этилендиииаминтетрауксусной кислоты (Na 2 H 2 Tr).
Процесс образования комплекса можно представить уравнением реакции:
Са 2+ + Na 2 H 2 Tr = Na 2 (CaTr) + 2Н +
Если в раствор, содержащий ионы кальция и магния, ввести индикатор, дающий цветные соединения с этими ионами, то при добавлении трилона Б к такому окрашенному раствору произойдет изменение окраски в эвивалентной точке. Трилон Б свяжет ионы кальция и магния в прочный комплекс. В качестве индикаторов применяются: для общей жесткости - хромоген черный (ЕТ-00), а для кальция -мурексид.
Определению жесткости рассматриваемым методом мешает присутствие двухвалентных меди, цинка и марганца. При наличии в воде марганца, к пробе воды, до введения реактивов, прибавляют 5 капель 1 % раствора солянокислого гидроксиламина. Медь и цинк удаляют прибавлением к раствору 1 мл 2 % раствора сульфида натрия, после чего, не отделяя осадка сульфидов, титруют раствор трилоном Б как обычно.
Жесткость воды
Жесткость воды обусловлена присутствием в ней растворенных солей кальция и магния. Если в воде растворены гидрокарбонаты этих металлов Са(НСО 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 , то жесткость называется карбонатной или временной. Остальные соли кальция и магния (хлориды, сульфаты, силикаты и др.) вызывают некарбонатную или постоянную жесткость воды.
Общая жесткость воды равна сумме карбонатной и некарбонатной жесткостей. Величина жесткости воды (Ж) выражается суммой миллиэквивалентов ионов кальция Са 2+ и магния Mg 2+ , содержащихся в 1 литре воды
(мл-экв./л). Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию в литре воды 20,04 мг ионов кальция или 12,16 мг ионов магния.
Пример 1. Определить жесткость воды, если известно, что в 1 м 3 содержится 170 г CaSO 4 и 90 г MgSO 4 .
Решение. Согласно условию задачи в одном литре воды (1 м 3 = 1000 л) содержится г CaSO 4 и г MgSO 4 . Молярные массы эквивалентов М эк каждого соединения равны половине их молярных масс:
= 68 г/моль;
= 60 г/моль.
Тогда в одном литре воды содержится 
молярной массы эквивалента CaSO 4 или 2,5 мл-экв. (столько же, т.е 2,5 мл-экв. Са 2+) и 
или 1,5 мл-экв. MgSO 4 (1,5 мл-экв. Mg 2+). Следовательно, жесткость воды
Ж = 2,5 мл-экв./л CaSO 4 + 1,5 мл-экв./л MgSO 4 = 4 мл-экв..
Эту же задачу можно решить, применяя формулу
Мл-экв./л, (1)
где m – масса вещества, вызывающего жесткость или применяемого для устранения жесткости воды, мг; М эк – молярная масса эквивалента этого вещества, г/моль (
, Z – эквивалентное число); V – объем воды, л.
По величине общей жесткости (мл-экв./л) природные воды можно условно разделить на группы: очень мягкие (Ж<1,5); мягкие (1,5≤Ж≤3,0); средней жесткости (3,0<Ж<5,5); жесткие (5,5≤Ж≤10,7); очень жесткие (Ж>10,7).
Пример 2. Вычислить карбонатную жесткость воды, содержащей гидрокарбонат кальция, если на титрование 100 см 3 этой воды затрачено 6,25 мл 3 0,08 н раствора HCl.
Решение. Определение карбонатной жесткости воды основано на реакции взаимодействия соляной кислоты с гидрокарбонатами кальция и магния (в данном случае только гидрокарбоната кальция):
Са(НСО 3) 2 + 2HCl = CaCl 2 + 2CO 2 + 2 H 2 O.
Согласно закону эквивалентов объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальным концентрациям С эк:
, (2)
где V 1 – объем первого раствора с концентрацией С эк (В 1); V 2 – объем второго раствора с концентрацией С эк В 1 .
По условию задачи молярная концентрация эквивалентов (нормальность) гидрокарбоната кальция не известна. Находим нормальность раствора гидрокарбоната кальция из формулы (2).
