Условие задачи
Что такое жесткость воды? Расскажите, какими способами можно избавиться от жесткости воды: а) карбонатной; б) некарбонатной. Ответ иллюстрируйте уравнениями реакций.
Решение
Нам дана задача из области неорганической химии и технологии водоочистки, где рассматривается явление жесткости воды и методы её умягчения. Ниже приведём подробное решение.
─────────────────────────────
1. Определение жесткости воды
Жесткость воды обусловлена наличием в ней растворённых ионов кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺). Она делится на два типа:
▸ Карбонатная (временная) жесткость – определяется ионами, связанными с карбонат- (HCO₃⁻) и гидрокарбонатными группами, тогда как их соли (например, бикарбонаты кальция и магния) при нагревании разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов. Она называется временной, так как может быть устранена путём нагревания воды.
▸ Некарбонатная (постоянная) жесткость – обусловлена присутствием других солей Ca²⁺ и Mg²⁺, например, сульфатов, хлоридов, нитратов и т.п., которые не разлагаются при нагревании и требуют специальных химических методов для их удаления.
─────────────────────────────
2. Устранение жесткости воды
а) Устранение карбонатной жесткости
При нагревании воды бикарбонаты (карбонаты гидроксодержащие) разлагаются с выделением углекислого газа, в результате чего образуется нерастворимый карбонат (осадок) и вода становится мягче. Типичный пример – карбонат жесткости, связанный с ионом кальция.
Рассмотрим реакцию для бикарбоната кальция:
Ca(HCO₃)₂ (водн.) → CaCO₃ (твёрдый осадок) + CO₂ (газ) + H₂O (жидкость)
При этой реакции углекислый газ выделяется в атмосферу, а выпадающий осадок карбоната кальция удаляется из воды.
Если в воде присутствует и бикарбонат магния, аналогичным образом происходит его превращение в соответствующий карбонат (хотя магний карбонат несколько менее устойчивый, его часто превращают в гидроксид или добавляют реагенты для его осаждения).
Таким образом, простой способ избавиться от карбонатной жесткости – кипячение воды.
─────────────────────────────
б) Устранение некарбонатной жесткости
Некарбонатная жесткость не устраняется кипячением, поскольку соли типа сульфата или хлорида кальция (CaSO₄, CaCl₂) остаются растворимыми. Для их удаления применяют химические методы, например, добавление щёлочного реагента, такого как карбонат натрия (Na₂CO₃) – «сода» (или иногда используют известь, Ca(OH)₂).
Пример реакции с карбонатом натрия для осаждения кальция:
CaCl₂ (водн.) + Na₂CO₃ (водн.) → CaCO₃ (осадок) + 2 NaCl (водн.)
Аналогичным образом можно осадить сульфаты кальция, если применить карбонат натрия:
CaSO₄ (водн.) + Na₂CO₃ (водн.) → CaCO₃ (осадок) + Na₂SO₄ (водн.)
После добавления Na₂CO₃ образующийся нерастворимый осадок карбоната кальция удаляют фильтрацией или осаждением.
Другой метод – использование ионнообменных смол, где ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ заменяются на ионы натрия, что также уменьшает жесткость воды. Однако в данной задаче просят привести реакционные уравнения, поэтому описанный способ с Na₂CO₃ является наглядным примером химического осаждения.
─────────────────────────────
Вывод
Жесткость воды – это концентрация минеральных (Ca²⁺, Mg²⁺) ионов. Ее можно разделить на:
• Карбонатная (временная), которую можно устранить нагреванием (реакция разложения бикарбонатов, например, уравнение:
Ca(HCO₃)₂ (водн.) → CaCO₃ (твёрдый осадок) + CO₂ (газ) + H₂O);
• Некарбонатная (постоянная), для которой применяют метод химического осаждения посредством добавления карбоната натрия (например,
CaCl₂ (водн.) + Na₂CO₃ (водн.) → CaCO₃ (осадок) + 2 NaCl (водн.)) или ионный обмен.
Таким образом, принципы удаления различной жесткости основываются на различии химической природы растворённых солей.