Что такое жесткость воды с химической точки зрения: Сложные вещества, жёсткость воды

Сложные вещества, жёсткость воды

Сложные вещества: Вода

Сложные вещества

Сложные вещества — это химические вещества, образованные соединением нескольких простых веществ. В хозяйстве в большей степени мы пользуемся сложными веществами и в гораздо меньшей степени — простыми веществами.

К используемым нами сложным веществам относятся соли (c химической точки зрения), оксиды, основания или щелочи, кислоты, а также многие органические соединения, например спирты, парафины, альдегиды и т.д.

Вода

Вода — сильный растворитель. Как вы думаете, при какой температуре вода больше весит?

Наибольшая плотность воды зафиксирована при температуре 4°С, выше и ниже этой температуры плотность постепенно уменьшается. Соответственно, и весит вода больше всего при 4°С.

Дистиллированная вода по вкусу отличается от водопроводной. Это объясняется тем, что в обычной воде растворены десятки различных солей ,- это соли кальция (присутствие данных солей затрудняет образование мыльного раствора при стирке), магния (обычно придаёт горечь воде), а также соли железа, щелочных металлов и много других веществ.

Вода, обогащенная ионами металлов, полезна для организма (но не из-под крана!). Например, калий и магний — для работы сердечных мышц, кальций и железо – для свёртывания крови, натрий — для образования минеральных солей, имеющих щелочную реакцию и способных расщеплять органические вещества.

Всем известно, что организм человека состоит на 81% из воды и, конечно же, постоянно нуждается в её пополнении. Поэтому сужествует норма приёма воды организмом человека в зависимости от веса человека:

Жёсткость воды

Жёсткость воды — определяется наличием в воде катионов кальция (Ca) и магния (Mg). Чем выше содержание этих катионов, тем больше жёсткость воды. Существует временная жёсткость воды и постоянная жёсткость воды. Временная жёсткость устраняется при кипячении. Соли, растворённые в воде (гидрокарбонаты кальция и магния Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂) легко распадаются при нагревании,образуя воду и углекислый газ:

Ca(HCO₃)₂→ CaCO₃+H₂O+CO₂

Mg(HCO₃)₂→ MgCO₃+H₂O+CO₂

Постоянная жёсткость воды кипячением удалить невозможно. Такая вода содержит соли — сульфаты, хлориды, нитраты кальция, магния. Но всё-таки можно избавиться и от постоянной жёсткости воды: используем известковое молоко (гашеная известь — Ca(OH)₂) или соду.

Одним из наиболее эффективных средств устранения постоянной жёсткости воды является использование ортофосфата натрия (Na₃PO₄). При взаимодействии его с водой соли, придающие воде жёсткость, выпадают в осадок:

Ca(HCO₃)₂ +2Na₃PO₄→ Ca₃(PO₄)₂ (осадок)+ 6NaHCO₃

3MgSO₄+2Na₃PO₄→ Mg₃(PO₄)₂ (осадок) + 3Na₂SO₄

При кипячении жёсткой воды на стенках посуды образуется накипь — соли кальция и магния. Они плохо проводят тепло. Если накипи образовалось много, то стенки посуды могут перегреться.

При стирке в жёсткой воде мыла расходуется значительно больше. Это связано с образованием нерастворимых в воде сложных веществ — стеаратов кальция и магния (Ca(C₁₇H₃₅C00)₂ и Mg(C₁₇H₃₅COO)₂)

В жёсткой воде и овощи варятся дольше, так как углеводы, содержащиеся в овощах, образуют с солями кальция и магния нерастворимые сложные вещества.

Вода и Лёд. Почему вода тяжелее льда?!

Фрагменты (Н₂О)₈ сохраняются и в жидкой воде. Внутрь таких агрегатов попадает часть молекул Н₂О, поэтому плотность воды оказывается выше плотности льда (900 кг/м³)

О проточной питьевой воде:

Все знают, что обезвреживание проточной воды производят с помощью хлорки, или точнее раствора,содержащего хлор. Микроорганизмы в такой среде выжить не могут и гибнут. Но при этом ухудшается и качество воды, ведь хлор — очень сильный окислитель, вступает в химическую реакцию с растворёнными в ней примесями и образует хлорорганические соединения, вредные для здоровья. Одни из самых токсичных и вредных веществ — диоксины. Эти вещества — самые настоящие яды! Они поражают органы человека, нарушают их правильное функционирование. Не всегда и фильтры могут справляться с переизбытками растворённого хлора.

Из всей воды, на нашей планете только 1% пригодна для питья. Несмотря на то, что существует большое разнообразие различных очистительных фильтров, даже самый лучший фильтр (содержащие слои ионообменной среды, активированного угля) не способен устранить все токсичные вещества из воды. получить чистую воду можно регулярной заменой фильтра (картриджа), при этом надо учитывать, источник, из которого берётся вода и как очищается (например, в особо загрязнённых районах фильтр нужно менять чаще, так как он быстрее портится).

Самую чистую и полезную воду получают из природных источников, которая предварительно обрабатывается, дополнительно очищается и разливается в стеклянные бутылки!

Сложные вещества: Вода в твёрдом состоянии

Снежинки

Снег образуется, когда микроскопические капельки воды в облаках притягиваются к частичкам пыли и замерзают. Кристаллики льда, которые при этом появляются, не превышают сначала 0,1мм в диаметре, падают вниз и растут из-за конденсации на них влаги из воздуха. При таком движении образуются шестигранные кристаллические формы. Через структуру молекул воды между вершинами кристалла возможно образование углов размерами лишь 60 и 120 градусов. Основной кристалл воды имеет в горизонтальной плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах этого шестиугольника оседают новые кристаллы, на них – новые и таким образом образуются различные формы звёздочек – снежинки.

Снежики в начачле своего формирования

При достаточно высокой температуре воздуха кристаллы неоднократно тают и снова кристаллизируются. Это нарушает правильную форму снежинок и образует смешанные разновидности. Кристаллизация всех шести углов снежинок происходит одновременно в практически одинаковых условиях и, поэтому, формы углов снежинок получаются тоже одинаковыми.

С точки зрения кристаллографии наиболее естественной формой снежинок является «шестиугольная» симметрия. При этом в природе широко распрострастранены треугольные снежинки. Причины такого различия до настоящего времени остаются неизвестными.

Для образования треугольной снежинки необходима температура 2 градуса ниже нуля.

Новое исследование проведено американскими физиками по количественным оценкам влияния различных факторов на рост снежинки. Как считают физики, имеется 2 основных фактора: динамика диффузии молекулы воды в воздухе и динамика поведения этих молекул на поверхности кристалла. Им удалось установить, что эти параметры непосредственно определяются потоками воздуха, которые охватывают снежинку. Свои теоретические допущения учёные проверили с помощью специальной «снежной машины» — камеры, с помощью которой можно контролировать рост снежинок. В результате было определено, что треугольные снежинки являются наиболее стойкими, то есть изменение потоков воздуха не приводит к изменению формы снежинки. Именно это, по мнению учёных, объясняет распространение треугольных снежинок.

Совсем недавно учёным из Великобритании удалось получить «пятиугольник» снежинку. Они разместили тонкий слой льдинок на поверхности меди. В этом слое молекулы воды разместились в вершинах пятиугольников.

Жесткость воды

Жесткостью называют свойство воды, обусловленное наличием в ней растворимых солей кальция и магния.

Химия жесткости

Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством не обладают.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трехвалентное железо (Fe3+) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, «вклад» в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2+).

Виды жесткости.

Различают следующие виды жесткости.

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Единицы измерения.

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3).

Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO3.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице:

Примечание:

1. Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм3 СаО или 17.86 мг/дм3 СаСО3 в воде.
2. Один французский градус соответствует 10 мг/дм3 СаСО3 в воде.
3. Один американский градус соответствует 1 мг/дм3 СаСО3 в воде.

Происхождение жесткости

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. Ниже в таблице приведены целых четыре примера классификации. Две классификации из российских источников — из справочника «Гидрохимические показатели состояния окружающей среды» и учебника для вузов «Водоподготовка» /9/. A две — из зарубежных: нормы жесткости немецкого института стандартизации (DIN 19643) и классификация, принятая Агентством по охране окружающей среды США (USEPA) в 1986.

Таблица наглядно иллюстрирует гораздо более «жесткий» подход к проблеме жесткости «у них». Тому есть причины, о которых — ниже.

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах — десятков граммов на один литр воды.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

Влияние жесткости на качество воды.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).

Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование «мыльных шлаков» в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство «жестких» волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный «скрип» чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство «мылкости» после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила матушка Природа.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

Жесткость

Жесткостью называют свойство воды, обусловленное наличием в ней растворимых солей кальция и магния.

Жесткость воды — это один из основных критериев качества воды.

Химия жесткости

Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са²⁺) и в меньшей степени магния (Mg²⁺). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na⁺) таким свойством не обладают.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al³⁺) и трехвалентное железо (Fe³⁺) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, «вклад» в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва²⁺).

Виды жесткости.

Различают следующие виды жесткости.

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Метод удаления: умягчение воды (ионообменные фильтры)

Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Метод удаления №1: умягчение воды (ионообменные фильтры)

Метод удаления №2: обратный осмос (обессоливание воды)

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Метод удаления №1: умягчение воды (ионообменные фильтры)

Метод удаления №2: обратный осмос (обессоливание воды)

Единицы измерения.

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м³).

Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (d^o, dH), французский градус (f^o), американский градус, ppm CaCO₃.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице:

Примечание:

1. Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм³ СаО или 17.86 мг/дм³ СаСО3 в воде.

2. Один французский градус соответствует 10 мг/дм³ СаСО₃ в воде.

3. Один американский градус соответствует 1 мг/дм³ СаСО₃ в воде.

Происхождение жесткости

Ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. Ниже в таблице приведены целых четыре примера классификации. Две классификации из российских источников — из справочника «Гидрохимические показатели состояния окружающей среды» и учебника для вузов «Водоподготовка» /9/. A две — из зарубежных: нормы жесткости немецкого института стандартизации (DIN 19643) и классификация, принятая Агентством по охране окружающей среды США (USEPA) в 1986.

Таблица наглядно иллюстрирует гораздо более «жесткий» подход к проблеме жесткости «у них». Тому есть причины, о которых — ниже.

Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са²⁺) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg²⁺) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах — десятков граммов на один литр воды.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм³).

Влияние жесткости на качество воды.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).

Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование «мыльных шлаков» в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство «жестких» волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный «скрип» чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство «мылкости» после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила матушка Природа.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

Промышленные методы обессоливания и снижения жесткости воды 

Урок по химии на тему «Жесткость воды»

Химия 9 класс

СКО, Акжарский район, Новосельская ОШ

Учитель химии и биологии Олжатаева Т.М.

[email protected]

ТЕМА: «Понятие о жесткости воды и способы их устранения. Биологическая роль кальция. Генетическая связь соединений кальция».

Общие цели урока: создать условия для формирования понятия о жесткости воды, биологической роли кальция.

Задачи:

образовательные: сформировать знания учащихся о жесткости воды и отработать навыки составления химических реакций, лежащих в основе устранения жесткости воды. Обобщить знания о кальции.

развивающие: формировать понимание химической стороны явлений окружающего мира, роли этих явлений в жизни человека; формировать критическое и аналитическое мышление; развивать умения обобщать и применять полученные знания.

воспитательные: воспитание познавательного интереса к предмету; формирование целостного восприятия явлений, происходящих в природе, в быту, производстве.

Тип урока: комбинированный

Методы: проблемно-поисковый, репродуктивный

Оборудование: карточки, плакаты, таблица

Ход урока.

1. Организационный момент. Постановка цели урока.

2. Проверка домашнего задания

1. Положение кальция в ПС

2. Физические свойства и способы получения кальция

3. Химические свойства кальция

4. Игра «термины-синонимы». Правильно составить пары соответствующих веществ стрелками.

1. гидрокарбонат натрия 1. угарный газ

2. оксид углерода (IV) 2. поваренная соль

3. хлорид натрия 3. мел, известняк

4. оксид углерода (II) 4. углекислый газ

5. карбонат кальция 5. пищевая сода

Ответ: 1-5, 2-4, 3-2, 4-1, 5-3.

5. Составить из карточек генетическую цепочку Са.

Ca→CaO→Ca(OH)₂→ CaCO₃→ CO₂

Ответ:

1. 2Ca + O₂ =2CaO

2. CaO+H₂O=Ca(OH)₂

3. Ca(OH)₂+CO₂=CaCO₃↓+ H₂O

t°

4. CaCO₃→CaO+CO₂ ↑

6. Заполнить таблицу, пользуясь учебником

№

Химическая формула

Промышленное название

Применение

1

2

3

4

5

6

CaCO₃

Ca(OH)₂

CaO

CaSO₄ 2H₂O

CaSO₄ 0.5H₂O

Ca(HCO₃)₂

3. Подготовка к активной учебно-воспитательной деятельности.

Вода, пожалуй самое важное вещество на Земле.

Подберите прилагательные к слову «вода». (живая, мертвая, минеральная, легкая, тяжелая, мягкая, жесткая…)

Воде посвящены разные высказывания писателей, поэтов, ученых. Да, без воды нам не прожить. Она может быстро бежать, ласково струиться и плескаться, реветь водопадом, молча надвигаться айсбергом, сверкать и переливаться в капельках росы.

4.Изложение нового материала

Одна из важных характеристик воды – жесткость. Это наша сегодняшняя тема урока.

Абсолютно чистой воды не существует. Она всегда содержит различные примеси, от их концентрации и природы зависит пригодность воды для бытовых и промышленных нужд.

Природная вода, протекая в земле, соприкасается с различными минералами и горными породами и растворяет некоторые составляющие их вещества.

Но вы можете мне возразить и сказать, что некоторые соединения нерастворимы.

-Какие?

Дело в том, что помимо обычного растворения, вода, содержащая в себе углекислый газ, оказывает на некоторые минералы химическое действие, превращая карбонаты в гидрокарбонаты, растворимые в воде. Поэтому ключевая вода содержит значительное количество ионов кальция и магния. Именно такая вода называется жёсткой.(записать определение)

Жёсткость воды — свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде.

Жесткость — это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и пр., чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Такой тонкий слой на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее – ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и даст течь. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы

Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится.

Известкование в природе – это: морские раковины, ракушки, кораллы, панцири морских обитателей, образование известковых горных пород (мрамор, известняк, мел),

В пещерах спелеологи встречаются с красивейшими известковыми образованьями – свешивающимися со сводов сталактитами и растущими вверх сталагмитами. С точки зрения химии, возникновение этих удивительных творений природы – это жесткость подземных вод. Понятие жесткости воды мы встречаем не только в спелеологии и в геологии, а, вообще, повсеместно – в химии, техники и даже в быту. И поэтому это понятие очень важно для определения качества воды.

1 видеоопыт (обсуждение)

Задание: заполнить таблицу из предложенных предложений:

Жесткая вода: плюсы и минусы

+

—

может приводить к более сильной коррозии труб

перерасход моющих средств из-за низкого пенообразования

недостаток солей магния и кальция в питьевой воде повышает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний

плохо влияет на состояние кожи и волос человека

слишком мягкая вода губительна для многих аквариумных рыб и растений

дольше варятся некоторые продукты, например, мясо

сложно достигнуть эффекта отбеливания белья

Жесткость воды подразделяется на:

1) карбонатную жесткость (временную), которая вызывается наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется с помощью кипячения;

2) некарбонатную жесткость (постоянную), которая вызывается присутствием в воде сульфитов и хлоридов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются, поэтому она называется постоянной жесткостью.

Верна формула: Общая жесткость = Карбонатная жесткость + Некарбонатная жесткость.

2 видеоопыт

Карбонатная жесткость (временная, устранимая) обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния:

Устраняется кипячением, действием известкового «молока» или соды:

Образующийся карбонатный продукт реакции оседает на стенках сосуда (накипь):

Некарбонатная жесткость (постоянная) обусловлена присутствием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния.

Устраняют некарбонатную жесткость чаще всего добавлением соды:

В разных странах существуют свои нормы жесткости для воды.

вода

Жесткость воды в мг/л (справочник пл гидрохимии)

Жесткость воды в мг/л (Казахстан)

Жесткость воды в мг/л (Германия)

Жесткость воды в мг/л (США)

мягкая

0-4,0

0-3,0

0-1,6

0-1,5

средней жесткости

4,0-8,0

3,0-4,5

1,6-3,6

1,5-3,0

жесткая

8,0-12,0

4,5-6,0

3,6-6,0

3,0-6,0

очень жесткая

свыше 12,0

свыше 6,0

свыше 6,0

свыше 6,0

5. Закрепление

Составить кластер: Применение воды.

6. Решение задачи.

Найти массу оксида магния, полученного при горении 6 г магния. (Ответ: 10г)

7. Синквейн

1. Имя существительное – вода

2. Имя прилагательное —

3. Глагол —

4. Предложение —

5. Выразите одним словом что есть вода —

8. Выставление оценок.

9. Рефлексия

10. Домашнее задание : §38 №1 (в)

Презентация к уроку химии на тему «Жесткость воды»

Вода — одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца ещё не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определённой пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen — от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду».

Дальнейшее исследование показали, что за незатейливой химической формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.

Первая особенность воды: вода — единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоёмкости от температуры имеет минимум.

Из-за того, что удельная теплоёмкость воды имеет минимум около 37?С, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38?С.

Вторая особенность воды: теплоёмкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определённое её количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, — по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло.

Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, т.е. воду очень трудно заморозить, а лёд — растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.

Имеются особенности и в поведении объёма воды. Плотность большинства веществ — жидкостей, кристаллов и газов — при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4?С (точнее, до 3,98?С) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4?С, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4?С (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0?С.

Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8% тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лёд (твёрдая вода) занимает больший объём, чем жидкая вода, и держится на её поверхности.

Физические свойства воды

Несмотря на свой, казалось бы, предельно простой химический состав, вода — одно из самых загадочных веществ на Земле. Достаточно упомянуть, что это единственное химическое вещество, которое существует в условиях нашей планеты одновременно в трёх агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твердом.

Физические свойства воды своеобразны. Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой воды от давления: в области сравнительно низких давлений при температурах до 30?С вязкость с ростом давления уменьшается. Вода — полярная, и жидкая вода, и лёд являются диэлектриками. Вода диамагнитна. Свойства воды зависят от её изотопного состава. Так, давление пара D2O при 20?С на 13% ниже, чем пара Н2O.

Высокая диэлектрическая проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в воде многих веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с распространённостью воды обуславливают её широкое применение для многих технологических процессов.

Химические свойства воды

Вода — простейшее устойчивое химическое соединение водорода и кислорода (окись водорода — Н2O), одно из самых распространённых соединений в природе, играющее исключительно важную роль в процессах, происходящих на Земле.