Зная нормальность раствора, определяем число миллиэквивалентов гидрокарбоната кальция: 0,005∙1000 = 5 мл-экв. Таким образом, в 1 л исследуемой воды содержится 5 мл-экв. гидрокарбоната кальция или ионов Са 2+ . Следовательно, карбонатная жесткость исследуемой воды – 5 мл-экв./л.
Уменьшение содержания ионов кальция и магния в воде называется умягчением. Оно может быть осуществлено переводом этих ионов в труднорастворимые соединения методом ионного обмена и перегонкой воды. При умягчении воды методом осаждения ионы кальция и магния обычно переводят в карбонат кальция, гидроксид магния или трехзамещенные фосфаты.
Пример 3 . Сколько граммов соды Na 2 CO 3 нужно прибавить к 100 л воды, чтобы устранить жесткость, равную 4 мл-экв./л?
Решение . По условию задачи в 100 л воды содержится 100∙4 = 400 мл-экв. солей, вызывающих жесткость воды. Для устранения этой жесткости по закону эквивалентов необходимо добавить такое же количество вещества, умягчающего воду, в данном случае – соду Na 2 CO 3 . Рассчитаем массу 400 миллиэквивалентов карбоната натрия:
21200 мг = 21,2 г.
Таким образом, для устранения жесткости к 100 л воды необходимо добавить 21,2 г Na 2 CO 3 .
Эту же задачу можно решить, используя формулу (1).
Лабораторная работа
Жесткость воды
Опыт 1. Определение карбонатной (временной) жесткости воды
Лабораторное определение карбонатной жесткости основано на реакциях взаимодействия соляной кислоты с гидрокарбонатами (см. пример 2). Пробу воды титруют 0,1 н раствором соляной кислоты в присутствии 2-3 капель индикатора метилового оранжевого. В точке эквивалентности при незначительном избытке кислоты индикатор меняет свою окраску с желтой на розовую.
Выполнение опыта
В 3 колбы емкостью 200 мл налить по 100 мл воды и добавить по 3 капли индикатора метилового оранжевого. В первую колбу вливать по каплям из бюретки раствор соляной кислоты 0,1 н концентрации до тех пор, пока вода в колбе от очередной капли не изменит желтую окраску на розовую. Отметить объем израсходованной кислоты с точностью до 0,1 мл. То же самое проделать со второй и третьей колбами. Рассчитать средний объем кислоты, израсходованный на титрование. Определить карбонатную жесткость воды.
1. Найти молярную концентрацию эквивалентов С эк раствора гидрокарбонатов по формуле (2) (см. пример 2).
2. Вычислить карбонатную жесткость воды Ж к:
Ж к = С эк ∙ 1000 мл-экв./л ионов Са 2+ и Mg 2+ .
Написать молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций, протекающих при титровании.
Сначала приведу определение жесткости воды в Химической энциклопедии:
ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ, совокупность св-в воды, обусловленная наличием в ней преим. катионов Са2+ (кальциевая жесткость воды) и Mg2+ (магниевая жесткость воды). Сумма концентраций Са2+ и Mg2+ наз. общей жесткостью воды. Она складывается из карбонатной (временной, устраняется кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости воды. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Са и Mg [при кипячении разлагаются на СаСО3 и Mg(OH)2 с выделением СО2], вторая - наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. В СССР жесткость воды выражают в ммоль экв/л: карбонатная жесткость отвечает той части катионов Са2+ и Mg2+, к-рая эквивалентна содержащимся в воде анионам НСО3-, некарбонатная - анионам SO42-, NO3- и др. (1 ммоль экв/л соответствует 20,04 мг/л катионов Са2+ или 12,16 мг/л катионов Mg2+).
Казалось бы все здесь изложено четко и понятно. Однако некоторых дотошных сограждан, включая моих коллег, порой смущает такое соображение: как можно говорить, например, о карбонатной жесткости речной воды, когда там может вовсе не быть карбонатов, а лишь бикарбонаты да еще и в присутствии свободной угольной кислоты. Тем не менее в сотнях подобных случаях говорят о такой карбонатной жесткости воды при отсутствии в этой воде карбонатов. Вот фрагменты из моей переписки:
Доброго времени суток, Николай Григорьевич!
