Твердість води

Тема : Твердість води

Мета: ознайомити учнів із поняттям твердості води, її видами  та основними способами пом’як­шення; пояснити учням необхідність усунення твер­дості води в промисловості та побуті; удосконалювати вміння учнів розв’язувати експериментальні за­ дачі; вчити використовувати якісні реакції для розпіз­навання речовин; розвивати мову, уміння робити узагальнення та висновки.

Обладнання: кринична вода, річкова вода, чайник з накипом; таблиця «Колообіг Карбону в природі».

Тип: вивчення нового матеріалу.

Форми роботи: робота в групах, рольова гра, робота з підручником.

Хід уроку

І. Організаційний момент

II. Актуалізація опорних знань учнів .

1. Перевірка домашнього завдання.

  Хімічна дуель.(Робота в групах. Кожна група готує по 2 запитання, які ставить представникам інших груп і за це одержують бали.)

Запитання:

  • •Яка масова частка Силіцію в земній корі?

Назвіть найкращий відновник, що використовується в металургії.

  • •Продовжіть речення: «Сполуки металічних еле­ментів із Карбоном називаються…».
  • •Як називається газ, що самозаймається на повітрі?
  • •Назвіть хімічну формулу поташу.
  • •Яке коштовне каміння даремно шукати після пожежі? Чому?
  • •Назвіть гранично допустиму норму чадного газу в повітрі.
  • •Поясніть, чому за звичайних умов СО2 — газ, а SiO2   тверда кристалічна речовина.

Назвіть алотропні модифікації карбону.

III. Мотивація навчальної діяльності учнів

Запитання:

  • •Які солі утворює карбонатна кислота?
  • •Як у природі відбувається взаємоперетворення карбонатів і гідрогенкарбонатів?

Наявність розчинних гідрогенкарбонатів у воді зумовлює її особливі властивості — твердість. Така вода є непридатною для використання в промисло­вості та в побуті, її потрібно пом’якшувати. На сьо­годнішньому уроці ми розглянемо, які види твер­дості води існують та які є способи її усунення.

IV. Пояснення нового матеріалу
Повідомлення гідролога.

Без води немає життя

Без води немає життя. За її участю проходять усі процеси в живих організмах. Адже більшість їх на 60—70 % складаються з води. Якби раптом не стало води, то у рослин припинилося б постачання живиль­них соків від коріння до листя, а в людини кров не транспортувала б поживні речовини та кисень до органів і не забирала б від них продукти життєдіяль­ності.

Води Світового океану нагромаджують величез­ну кількість сонячної енергії і є своєрідним терморе­гулятором на нашій планеті. Кількість тепла, зосере­дженого у Світовому океані, майже в 600 разів пере­вищує щорічну кількість сонячної енергії, що дося­гає земної поверхні. Втрата організмом лише 10—20 % води призводить до його загибелі.

Останнім часом усе частіше чути тривожні голо­си про загрозу водного голоду на Землі. Відомо, що 98 % води— це солоні води морів та океанів, соло­нуваті підземні води. 97 % прісноїводи зосереджені в гірських льодовиках і полярних шапках. Таким чи­ном, люди можуть використовувати лише 0,06 % від усіх водних ресурсів планети.

На земній кулі є міста (наприклад, Ліма, столиця Перу, Лос-Анжелес), де взагалі немає прісних дже­рел, і вода туди доставляється здалеку.

Отже, вода — це природне багатство, яке потре­бує бережливого ставлення.

Пояснення вчителя. Твердість води та способи її усунення.

У природі чистої води немає — вона завжди містить домішки яких-небудь речовин. Зокрема, взаємодіючи з солями, що міс­тяться в земній корі, вона набуває певної твердості.

Дослід . розчинність мила в криничній воді та річковій, а також демонстрування чайника з накипом.

Твердість води сукупність властивостей, які обумовлені наявністю у воді іонів Са2+ і Мg2+. Якщо концентрація цих іонів велика, то вода називається твердою, якщо мала — м’якою.