Известно 3 изотопа водорода (1Н — протий; 2Н, или Д, — дейтерий; 3Н, или Т, — тритий) и 6 изотопов кислорода (14О, 15О, 16О, 17О, 18О, 19О), так что существует большое количество изотопных разновидностей молекул воды. Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с ядрами О и Н в вершинах.

Химически чистая вода состоит почти исключительно из молекул Н2O. Незначительная доля молекул (при 25?С — примерно одна на 5·109) диссоциирует по схеме Н2O — Н+ + ОН-. Протон Н+ в водной среде существовать в свободном состоянии не может и, взаимодействуя с молекулами воды, образует комплексы Н5 О2+. Хотя степень диссоциации в воде ничтожна, она играет большую роль в химических процессах, происходящих в различных системах, в том числе и биологических. В частности, она является причиной гидролиза солей слабых кислот и оснований и некоторых других реакций, протекающих в воде.

Вода взаимодействует со многими элементами и веществами. Так, при реакции воды с наиболее активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции со многими окислами образуются кислоты или основания. Вода гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и другие вещества.

Жёсткость воды и методы её устранения

Определение жёсткости воды

Природная вода обязательно содержит растворённые соли и газы (кислород, азот и др.). Присутствие в воде ионов Mg2+ и Са2+ и некоторых других, способных образовывать твёрдые осадки при взаимодействии с анионами жизненных органических кислот, входящих в состав различных мыл (например, со стеарат-ионом С17Н35СОО2-), обуславливает так называемую жёсткость воды.

Во всех просмотренных нами научных источниках, понятие жёсткости воды обычно связано с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жёсткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жёсткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством не обладают.

В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жёсткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются:

Катионы

Анионы

Кальций (Са2+)

Гидрокарбонат (HCO3-)

Магний (Mg2+)

Сульфат (SO42-)

Стронций (Sr2+)

Хлорид (Cl-)

Железо (Fe2+)

Нитрат (NO3-)

Марганец (Mn2+)

Силикат (SiO32-)

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жёсткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трёхвалентное железо (Fe3+) также влияют на жёсткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, «вклад» в жёсткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2+).

Чем выше концентрация указанных двухзарядовых катионов Mg2+ и Са2+ в воде, тем вода жёстче. Наличие в воде этих катионов приводит к тому, что при использовании, например при стирке, обычного мыла (но не синтетического моющего средства) часть его расходуется на образование с этими катионами нерастворимых в воде соединений так называемых жирных кислот (мыло представляет собой смесь натриевых и калиевых солей этих кислот):

2С17 Н35 СОО- + Са2+ = (С17Н 35СОО)2Саv

2С17Н 35 СОО- + Мg2+ = (С17Н 35СОО)2Mgv

и пена образуется лишь после полного осаждения ионов.

Мыла — это натриевые (иногда калиевые) соли органических кислот, и их состав можно условно выразить формулой NaR или KR, где R — кислотный остаток. Анионы R образуют с катионами кальция и магния нерастворимые соли CaR2 и MgR2 . На образование этих нерастворимых солей и расходуется бесполезно мыло. Таким образом, при помощи мыльного раствора мы можем оценить общую жёсткость воды, общее содержание в ней ионов кальция и магния.

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щёлочноземельных металлов, обуславливающих жёсткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворённого диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. В маломинерализованных водах больше всего ионов кальция. С увеличением степени минерализации содержание ионов кальция быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния в минерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в солёных водах нескольких десятков граммов.

В целом, жёсткость поверхностных вод, как правило, меньше жёсткости вод подземных. Жёсткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой.

Жёсткость — это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение.

Для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц и тротуаров жёсткость воды не имеет принципиального значения. Но в ряде случаев жёсткость воды может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жёсткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. Это обуславливается некоторыми фактами:

При использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств;

Жёсткая вода, взаимодействуя с мылом, образует “мыльные шлаки”, которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники;

Во многих промышленных процессах соли жёсткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.

Жёсткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах и т.п. предъявляются на порядок более высокие требования по жесткости. Тонкий слой накипи на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее — ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и начнёт протекать. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы.

На что влияет жесткость воды в бытовых условиях

«Жесткая» вода — одна из самых распространенных проблем, причем как в загородных домах с автономным водоснабжением, так и в городских квартирах с централизованным водопроводом. Степень жесткости зависит от наличия в воде солей кальция и магния (соли жесткости) и измеряется в миллиграмм — эквиваленте на литр (мг-экв/л). По американской классификации (для питьевой воды) при содержании солей жесткости менее 2 мг-экв/л вода считается «мягкой», от 2 до 4 мг-экв/л — нормальной (повторяем, для пищевых целей!), от 4 до 6 мг-экв/л — жесткой, а свыше 6 мг-экв/л — очень жесткой.

Для многих применений жесткость воды не играет существенной роли (например, для тушения пожаров, полива огорода, уборки улиц и тротуаров). Но в ряде случаев жесткость может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жесткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. И вот почему:

 

• При использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств;

 

•  
• Жесткая вода, взаимодействуя с мылом, образует «мыльные шлаки», которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники;
• «Мыльные шлаки» также не смываются с поверхности человеческой кожи, забивая поры и покрывая каждый волос на теле, что может стать причиной появления сыпи, раздражения, зуда;
• При нагревании воды, содержащиеся в ней соли жесткости кристаллизуются, выпадая в виде накипи. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах и т.п., предъявляются на порядок более строгие требования по жесткости;
• Во многих промышленных процессах соли жесткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.
• С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л)

Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование «мыльных шлаков» в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство «жестких» волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный «скрип» чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство «мылкости» после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановления той защиты кожи, которой нас и так снабдила матушка Природа.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

Оценить общую жесткость воды, при некоторых ограничениях, можно при помощи обычного кондуктометра — COM100. Наиболее точно измерить общую, а также карбонатную и некарбонатную жесткость воды можно с помощью прибора YD300, оснащенного ионоселективным электродом.

Источник: ОМАР

 

Статья на тему «почему образуется накипь: причины и методы борьбы»

Каждый сталкивался с проблемой образования накипи на бытовой технике. Примером могут служить известняковые наросты в электрочайниках, стиральных машинах, водонагревательных приборах, хромированных смесителях, разводы на посуде. Почему образуется накипь, какие существуют методы борьбы с ней?

Накипь – отложения химических элементов в теплообменных аппаратах, в которых происходит нагревание или испарение воды. Накипь формируется из солей жесткости, в большей части кристаллов карбоната кальция, магния, бикарбоната. Образуется накипь в процессе химической реакции по следующей схеме:

• разлагается бикарбонат магния и кальция;
• бикарбонаты образуют карбонаты с меньшей степенью растворимости;
• образовывается осадок;
• бикарбонаты (осадок) концентрируются на внутренних поверхностях теплообменных аппаратов.

Образование накипи обусловлено степенью жесткости воды, которая формируется в грунтовых водах, известняковых артезианских скважин. Бытуют различные мнения о вредности жесткой воды для здоровья человека, но научно доказано, что она негативно влияет на бытовую технику, вкусовые качества воды, помимо того она увеличивает траты на моющие средства, ухудшает состояние кожи. Раз мы разобрались в вопросе, почему образуется накипь, следует понять степень ее вредности и рассмотреть методы борьбы.

Решения BWT для очистки теплообменников:

Вредна ли накипь?

Жесткая вода является причиной образования накипи, которая формируется в процессе испарения или нагрева воды. Накипь приводит к ряду негативных последствий:

• Образуется осадок, известняковый нарост сужает проход в трубах, особенно это заметно в местах изгибов, образует засоры, влияет на давление воды в трубопроводах.
• Образовавшаяся шуба накипи влияет на теплоотдачу нагревательных элементов, тем самым увеличивается потребление электроэнергии. Нарост размером 1 мм приводит к увеличению затрат тепловой энергии на 10%, тогда как осадок в 13 мм способствует 70% потери тепла. Данное обстоятельство влияет на повышенный износ техники, сокращает срок ее службы, преждевременно выводит из строя.
• Накипь негативно влияет на подвижные элементы вентилей и кранов.
• Известняковый нарост может стать причиной образования коррозийных процессов, ведущие к поломке оборудования.
• Частые образования осадков обнаруживаются на душевом шланге, бортиках и внутри ванны, на ободке и горловине унитаза.
• Негативное воздействие накипи также отражается на уплотнителях и прокладках, снижает их эластичность, способствует разрыву.

Защита от накипи

Если вопросы, почему образуется накипь и как с ней бороться, еще актуальны, то предлагаем вам ознакомиться с методами защиты от известкового нароста. Сегодня применяют две технологии предупреждения образования накипи: химическая и безреагентная обработка.

Химическая обработка подразумевает использование реагентов для умягчения воды, подбор водно-химического режима, постоянный контроль над составом исходной воды. Технология химической обработки требует постоянного вмешательства и контроля, что отражается на стоимости конечного продукта, в данном контексте говориться о питьевой воде.

Безреагентное умягчение воды основано на технологии Hydropath. Принцип ее работы заключается в отталкивании растворенных в воде ионов солей жесткости от внутренних стенок труб оборудования. Технология Hydropath не позволяет избавиться от жесткости воды, она превращает бикарбонаты в микрокристаллы, они выводятся водой из системы. Химический состав воды не подергается изменению, не наносится вред окружающей среде, нет необходимости в постоянном контроле над исходным составом воды и работой системы.

