Химический анализ природной воды показал, что в ней содержатся следующие соли, т, мг/л:
Са(НСО3)2 - 810; Mg(HCO3)2 -нет ; MgCl2 - 71; CaSO4 -нет ; Na2SO4 - 42.
Рассчитайте:
1) жесткость Жо, Жк, Жнк, солесодержание, рН исходной природной воды;
2) количество реагентов, необходимых для умягчения воды методом осаждения (расчет вести на 100%-ные Na2CO3 и Ca(OH)2);
3) вес осадка после термического умягчения воды;
4) жесткость, солесодержание и рН воды после Н-катионирования;
5) жесткость, солесодержание и рН воды после Na-катионирования.
Ответ
1) Жк = 10 ммоль экв/дм3; Жнк = 1,5 ммоль экв/дм3; Жо = 11,5 ммоль экв/дм3; С = 923 мг/дм3 или 12,1 ммоль экв/дм3; рН = 9,18.
2) т(Na2CO3) = 79,5 мг/дм3; т(Са(ОН)2) = 370 мг/дм3.
3) т(СаСО3) = 500 мг/дм3.
4) Жо ≈ 0 ммоль экв/дм3; С = 2,1 ммоль экв/дм3; рН = 2,68.
5) Жо ≈ 0 ммоль экв/дм3; С = 12,1 ммоль экв/дм3 или 940,5 мг/дм3, рН = 9,18.
Решение
Карбонатную жёсткость Жк определяет присутствие в воде гидрокарбонатов кальция и магния. В природной воде есть только гидрокарбонат кальция. Формула для вычисления карбонатной жёсткости
Жк=m(Ca(HCO3)2)MЭ(Ca(HCO3)2)∙V,
где т(Са(НСО3)2) – масса гидрокарбоната кальция, равна 810 мг;
МЭ(Са(НСО3)2) – молярная масса эквивалента гидрокарбоната кальция, равна 1/2 молярной массы этого соединения, так как ион кальция эквивалентен двум ионам Н+: МЭ(Са(НСО3)2) = (40 + (1 + 12 + 16∙3)∙2) : 2 = 81 (г/моль);
V – объём раствора, равен 1 л.
Жк=81081∙1=10 (ммоль экв/дм3)
Некарбонатная жёсткость определяется хлоридами и сульфатами кальция и магния. В природной воде присутствует хлорид магния.
Формула для вычисления некарбонатной жёсткости
Жнк=m(MgCl2)MЭ(MgCl2)∙V,
где т(MgCl2) – масса хлорида магния, равна 71 мг;
МЭ(MgCl2) – молярная масса эквивалента хлорида магния, равна 1/2 молярной массы этого соединения, так как ион магния эквивалентен двум ионам Н+: МЭ(MgCl2) = (24 + 35,5∙2) : 2 = 47,5 (г/моль);
V – объём раствора, равен 1 л.
Жнк=7147,5∙1=1,5 (ммоль экв/дм3).
Общая жёсткость равна сумме карбонатной и некарбонатной жёсткости:
Жо = Жк + Жнк = 10 + 1,5 = 11,5 (ммоль экв/дм3).
Солесодержание показывает массу (в мг) всех катионов и анионов, растворённых в 1 дм3 природной воды. Для определения солесодержания в ммоль/дм3 находят суммарное содержание миллимолей эквивалентов всех солей в 1 дм3 воды.
С = т(Са(НСО3)2) + т(MgCl2) + т(Na2SO4);
С = 810 + 71 + 42 = 923 (мг/дм3).
C=m(Ca(HCO3)2)MЭ(Ca(HCO3)2)+m(MgCl2)MЭ(MgCl2)+m(Na2SO4)MЭ(Na2SO4),
где т(Са(НСО3)2) – масса гидрокарбоната кальция в 1 дм3 воды, равна 810 мг;
МЭ(Са(НСО3)2) – молярная масса эквивалента гидрокарбоната кальция, равна 1/2 молярной массы этого соединения, так как ион кальция эквивалентен двум ионам Н+: МЭ(Са(НСО3)2) = (40 + (1 + 12 + 16∙3)∙2) : 2 = 81 (г/моль);
т(MgCl2) – масса хлорида магния в 1 дм3 воды, равна 71 мг;
МЭ(MgCl2) – молярная масса эквивалента хлорида магния, равна 1/2 молярной массы этого соединения, так как ион магния эквивалентен двум ионам Н+: МЭ(MgCl2) = (24 + 35,5∙2) : 2 = 47,5 (г/моль);
т(Na2SO4) – масса сульфата магния в 1 дм3 воды, равна 42 мг;
МЭ(Na2SO4) – молярная масса эквивалента сульфата натрия, равна 1/2 молярной массы этого соединения, так как два катиона натрия, входящие в состав 1 молекулы сульфата натрия, эквивалентны двум ионам Н+:
МЭ(Na2SO4) = (23∙2 + 32 + 16∙4) : 2 = 71 (г/моль).