Саме ці іони надають специфічних властивостей природним водам. Під час прання білизни тверда вода не тільки погіршує якість тканини, яку перуть, але й призводить до підвищених ви­трат мила, яке використовується на зв’язування іонів Са2+ і Мg2+:

17Н35СОО + Са2+ = (С17Н35СОО)2Са↓

2 С17Н35СОО + Мg2+ = (С17Н35СОО)2 Мg↓

і піна утворюється лише після повного осадження цих іонів. Що­правда, деякі синтетичні миючі засоби добре миють і в твердій воді, оскільки кальцієві і магнієві солі цих речовин легко розчи­няються у воді.

У твердій воді погано розварюються харчові продукти, а зва­рені у ній овочі погані на смак. Дуже погано заварюється чай і смак його губиться. Водночас у санітарно-гігієнічному відно­шенні ці іони нешкідливі. Щоправда, при великому вмісті іонів (як у морі або океані) вода гірка на смак і послаблююче діє на кишечник людини.

Тверда вода непридатна для використання у парових котлах: розчинені у ній солі під час кипіння води утворюють на стінках котла шар накипу, який погано проводить тепло. Це призводить до перевитрати палива, передчасною зносу котлів, а інколи, в ре­зультаті перегрівання котлів, і до аварій.

Так само утворюється накип і в чайниках.

Нарешті, твердість води шкідлива для металевих конструк­цій, трубопроводів, кожухів охолоджуваних машин.

Види твердості води (слайд)

Іони Са2+ обумовлюють кальцієву твердість, а іони Мg2+ — магнієву твердість. Загальна твердість склада­ється з кальцієвої і магнієвої, тобто сумарної концентрації у во­ді іонів Са2+ і Мg2+.

З погляду процесів зм’якшення води розрізняють твердість карбонатну і некарбонатну. Карбонатною нази­вається твердість, викликана наявністю у воді гідрокарбонатних іонів НСО3 що містяться у воді. Іншими словами, карбонатна твердість викликана наявністю гідрокарбонатів кальцію і магнію.

Виступ еколога. Вимоги до якості води (Слайд)

Не всяку прісну воду можуть використовувати люди.       ,

Придатною для пиття є вода, що має такі ха­рактеристики:

сухий залишок — не більше 11 г/л;

•загальна жорсткість — не більше 40 %;
•уміст кишкових паличок—менше 1000 колоній/л, а за умови використання особливих методів очищен­ня —10 000 колоній/л;

•смак і запах не повинні перевищувати 2 балів;

•вода не повинна спричиняти корозії механізмів, труб та апаратури, з якими контактує.

В Україні якість питної води визначається норма­тивними документами, зокрема міждержавним стандартом ГОСТ2874-82, згідно з яким до бактеріологічних показників віднесе­но загальну кількість бактерій і кількість бактерій гру­пи кишкової палички:

  • •щодо першого показника, то загальна кількість бактерій в 1 мл води не повинна перевищувати 100;
  • •щодо другого, то кількість кишкових паличок в 1 л води (колі-індекс) не повинна перевищувати 3;
  • •об’єм води, в якій виявлено одну кишкову па­личку (колі-титр), не повинен бути меншим за 300 мл.

Пояснення вчителя

Методи усунення твердості води (слайд)

Під час кип’ятіння гідрокарбонати руйнуються, малорозчинні карбонати, які при цьому утворюються, випадають в осад, і за­гальна твердість води зменшується на величину карбонатної твердості. Тому карбонатну твердість називають також тимча­совою твердістю. При кип’ятінні іони Са2+ осаджуються у ви­гляді карбонату:

Са2+ + 2НСО = СаСОз↓+ Н2О+ СО2,

а іони Мg2+ — у вигляді основного карбонату або гідроксиду магнію (при рН>10,3):

2Мg2+ + 2НСО+ 2OН- = (МgОН)2СO3↓ + СO2 + Н2O

(іони ОН утворюються за рахунок взаємодії іонів НСО з  водою:

HCO3 + H2O = H2CO3 + OH

і рівновага при нагріванні зміщується вправо).

Та частина твердості, яка залишається після кип’ятіння води, називається некарбонатною. Вона визначається вмістом у воді кальцієвих і магнієвих солей сильних кислот, головним чи­ном, сульфатів і хлоридів. При кип’ятінні води1 ці солі не вилуча­ються, а тому некарбонатну твердість називають також постійною твердістю.

