Твердість води

Вступ

Вода́, Н₂O — хімічна речовина у вигляді прозорої безбарвної рідини без запаху і смаку, (в нормальних умовах). В природі існує у трьохагрегатних станах — твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Молекула води складається з одного атома Оксигену і двох атомів Гідрогену. Атоми Гідрогену розташовані в молекулі так, що напрямки до них утворюють кут 104,45^o із вершиною в центрі атома Оксигену. Таке розташування зумовлює молекулі води дипольний момент у 1,844 Дебая. При заміні атомів Гідрогену (протонів) на атоми дейтерію утворюється модифікація, яка називається важкою водою.

Вода — одна із найголовніших речовин, потрібних для органічного життя. Рослини та тварини містять понад 60 % води за масою. На Земліводою покрито 70,9% поверхні. Вона здійснює у природі постійний кругообіг, випаровуючись з поверхні й повертаючись на неї у виглядіопадів. Вода має велике значення для економіки: сільського господарства й промисловості. Питна вода становить тільки 2,5% від загальної кількості. Нестача води може стати однією з найважчих проблем людства в найближчі десятиліття.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поширення води в природі

При зміні температури  води змінюються і водневі зв'язки між її молекулами, що в свою чергу призводить до зміни її стану — від рідкого до твердого і газоподібного. Оскільки рідка вода є прекрасним розчинником, вона рідко буває абсолютно чистою і містить мінеральні речовини в розчиненому або завислому стані. Лише 2,8 % з 1,36 млрд км³ всієї води, що є на Землі, припадає на частку прісної, причому велика її частина (бл. 2,2 %) знаходиться у твердому стані в гірських і покрівних льодовиках (переважно в Антарктиді) і тільки 0,6 % — в рідкому стані. Приблизно 98 % рідких прісних вод зосереджено під землею. Солоні води океанів і внутрішніх морів, що займають понад 70 % земної поверхні, становлять 97,2 % всіх вод Землі.

 

 

Показники якості питної води

Питна вода — вода, в якій бактеріологічні, органолептичні показники та показники токсичних хімічних речовин перебувають в межах норм питного водопостачання:

• Основна вимога до органолептичних властивостей води — відсутність неприємного запаху, смаку, кольору^[1].
• Мінералізація води за стандартом не повинна перевищувати 1 г/дм³, але для засушливих районів вода може вважатися доброю при мінералізації до 1 г/дм³, задовільною — від 1 до 2 г/дм³, допустимою для пиття — від 2 до 2,5 г/дм³, допустимою для пиття в крайніх випадках — від 2,5 до 3,0 г/дм³.
• Твердість води (вміст йонів кальцію та магнію) не повинна перевищувати 7 ммоль/дм³ кількості речовини еквівалента,
• Значення рН повинні бути в межах 6,5-8,5,
• Концентрація нітратного йону не повинна перевищувати 45-50 мг/дм³ (у перерахунку на азот — бл. 10 мг/дм³).
• Важливе значення має характеристика мікробіологічного стану П.в. (колі-індекс — не більше 3, колі-титр — не менше 300). Більшість країнПівнічної Америки та Європи постійно розробляють і удосконалюють більш жорсткі стандарти питної води, при цьому пріоритетом для всіх країн є епідемічна безпека питної води.

Типові області  застосування (крім питних цілей) включають  використання в туалеті (промивання), в мийці і для зрошування.

У питному водопостачанні підземні води мають значні переваги перед поверхневими, оскільки менше забруднені і характеризуються стійкішими хімічними властивостями.

 

Твердість води

Жорсткість води визначають за кількістю солей кальцію і магнію в ній. Якщо вода містить значні кількості таких солей, то таку воду називають жорсткою, а коли цих солей зовсім немає, або вони містяться в незначних кількостях, то — м'якою.

Відрізняють тимчасову, або карбонатну, жорсткість води і сталу. Тимчасова жорсткість обумовлюється наявністю кислих карбонатів (гідрокарбонатів) кальцію і магнію: Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂, а стала — наявністю сульфатів і хлоридів кальцію і магнію: CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂ і MgCl₂. Загальна жорсткість води являє собою суму тимчасової і сталої жорсткості.

Жорстка вода непридатна майже  для всіх галузей виробництва. Так, наприклад, жорстку воду не можна  використовувати для прання білизни, миття шерсті і фарбування тканин, бо в ніймило втрачає свою мийну здатність. Це пояснюється тим, що розчинний у воді стеарат натрію С₁₇Н₃₅COONa, який становить головну складову частину мила, переходить у нерозчинний стеарат кальцію (або магнію), утворюючи так зване кальцієве (або магнієве) мило:

• 2С₁₇Н₃₅COONa + CaSO₄ = Са(С₁₇Н₃₅СОО)₂ ↓ + Na₂SO₄

При цьому мильна піна утворюється тільки після повного  осадження іонів кальцію і  магнію, на що непродуктивно витрачається багато мила. Крім того, утворюваний осад кальцієвого і магнієвого мила міцно осідає на волокнах тканин і забруднює їх, а при фарбуванні утворює плями.