При образовании накипи удалить ее можно двумя способами: механическим и химическим. При механическом удалении накипи существует риск повреждения слоя металла, что может вызвать поломку всего оборудования. При химической очистке применяют кислоты, частицы которой свободно растворяются в воде, удаляют известняковые наросты.

Все выше сказанное отвечает на вопросы, почему образуется накипь и как с ней бороться. Надеемся, что наши советы помогут вам осуществить качественную водоподготовку и сохранить здоровье и бытовую технику от воздействия жесткой воды, которая приводит к образованию накипи.

Жесткость воды — обзор

5.2.2. Builder Systems

Сегодняшние строители почти полностью связаны с синтетическими поверхностно-активными веществами. Причина их использования заключается в улучшении или наращивании системы поверхностно-активных веществ для повышения эффективности очистки в широком диапазоне условий использования. К химическим веществам, которые классифицируются как добавки, относятся фосфаты, силикаты, карбонаты, этилендиаминтетраацетат (ЭДТА) и глюконаты. Строители действуют, связываясь с ионами металлов, помогая удалить их с подложки и способствуя их растворению или диспергированию.Таким образом, они помогают моющим средствам удалять и рассеивать твердые загрязнения.

Добавки, смягчающие воду, очень важны. В мягкой воде мало или совсем нет свободных ионов жесткости, что помогает удерживать моющие средства и загрязнения в растворе, позволяя моющему средству лучше очищать и полоскать. Жесткая вода снижает моющие свойства и затрудняет смывание грязи. Кольцо для ванны — прекрасный пример того, как жесткая вода мешает процессу очистки. Ионы кальция и магния вступают в реакцию с ингредиентами чистящего раствора, образуя нерастворимую пленку, которую трудно смыть из ванны.

Есть проблемы с использованием некоторых конструкторов. Фосфаты, например, являются необходимыми питательными веществами для поддержания жизни растений. Однако слишком много фосфата в водной экосистеме может привести к эвтрофикации или отмиранию водной системы [13].

Свойства системы

Builder, связанные с производительностью, обычно включают следующее:

•

Секвестрация жесткой воды.

•

Дефлокуляция почвы.

•

Обеспечивает щелочность.

•

Диапазон pH буфера.

Идеальный строитель обладал бы всеми этими качествами. Однако системы создания комбинаций из двух или более ингредиентов вместе могут более эффективно выполнять эти функции. Кроме того, любая строительная или строительная комбинация должна быть стабильной в растворе. В наш век экологических и нормативных требований столь же важно, что любой строитель должен соответствовать жестким критериям безопасности для человека и экологической приемлемости.

У каждого типа построителя есть отличные друг от друга функциональные возможности.Некоторые строители предназначены для удаления почвы, а другие лучше умягчают воду. В любом случае, добавка предназначена для облегчения процесса очистки, обеспечивая лучшее полоскание и меньшее количество остатков.

Самая важная функция строителя — уменьшить влияние жесткости воды. Строители делают это, связывая или связывая ионы кальция и магния в воде, что в свободном состоянии может отрицательно сказаться на процессе очистки. Свободные ионы жесткости воды могут отрицательно сказаться на характеристиках анионных поверхностно-активных веществ, заставляя их выделяться из раствора.

Вторая по важности функция строителя — измельчение и диспергирование твердых частиц почвы. Это помогает удалить, рассредоточить и приостановить частицы почвы для эффективного удаления. Это очень важно для удаления с волокон глинистых загрязнений. Сложные фосфаты и силикатные добавки могут изменять адсорбцию моющего средства на субстрате и / или почве, а также действовать как суспендирующие агенты.

Строители должны обеспечивать безопасный уровень щелочности для обеспечения хорошей очистки.Буферизация — это способность поддерживать pH чистящего раствора в узком диапазоне, несмотря на добавление умеренных количеств кислот или основания. Некоторые составы обеспечивают как щелочность, так и буферную способность. В таких системах при уменьшении щелочности снижается способность модификатора действовать как буфер.

5.2.2.1. Различные типы модификаторов

В зависимости от конкретного модификатора смягчение воды может осуществляться за счет хелатирования или связывания, ионного обмена или осаждения.По словам Уллы, использование строительных систем, которые действуют исключительно за счет атмосферных осадков (обычно на основе щелочей или монофосфатов), в Северной Америке устарело. Несмотря на то, что системы на основе карбоната натрия и содержащие полимерные соединения и / или смеси других модификаторов продолжают оставаться популярными [14]. Используемые системы нефосфатных модифицирующих добавок состоят из смеси модифицирующих и дополнительных модифицирующих добавок.

Уллах также указывает, что строители комплексообразующего типа можно разделить на два типа: те, которые содержат фосфор (фосфаты), и те, которые не содержат.Эти соединения действуют, хелатируя ионы жесткости воды, удерживая их в растворе и не позволяя им влиять на свойства поверхностно-активного вещества. С конца 1960-х годов использование фосфатных модификаторов, таких как триполифосфат натрия (STPP), все чаще подвергается критике из-за предполагаемого вклада в раннюю эвтрофикацию (непреднамеренное удобрение) водоемов [14].

Фосфаты включают пирофосфаты, триполифосфаты и метафосфаты. Фосфаты обладают необычной способностью пептизировать и суспендировать определенные глины, пигменты и другие мелкодисперсные твердые вещества в водных растворах.Отчасти это связано с улавливающей способностью фосфатов. В то время как значительные исследования были посвящены разработке строительных материалов без фосфатов, лишь немногие из них были коммерциализированы.

ЭДТА — один из наиболее распространенных модифицирующих добавок, который особенно хорошо удаляет кальций и магний, способствуя смягчению воды. Благодаря своей эффективности ЭДТА содержится в широком спектре промышленных и потребительских товаров. ЭДТА захватывает ионы металлов за счет хелатирования и образует очень прочные комплексы с металлами, что затрудняет отделение ионов металлов от потока воды.Таким образом, могут возникнуть проблемы с высоким содержанием металлов в сточных водах из-за EDTA.

5.2.2.2. Полимерные системы

Водорастворимые полимеры используются в сочетании с другими компонентами моющих средств для оптимальной очистки и затрат. Эти полимеры предназначены для использования при очистке с высокими нагрузками на почву, в условиях жесткой воды и умеренной температуры. Они предназначены для облегчения очистки за счет диспергирования твердых частиц, предотвращения повторного осаждения загрязнений и связывания минеральных ионов, таких как ионы кальция и магния.Например, полиакриловые кислоты, полиакрилаты, сополимеры акриловой и малеиновой кислоты являются некоторыми типами полимеров, используемых для чистки ковров.

Также в составах для чистки ковров используются полимерные материалы, такие как смола стирол / малеиновый ангидрид (SMA), сополимеры акрилата, фторсодержащие акрилаты и т. Д., Для придания защитных свойств от повторного загрязнения и окрашивания.

5.2.2.3. Ароматизаторы

Ароматизаторы добавляются в средства для чистки ковров, чтобы придать им приятный и характерный аромат.Ароматические материалы используются для выполнения трех функций независимо от запаха. Они нейтрализуют химический запах продукта и запах грязи в восстановленном чистящем растворе. Они придают приятный запах ковровым тканям и окружающей атмосфере, тем самым усиливая чистоту продукта. Кроме того, аромат отличает продукт, чтобы сформировать характер этого продукта.

5.2.2.4. Растворители

Растворители удаляют жир и масло и улучшают общие очищающие свойства состава для чистки ковров.Кроме того, некоторые типы растворителей используются в рецептурах для получения прозрачных стабильных продуктов. Однако сегодня средства для чистки ковров для дома разработаны с учетом нормативных требований и требований охраны окружающей среды. Из-за этих требований, по опыту автора, включение достаточного количества растворителя для обеспечения эффективности и действенности может быть трудным, и все больше и больше составов основаны на системах поверхностно-активных веществ.

5.2.2.5. Источник воды

Вода — самый распространенный ингредиент, используемый в средствах для чистки ковров на водной основе.Тип и количество примесей, содержащихся в воде, различаются в зависимости от источника (озеро, река или колодец) и географического района. Городская вода содержит растворенные ионы кальция, магния, железа и других материалов, которые выше определенного уровня считаются «жесткой водой». Жесткость муниципальной воды варьируется и может составлять от 50 до более 250 частей на миллион (ppm). Кроме того, pH воды может варьироваться от примерно 6,5 или выше, если вода поступает из колодцев и водохранилищ.

При разработке чистящих средств важно знать качество воды.Хотя агенты обычно добавляются для противодействия ионам жесткости воды, они могут быть частично исчерпаны в процессе смешивания за счет реакции с ионами жесткости необработанной воды. В идеале вода, используемая для приготовления чистящих средств, должна быть обработана для удаления ионов жесткости и следов металлов.

Жесткость воды — Обзор параметров качества воды

Что такое твердость?

Жесткость — это мера способности воды потреблять мыло. Этот термин происходит от выражения того, насколько сложно или «тяжело» стирать одежду в воде.Когда мыло смешивается с жесткой водой, минералы соединяются с мылом и образуют твердый осадок. Это снижает эффективность очистки мыла и образует мыльную пену. По мере добавления мыла твердые частицы продолжают формироваться до тех пор, пока минералы не истощатся. Когда минералы больше не доступны, мыло образует пену и действует как чистящее средство.

