О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15/2009

§ 12. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И СПОСОБЫ Ее УСТРАНЕНИЯ

Цель. Расширить и углубить представления учащихся о реакциях обмена, используя сведения о способах устранения жесткости воды. Воспитывать бережное отношение к водным ресурсам.

Форма занятия. Беседа, рассказ. Демонстрационный эксперимент.

Оборудование и реактивы. Прибор для получения газов, стеклянная трубка, пробирки, пробиркодержатель; известковая вода, растворы хлорида кальция, соляной кислоты, карбоната натрия, кусочки мрамора.

План занятия

Понятие о жесткости воды.

Виды жесткости воды.

Способы устранения жесткости воды.

Понятие о жесткости воды

Абсолютно чистой воды в природе не существует. Она всегда содержит различные примеси как в растворенном, так и во взвешенном состоянии, от их концентрации и природы зависит пригодность воды для бытовых и промышленных нужд. Для питьевой воды установлены строгие стандарты по содержанию элементов, цвету, вкусу и др. Так, рН – показатель кислотности или щелочности среды – может находиться в пределах от 6,5 до 9,5.

Определенные требования предъявляются к воде, используемой в промышленности. Например, она не должна портить продукцию, вызывать коррозию металлических деталей и механизмов, засорять насосы и трубы. В настоящее время все больше предприятий стремятся создать замкнутые циклы (очистка – производство – очистка – производство и т.д.).

Вода, в которой растворены соли кальция и магния, обладает особым свойством – жесткостью. Известно, что она образует плотные слои накипи (в основном карбонат и сульфат кальция и карбонат магния) на стенках паровых котлов, кипятильников, чайников. Солевой нарост имеет плохую теплопроводность, поэтому вызывает местный перегрев стенок котла и коррозию корпуса. Случайное отделение части накипи от раскаленной стенки может вызвать быстрое испарение воды и даже взрыв котла.

В жесткой воде плохо растворяются некоторые пищевые продукты, хуже развариваются овощи, снижается качество приготовленной пищи. При стирке белья в такой воде увеличивается расход моющих средств. На ткани осаждаются кальциево-магниевые соли высших карбоновых кислот, входящих в состав мыла. Ими пропитываются нити, изделия теряют былую мягкость. Поэтому для стирки мылом в жесткой воде требуется предварительное умягчение воды – устранение жесткости. Синтетические моющие средства обеспечивают более эффективный и экономичный процесс стирки даже в морской воде, т.к. они не образуют нерастворимых солей кальция и магния.

Технологи на фармацевтических и пищевых фабриках особенно тщательно контролируют качество воды. При проведении количественных анализов принято выражать жесткость воды в миллимоль эквивалентах ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды:

1 ммоль экв/л Са²⁺ соответствует 20,04 мг/л;

1 ммоль экв/л Mg²⁺ соответствует 12,16 мг/л.

В аналитической практике пользуются и другими способами выражения концентрации, например молярной (моль/л). По этому показателю жесткости воды ее подразделяют на три группы:

– мягкая вода, имеющая жесткость до 2 ммоль экв/л;

– среднежесткая – от 2 до 10 ммоль экв/л;

– жесткая – более 10 ммоль экв/л;

(ммоль – миллимоль, тысячная доля моль).

Виды жесткости воды

Разные соли кальция и магния обусловливают разную жесткость воды (см. схему).

Схема

 

Способы устранения жесткости

Во многих сферах деятельности человека нужна вода с определенным содержанием растворенных в ней солей. На водоочистительных предприятиях используют различные методы очистки воды и ее умягчения.

Устранение жесткости, или умягчение, воды заключается в удалении ионов кальция и магния, которое осуществляется тремя методами: термическим, химическим и физико-химическим.

1. Термический метод – кипячение воды.

При кипячении воды происходит разложение гидрокарбонатов кальция и магния с образованием углекислого газа и карбонатов этих металлов, которые выпадают в осадок:

Сa(HCO₃)₂ СaCO₃ + СО₂ + H₂O,

Mg(HCO₃)₂ MgCO₃•H₂O + СО₂.

Таким образом, в результате кипячения воды устраняется жесткость, обусловленная присутствием именно гидрокарбонатов. Это так называемая устранимая (временная) жесткость.