Жорстка вода непридатна і  для цілого ряду інших виробництв: паперового, шкіряного, крохмального, спиртового тощо. Вона непридатна і для паросилового господарства, бо при кип'ятінні води утворюється накип, який погано проводить тепло, внаслідок чого збільшується витрата палива. Накип викликає інтенсивне руйнування стінок котлів, що може призвести до аварії.

Для приготування їжі жорстку воду теж не вживають, бо в ній погано розварюються м'ясо і овочі. Для пиття вона теж непридатна.

Одиниці вимірювання твердості води

Для чисельного вираження жорсткості води вказують концентрацію в ній катіонів кальцію та магнію. Рекомендована одиниця СІ для вимірювання концентрації — моль на кубічний метр(моль/м³), але, на практиці, для вимірювання жорсткості частіше використовується мілімоль на літр (ммоль/л).

У різних країнах використовуються різні позасистемні одиниці — градуси жорсткості.

Градус	Позначення		Визначення		Величина
									мг-екв/л		ммоль/л
Німецький		°dH (degrees of hardness),  °dGH (German (Deutsche) Hardness),  °dKH (для карбонатної жорсткості)		1 частина оксиду кальцію (СаО) або 0,719 частин оксиду магнію (MgO) на 100 000 частин води		0,3566		0,3566
Англійський		°e		1 гран CaCO3 на 1 англійський галон води		0,2848		0,2848
Французький		°TH		1 частина CaCO3 на 100.000 частин води		0,1998		0,1998
Американський		ppm		1 частина CaCO3 на 1.000.000 частин води		0,0200		0,0200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Способи усунення твердості води

Для усунення жорсткості води, тобто її пом’якшення, з води потрібно видалити йони Са2+ і Mg2+ у вигляді нерозчинних солей.

Тимчасову жорсткість води усувають кип’ятінням:

Ca(HCO3)2 = СаСО3↓ + Н2О + СО2↑

Mg(HCO3)2 = MgCO3↓ + Н2О + СО2↑

Під час нагрівання йони Са2+ і Mg2+ виводяться з розчину у вигляді нерозчинних карбонатів. Саме легкість усунення тимчасової твердості води під час нагрівання зумовлює назву — «тимчасова».

Постійну жорсткість води, зумовлену сульфатами та хлоридами Кальцію і Магнію, неможливо усунути кип’ятінням, оскільки ці солі не розкладаються. Назва «постійна жорсткість» походить саме від того, що її не можна усунути простим нагріванням води. Її усувають введенням у воду деяких реагентів — натрій карбонату (кальцинована сода), кальцій гідроксиду (вапняна вода), натрій ортофосфату. Одночасно усувається як тимчасова, так і постійна, тобто загальна жорсткість води. Наприклад:

Ca(HCO3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + 2Н2О

MgSO4 + Na2СО3 = MgCO3↓ + Na2SO4

Ca(HCO3)2 + Na2СО3 = СаСО3↓ + 2NaHCO3

3CaSO4 + 2Na3РО4 = Са3(РО4)2↓ + 3Na2SO4

Сучасний спосіб пом’якшення води заснований на використанні катіонітів. Катіоніти — це тверді речовини, нерозчинні у воді, до складу яких

входять рухливі  катіони Na+. Спрощено їх зображують так: Na2R. Катіони Na+ можуть обмінюватися на катіони навколишнього середовища, наприклад Са2+ і Mg2+. Під час пропускання води крізь колонку з катіонітом йони Са2+ і Mg2+ затримуються в ньому, а катіони Na+ з катіоніту переходять у воду:

Na2R + Са2+ = CaR + 2Na+

Катіоніт періодично регенерують, промиваючи його концентрованим розчином натрій хлориду.

 

Визначення  твердості води

Визначення  твердості води

Твердість води визначається кількістю розчинених у ній солей вугільної, сірчаної, хлор-водневої, фосфорної, азотної кислот, переважно кальцію і магнію. В деяких випадках твердість води зумовлена присутністю солей калію, нагрію, заліза (II), марганцю (II), алюмінію. Ці елементи в природних умовах потрапляють у воду внаслідок впливу вуглекислого газу на карбонатні мінерали або в результаті біохімічних процесів, що проходять у зволожених шарах ґрунту.