Жесткость воды — это обычно концентрация ионов кальция и магния в воде

Минералы, которые осаждаются с мылом, представлены катионами поливалентных металлов, таких как кальций, магний, железо, марганец и цинк.Концентрация кальция и магния в природных водах обычно намного превышает концентрацию любого другого поливалентного катиона. Поэтому под жесткостью обычно понимают концентрацию ионов кальция и магния в воде.

Карбонатная и некарбонатная жесткость

Жесткость

можно разделить на карбонатную и негарбонатную. Карбонатная жесткость относится к бикарбонату кальция и магния. Иногда ее называют временной твердостью, потому что ее можно удалить или понизить путем кипячения.Когда такие бикарбонаты нагреваются, они выпадают в твердые карбонатные формы. Это основная причина образования накипи в водонагревателях и котлах.

Некарбонатная жесткость обусловлена ​​в первую очередь нитратами, хлоридами и сульфатами кальция и магния. Некарбонатную жесткость иногда называют постоянной твердостью.

Взаимосвязь между щелочностью и жесткостью воды

Степень карбонатной жесткости по сравнению с некарбонатной жесткостью может быть определена путем измерения щелочности.Если щелочность равна или больше жесткости, вся жесткость карбонатная. Любая избыточная жесткость — это негарбонатная жесткость.

В США твердость обычно указывается в мг / л как CaCO ₃ или gpg (зерно на галлон) как CaCO ₃ . Поскольку щелочность также указывается как CaCO ₃ , результаты двух тестов можно сравнивать напрямую. Общая жесткость — это сумма всех карбонатных и некарбонатных солей кальция и магния, присутствующих в воде.

Зачем измерять твердость?

Как правило, жесткая вода образует твердые отложения, состоящие в основном из солей кальция и магния, и может повредить оборудование, в то время как мягкая вода может вызывать коррозию, и поэтому важно измерять и знать уровни жесткости технологической воды, чтобы поддерживать тонкий баланс между образованием накипи. и коррозионная активность.

В то время как некоторая жесткость может быть приемлемой для определенных применений, связанных с качеством воды, для других требуется нулевая жесткость, чтобы предотвратить образование накипи и повреждение оборудования.Поэтому для уменьшения жесткости часто необходимо умягчение воды осаждением или ионным обменом. Чтобы оптимизировать эти процессы, иногда важно контролировать уровни кальция и магния отдельно, а также общую жесткость.

Кроме того, магний может мешать другим тестам качества воды, таким как азотные, аммиачно-салицилатные методы. Посетите эти страницы связанных параметров, чтобы узнать больше об аммиаке и азоте.

В Hach ^® вы найдете испытательное оборудование, ресурсы, обучение и программное обеспечение, необходимые для правильного мониторинга и управления жесткостью воды в вашем конкретном приложении.

Рекомендуемые продукты для измерения твердости

18.5: Мировой океан — Chemistry LibreTexts

Вода — самый важный ресурс. Без воды жизнь невозможна. С химической точки зрения вода, H ₂ O, представляет собой чистое соединение, но на самом деле вы редко пьете, видите, касаетесь или используете чистую воду. Вода из различных источников содержит растворенные газы, минералы, органические и неорганические вещества.

Гидросфера

Вся водная система, окружающая планету Земля, называется гидросферой .Он включает пресноводные системы, океаны, атмосферный пар и биологические воды. Северный Ледовитый, Атлантический, Индийский и Тихий океаны покрывают 71% поверхности Земли и содержат 97% всей воды. Менее 1% — это пресная вода, а 2-3% — ледяные шапки и ледники. Антарктический ледяной щит почти размером с континент Северной Америки. Эти воды определяют нашу погоду и климат, прямо и косвенно влияя на нашу повседневную жизнь. Они покрывают 3,35х10 ⁸ км ² . Общий объем четырех океанов равен 1.35×10 ⁹ км ³ .

• Солнечный свет тускнеет на 1/10 на каждые 75 м в океане, и люди почти не видят свет ниже 500 м. Температура почти всей глубоководной части океана составляет 4 ° C (277 K).
• Средняя глубина океана составляет 4 км, а самая глубокая точка в Марианской впадине — 10912 м (35 802 фута), что сопоставимо с высотой 8,8 км для горы Эверест.

Гидросферные процессы — это этапы круговорота воды на планете Земля.Эти процессы включают сублимацию льда, испарение жидкости, перенос влаги воздухом, дождем, снегом, реками, озерами и океанскими течениями. Все эти процессы связаны с физическими и химическими свойствами воды, и многие государственные учреждения созданы для изучения и регистрации явлений, связанных с ними. Изучение этих процессов называется гидрология

Среди планет Земля — ​​единственная, на которой есть твердые, жидкие и газообразные воды. Эти условия как раз подходят для жизни, для которой вода является жизненно важной составляющей.Вода — самое распространенное вещество в биосфере Земли. Подземные воды — важная часть водной системы. Когда пар остывает, появляются облака и дождь. Часть дождя просачивается сквозь почву и проникает в подстилающие породы. Воды в скалах , подземные воды , которые движутся медленно.

Каменный массив, содержащий значительное количество воды, называется водоносным горизонтом . Ниже уровня грунтовых вод водоносный слой заполнен (или насыщен) водой.Выше уровня грунтовых вод находится ненасыщенная зона. В некоторых регионах два и более уровня грунтовых вод. Эти зоны обычно разделены водонепроницаемым материалом, таким как валун и глина. Подземные воды могут быть выведены на поверхность путем бурения ниже уровня грунтовых вод и откачаны. Количество воды, которое можно откачать, зависит от структуры водоносного горизонта. Мало воды хранится в плотных гранитных слоях, но большое количество воды хранится в водоносных слоях известняка. В некоторых местах есть подземные реки.{-8.35} \)

Общие ионы, присутствующие в природной воде

Гидрология — это также изучение того, как твердые и растворенные вещества взаимодействуют с водой и с ней. В этой ссылке подробно описаны состав морской воды, состав атмосферы, состав дождя и снега, а также состав речной воды и воды озера. В таблице \ (\ PageIndex {1} \) перечислены основные ионы, присутствующие в морской воде. Состав действительно меняется в зависимости от региона, глубины, широты и температуры воды.Воды в устьях рек содержат меньше соли. Если ионы используются живым организмом, их содержание варьируется в зависимости от популяций организмов.

Частицы пыли и ионы, присутствующие в воздухе, являются центром зарождения капель воды. Таким образом, дождевые и снежные воды также содержат такие ионы: Ca ²⁺ , Mg ²⁺ , Na ⁺ , K ⁺ , NH ₄ ⁺ . Эти катионы уравновешены анионами, HCO ₃ ^— , SO ₄ ^— , NO ₂ ^— , Cl ^— и NO ₃ ^— .Уровень pH дождя составляет от 5,5 до 5,6. Дождевые и снежные воды со временем становятся речными или озерными. Когда идет дождь или снег, они взаимодействуют с растительностью, верхним слоем почвы, коренными породами, руслом реки и дном озера, растворяя все, что растворяется. Бактерии, водоросли и водные насекомые также хорошо себя чувствуют. Растворимость неорганических солей определяется кинетикой и равновесием растворения. Наиболее распространенные ионы в озерных и речных водах такие же, как и в дождевой воде, но в более высоких концентрациях.Уровень pH этих вод зависит от русла реки и озера. Природные воды содержат растворенные минералы. Воду, содержащую ионы Ca ²⁺ и Mg ²⁺ , обычно называют жесткой водой .

Жесткая вода

Минералы обычно растворяются в естественных водоемах, таких как озера, реки, родники и подземные водотоки (грунтовые воды). Карбонат кальция, CaCO ₃ , является одним из наиболее распространенных неорганических соединений в земной коре. Это ингредиент как кальцита, так и арагонита.{-9} \]

Из произведения растворимости мы можем (см. Пример 1) оценить молярную растворимость как 7,1×10 ^-5 M или 7,1 мг / л (7,1 частей на миллион CaCO ₃ в воде). Растворимость увеличивается с понижением pH (повышением кислотности). — \]

Из-за этих реакций некоторые природные воды содержат более 300 ppm карбоната кальция или его эквивалентов.

Углекислый газ в природной воде создает интересное явление. Дождевая вода насыщена CO ₂ и растворяет известняки. Когда CO ₂ теряется из-за изменений температуры или утечки из водяных капель, происходит обратная реакция. Образовавшееся твердое вещество, однако, может быть менее стабильной фазой, называемой арагонитом, имеющей ту же химическую формулу, но и другую кристаллическую структуру, чем у кальцита.

Дождь растворяет карбонат кальция в результате двух реакций, показанных выше.Вода уносит с собой ионы, просачиваясь сквозь трещины в скалах. Достигнув потолка пещеры, капля долго болталась там, прежде чем упала. За это время углекислый газ улетучивается, а pH воды увеличивается. Начинают появляться кристаллы карбоната кальция. Кальцит, арагонит, сталактит и сталагмит — четыре распространенных твердых вещества, которые встречаются при образовании пещер.

Природные воды содержат ионы металлов. Вода, содержащая кальций, магний и их противоанионы, называется жесткой водой .- \]

Вода

, содержащая ионы Ca ²⁺ , Mg ²⁺ и CO ₃ ^2-, называется временной жесткой водой , поскольку ее жесткость можно снизить кипячением. Кипение вызывает обратную реакцию, вызывая отложения в трубах и накипь в котлах. Отложения снижают эффективность теплопередачи в котлах и уменьшают расход воды в трубах. Таким образом, временную жесткую воду необходимо смягчить, прежде чем она попадет в бойлер, водонагреватель или систему охлаждения.Количество ионов металла, которое может быть удалено кипячением, называется временной твердостью

.