 

Для тих хто хоче знати більше (Слайд)

Розглянемо тепер кількісну характеристику твердості води. Ступінь твер­дості води виражається по-різному. Вона означає число міліграм-еквівалентів іонів Са2+ і Мg2+, які містяться в 1 л води. Оскільки маса 1 мг-екв іонів дорівнює 20,04 мг, а 1 мг-екв іонів Мg2+ — 12,16 мг, то згідно визначенню загальну твердість води Т в міліграм-еквівалентах на літр можна обчислити за формулою:     

Т= [Са2+]     |     g2+]

          20,04          12,16    ‘

де [Са2+] і [Мg2+]—концентрації іонів Са2+ і Мg2+ мг/л. Твердість дуже зм’якшеної або дистильованої води визначають у мікрограм-еквівалентах на 1 кг (1 мкг-екв/кг = 0,001

 мг-екв/л).

Щоправда, до 1952 р. твердість води оцінювали за допомогою так званих градусів твердості, які вимірювались кількістю грамів СаО в 100 л природної води. При цьому всі солі кальцію і магнію за еквівалентами пере­раховували на СаО. Один градус за цією шкалою відповідав вмісту 1 г СаО у 100 л води, або 0,01 г СаО у 1 л. Сучасна шкала твердості — в міліграм-еквівалентах на 1 літр — більш раціональна. В інших країнах також засто­совують різні  умовні одиниці твердості, які називаються градусами.

Для переходу від градусів твердості до позначення твердості у міліграм-еквівалентах на літр треба число градусів помножити на 0,357. Наприклад, якщо твердість води дорівнює 10°, то в міліграм-еквівалентах на 1 літр — 10∙0,357 = 3,57 мг-екв/л.

Для переходу ж від міліграм-еквівалентів на 1 літр до градусів треба їх число помножити на 2,8. Наприклад, твердість води, що дорівнює 3,57 мг-екв/л буде відповідати 3,57·2,8 =10°.

За твердістю природну воду поділяють на дуже м’яку — з твердістю до 1,5 мг-екв/л, м’яку від 1,5 до 4; середньої твердості — від 4 до 8; тверду — від 8 до 12 і дуже тверду— понад 12 мг-екв/л.

Особливо великою твердістю відрізняється вода морів і океанів. Так, на­приклад, кальцієва твердість води у Чорному морі становить 12, магнієва — 53,5 і загальна — 65,5 мг-екв/л, а у Каспійському морі кальцієва твердість — 36,4, магнієва —ЗО і загальна — 66,4 мг-екв/л. В океанах середня кальцієва твердість становить 22,5, магнієва— 108 і загальна — 130,5 мг-екв/л.

Твердість води господарчо-питних водопроводів не повинна перевищувати 7 мг-екв/л (ГОСТ 2874—54).

Дуже часто тверду воду перед використанням зм’якшують. Звичайно цього досягають обробкою води різними хімічними ре­човинами. Так, карбонатну твердість можна усунути добавлян­ням гашеного вапна:

Са2+ + 2НСО+ Са2+ + 2ОН = 2СаСО3↓ + 2Н2О;

Мg2+ + 2НСО + 2Са2+ + 4OН = Мg(ОН)2↓ + 2СаСО3 + 2Н2O

Якщо одночасно добавляти вапно і соду, можна усунути кар­бонатну і некарбонатну твердість (вапняно-содовий спосіб).  Кар­бонатна  твердість  при   цьому усувається   вапном   а некарбонатна — содою:

Са2+ + СО2- = СаСO3↓;

Мg2+ + СО2– = МgСO3

і далі

МgСO3 + Са2+ + 2OН = Мg(OН)2↓+ СаСO3

Застосовують і інші методи усунення твердості води, серед яких один з найсучасніших методів ґрунтується на застосуванні катіонітів катіонітний спосіб

Отже, іони кальцію і магнію переходять з розчину в каїіоніт, а іони натрію — з катіоніту у розчин. При цьому твердість  води усувається.

Після використання більшої частини іонів натрію катіоніти звичайно регенерують. Для цього їх витримують у розчині хло­риду натрію. У цьому випадку відбувається зворотний пронос — іони натрію заміщують у катіоніті іони кальцію і магнію, які пе­реходять у розчин.

Регенерований катіоніт знову використовується для пом’як­шення нових порцій твердої води.