У нас с Валентиной Алексеевной возник вопрос, на который мы не смогли на данный момент дать для себя вразумительный ответ. Понятие "карбонатная жесткость" не дает нам спокоя. Как она определяется, рассчитывается? В РД 34.22.503-88 "МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО СТАБИЛИЗАЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ В ОБОРОТНЫХ СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ С ГРАДИРНЯМИ ОКСИЭТИЛИДЕНДИФОСФОНОВОЙ КИСЛОТОЙ" расчет основывается именно на карбонатной жесткости. Не могли бы Вы изложить свое мнение касательно этого показателя, если, конечно, будет время?
Добрый вечер! Попытаюсь ответить на ваш вопрос о карбонатной жесткости.
К сожалению, РД составляют такие же, как мы, технологи, и редко бывает, чтобы чего-то не нахомутали. Но пойдем далее.
Понятия жесткость, щелочность и производные от них не являются научными, а придуманы для технологов, чтобы им проще было рассуждать на пальцах. Щелочность – это то, что титруется сильной кислотой до рН, при котором индикатор меняет окраску. В общем случае щелочность дают бикарбонаты, карбонаты, анионы кремнекислоты и органики. Для простоты технологи считают (и не сильно ошибаются), что в добавочной и циркуляционной водах присутствуют только бикарбонаты, а общая щелочность воды равна бикарбонатной и равна концентрации в воде ионов НСО3 в мг-экв/л. Жесткость – это сумма ионов кальция и магния в мг-экв/л. Если щелочность и жесткость равны, то жесткость называют карбонатной. Если не равны, то карбонатной жесткостью называют меньшу часть из них, то есть ту часть, которая отвечает сумме соединений Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Если жесткость меньше или равна щелочности, то вся она будет карбонатной. Если жескость больше, то только равная щелочности часть жесткости будет называться карбонатной. А часть жесткости, равная разнице Жобщ-Жкарб, называется некарбонатной жескостью, которая, пренебрегая мелкими деталями, считается равной сумме анионов сильных кислот (практически сульфатов и хлоридов) за вычетом содержания ионов натрия (все концентрации в мг-экв/л).
Обычная ситуация - это когда жесткость больше щелочности. Когда покисляют циркводу серной кислотой, то часть бикарбонатов переходит в Н2СО3 и в виде СО2 переходит в атмосферный воздух. Таким образом, при подкислении циркводы понижаются одновременно и карбонатная щелочность и карбонатная жесткость, а часть бикарбонатных ионов заменяются сульфат-ионами. Отложения в цирксистеме (в основном на поверхностях теплообменных аппаратов) образуются преимуществеенно из карбонатов кальция. Кальция больше, чем магния, и если забыть о "мелких" деталях, то можно считать, что процесс осаждения соединений жесткости определяется содержанием в циркводе Ж(НСО3)2, то есть содержанием карбонатной жесткости или содержанием карбонатной щелочности - по-крестьянски можно говорить и так и так.
Считается, с некоторым приближением, что для каждой циркводы есть своя предельная карбонатная жесткость, при которой жесткостные отложения еще не образуются. Понизить карбонатную жесткость циркводы можно и подкислением и увеличением размера продувки цирксистемы и тем и другим разом. Но можно еще и увеличить предельно допустимую карбонатную жесткость за счет разных корректирующих добавок. В частности, за счет ввода в циркводу ОЭДФК, которая обладает способностью образовывать комплексные соединения с катионами жесткости и этим препятствовать осаждению жесткостных соединений. Разные органические соединения, присутствующие в воде, тоже обладают аналогичной способностью, хотя и в меньше мере, чем ОЭДФК. Это все для рассуждения "на пальцах", что в общем-то и достаточно для практических целей. Но если, например, взять и ввести в цирксистему CaCl2, то карбонатная жесткость циркводы может и не измениться, а вот предельная карбонатная жесткость, при которой будут выпадать отложения жесткости, станет меньше. Но... соотношение разных компоненнтов в исходной добавочной воде обычно меняется не очень существенно, поэтому считается, что для каждого конкретного источника добавочной воды есть своя характерная величина - предельно допустимая карбонатная жесткость циркводы. По этой же причине (примерного постоянства соотношения разных ингредиентов в исходной воде) предельной карбонатной жесткости может отвечать вполне определенная величина предельно допустимых хлоридов, или щелочности, или электропроводности циркводы. Последнюю величину можно использовать для автоматического регулирования величины продувки цирксистемы.
