Twardosc wody teoria, Chemia Studia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]//-->TWARDOŚĆ WODYOpracowanie: dr Jadwiga Zawada, dr Urszula Lelek-Borkowska, mgr Magdalena Bisztyga1. Twardość wody.Obecność w wodzie rozpuszczalnych soli wapniowych i magnezowych powoduje tzw. twardośćwody.Twardość wody, jest to ogół właściwości wody, które są skutkiem obecności przede wszystkim jonów2+2+wapnia (Ca ) i magnezu (Mg ), a także innych metali.Sole wapnia i magnezu dostają się do wody w wyniku kontaktu zawartego w niej dwutlenku węglaz glebą i skałami zawierającymi wapienie i magnezyty. Wówczas trudno rozpuszczalne w wodzie wapieniei magnezyty przekształcają się w dobrze rozpuszczalne w wodzie wodorowęglany wapnia i magnezu.Reakcja ta zwana chemicznym wietrzeniem wapieni przebiega w następujący sposób (reakcja 1,2):CaCO3+ CO2+ H2O = Ca(HCO3)2MgCO3+ CO2+ H2O = Mg(HCO3)2(1)(2)Wodorowęglany wapnia i magnezu powodują tzw. twardość węglanową wody, zwaną równieżtwardością przemijającą Tww.Siarczany oraz chlorki wapnia i magnezu (CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2)powodujątwardość trwałą(stałą) wodyTwn. Suma twardości przemijającej i trwałej stanowiogólnątwardośćwodyTwog.Twardość ogólnaTwogTwardość węglanowa(przemijająca) Tww(wodorowęglany wapnia i magnezu)Twardość niewęglanowa(trwała) Twn(siarczany i chlorki wapnia i magnezu)Twog= Tww+ Twn2. Sposoby wyrażania twardościDo określania ilości soli wapnia i magnezu (twardości wody) służy jednostka zwana stopniemtwardości. W literaturze technicznej podaje się twardość wody w stopniach niemieckich, rzadziej francuskich.1 twardości (niemiecki) = 10 mg CaO/dm H2Oo31 twardości (francuski) = 10 mg CaCO3/dm H2Oo31 twardości (niemieckiej) = 0,357 miliwali CaO/dm H2O3o1 miliwal CaO/dm H2O = 2,8 n.3. Usuwanie twardości (zmiękczanie wody)Woda do celów przemysłowych, a w szczególności do zasilania kotłów grzewczych i instalacjichłodniczych musi być miękka, tj. pozbawiona składników powodujących tworzenie się kamienia kotłowego.Kamień kotłowy stwarza niebezpieczeństwo uszkodzenia, a nawet rozerwania kotła w chwili, gdypo odpryśnięciu kamienia kotłowego woda zetknie się z rozgrzaną ścianą kotła. Kamień kotłowy powodujestraty paliwa wskutek złego przewodnictwa cieplnego.o3Wodorowęglany wapnia i magnezu powodujące twardość przemijającą łatwo można usunąć z wodypoprzez gotowanie. Zachodzi wówczas rozkład wodorowęglanów zgodnie z reakcjami 3-5:Ca(HCO3)2= CaCO3+H2O + CO2Mg(HCO3)2= MgCO3+ H2O + CO2MgCO3+ H2O = Mg(OH)2+ CO2(3)(4)(5)Taki sposób usuwania twardości przemijającej nie jest korzystny dla wody do celów przemysłowych,ze względu na wytrącanie się trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia (CaCO3), który jest przyczynąpowstawania kamienia kotłowego. Kamień kotłowy jest mieszaniną różnych substancji, w której obokwęglanu wapnia występuje węglan magnezu, wodorotlenek magnezu, siarczan(VI) wapnia, odwodnionykwas krzemowy (tzw. krzemionka) oraz tlenki żelaza. W zależności od tego, który rodzaj związku występujew przeważającej ilości wyróżnia się następujące jego odmiany: kamień węglanowy, kamień siarczanowy,kamień krzemianowy.Uogólniając można powiedzieć, że zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów2+2+2+2+3+powodujących twardość tj. jonów Ca , Mg oraz jonów innych metali jak: Fe , Mn , Al . Zmiękczaniewody można przeprowadzić stosując:destylację,metody termiczne,metody chemiczne,metody fizyczno-chemiczne.Destylacjapozwala na otrzymanie idealnie zmiękczonej wody – pozbawiona jest ona wszelkich soli. Kosztyzmiękczania tą metodą są jednak wysokie i w przemyśle nie ma ona większego zastosowania.Termiczne metody usuwania twardości wodypolegają na ogrzewaniu wody do ok. 100 C, bowiemw takiej temperaturze i przy ciśnieniu atmosferycznym (1013 hPa) następuje rozkład wodorowęglanówwapnia i magnezu, z wydzieleniem trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia, węglanu magnezui wodorotlenku magnezu.Chemiczne metody usuwania twardości wodypolegają na strąceniu nierozpuszczalnych osadów, w składktórych wchodzą nierozpuszczalne związki wapnia i magnezu.Jednym ze sposobów jest zastosowaniemetody sodowo-wapiennej.Wodę zadaje się wapnemgaszonym i sodą. Wapno usuwa twardość przemijającą (reakcje 6-8):Ca(HCO3)2+ Ca(OH)2= 2CaCO3+ 2H2OMg(HCO3)2+ Ca(OH)2= MgCO3+ CaCO3+2H2OMgCO3+ Ca(OH)2= Mg(OH)2+ CaCO3(6)(7)(8)oSoda natomiast usuwa twardość trwałą. Przypuśćmy, że reaguje z nią siarczan(VI) wapnia i chlorekmagnezu (rekcje 9, 10):CaSO4+ Na2CO3=CaCO3+ Na2SO4MgCl2+ Na2CO3= MgCO3+ 2NaCl(9)(10)W każdym ze sposobów zmiękczania powstają nierozpuszczalne węglany wapnia i magnezu w postaciszlamistego osadu, który zostaje odfiltrowany lub osiada na dnie zbiorników (nie tworząc kamieniakotłowego). Metoda ta jest szeroko stosowana, gdyż jest tania i prosta.Innym chemicznym sposobem usuwania twardości wody jest tzw.szczepienie kwasami,polegającena dodawaniu do wody mocnych kwasów. W wyniku tego zachodzi rozkład wodorowęglanów wapniai magnezu wg reakcji 11 i 12:Ca(HCO3)2+ 2HCl = CaCl2+ 2H2O + 2CO2Mg(HCO3)2+ 2HCl = MgCl2+ 2H2O + 2CO2(11)(12)Metoda ta usuwania twardości przeciwdziała tworzeniu kamienia kotłowego, jednak zwiększa własnościkorozyjne wody.Zmiękczanie fosforanami polega na usuwaniu soli wapnia i magnezu w postaci nierozpuszczalnychosadów fosforanowych (reakcje 13- 16). Koszt zmiękczania fosforanami jest wyższy niż innymi chemikaliami,dlatego też metoda ta stosowana jest do zmiękczania wody o niewielkiej twardości lub jako uzupełnienieinnych metod.3Ca(HCO3)2+ 2Na3PO4= Ca3(PO4)2+ 6NaHCO33Mg(HCO3)2+ 2Na3PO4= Mg3(PO4)2+ 6NaHCO33CaSO4+ 2Na3PO4= Ca3(PO4)2+ 3Na2SO43MgCl2+ 2Na3PO4= Mg3(PO4)2+ 6NaCl(13)(14)(15)(16)Fosforany nie powodują korozji żelaza, zapobiegają tworzeniu się kamienia kotłowego rozkładając kamieńjuż istniejący.Metody fizyczno-chemiczne usuwania twardości wodyto między innymi stosowaniejonitów,tj. wymieniaczy jonowych. Wymieniacze jonowe są to substancje mających zdolność do wymiany kationów(kationity) lub anionów (anionity). Jonity nie rozpuszczają się w wodzie, lecz reagują na swojej powierzchnize związkami zawartymi w wodzie. Dawniej zmiękczanie wody przeprowadzano za pomocą zeolitów(naturalne kationity nieorganiczne). Ostatnimi czasy zeolity zastępowane są przez syntetyczne żywicejonowymienne o dużej masie molowej. Oczyszczana woda przepuszczana jest najpierw przez kationit, którywymienia zawarte w wodzie kationy na jony wodorowe (reakcje 17a i 18a):2HKt + Ca2HKt + Ca2+2++ CO3= CaKt2+ 2H + CO3+ SO4= CaKt2+ 2H + SO42-+2-+2-(17a)(18a)2-a następnie przez anionit (reakcje 17b, 18b), który wymienia aniony na jony wodorotlenkowe łączące sięz jonami wodorowymi na obojętne cząsteczki wody.2AnOH + 2H + CO3= An2CO3+ 2H + 2OH2AnOH + 2H + SO4+2-++2-+--(17b)(18b)= An2SO4+ 2H + 2OHPrawidłowe prowadzenie demineralizacji wody na jonitach pozwala otrzymać wodę czystą. Wodadejonizowana używana jest obecnie do zasilania często używanych jeszcze w przemyśle kotłów parowych,w których – dzięki temu procesowi – nie powstaje kamień kotłowy. Klasyfikację wód według stopni twardościpodano w tabeli 1.Tabela 1.Klasyfikacja wody pod względem twardości.otwardość wody [ n]448820ponad 20rodzaj wodybardzo miękkamiękkatwardabardzo twardaLiteratura:1. Praca zbiorowa pod red. K. Moskwy: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii z elementami teorii i obliczeńdla mechaników, skrypt AGH, str. 88÷96, Kraków 2000PYTANIA KONTROLNE:1. Wyjaśnij pojęcia: jon, kation, anion, gramorównoważnik, wal, stężenie normalne.2. Omów fizyczne i chemiczne własności wody3. Jakie sole powodują twardość wody: a) przemijającą, b) 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 zachodzącena 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 ]