twardosc teoria, Chemia Studia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]Twardość wody
Opracowanie: dr Jadwiga Zawada, dr Urszula Lelek-Borkowska
CZĘŚĆ TEORETYCZNA
1. Twardość wody.
Obecność w wodzie rozpuszczalnych soli wapniowych i magnezowych powoduje tzw. twardość
wody. Sole wapnia i magnezu dostają się do wody w wyniku kontaktu zawartego w niej dwutlenku węgla
z glebą i skałami zawierającymi wapienie i magnezyty. Wówczas trudno rozpuszczalne w wodzie wapienie
i magnezyty przekształcają się w dobrze rozpuszczalne w wodzie wodorowęglany wapnia i magnezu.
Reakcja ta zwana chemicznym wietrzeniem wapieni ma następujący przebieg:
CaCO
3
+ CO
2
+ H
2
O = Ca(HCO
3
)
2
MgCO
3
+ CO
2
+ H
2
O = Mg(HCO
3
)
2
Wodorowęglany wapnia i magnezu powodują tzw. twardość węglanową wody, zwaną również
twardością przemijającą Tw
w
.
Siarczany oraz chlorki wapnia i magnezu (CaSO
4
,MgSO
4
, CaCl
2
, MgCl
2
)
powodują
twardość trwałą
(stałą) wody
Tw
n
. Suma twardości przemijającej i trwałej stanowi
ogólną
twardość
wody
Tw
og
.
Twardość ogólna
Tw
og
Twardość węglanowa Twardość niewęglanowa
(przemijająca) Tw
w
(trwała) Tw
n
(wodorowęglany wapnia i magnezu)
(siarczany i chlorki wapnia i magnezu)
Tw
og
= Tw
w
+ Tw
n
2. Sposoby wyrażania twardości
Do określania ilości soli wapnia i magnezu (twardości wody) służy jednostka zwana stopniem
twardości. Obowiązującą w Polsce jednostką twardości wody jest
miligramorównoważnik
(miliwal) jonów
wapniowych lub magnezowych zawarty w 1dm
3
wody. Bardzo często jednak w literaturze technicznej
podaje się twardość wody w stopniach niemieckich, rzadziej francuskich.
1
o
twardości miliwalowej = 20mg jonów Ca
2+
/dm
3
lub = 12 mg jonów Mg
2+
/dm
3
H
2
O
1
o
twardości (niemiecki) = 10mg CaO/dm
3
H
2
O
1
o
twardości (francuski) = 10mg CaCO
3
/dm
3
H
2
O
1
o
twardości (niemieckiej) = 0,357miliwali CaO/dm
3
H
2
O
1 miliwal CaO/dm
3
H
2
O = 2,8
o
n.
3. Usuwanie twardości (zmiękczanie wody)
Woda do celów przemysłowych, a w szczególności do zasilania kotłów grzewczych i instalacji
chłodniczych musi być miękka, tj. pozbawiona składników powodujących tworzenie się kamienia kotłowego.
Kamień kotłowy stwarza niebezpieczeństwo uszkodzenia, a nawet rozerwania kotła w chwili, gdy po
odpryśnięciu kamienia kotłowego woda zetknie się z rozgrzaną ścianą kotła. Kamień kotłowy powoduje
straty paliwa wskutek złego przewodnictwa cieplnego.
Wodorowęglany wapnia i magnezu powodujące twardość przemijającą łatwo można usunąć z wody
przez gotowanie. Zachodzi wówczas rozkład wodorowęglanów zgodnie z reakcjami:
Ca(HCO
3
)
2
= CaCO
3
+ H
2
O + CO
2
Mg(HCO
3
)
2
= MgCO
3
+ H
2
O + CO
2
MgCO
3
+ H
2
O = Mg(OH)
2
+ CO
2
Ten jednak sposób usuwania twardości przemijającej nie jest korzystny dla wody do celów
przemysłowych, gdyż wytrącanie się trudno rozpuszczalnego CaCO
3
jest przyczyną powstawania kamienia
kotłowego. Kamień kotłowy jest mieszaniną różnych substancji, w której obok węglanu wapnia występuje
węglan magnezu, wodorotlenek magnezu, siarczan(VI) wapnia, odwodniony kwas krzemowy czyli tzw.
krzemionka oraz tlenki żelaza. W zależności od tego, który rodzaj związku występuje w przeważającej ilości
wyróżnia się następujące jego odmiany: kamień węglanowy, kamień siarczanowy, kamień krzemianowy.
Najogólniej, zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów powodujących twardość tj. jonów
Ca
2+
, Mg
2+
oraz jonów innych metali jak: Fe
2+
, Mn
2+
, Al
3+
. Zmiękczanie wody można przeprowadzić stosując:
1) destylację,
2) metody termiczne,
3) metody chemiczne,
4) metody fizyczno-chemiczne.
Destylacja
daje wodę idealnie zmiękczoną, ponieważ pozbawiona jest wszystkich soli. Koszty zmiękczania
tą metodą są jednak wysokie i w przemyśle nie ma ona większego zastosowania.
Metody termiczne usuwania twardości wody
polegają na ogrzewaniu wody do ok. 100
o
C, wówczas
bowiem następuje rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu, z wydzieleniem trudno rozpuszczalnego
węglanu wapnia, węglanu magnezu i wodorotlenku magnezu.
Chemiczne metody usuwania twardości
wody
(zmiękczania) polegają na strąceniu nierozpuszczalnych
osadów, w skład których wchodzą nierozpuszczalne związki wapnia i magnezu.