Найденную экспериментально норму на предельно допустимую величину можно немного понизить (ужесточить) по здравому смыслу, учитывая, что соотношения компонентов исходной добавочной воды все же не строго постоянно. Кроме того, надо иметь ввиду, что приведенные выше рассуждения относятся к процессам интенстивного образования отложений, что можно обнаружить по балансу и по сравнению кратностей типа Clц/Clд и Жц/Жд, о чем я уже ранее писал. И еще надо иметь ввиду, что предельно допустимая карбонатная жесткость циркводы может повышаться в зависимости от дозы ОЭДФК. Но увеличение дозы дает существенный эффект только (насколько мне помниться) до некоторого предела, сверх хоторого она уже не дает большой дополнительный эффект. Поэтому иногда целесообразны сочетания, вроде одновременного подкисления циркводы и ввода в нее ОЭДФК.
Творческих и прочих вам успехов! 22.06.11 Протасов Н.Г.
P.S. Пожалуй без некоторых уточнений нам не обойтись. В добавочной воде содержанием карбонат-ионов (СО3) можно пренебречь. В циркуляционной воде их может быть не много, но именно они определяют выпадение CaCO3. В этой связи можно говорить о карбонатной и бикарбонатной щелочности или о карбонатной и бикарбонатной жесткости. Может быть какие-нибудь умники до этого уже и доросли. И даже где-то записали, хотя бы потому, что люди ищут разные способы зарабатывать себе на хлеб. Но раньше за карбонатную жесткость принимали общую щелочность, если она меньше, чем общая жесткость, не учитывая в ней соотношение карбонатов и бикарбонатов. То есть, карбонатная жесткость интерпретировалась, как я перед этим написал (других интерпретаций я не помню). Но в более общем случае могут возникнуть разные нюансы. Например, если подкислить циркводу дымовыми газами, где много СО2, то получится такой фокус: общая щелочность не изменится (потому что при титровании растворенная углекислота снова дотитруется до Н2СО3), а вот щелочность по фенолфталеину станет меньше. При этом не изменится и карбонатная жесткость, раз не изменилась общая щелочность, но увеличится количество НСО3 ионов, понизится рН, уменьшится количество СО3 ионов и уменьшится выпадение в осадок или в отложения СаСО3. Соотношение карбонат и бикарбонат ионов зависит от рН. Иногда его приводят в книгах. Ну а более детально эти процессы, включая осаждение, рассчитываются на основе теории ионных равновесий, что не для слабонервных. А для практических целей, если вы не собираетесь общаться с дымовыми газами, достаточно тех простых представлений, которые я перед этим описал. Как говорил когда-то наш покойный Озеров (Валентина его возможно помнит): излишнее знание рождает скорбь. А та примитивная интерпретация карбонатной жесткости, которую я приводил, стала настолько общепринятой и привычной, что расшифровкой этого термина в методиках по обработке циркводы обычно и не занимались.
Честно сказать, мне не очень нравятся собственные разъяснения, но вы ведь все равно не будете рассчитывать процессы на основе теории ионных равновесий. И я не буду. Хотя бы потому, что не знаю всех компонентов цирксистемы и всех их констант, к тому же зависящих от разных факторов, в особенности от температуры. Потом, каждый неточно определенный фактор вносит свою погрешность и на практике чем больше пытаешься учесть в расчетах факторов, тем более ошибочен результат. Я слишком хорошо это знаю, потому что стат.обработкой данных занимался профессионально. Если заранее известны поправки на влияние разных факторов, то из этого что-то выходит, но если несколько факторов пытаешься определить экспериментально в реальных условиях, а не на стенде, то из этого получается только сплошная чушь. Знание в общем-то вещь полезная, но в наших работах бывает гораздо полезнее обходиться простыми представлениями и здравым смыслом. Поэтому я уже и писал раньше, что надо определять простые вещи: хлориды, жесткость, щелочность и не мудрить. Во всяком случае, прежде всего не мудрить, а если что получится по простым прикидкам, то для понта можно и в добавок помудрить.