Практично розрізняють три види твердості: загальну, ліквідну і постійну. Загальна твердість - не твердість сирої води, зумовлена всіма сполуками кальцію і магнію (іноді заліза і марганцю), незалежно від того, з якими аніонами вони зв'язані. Постійна твердість - твердість води після одногодинного кип'ятіння. Вона викликана присутністю сульфатів і хлоридів кальцію, заліза, магнію, калію, натрію, тобто солей, які не дають осаду при кип'ятінні. Ліквідна твердість спричинена наявністю у воді гідрокарбонатів кальцію Са(НСО₃)₂, менше магнію Мg(НСO₃)₂, які видаляються при кип'ятінні, осідаючи на стінках посуду у вигляді накипу(СаСОз, МgСОз). Таким чином, ліквідна твердість є частиною загальної твердості, яку можна обчислити за різницею між загальною і постійною твердістю. Карбонатна твердість зумовлена присутністю у воді карбонатів і гідрокарбонатів кальцію і магнію (іноді калію, натрію, алюмінію, марганцю, заліза). При кип'ятінні гідрокарбонати кальцію і магнію розкладаються:

Са(НСО₃)₂=СаСО₃ +Н₂0 + С0₂  ;

Мg(НСО₃)₂ = МgНСО₃ + Н₂0 + С0₂ ..

Карбонати кальцію і магнію, що утворилися, випадають в осад і тому вода втрачає частину твердості.

Карбонатна  твердість часто збігається з ліквідною твердістю, але прирівнювати їх одну до одної не можна. При кип'ятінні ліквідовується переважно та частина карбонатної твердості, яка залежала від гідрокарбонату кальцію. При великій кількості у воді гідрокарбонату магнію різниця між карбонатною і ліквідною твердістю буває досить значною.

Твердість води залежить також від хімічного  складу ґрунту, через який проходить  вода, вмісту у воді оксиду вуглецю (IV), ступеня забруднення її органічними речовинами.

Загальна твердість  води, згідно з ГОСТом 2874-82 "Вода питна", повинна бути не вище 7 мг,екв/дм³; для водопроводів, які подають воду без спеціальної обробки, при узгодженні з органами СЕС, допускається до 10 мг*екв/дм\. Дуже тверда вода має неприємний смак, може погіршувати протікання ниркокам'яної хвороби.

Метод ґрунтується на утворенні міцної комплексної сполуки трилону  Б (двонатрієвої солі етилендіамідтетраоцтової кислоти - ЕДТА) з іонами кальцію  і магнію. Визначення проводять титруванням  проби трилоном Б при рН=10 в присутності індикатора.

Якщо у воду, яка містить іони кальцію та магнію, внести індикатор, що дає зафарбовану сполуку з цими іонами, то при додаванні трилону Б відбудеться зміна кольору в точці еквівалентності, тобто коли трилон Б зв'яже іони кальцію і магнію в міцний комплекс. За кількістю доданого розчину трилону Б визначають загальну твердість досліджуваної води.

а) Визначення загальної  твердості води трилонометричним методом

Твердість води показує концентрацію в ній катіонів лужноземельних металів, перш за все кальцію та магнію. Ці елементи в природних умовах потрапляють у воду внаслідок впливу вуглекислого газу па карбонатні мінерали або біохімічних процесів, що проходять у зволожених шарах ґрунту.

Об'єм води для визначення загальної твердості  повинен бути не менше 
250 мл.      

Якщо  визначення твердості не може бути проведене в день відбору проби, то відміряний об'єм води, розведений дистильованою водою 1:1, допускається залишати для визначення до наступного дня.

Проби води, призначені для визначення загальної твердості, не консервуються.             

Обладнання

1.  Колба на 250 мл;  2. Бюретка;  3. Проба води.

Реактиви

Для перевірки  якості дистильованої води до 100 см³ додають 1 см³ буферного розчину і 5-7 крапель індикатора. В чистій воді з'явиться спік з бузковим відтінком забарвлення.

1. Буферний розчин. 10 г NН₄СІ розчинити в дистильованій воді, додати 50 мл 25 %-го розчину аміаку (NН₄ОН) і довести до 500 мл дистильованою водою. Перерахувати кількості на кінцевий об'єм 20 мл.

2. Індикатор хромоген чорний. 500 мг хромогену чорного розчинити В 20 мл буферного розчину і довести об'єм етанолом в мірній колбі до 100 мл. Перерахувати кількості на кінцевий об'єм 5 мл. Розчин індикатора хромогену чорного стійкий протягом 10 діб. Допускається користування сухим індикатором. Для цього 0,25 г індикатора змішують з 50 г хлориду натрію, попередньо добре розтертого в ступці.

3.  0,05 н водний розчин трилону Б (ЕДТА, М=292).

Хід аналізу

1. В колбу наливають 100 мл досліджуваної води, додають 5 мл буферного розчину та 7-8 крапель індикатора хромогену чорного. Забарвлення розчину - винне.

2.      Розчин титрують 0,05 н розчином трилону Б до переходу забарвлення в зелено-синє.