После кипячения ионы металлов остаются из-за присутствия хлорид-ионов, сульфат-ионов, нитрат-ионов и довольно высокой растворимости MgCO ₃ . Количество ионов металла, которое не может быть удалено кипячением, называется постоянной твердостью . Общая твердость — это сумма временной твердости и постоянной твердости. Жесткость часто выражают как эквивалент количества ионов кальция в растворе.{2-} + \ rightarrow CaCO_ {3 (s)} \]

При этой обработке необходимое количество Ca (OH) ₃ эквивалентно временной твердости плюс твердость по магнию. Требуемое количество карбоната натрия эквивалентно постоянной жесткости. Таким образом, известково-содовое умягчение эффективно, если определены как временная, так и общая жесткость. Ион натрия останется в воде после обработки. Уровень pH воды также довольно высок в зависимости от количества использованной извести и карбонатов натрия.

Комплексное лечение

Добавление комплексообразующего реагента для образования растворимых комплексов с Ca ²⁺ и Mg ²⁺ предотвращает образование твердого вещества. Одним из комплексообразующих агентов является трифосфат натрия Na ₃ PO ₄ , который продается как Calgon и т. Д. Фосфат является комплексообразующим агентом. Также можно использовать другие комплексообразующие агенты, такие как Na ₂ H ₂ EDTA, но комплексообразующий агент EDTA ^4- образует прочные комплексы с переходными металлами.Это вызывает проблему коррозии, если трубы системы не сделаны из нержавеющей стали.

Ионный обмен

Сегодня в большинстве водоумягчителей используются цеолиты и метод ионного обмена для умягчения жесткой воды. Цеолиты представляют собой группу гидратированных кристаллических алюмосиликатов, обнаруженных в некоторых вулканических породах. Тетраэдрически координированные атомы алюминия и кремния образуют тетраэдрические группы AlO ₄ и SiO ₄ . Они соединяются друг с другом, разделяя атомы кислорода, образуя структуры типа клетки, как показано справа.Эта диаграмма и следующая структурная диаграмма взяты из введения в цеолиты. Существует много видов цеолитов, некоторые из которых были синтезированы недавно.

Кристаллическая структура цеолитов любого типа содержит большие клетки. Клетки соединены друг с другом, образуя каркас с множеством полостей и каналов. Как положительные, так и отрицательные ионы могут быть захвачены в этих полостях и каналах, как показано ниже.

Для каждого кислорода, который не является общим в тетраэдрических группах AlO ₄ и SiO ₄ , на группе остается отрицательный заряд.Эти отрицательные заряды уравновешиваются за счет захвата ионов щелочных и щелочноземельных металлов. Когда в ловушку попадает больше катионов, гидроксид- и хлорид-ионы останутся в полостях и каналах цеолитов.

Для приготовления цеолита для обработки воды их замачивают в концентрированном растворе NaCl. Полости улавливают столько ионов натрия, сколько они могут вместить. После обработки цеолит обозначается как Na-цеолит. Затем солевой раствор сливают, а цеолит промывают водой, чтобы удалить лишнюю соль.Когда через них протекает жесткая вода, ионы кальция и магния захватываются цеолитом натрия. На каждые захваченные Ca ²⁺ или Mg ²⁺ выделяются два иона Na ⁺ . Обработанная вода содержит довольно высокую концентрацию ионов Na ⁺ , но низкие концентрации Mg ²⁺ и Ca ²⁺ . Таким образом, ионный обмен цеолита превращает жесткую воду в мягкую.

Чистая вода методом ионного обмена

В большинстве случаев смолы представляют собой полистирол с функциональными группами -SO ₃ H, присоединенными к полимерной цепи для катионообменной смолы, и с функциональной группой -N (CH ₃ ) ₃ ⁺ , присоединенной к цепи для анионообменной смолы.Чтобы подготовить смолу для получения чистой или деионизированной воды , катионную смолу регенерируют с помощью HCl, чтобы группы действительно были -SO ₃ Н. Анионная смола регенерировалась с помощью NaOH, так что функциональные группы были -N ( CH ₃ ) ₃ (ОН). Когда вода, содержащая любой ион металла M ⁺ и анион A ^—, проходит через ионообменные смолы в две стадии, происходят следующие реакции:

\ [\ ce {M + + -SO3H \ rightarrow H + + -SO3M} \]

\ [\ ce {A ^ {-} + -N (Ch4) 3 (OH) \ rightarrow OH ^ {-} + -N (Ch4) 3A} \]

\ [\ ce {H ^ {+} + OH- <=> h3O} \]

Таким образом, ионный обмен обеспечивает чистой воды для удовлетворения лабораторных требований.

Система водяного фильтра обратного осмоса

Этот метод также можно использовать для подготовки воды для бытовых и лабораторных нужд. Этот метод обсуждался в документе «Очистка сточных вод»

.

Магнитная очистка воды

Ниже приводится список компаний, продающих магнитные устройства для магнитной очистки воды . Все устройства основаны на результатах некоторых исследований, показывающих, что когда вода проходит через магнитное поле, карбонат кальция будет выпадать в осадок в виде арагонита, а не обычного кальцита.Например, К.Дж. Кроненберг опубликовал статью в журнале IEEE Transactions on Magnetics (Vol. Mag-21, No. 5, сентябрь 1985 г., страницы 2059-2061). и заявил следующее:

Было обнаружено, что режим кристаллизации минерального состава воды изменился от дендритного, связанного с субстратом, затвердевания в форме отдельных дискообразных кристаллов после того, как вода прошла через ряд магнитных полей. Прежняя нехватка зародышей кристаллизации в воде превратилась в обилие центров зародышеобразования в воде.Уменьшение количества кристаллов, связанных с подложкой, использовалось как количественная мера магнитного эффекта.

Многие компании создали различные устройства для магнитного кондиционирования воды, и они заявляют, что их устройства будут очищать трубы и котлы за небольшую плату или бесплатно. Мне еще предстоит протестировать одно из этих устройств на предмет соответствия заявленным требованиям, но мои предварительные тесты показывают, что постоянный магнит мало влияет на отложения карбоната кальция во временной жесткой воде. Заявленный ими очищающий эффект, вероятно, сильно преувеличен.{-5} \; M \]

Концентрация 7.1×10 ^-5 M эквивалентна 7.1 мг / л (7.1 ppm CaCO ₃ в воде).

ОБСУЖДЕНИЕ

Могут присутствовать и другие ионы в системе и другие условия равновесия в дополнение к равновесию, упомянутому здесь. В реальном мире проблемы сложнее.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

При кипячении 1,0 л воды получено 10 мг твердого CaCO3. Какая временная жесткость воды?

Ответ

10 страниц в минуту

Кальций и жесткость воды — Нониус

Введение

Кальций, Ca

²⁺

Кальций в форме иона Ca ²⁺ является одним из основных неорганических катионов или положительных ионов в соленой и пресной воде.Он может возникать в результате диссоциации солей, таких как хлорид кальция или сульфат кальция, в воде.

Большая часть кальция в поверхностных водах поступает из потоков, текущих по известняку, CaCO ₃ , гипсу, CaSO ₄ • 2H ₂ O и другим содержащим кальций породам и минералам. Подземные воды и подземные водоносные горизонты выщелачивают еще более высокие концентрации ионов кальция из горных пород и почвы. Карбонат кальция относительно нерастворим в воде, но легче растворяется в воде, содержащей значительные уровни растворенного диоксида углерода.

Концентрация ионов кальция (Ca ²⁺ ) в пресной воде находится в диапазоне от 0 до 100 мг / л и обычно имеет самую высокую концентрацию среди всех пресноводных катионов. В качестве верхнего предела для питьевой воды рекомендуется уровень 50 мг / л. Высокий уровень не считается проблемой для здоровья; однако уровни выше 50 мг / л могут быть проблематичными из-за образования избыточных отложений карбоната кальция в сантехнике или из-за снижения очищающего действия мыла. Если концентрация ионов кальция в пресной воде падает ниже 5 мг / л, она может поддерживать только редкую растительную и животную жизнь, состояние, известное как олиготрофных .Типичная морская вода содержит около 400 мг / л Ca ²⁺ .

Кальциевая жесткость по CaCO

₃

Когда вода проходит через минеральные отложения, такие как известняк, уровни Ca ²⁺ , Mg ²⁺ и HCO ₃ ^— ионов, присутствующих в воде, значительно увеличиваются и приводят к классификации воды как жесткая вода. Этот термин связан с тем фактом, что ионы кальция или магния в воде соединяются с молекулами мыла, образуя липкую пену, которая препятствует действию мыла и затрудняет получение пены.Одним из наиболее очевидных признаков жесткости воды является слой белой пленки, оставшейся на поверхности душа. Поскольку большинство ионов жесткой воды происходит из карбоната кальция, уровни жесткости воды часто обозначаются в терминах жесткости как CaCO ₃ . Например, если обнаружено, что образец воды имеет концентрацию Ca ²⁺ 30 мг / л, то его кальциевая жесткость как CaCO ₃ может быть рассчитана по формуле

(30 мг / л Ca ²⁺ ) × (100 г CaCO ₃ /40 г Ca ²⁺ ) = 75 мг / л кальциевой жесткости как CaCO ₃

Обратите внимание, что 30 мг / л Ca ²⁺ и 75 мг / л кальциевая жесткость как CaCO ₃ эквивалентны — это просто два разных способа выражения уровня кальция.Значение кальциевой жесткости в виде CaCO ₃ всегда можно получить, умножив концентрацию Ca ²⁺ на коэффициент 100/40, или 2,5.