Благодаря этому методу мы легко можем приготовить душистый чай или вкусный компот. Витамины и другие полезные соединения мягкой водой лучше извлекаются из натуральных или засушенных фруктов. Многие хозяйки об этом знают и для приготовления компотов, лечебных настоев пользуются предварительно прокипяченной водой, ее аккуратно сливают, не взмучивая карбонатный осадок.

2. Химические методы.

Для некоторых химических целей требуется достаточно полная очистка воды от солей, которые создают жесткость. Для ее устранения используют химические реагенты, такие, как карбонат натрия, гидроксид кальция, ортофосфат натрия.

а) Известково-содовый метод основан на обработке воды гашеной известью, при этом устраняется временная жесткость, а также связываются ионы Fe²⁺.

При добавлении соды происходит устранение постоянной жесткости:

Учащимся предлагается самостоятельно дописать схемы реакций.

Использование соды при стирке позволяет экономить моющие средства, а отсутствие хлопьевидных осадков улучшает качество ручной и машинной стирки, особенно легко удаляются пятна различных видов технических загрязнений.

б) Фосфатный метод базируется на образовании нерастворимых ортофосфатов кальция и магния, выпадающих в осадок:

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = 3Na₂SO₄ + Ca₃(PO₄)₂,

3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ = 6NaCl + Mg₃(РO₄)₂.

Реагенты, составляющие основу химического метода умягчения воды, входят в состав средств, предотвращающих образование накипи на стиральных машинах-автоматах. Антинакипины значительно продлевают срок службы дорогостоящей техники, экономят энергию за счет увеличения теплоотдачи нагревательных элементов и улучшают качество стирки, усиливая действие стирального порошка.

Учащимся можно предложить роль экспертов, которые оценивают состав реагентов – антинакипинов, указываемый на упаковках. При внимательном прочтении можно убедиться, что сода, фосфаты и полифосфаты натрия входят в качестве основных реагентов, предотвращающих образование накипи.

3. Физико-химический метод.

Он основан на использовании ионообменных смол – ионитов. Они представляют собой твердые полиэлектролиты, у которых ионы одного знака заряда закреплены на твердой матрице, а противоионы способны переходить в раствор.

Иониты, используемые в ионообменных установках, достаточно компактны и применяются в большинстве современных фильтров для очистки и умягчения воды, ими оснащены, например, пищеблоки морских лайнеров, подводных лодок.

Способность к ионному обмену проявляется у ряда природных алюмосиликатов. Например, при взбалтывании воды с небольшим количеством глины между ними происходит обмен ионами. Данный эффект используется в лечебных целях, глиняные аппликации эффективны в профилактике заболеваний кожи, в ней восстанавливается водно-электролитный баланс.

Широкое применение находят синтетические ионообменники, они включают и полимерные материалы. В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор с поверхности, различают катиониты и аниониты.

Катиониты содержат ионы Na⁺ или Н⁺ – это сульфоугли или алюмосиликаты. Аниониты включают подвижные гидроксид-ионы, это так называемые искусственные смолы.

Умягчение воды в промышленных ионообменниках производится фильтрованием через слой катионита толщиной 2–4 м, его поверхность достаточно велика, т.к. полимерная основа состоит из маленьких гранул диаметром 0,5–1,5 мм. В порах этих частичек остаются ионы кальция, вместо них в воду поступают ионы натрия, и вода становится мягкой.

Катионит периодически регенерируют, промывая его концентрированным раствором хлорида натрия, при этом кальций вынужден покидать ранее занятые «позиции» в ионообменнике, его место занимают ионы натрия. Так обновляют адсорбент в фильтре для воды «Гейзер». Для Н⁺-катионитов промывку ведут раствором соляной кислоты, аниониты регенерируют раствором гидроксида натрия.

Демонстрационный эксперимент заключается в получении жесткой воды (учитель пропускает углекислый газ через раствор известковой воды до растворения получившегося осадка), и устранении ее жесткости при нагревании или добавлении раствора соды. Аналогично демонстрируется устранение постоянной жесткости воды, содержащей растворы хлорида кальция.

Вопросы для беседы и закрепления материала

1. Какими ионами обусловлена жесткость воды и в каких единицах она измеряется?

2. Назовите виды жесткости воды.

3. Почему необходимо устранять жесткость воды?

4. Как влияют соли, придающие воде жесткость, на организм человека?

5. Как понизить жесткость природной воды в быту?

6. Какие способы устранения жесткости воды вы знаете? Подтвердите ответ уравнениями химических реакций.

7. Почему мыло плохо мылится в жесткой воде?

Продолжение следует