Еще раз повторю: можно различать, например, карбонатную и бикарбонатную жесткость и трудно против этого возразить, если кто-то из вас настаивает на подобных нюансах. Но в принятой терминалогии я этих нюансов пока что не встречал. Вот Смирный тоже как-то начал рассуждать, что концентрациия аммиака в NH3 это не то, что концентрация в NH4OH. Я сказал, что не надо морочить этим голову - принято считать на NH3 и все дела!
Спите спокойно и не старайтесь перемудрить докторов наук.
27.06.2011, 06:59
Здравствуйте, Николай Григорьевич!
Отдельное спасибо за прояснение понятия "карбонатная жесткость". Теперь оно предстало перед моими глазами намного яснее (сказать что на 100% не могу, но "я не волшебник, я только учусь"!).
О том, что такое "жесткость аквариумной воды, и в чем её выражают " мы уже писали. Но напомню вкратце, что жесткость подразделяют на постоянную и временную. Временная , она же карбонатная , она же устранимая жесткость связана с присутствием в воде наряду с катионами Ca 2+ и Mg 2+ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO 3 - ) . При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с этими катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.
Ca 2+ + 2HCO 3 - = CaCO 3 ↓ + H 2 O + CO 2
Временную жесткость можно устранить кипячением - отсюда и ее название. Аквариумисту невредно знать карбонатную жесткость воды в своих аквариумах. Это важный гидрохимический показатель, который часто приводится в справочной литературе, касающейся условий содержания и нереста рыб. Важно учитывать этот показатель и при выращивании многих аквариумных растений. Большинство аквариумистов уверенно, что с помощью продающихся в магазинах капельных тестов на карбонатную жесткость (КН) они определяют именно её. Но это забавное НЕДОРАЗУМЕНИЕ! Капельные тесты для аквариумистов-любителей, как в прочем и классический метод определения карбонатной жесткости путем титрования пробы воды соляной кислотой, измеряют вовсе не жесткость как таковую, то есть не концентрацию ионов кальция и магния, а щелочность - концентрацию в растворе гидрокарбонатных ионов . Гидрокарбонатные ионы могли оказаться в воде не только при растворении солей кальция и магния, поэтому судить о наличии ионов Ca 2+ и Mg 2+ по содержанию гидрокарбонатных ионов можно далеко не всегда. Но, обо всем по порядку…
Если строго следовать определению карбонатной жесткости, то ее корректное измерение должно быть основано на кипячении заданного объема воды с последующим взвешиванием образовавшегося осадка (накипи). На практике это трудно выполнимо. Поэтому поступают иначе. Вот как определяют "карбонатную жесткость" с помощью общепринятой лабораторной методики.
Определение карбонатной жесткости воды проводится путем её титрования соляной кислотой. Титрование - это добавление в исследуемую пробу раствора реагента, концентрация которого заранее известна. По расходу этого реагента - он взаимодействует с тем веществом, содержание которого хотят определить, рассчитывают концентрацию определяемого вещества. В данном тесте принято пользоваться 0.05М раствором соляной кислоты (о том, что означает сокращение "М" можно прочитать ). Кроме этого, понадобится индикатор метиловый оранжевый
, который необходим для того, чтобы установить момент окончания титрования по резкому изменению цвета пробы. Для приготовления раствора индикатора небольшое его количество, 0.1 г растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Точность здесь не требуется, можно все сделать на глазок.
Как правило, эти реактивы есть в любой химической лаборатории.
Проведение лабораторного теста на карбонатную жесткость:
Точно отмеряют 50 мл исследуемой воды. Добавляют несколько капель раствора метилового оранжевого, столько, чтобы окраска пробы получилось такой как в левом стаканчике на приведенном ниже рисунке:
При титровании в растворе произойдут следующие реакции:
H + + HCO 3 - <-> H 2 CO 3 <-> CO 2 + H 2 O
Давайте сравним это и приведенное выше уравнение, которое показывало, что происходит с гидрокарбонатом кальция при кипячении. Как и при кипячении, конечными продуктами этих реакций являются вода и углекислый газ. Только вот кальций никак тут не участвует. Это и понятно, ведь ионы водорода, которые поступают в тестируемую воду при добавлении туда соляной кислоты, вступают в реакцию не с ионами кальция, а именно с гидрокарбонатными ионами.