 

Доопрацювання нового матеріалу
Робота з підручником.

Запитання:

  • •На якому рівні існує подібність між живою і не­живою природою?
  • •Який процес взаємо пов’язує неорганічні речо­вини з органічними?
  • •Як відбувається перехід Карбону з атмосфери до рослин і тварин, а потім знову до атмосфери і ґрунту?
  • •Що є причиною «парникового ефекту»? У чому полягає його небезпека?

V. Закріплення вивченого матеріалу

Робота в групах (під керівництвом консуль­тантів).

Задача 1.

Тверда вода містить 0,015 % кальцій гідрогенкарбонату та 0,005 % магній гідрогенкарбонату. Яку масу кальцій гідроксиду потрібно додати до води об’ємом 10 л для усунення твердості, якщо густина води становить 1 кг/л?

Задача 2.

Яку масу магній карбонату необхідно розкласти, щоб отримати магній оксид масою 56 г, якщо масова частка виходу продукту 70 %?

 

Задача 3.

Яку масу силікатної кислоти можна добути при взаємодії К2SiO3 кількістю речовини 3 моль і 10-відсоткового розчину сульфатної кислоти масою 1960 г?

 

VІ. Підсумок уроку.

Оцінювання роботи учнів на уроці.

 

VІІ. Домашнє завдання.

Опрацювати матеріал підручника. Визначити яка розчинність мила у воді якою ви користаєтеся, а також прокип’ятити воду і подивитися чи утворюється осад при кип’ятінні.

 

Для тих хто хоче знати більше

Твердість води та її наслідки.

Наявність йонів Са2+ і Мg2+  обумовлює твердість води. Чим вищий їх вміст в природній воді, тим більша її твердість. Розрізняють тимчасову і постійну твердість. Тимчасова твердість усувається при кип’ятінні води. Вона викликана наявністю у воді гідрокарбонатів Са(НСО 3 )2, Мg(НСO3)2.

Постійна твердість зберігається при кип’ятінні води. Кількісно вона

                                                                                                                                                                      

рівна концентрації йонів Са2+  і Мg2+   без врахування тимчасової твердості. Як правило, постійну твердість характеризують вмістом сульфатів та хлоридів магнію і кальцію.

Твердість води має деякі негативні наслідки. На внутрішніх стінках парових котлів і трубопроводів з твердої води осаджують тверді солі, в основному карбонат і сульфат кальцію – накип. Вона має погану теплопровідність, тому викликає місцевий перегрів стінок котла і корозію матеріалу. Випадкове відділення частини накипу від розжареної стінки може викликати швидке випаровування води і вибух котла.

При пранні білизни в твердій воді збільшується витрата мила, що

                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

обумовлює утворення нерозчинних органічних солей Са2+  і Мg2+

2Na ( С17Н35СОО) + Са(НСO3)2 = Са (С17Н35СОО)2 + 2NаНСO3

Крім перевитрати мила, при пранні в твердій воді на тканині осаджуються кальцієво-магнієві солі, які погіршують її властивості викликають появу затхлого запаху. Синтетичні миючі засоби забезпечують ефективність і економічний процес прання в м’якій і твердій воді, бо вони не утворюють нерозчинних солей кальцію та магнію.

В твердій воді погано розварюються стручкові овочі, бо пектин утворює на стручках клітин нерозчинні сполуки з йонами Са2+ і Мg2+. Твердість води також негативно впливає на організм людини. Є дані про зворотну кореляцію між показниками смертності від серцево-судинних захворювань та твердістю води. В той же час згідно при низькому солевмісті питної води (до 0,25 мг-екв/л), що характерно для вод річок Арктичного басейну, частішають випадки розвитку вегето-судинної дистонії по гіпертонічному типу, а також гастриту.

Тому з точки зору смакових якостей питної води ГДК по йонам твердості знаходиться в межах, регламентованих ГОСТом  та рекомендаціями ВОЗ  (табл.1)

Таблиця 1.