Другое распространенное измерение жесткости воды известно как общая жесткость как CaCO ₃ . Это измерение учитывает ионы Ca ²⁺ и Mg ²⁺ . В среднем магниевая жесткость составляет около 1/3 общей жесткости, а кальциевая жесткость — около 2/3. Если вы сравниваете свои собственные результаты испытаний кальциевой жесткости как CaCO ₃ с результатами в публикациях, в которых используются единицы общей жесткости как CaCO ₃ , вы можете оценить общую жесткость, умножив кальциевую жесткость на 1.5. См. Тест 14, Общая жесткость воды , для получения дополнительной информации по этой теме.

Объективы

• Измерьте концентрацию ионов кальция в ручье или озере в мг / л как Ca ²⁺ , используя ионно-селективный электрод (ISE).
• Определите кальциевую жесткость как CaCO ₃ в мг / л.

Датчики и оборудование

В этом эксперименте используются следующие датчики и оборудование. Может потребоваться дополнительное оборудование.

Проверка жесткости воды | Эксперимент

Это студенческий практикум, где заранее проделана большая часть подготовительной работы. Его можно было варьировать, чтобы студенты наблюдали за приготовлением растворов или выполняли их самостоятельно. Для этого потребуется использовать реальную (или смоделированную) морскую воду, а не смешивать временно и постоянно жесткую воду. Временно жесткую воду также действительно необходимо вскипятить и охладить (в отличие от замены дистиллированной воды).

Для младших или менее опытных студентов рассмотрите возможность предоставления бюреток, уже зажатых и заполненных мыльным раствором.

Учащиеся должны поднести свои конические колбы к бутылям с исходными растворами от A до E и использовать специальный мерный цилиндр для каждого раствора, чтобы получить 10 см. ³ . В больших группах подумайте о том, чтобы разные группы начинали с другой буквы.

Описанная работа займет около 45 минут.

Оборудование

Аппарат

• Защита глаз
• Измерительные цилиндры (10 см ³ ), 5 шт. (По одному для каждого из растворов от A до E)
• Колба коническая (100 см ³ )
• Заглушка для конической колбы
• Бюретка и штатив для бюреток
• Воронка малая

Химическая промышленность

• Мыльный раствор в IDA (промышленный денатурированный спирт), (ВЫСОКОГОРЮЧИЙ, ВРЕДНЫЙ), 75 см ³ на группу (см. Примечание 3)
• Запас дистиллированной или деионизированной воды для ополаскивания колб между экспериментами
• Следующие решения, около 20 см ³ на группу:
  • Раствор A: деионизированная вода, обозначенная как «Дождевая вода»
  • Раствор B: смесь временно и постоянно жесткой воды в соотношении 50:50, обозначенная как «морская вода»
  • Раствор C: временно жесткая вода, помеченная как «временно жесткая вода» (см. Примечание 4)
  • Раствор D: деионизированная вода с пометкой «Кипяченая временно жесткая вода»
  • Раствор E: постоянно жесткая вода, разбавленная в соотношении 50:50 деионизированной водой и помеченная как «Кипяченая морская вода» (см. Примечание 6).

Примечания по технике безопасности, охране труда и технике

1. Прочтите наше стандартное руководство по охране труда и технике безопасности.
2. Во всем пользовании защитными очками.
3. Мыльный раствор в «этаноле» (промышленный денатурированный спирт, IDA — см. CLEAPSS Hazcard HC040A, СЛЕДУЮЩИЙ, ВРЕДНЫЙ) можно купить или приготовить. Настоящее жидкое мыло или мыльные хлопья, из которых можно приготовить жидкость, получить все труднее. Мыльные растворы Ванклина и Кларка по-прежнему должны быть доступны у поставщиков химикатов. Мыльные хлопья Lux идеально подходят для приготовления жидкого мыла, если вы можете их найти. Мыло Granny’s Original и другие немаркированные мыльные хлопья работают нормально, но их нужно использовать в растворе, как только они будут приготовлены.Они не образуют стабильной эмульсии и выпадают в осадок в течение ночи. Обратите внимание, что большинство жидких средств для стирки рук основаны на тех же моющих средствах, что и жидкости для мытья посуды, и не содержат мыла. Чтобы получить мыльный раствор из мыльных хлопьев, растворите мыльные хлопья (или стружку куска мыла) в этаноле (используйте IDA). См. Книгу рецептов CLEAPSS RB000. Не растворяется в воде.
4. Разбавьте примерно 150 см ³ известковой воды (РАЗДРАЖАЮЩЕЕ, см. Примечание 5) равным объемом дистиллированной воды. Пропустите углекислый газ (см. Создание, сбор и тестирование газов), следя за тем, чтобы газ не переносил брызги кислоты, после чего карбонат кальция вскоре выпадет в осадок.Продолжайте пропускать газ до тех пор, пока весь осадок не растворится с образованием раствора гидрокарбоната кальция. Это временно жесткая вода.
5. Известковая вода (раствор гидроксида кальция) (РАЗДРАЖАЮЩИЙ) — см. CLEAPSS Hazcard HC018 и CLEAPSS Recipe Book RB020.
6. Размешайте один или два шпателя гидратированного сульфата кальция — см. CLEAPSS Hazcard HC019B — в деионизированной воде. Перемешайте, дайте постоять, затем слейте прозрачный раствор. Это постоянно жесткая вода.

Процедура

Показать в полноэкранном режиме

1. Наберите около 75 см ³ мыльного раствора в небольшой стакан.
2. Установите бюретку и с помощью маленькой воронки налейте в нее мыльный раствор.
3. Используйте мерный цилиндр, чтобы отмерить 10 см ³ одной из проб воды из списка ниже в коническую колбу:
   • Дождевая вода (раствор А)
   • Морская вода (раствор Б)
   • Временно жесткая вода (раствор С)
   • Вода кипяченая временно жесткая (раствор Д)
   • Вода морская кипяченая (раствор Е)
4. Прочтите бюретку.Добавьте 1 см ³ мыльного раствора в воду в конической колбе. Закройте колбу и встряхните ее. Если пена сохраняется в течение 30 секунд, остановитесь и прочитайте бюретку.
5. Если пена не образуется, добавьте еще 1 см ³ мыльного раствора. Встряхните колбу. Повторяйте процесс, пока не образуется пена, которая держится 30 секунд. Прочтите бюретку.
6. Промойте колбу дистиллированной водой. Повторите эксперимент с 10 см ³ другой пробы воды, пока вы не протестируете их все.Запишите объемы мыльного раствора, которые требовались в каждом случае для образования пены.
7. Из ваших экспериментов решите:
   • Какие пробы воды являются «мягкими» и почему
   • Имеет ли морская вода постоянную жесткость, временную жесткость или их сочетание.

Учебные заметки

Образец A требует очень небольшого количества мыльного раствора. Это показывает, что дождевая вода мягкая. Он фактически был дистиллирован (и, как и дистиллированная вода, он будет содержать растворенный углекислый газ, но не содержит солей).

Образец D также потребует очень мало мыла. Это показывает, что временно жесткую воду можно смягчить кипячением (см. Теорию ниже).

Для других образцов потребуется больше мыла, но для E потребуется меньше, чем для B, что показывает, что морская вода имеет как временную, так и постоянную жесткость.

Необходимые объемы мыльного раствора позволяют измерить относительную твердость различных образцов. В более способных группах, возможно, стоит учесть, что дождевая вода полностью мягкая, поэтому требуемый объем мыла — это как раз то количество, которое требуется для вспенивания, а не для преодоления жесткости.Этот объем следует вычесть из других объемов перед сравнением относительной твердости.

Жесткая вода содержит растворенные соли кальция (или магния), которые вступают в реакцию с мыльным раствором с образованием нерастворимого налета, который в трубках должен выглядеть как белое помутнение:

кальциевая соль (водн.) + Стеарат натрия (мыло) (водн.) → стеарат кальция (пена) (s) + натриевая соль (водн.)

Вода пенится только тогда, когда все ионы кальция выпадут в осадок в виде накипи. Таким образом, объем мыльного раствора определяет степень жесткости.

Временно жесткая вода — это вода, которую можно смягчить кипячением. Реакции, с помощью которых это происходит здесь:

Ca (OH) ₂ (водн.) + CO ₂ (г) → CaCO ₃ (т) + H ₂ O (л)

(Карбонат кальция — это «молочность», которая образуется, когда известковая вода вступает в реакцию с диоксидом углерода.)

CaCO ₃ (т) + CO ₂ (г) + H ₂ O (л) → Ca (HCO ₃ ) ₂ (водн.) (Гидрокарбонат кальция)

Эта реакция также происходит, когда дождевая вода (содержащая растворенный диоксид углерода) течет по известняковым породам.При кипячении происходит обратная реакция, вода становится умягченной:

.

Ca (HCO ₃ ) ₂ (водн.) → CaCO ₃ (с) + CO ₂ (г) + H ₂ O (л)

Постоянно жесткая вода содержит соли кальция или магния, кроме гидрокарбонатов. Они не подвержены кипячению.

Щелочность и жесткость

ЧТО ТАКОЕ ЩЕЛОЧНОСТЬ?