Кислоту удобно набрать в шприц до отмеченного заранее деления и из него дозировано добавлять в раствор. Сначала порции кислоты могут быть относительно большими, но к концу титрования надо быть аккуратным и осторожным, цвет может поменяться буквально от одной капли. Способность тестируемой воды реагировать с ионами водорода по мере добавления кислоты будет постепенно уменьшаться и, наконец, окажется почти совсем исчерпанной - кончатся гидрокарбонатные ионы и последняя капля кислоты резко сместит в сторону кислых значений, так как связывать возникающие при ее диссоциации в воде ионы водорода уже будет "некому". При величине рН меньшей чем 4.3 гидрокарбонатных ионов в растворе уже нет (подробнее об этом рассказано ). Индикатор при этом значении рН изменит цвет раствора с желтого на оранжевый. Тут титрование надо будет прекратить. Титровать надо не торопясь, аккуратно перебалтывая воду в стаканчике. Лучше проделать эту процедуру несколько раз, точно засекая какой объем кислоты был израсходован. Затем вычислить СРЕДНИЙ ОБЪЕМ пошедшей на титрование кислоты. Зная этот объем рассчитывают карбонатную жесткость по формуле:
Жесткость карбонатная (мг-экв/л) = (1000*С кислоты *V кислоты ):V воды
Где С кислоты - концентрация кислоты в молях (М/л), V кислоты - объем раствора кислоты использованный при титровании (мл), V воды - объем пробы воды, взятой для титрования (мл).
Если С кислоты = 0.05 М , а V воды = 50 мл , то
Жесткость карбонатная (мг-экв/л) = (1000*0.05*V кислоты ):50 = V кислоты
То есть если вы титровали 50 мл воды 0.05 М соляной кислотой, то в этом случае карбонатная жесткость в мг-экв/л будет численно равна объему кислоты (в мл), израсходованному для титрования.
Например, если на титрование ушло 1.5 мл раствора кислоты, то карбонатная жесткость воды равна 1.5 мг-экв/л. Для перевода в градусы KH значение в мг-экв/л надо умножить на 2.804: 1.5*2.804=4.2°KH.
Хочу еще раз обратить ваше внимание на то, что описанный здесь метод анализа воды, обычно называют методом определения "карбонатной жесткости"
. На самом деле этим методом мы определили ЩЕЛОЧНОСТЬ воды
, то есть ее способность связывать ионы водорода, которые образуются при диссоциации в воде сильной кислоты. Покупные капельные тесты для аквариумной воды (KH-test, или тест на КН) также основаны на титровании воды кислотой и так же, как и описанный выше лабораторный тест, определяют щелочность. Надо полагать, что указанные в справочной литературе величины КН отражают не содержание в воде бикарбонатов кальция и магния, как об этом принято писать во всех аквариумных книжках, а именно щелочность, то есть любых бикарбонатов и других анионов, способных реагировать с ионами водорода. Хорошо это, или плохо? Скорее - хорошо. Для аквариумиста как раз важно знать насколько вода в его аквариуме способна противостоять закислению (нейтрализовывать поступающие в нее ионы водорода
). А сколько осадка такая вода даст на стенках труб в системе отопления, снизив при этом теплоотдачу, волнует его не сильно, если конечно он не теплотехник. Вспомним, что жесткость воды понятие не научное, а чисто утилитарное, но об этом уже было
написано ранее .