Jednym ze sposobów jest zastosowanie metody sodowo-wapiennej. Wodę zadaje się wapnem
gaszonym i sodą. Wapno usuwa twardość przemijającą zgodnie z reakcjami:
Ca(HCO
3
)
2
+ Ca(OH)
2
= 2CaCO
3
+ 2H
2
O
Mg(HCO
3
)
2
+ Ca(OH)
2
= MgCO
3
+ CaCO
3
+ 2H
2
O
MgCO
3
+ Ca(OH)
2
= Mg(OH)
2
+ CaCO
3
Soda natomiast usuwa twardość trwałą. Przypuśćmy, że reaguje z nią siarczan(VI) wapnia i chlorek
magnezu:
CaSO
4
+ Na
2
CO
3
=CaCO
3
+ Na
2
SO
4
MgCl
2
+ Na
2
CO
3
= MgCO
3
+ 2NaCl
W obu reakcjach zmiękczania powstają nierozpuszczalne węglany wapnia i magnezu w postaci szlamistego
osadu, który zostaje odfiltrowany lub osiada na dnie zbiorników (nie tworząc kamienia kotłowego). Metoda ta
jest szeroko stosowana, gdyż jest tania i prosta.
Innym chemicznym sposobem usuwania twardości wody jest tzw. szczepienie kwasami, polegające
na dodawaniu mocnych kwasów. W wyniku tego zachodzi rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu wg
reakcji:
Ca(HCO
3
)
2
+ 2HCl = CaCl
2
+ 2H
2
O + 2CO
2
Mg(HCO
3
)
2
+ 2HCl = MgCl
2
+ 2H
2
O + 2CO
2
Ten sposób usuwania twardości przeciwdziała utworzeniu się kamienia kotłowego, ale niestety zwiększa
własności korozyjne wody.
Zmiękczanie fosforanami polega na usuwaniu soli wapnia i magnezu w postaci nierozpuszczalnych
osadów fosforanowych. Koszt zmiękczania fosforanami jest wyższy niż innymi chemikaliami i dlatego tę
metodę stosuje się do zmiękczania wody o niewielkiej twardości lub jako uzupełnienie innych metod.
3Ca(HCO
3
)
2
+ 2Na
3
PO
4
= Ca
3
(PO
4
)
2
+ 6NaHCO
3
3Mg(HCO
3
)
2
+ 2Na
3
PO
4
= Mg
3
(PO
4
)
2
+ 6NaHCO
3
3CaSO
4
+ 2Na
3
PO
4
= Ca
3
(PO
4
)
2
+ 3Na
2
SO
4
3MgCl
2
+ 2Na
3
PO
4
= Mg
3
(PO
4
)
2
+ 6NaCl
Fosforany nie powodują korozji żelaza, zapobiegają tworzeniu się kamienia kotłowego rozkładając kamień
już istniejący.
Metody fizyczno-chemiczne usuwania twardości wody
to między innymi stosowanie
jonitów
, tj.
wymieniaczy jonowych - substancji mających zdolność do wymiany kationów (kationity) lub anionów
(anionity). Jonity nie rozpuszczają się w wodzie, lecz reagują na swojej powierzchni ze związkami zawartymi
w wodzie. Dawniej zmiękczanie wody przeprowadzano za pomocą zeolitów, czyli naturalnych kationitów
nieorganicznych, z grupy glinokrzemianów metali lekkich np. Na
2
Al
2
Si
4
O
12
. Ostatnio jednak zeolity
zastępowane są przez syntetyczne żywice jonowymienne o dużej masie molowej. Oczyszczana woda
przepuszczana jest najpierw przez kationit, który wymienia zawarte w wodzie kationy na jony wodorowe wg
schematu:
2HKt + Ca
2+
+ CO
3
2-
= CaKt
2
+ 2H
+
+ CO
3
2-
2HKt + Ca
2+
+ SO
4
2-
= CaKt
2
+ 2H
+
+ SO
4
2-
lub
a następnie przez anionit, który wymienia aniony na jony wodorotlenkowe łączące się
z jonami wodorowymi na obojętne cząsteczki wody.
2AnOH + 2H
+
+ CO
3
2-
= An
2
CO
3
+ 2H
+
+ 2OH
-
2AnOH + 2H
+
+ SO
4
2-
= An
2
SO
4
+ 2H
+
+ 2OH
-
lub
Prawidłowe prowadzenie demineralizacji wody na jonitach pozwala otrzymać wodę czystą, jaką
otrzymuje się w procesach destylacji. Tak otrzymaną wodę używa się do zasilania często używanych
jeszcze w przemyśle kotłów parowych, w których dzięki temu procesowi nie powstaje kamień kotłowy.
Klasyfikację wód według stopni twardości podano w tabeli 1.
Tabela 1. Klasyfikacja wody pod względem twardości.
twardość wody
[
o
n]
rodzaj wody
0
4
bardzo miękka
miękka
4
8
twarda
8
20
ponad 20
bardzo twarda
Literatura:
1. Praca zbiorowa pod red. K. Moskwy: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii z elementami teorii i obliczeń dla
mechaników, skrypt AGH, str. 88÷96, Kraków 2000
PYTANIA KONTROLNE
1. Wyjaśnij na przykładzie pojęcia: jon, kation, anion, gramorównoważnik, wal, stężenie normalne.
2. Omów fizyczne i chemiczne własności wody
3. Jakie sole powodują twardość wody: a) przemijającą, b) nieprzemijającą (trwałą).
4. Jakie znasz sposoby wyrażania twardości wody.
5. Jakie znasz metody usuwania twardości wody.
6. Na czym polega metoda jonitowa usuwania twardości wody. Zapisz reakcje zachodzące na kationicie
i anionicie.
7. Na czym polega metoda sodowo-wapienna usuwania twardości wody. Zapisz reakcje.
8. Na czym polega szczepienie kwasami
9. Jaki rodzaj twardości usuwa metoda termiczna?
[ Pobierz całość w formacie PDF ]