Щелочность — это способность воды противостоять кислым изменениям pH, в основном щелочности.
способность воды нейтрализовать кислоту.Эта возможность называется буферизацией.
емкость. Водоем с высоким уровнем щелочности (который отличается от
щелочной водоем) имеет более высокий уровень карбоната кальция, CaCO3, который может уменьшаться
кислотность воды. Следовательно, щелочность измеряет, сколько кислоты можно добавить в водоем до сильного изменения pH.
происходит.

ЩЕЛОЧНОСТЬ ПРОТИВ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ

Щелочность и жесткость воды довольно похожи — по сути, они
источники в природе.Вода движется сквозь камни (и при этом собирает минералы)
по пути к рекам и озерам. Когда известняк и доломит растворяются в воде, один
половина молекулы — это кальций или магний («твердость»), а другая половина — это
карбонат («щелочность»). Это означает, что уровень жесткости воды и
щелочность в месте будет очень похожей. Однако это очень отдельные измерения,
и имеют совсем другое значение.

ЗАЧЕМ ЗАНИМАТЬСЯ ЩЕЛОЧНОСТЬЮ?

Для рыб и других водных организмов требуется диапазон pH от 6,0 до 9,0, а поскольку щелочность
буферы против быстрых изменений pH, он защищает живые организмы, которым требуется специфическая
Диапазон pH.Более высокий уровень щелочности в поверхностных водах будет сдерживать кислотные дожди и другие
кислотные отходы, предотвращающие изменения pH, вредные для водных организмов. Щелочность также важна при очистке сточных вод и питьевой воды.
вода, потому что она влияет на процессы очистки, такие как анаэробное пищеварение. Воды
также может быть непригодным для использования при орошении, если уровень щелочности в воде
выше естественного уровня щелочности почвы.

ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЩЕЛОЧНОСТЬ

• Геология — типы пород, окружающих ручей, влияют на щелочность. Фосфаты, известняк,
  а бораты придают воде более высокую щелочность и буферную способность.
• Сезонная погода — весеннее таяние снега и дожди могут увеличить сток, что в целом также увеличивает кислотность,
  в свою очередь уменьшение щелочности.

ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЩЕЛОЧНОСТЬ

• Кислотные отходы горнодобывающей промышленности — Кислоты из шахт могут вымываться в реки и ручьи и повышать кислотность, которая
  требует большей щелочности.
• Урбанизация — Частицы цемента и других городских строительных материалов могут смываться потоками
  и влияют на щелочность.

КАК ИЗМЕРИТЬ ЩЕЛОЧНОСТЬ?

Utah Water Watch — Узнайте, как волонтеры в штате следят за качеством воды.

Stream Side Science — Изучите различные планы уроков, касающихся качества воды, и посмотрите, как они совпадают
с основной учебной программой для классов k-12.

Utah DEQ — Узнайте, как государственный департамент качества воды контролирует поверхностные воды.

Проверьте свою питьевую воду

отчетов о воде в Роли | Raleighnc.gov

Отчеты о питьевой воде

Raleigh Water предоставляет как годовые, так и ежемесячные отчеты о качестве питьевой воды.В соответствии с требованиями Закона о безопасной питьевой воде отчет об уверенности потребителей публикуется ежегодно и содержит обзор ваших данных о качестве воды за предыдущий календарный год:

En Español
В этой брошюре содержится важная информация о качестве воды, которую вам предоставляет город Роли. Если у вас есть вопросы о качестве воды, звоните в Департамент коммунальных услуг по телефону 919-996-3245 в рабочее время.

Уголок домашнего пивовара

Домашние пивовары давно знают, насколько важна постоянная и высококачественная вода для процесса пивоварения и создания отличного пива.Фактически, вода составляет от 90 до 95 процентов пива по массе, а это означает, что вам нужна отличная вода, чтобы сделать отличное пиво.

Пивоварение — это одновременно искусство и наука, поэтому очень важно понимать определенные химические свойства воды, используемой в процессе пивоварения. Имея это в виду, вот некоторые общие характеристики качества воды, которые пивовары оценивают перед тем, как сделать новую партию:

Для получения дополнительной информации о характеристиках и химических свойствах воды Роли см. Годовой отчет о качестве готовой воды.

Также имейте в виду, что город Роли обычно переключается с использования дезинфицирующего средства хлорамин на хлор в течение последней недели марта до первой недели апреля, что может привести к более высоким, чем обычно, остаточным концентрациям хлора во всей распределительной системе.

Чтобы познакомиться с местными пивоварнями, которые эффективно используют воду высокого качества в городе, посетите пивную тропу Роли.

Отчеты о сточных водах

Raleigh Water рада представить Годовой отчет о системе сбора и очистки сточных вод за 2020-2021 финансовый год.В этом отчете представлена ​​информация о работе трех (3) городских очистных сооружений: объекта по восстановлению ресурсов реки Нойз, объекта по восстановлению ресурсов Смит-Крик и объекта по восстановлению ресурсов в Литтл-Крик, а также о производительности городской системы сбора сточных вод за период. с 1 июля 2020 г. по 30 июня 2021 г.

Системы сточных вод значительно эволюционировали по сравнению с ранними системами 1800-х годов. Хотя целью всегда был сбор человеческих отходов и их транспортировка из городских районов для защиты здоровья человека, ранние системы просто транспортировали сточные воды в ближайший ручей, где они сбрасывались.Сегодня ожидается, что системы сточных вод будут не только защищать здоровье населения, но и защищать окружающую среду. В 1972 году Конгресс США принял исторический закон под названием «Закон о чистой воде», который обеспечил охрану окружающей среды в качестве эталона производительности для всех систем очистки сточных вод. Задолго до принятия этого закона и каждый день с тех пор охрана здоровья населения и окружающей среды была стандартом работы системы сточных вод города Роли.

En Español
Эта брошюра содержит важную информацию о канализационной системе города Роли.Если у вас есть вопросы о системе, звоните в Департамент государственных услуг по телефону 919-996-3245 в рабочее время.

План управления вторичными и кумулятивными воздействиями

Закон о политике в области окружающей среды штата Северная Каролина (SEPA) требует, чтобы проекты, предусматривающие государственное финансирование и превышающие определенные минимальные критерии, включали подготовку экологического документа (экологическая оценка [EA] или заявление о воздействии на окружающую среду [EIS]).В этих экологических документах должны быть указаны прямые, косвенные (или вторичные) и совокупные воздействия на природные, культурные и исторические ресурсы.

Обычно EAs или EIS разрабатываются для конкретного инфраструктурного проекта. Каждый отдельный EA или EIS включает сводные данные о прямых, вторичных и кумулятивных воздействиях. Неэффективность разработки документов таким образом включает следующее:

• Участок
• Неэффективность документации
• Анализ неэффективности
• Правление и планирование капиталовложений

Предлагаемый процесс плана управления SCI

• EAs или EIS для отдельных инфраструктурных проектов будут разработаны для устранения прямого воздействия.
• Вторичные и кумулятивные косвенные воздействия не будут рассматриваться в каждой отдельной EA или EIS; эти документы будут ссылаться на План управления SCI.
• MOA определяет, как следует использовать документ Плана управления SCI, срок его действия и обстоятельства, при которых он должен обновляться чаще.

Эти недостатки приводят к разочарованию как регулирующих органов, так и регулируемого сообщества. Таким образом, город Роли разработал План управления вторичными и кумулятивными воздействиями (SCI) для устранения вторичных и кумулятивных воздействий на планируемую инфраструктуру.Включение всех планов инфраструктуры в один документ обеспечивает целостный обзор прогнозов роста города для зоны обслуживания и инфраструктуры, предназначенной для поддержки этого роста. Хотя ИА или EIS разрабатываются для отдельных проектов для изучения прямого воздействия проектов, эти документы будут ссылаться на План управления SCI для вторичных и кумулятивных воздействий, избегая дублирования.

Город Роли заключил меморандум о соглашении (MOA) с Департаментом окружающей среды и природных ресурсов (DENR), в котором указывается, как будет использоваться документ SCI Management Plan, период времени, в течение которого он может быть указан в отдельных EAs и EIS и при каких обстоятельствах их необходимо обновлять чаще.В процессе разработки MOA было решено, что в городах Венделл и Зебулон не было адекватного управления SCI, и что документация по адекватному управлению SCI будет разработана с помощью других текущих экологических документов. Эта информация включена в MOA.

В 2006 году город Роли завершил свое последнее соглашение о слиянии коммунальных предприятий с каждым из городов восточного округа Уэйк. Согласно каждому отдельному соглашению, город Роли обязался предоставлять безопасные и надежные услуги водоснабжения и водоотведения каждому из этих городов.Таким образом, область исследования для документа Плана управления SCI состоит из существующих земельных участков города Роли и городов Гарнер, Найтдейл, Ролсвилл, Уэйк Форест, Венделл и Зебулон. Зона исследования также включает в себя экстерриториальную юрисдикцию каждого муниципалитета и городские зоны обслуживания. Площадь исследования составляет около 428 квадратных миль, все они расположены в бассейне реки Нойз, разделенной на 10 различных водоразделов.

Просмотр плана управления вторичным и кумулятивным воздействием города Роли, а также различных разделов плана и их соответствующего содержания:

План управления SCI

Приложения A — J

• Программы отбора проб и мониторинга
• Инфраструктура Роли
• Открытое пространство
• Программы смягчения последствий в округе Уэйк
• Общественные комментарии Агентства
• Транспортное планирование

Отчеты программы отбора проб и мониторинга потока

Рисунки и таблицы

Программа капитального ремонта

Межлокальные соглашения

Постановления, планы, положения, стандарты и сопроводительная документация

.