Как мы уже отмечали, гидрокарбонатный ион может поступать в воду не только при растворении карбонатов кальция и магния, но и при растворении иных солей. Всем известная питьевая сода являет собой пример такого соединения: NaHCO 3 . Если внести питьевую соду в аквариум, то растворившись она даст ионы натрия и гидрокарбоната (о том, как растворяются соли в воде рассказано в статье о минерализации воды). Гидрокарбонатные ионы, как мы уже знаем, присоединяют к себе ионы водорода, поэтому вода в аквариуме от внесения питьевой соды становится менее кислой или приобретает щелочную реакцию - тут все зависит от дозы. Вот Вам и средство рН+! Питьевой содой и на самом деле пользуются многие аквариумисты. Небольшие ее добавки действительно застрахуют от неожиданных скачков рН. Решить достаточно соды внесено или нет можно измерив щелочность. Зная щелочность, вы можете оценить насколько вода в вашем аквариуме способна противостоять закислению - как говорят оценить БУФЕРНОСТЬ. Если щелочность пресной воды низкая (менее 1 мг-экв/л, или 2.804 о КН ), то и буферность ее невелика. Такая вода может резко скиснуть, например при пропуске очередной или при выключении аэрации на ночь. Интервал значений щелочности 1.2-1.8 мг-экв/л, или 3 - 5 о КН пригоден для большинства рыб и растений. Буферность воды при этом будет вполне достаточной для поддержания стабильной активной реакции воды - рН. Обычно щелочность аквариумной воды как раз и оказывается в указанном интервале или даже имеет еще большие значения - 2.5 мг-экв/л, или 7 о КН и выше (в этом случае возможны проблемы с выращиванием многих растений и нашествия водорослей). Но в регионах с мягкой слабокислой водой она может быть очень низкой. Так, в большинстве районов Петербурга водопроводная вода имеет щелочность 0.5 мг-экв/л. Поэтому многие любители африканских цихлид, для которых кислая вода - это нож острый, искусственно ее поднимают с помощью питьевой соды. Но! Если вы вносили в аквариум соду, чтобы поднять и стабилизировать рН, то вам не надо удивляться, если "карбонатная жесткость" вдруг превысит общую. Кстати, есть и природные воды с карбонатной жесткостью, превышающей общую, например, вода озера Танганьика. Этот результат может удивить, если не знать, что на самом деле определяет тест на карбонатную жесткость. Если вы вносили в воду аквариума NaHCO 3 , то есть не связанные с кальцием и магнием гидрокарбонатные ионы, то, естественно, их будет больше, чем ионов Са 2+ и Мg 2+ . Вот в этом и состоит суть парадокса, когда вполне логичная формула:
Общая жесткость = Постоянная жесткость + Временная жесткость
не выполняется из-за того, что временная больше общей
.
Понимание сути вещей порой позволяет творить чудеса, по крайней мере в глазах человека несведущего. Приносят нам как-то аквариумную воду на анализ. Надо мол разобраться рыбки всё дохнут и дохнут. На вопрос, измеряли ли рН? Нас заверили, что с рН совершенно точно все нормально. Ладно. Начали с измерения общей жесткости, потом карбонатную определили. Получилось, что карбонатная в несколько раз общую превосходит. Тут все уже ясно. Спрашиваем - зачем столько соды в аквариум насыпаете? Очень удивились, как мы про соду узнали. Оказывается добавление соды при каждой подмене воды - это де секретный и особо эффективный метод подсказанный по знакомству одним знатоком. Он, мол, гарантирует неизменно замечательный и оптимальный рН. Даже если чистить аквариумы редко, то вода не закиснет. Закиснуть-то она не закиснет. Но каково значение рН? Вы измеряли? Он же у вас больше 8 будет. А рыбки не только от кислой воды мрут . Нет отвечают, мы не измеряли. Сделали тест на рН. Он и в самом деле показал значение больше 8!
А Вы измеряете рН в своем аквариуме, или он у Вас и так "хороший"?
В. Ковалёв, Е. Ковалёва.
*
Здесь мы несколько упростили ситуацию. Все сказанное верно, если рН аквариумной воды 8.3 и ниже. Если же этот показатель выше значения 8.3, то в воде возможно присутствие не только гидрокарбонатов, но еще и карбонатов и даже гидроксидов щелочных металлов. В этом случае при добавлении кислоты в воду будут последовательно происходить следующие реакции:
OH -
+ H +
-> H 2
O
CO 3
2
-
+ H +
-> HCO 3
-
HCO 3
-
+ H +
