Особенности определения жесткости воды

МИНИСТРЕСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра « Прикладная экология и охрана окружающей среды»

 

 

 

 

 

Индивидуальная работа

По дисциплине: «Мониторинг окружающей среды»

На тему: «Особенности определения жесткости воды»

 

 

Выполнила

ст. группы ЭП-11                                                                              Чурилова Д.В.

Принял 

профессор                                                                                        Прилипко Ю.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Донецьк 2013

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………………..

1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ……………………..………………………………6

1.1 Особенности тепловых  свойств воды……..……..….………………………….6

 1.2 Физические свойства воды……………………...…..…………………………7

  1.3 Химические свойства воды…..…………….………………………………….8

2 ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ ……………………..………………………………………9

2.1 Происхождение жесткости…………………………………………………..9

 2.2 Определение жесткости воды……………………………………………….11

 3  МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ…………………………16

 3.1 Колориметрический метод…..…………………………...………………….16

  3.2 Олеатный метод………………………………………………...……………16

3.3 Метод кислотно-основного титрования…………………………………..17

3.4  Комплексонометрический метод………………………………………….17

          3.4.1 Теоретические основы метода……………………………………..19

          3.4.2 Методика определения……………………………………………..22

          3.4.3 Проведение анализа…………………………………………..….…24     

4 МЕТОДЫ УСТРАНЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ……………………..……27

5 ЗНАЧЕНИЕ ВОДЫ В ЖИЗНИ  ЧЕЛОВЕКА……………………………..….32

    5.1 Влияние жесткости воды……………………………………………..….32

    5.2 Влияние водных ресурсов на здоровье человека………………….…...34

   5.3 Влияние питьевой воды на здоровье населения……………….…….….35

ВЫВОДЫ………………………………………………………………………....44

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………….….…45

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

В данной работе: 46  страниц, 18 ссылок на источники, 2 таблицы и 2рисунка.

Тема работы - изучение основных свойств воды, и методов их анализа.

 В работе рассматривается понятие определения жёсткости воды, и способы её устранения, а также их анализ.

Проанализировано негативное воздействие жесткости на окружающую природную среду и человека. Описаны основные методы по её определению и уменьшению негативного воздействия.

Ключевые слова: ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ, КОМПЛЕКСОНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД, ТИТРОВАНИЕ, КОЛОРИМЕТРИЯ, ОЛЕАТНЫЙ МЕТОД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Вода - одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. В данной работе показано значение определения жесткости воды как в жизни человека, так и в процессе мониторинга состояния окружающей среды.

Жёсткость - это особые свойства воды, обусловленные наличием в ней ионов кальция и магния, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение.

Таким образом, в  индивидуальной работе рассматривается, что жёсткая вода неблагоприятно воздействует не только на техническое и промышленное оборудование, но и на такие вещи как ткань, посуда, а также и на кожу человека и продукты питания.

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.

Различают общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную жесткость.

На бытовом же уровне жёсткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств при стирке белья и умывании, а также ухудшением потребительских свойств воды. При кипячении достаточно жёсткой воды на её поверхности образуется плёнка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жёсткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция 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 жёсткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус.

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.

Также с точки зрения применения воды для питьевых нужд, рассматривается  её приемлемость по степени жёсткости в зависимости от местных условий.

 

 

 

 

 

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ

 

1.1 Особенности тепловых свойств 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»[1].

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 [2].

 

1.2 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[3].

 

1.3 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) диcсоциирует по схеме Н2O - Н+ + ОН-. Протон Н+ в водной среде существовать в свободном состоянии не может и, взаимодействуя с молекулами воды, образует комплексы Н5О2+. 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 [4].

 

 

 

 

 

2 ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

 

2.1 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.

Различают общую, временную, постоянную, карбонатную и некарбонатную жесткость.

Временной жесткостью называют часть общей жесткости, которая удаляется кипячением при обычном атмосферном давлении.

Постоянная жесткость-это часть общей жесткости, которая остается в воде после кипячения в течении определенного времени. Она равна разности между общей и временной жесткостью [5].

Карбонатная жесткость- это часть общей жесткости, эквивалентная концентрации  карбонат и гидрокарбонат - ионов кальция и магния.

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 российские: [6] и [7], и две зарубежные: 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.