ГДК по йонам твердості в питній воді

 

 

Твердість, мг-екв/л ГДК

Ознака, по якій регламентується показник

ГОСТ

ВОЗ

7,0 10,0

Органолептичний Естетична якість води

Щоб   запобігти   негативним   наслідкам   як   в    побуті   так   і    в промисловості, воду пом’якшують, тобто видаляють з неї йони Са2+  і Мg2+

Кип’ятінням води усувається тільки тимчасова твердість:

Са(НСO3)2 = СаСО3 + Н2O + СO2

При введенні в воду деяких реагентів (Nа2СO3, Са(ОН)2, Na3РO4 та ін.) усувається вся твердість:

Са(НСO3)2 + Са(ОН)2 = 2 СаСO3(т)  + 2Н2O

МgSO4 + Na2СO3 = МgС03(т) +  Na2SO4

 ЗСаSO4 + Nа3РO4 = Саз(РO4)2(Т) + 3Na2SO4

Ортофосфати менш розчинні ніж карбонати, тому краще пом’якшення досягається при фосфатному пом’якшенні.

Для підвищення ефективності содовапнякового пом’якшення питної води пропонується попередня вакуумна дегазація, при якій знижується концентрація СO2 у воді. Після пом’якшення вода аерується для покращення смакових якостей.

Але застосування цих методів значно обмежене. По-перше, ефективність видалення накипоутворення та накипоутворюючих реагентів не завжди достатня для досягнення необхідного ступеня водопідготовки; по-друге, застосування цих методів, особливо вапнякового, приводить до втрати стабільності води при нагріванні; по-третє, у зростаючих масштабах водообороту такими методами не можливо обробити великі об’єми води, які необхідні сучасному виробництву.

 

Сучасні методи усунення накипоутворення

Для забезпечення надійної експлуатації теплообмінної та іншої апаратури необхідна організація відповідної водопідготовки та систематичного контролю якості технічної води.

На сьогоднішній день розроблені та впровадженні як в нашій країні так і за кордоном різноманітні засоби вдосконалення технологічних процесів водопідготовки, що запобігають накипоутворенню .

 

 Фізичні методи

Особливої уваги заслуговують фізичні методи протинакипної обробки води (магнітне поле, електричний струм, ультразвук та ін.).

В останній час значно збільшилося число публікацій по магнітній обробці води. В популярній формі викладаються теоретичні основи магнітної обробки води, приводяться приклади використання цього методу запобігання відкладів на тепло передаючих поверхнях в різних галузях промисловості та його економічні переваги .

Описано результати експериментальних досліджень, які з’ясовують вплив ультразвукових коливань різної інтенсивності на процес накипоутворення .

Для попередження утворення відкладання осадів важкорозчинних солей використовується стабілізаційна обробка води електричним струмом .

Між тим відмічається, що фізичні методи боротьби з накипоутворенням недостатньо теоретично обґрунтовані, не завжди дають бажаний ефект при обробці великих об’ємів води і дорогі в монтажі устаткування.

 

Мінералізація

Значний   вплив   на   процес   розкладу   гідрокарбонату   кальцію   має присутність в розчині неорганічних солей (мінералізація), а саме NаСІ, КС1,

NaNO3та ін. Добавки солей не змінюють характер кінетики процесу перетворення Са(НСO3)2     в   СаСO3 , але суттєво впливають на величину твердості.

Метод інгібіторів.

Для боротьби з накипоутворенням широке застосування знаходять різні інгібітори (антинакипіни). Вони понижують масу відкладів не за рахунок попередження розкладу HCOз і   СO32-, ,а в результаті того, що в об’ємі розчину утворюються мілкі кристали, які залишаються в потоці води і транспортуються ним.

Традиційним інгібітором опадоутворення є поліфосфати. Показано, що обробка води поліфосфатом натрію (10г/м3 ) дозволяє знизити в 6 разів швидкість відкладання осадів на внутрішніх поверхнях трубопроводів.

Із зробленого літературного огляду видно, що проблема накипоутворення є досить складною, актуальною як в нашій країні, так і за кордоном. Цій проблемі присвячується щорічно значна кількість наукових статей та розробок.

 

ЗАВАНТАЖИТИ

Для скачування файлів необхідно або Зареєструватись

26 (175.5 KiB, Завантажень: 18)

ЗАВАНТАЖИТИ

Для скачування файлів необхідно або Зареєструватись

26 (109.5 KiB, Завантажень: 33)

завантаження...
WordPress: 22.96MB | MySQL:26 | 2,441sec