C=81081+7147,5+4271=12,1 (ммоль экв/дм3).
рН природной воды определяется концентрацией ионов водорода и гидроксид-ионов, которые образуются в результате гидролиза солей.
Са(НСО3)2 – соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой, гидролиз идёт по аниону:
НСО3- + Н2О ↔ Н2СО3 + ОН-.
Концентрация ионов ОН- равна
OH-=Kw∙C(HCO3-)K1,
где Kw – константа ионизации воды, при 25 оС равна 10-14;
С(НСО3-) – молярная концентрация гидрокарбонат-ионов в природной воде, равна удвоенной молярной концентрации Са(НСО3)2, так как при диссоциации 1 моля гидрокарбоната кальция образуется 2 моля гидрокарбонат-ионов, моль/дм3;
К1 – константа диссоциации угольной кислоты по 1 ступени, равна 4,45∙10-7.
Молярная концентрация Са(НСО3)2 равна
CM=m(CaHCO32)M(CaHCO32)∙V,
где т(Са(НСО3)2) – масса гидрокарбоната кальция в растворе, равна 810 мг = 0,810 г;
М(Са(НСО3)2) – молярная масса гидрокарбоната кальция, равна 40 + (1 + 12 + 16∙3)∙2 = 162 (г/моль);
V – объём воды, равен 1 дм3.
CM=0,810162∙1=0,005 (моль/дм3);
С(НСО3-) = 2∙СМ = 2∙0,005 = 0,010 (моль/дм3).
OH-=10-14∙0,0104,45∙10-7=1,5∙10-5 (моль/дм3).
MgCl2 – соль образована слабым основанием и сильной кислотой
. Гидролиз идёт по катиону:
Mg2+ + Н2О ↔ MgOH+ + H+.
Концентрация ионов Н+ равна
H+=Kw∙C(Mg2+)K2,
где Kw – константа ионизации воды, при 25 оС равна 10-14;
С(Mg2+) – молярная концентрация ионов магния, равна молярной концентрации хлорида магния, моль/дм3;
К2 – константа диссоциации гидроксида магния по второй ступени, равна 2,5∙10-3.
Молярная концентрация хлорида магния равна
CM=m(MgCl2)M(MgCl2)∙V,
где т(MgCl2) – масса хлорида магния в растворе, равна 71 мг = 0,071 г;
М(MgCl2) – молярная масса хлорида магния, равна 24 + 35,5∙2= 95 (г/моль);
V – объём воды, равен 1 дм3.
CM=0,07195∙1=7,5∙10-4 (моль/л);
С(Mg2+) = СМ = 7,5∙10-4 (моль/л).
H+=10-14∙7,5∙10-42,5∙10-3=5,5∙10-8 (моль/дм3).
Na2SO4 – соль образована сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергается, на рН воды влияния не оказывает.
Концентрация ионов ОН-, которые образуются в результате гидролиза Са(НСО3)2, больше, чем концентрация ионов Н+, которые образуются в результате гидролиза MgCl2. Ионы водорода и часть ионов ОН- реагируют друг с другом:
Н+ + ОН- ↔ Н2О.
Концентрация ионов ОН-, оставшихся в избытке, равна
[OH-]изб = [OH-] - [H+] = 1,5∙10-5 - 5,5∙10-8 ≈ 1,5∙10-5 (моль/дм3).
рН = 14 – рОН = 14 + lg[OH-] = 14 + lg(1,5∙10-5) = 9,18
2. Некарбонатную жёсткость устраняют добавлением соды:
MgCl2 + Na2CO3 = MgCO3↓ + 2NaCl;
Масса карбоната натрия равна, необходимая для устранения некарбонатной жёсткости в 1 дм3, равна
т(Na2CO3) = Жнк∙МЭ(Na2CO3),
где Жнк – некарбонатная жёсткость воды, равна 1,5 ммоль экв/дм3;
МЭ(Na2CO3) – молярная масса эквивалента карбоната натрия, равна 1/2 его молярной массы, так как два иона натрия в составе молекулы Na2CO3 эквивалентны 2 ионам Н+: МЭ(Na2CO3) = (23∙2 + 12 + 16∙3) : 2 = 53 (мг/ммоль).
т(Na2CO3) = 1,5∙53 = 79,5 (мг).
Карбонатную жёсткость устраняют добавлением извести:
Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + Н2О.
Масса извести равна
т(Са(ОН)2) = Жк∙МЭ(Са(ОН)2),
где Жк – карбонатная жёсткость воды, равна 10 ммоль экв/дм3;
МЭ(Са(ОН)2) – молярная масса эквивалента гидроксида кальция, равна 1/2 молярной масса Са(ОН)2: МЭ(Са(ОН)2) = (40 + (16 + 1)∙2) : 2 = 37 (мг/ммоль).
т(Са(ОН)2) = 10∙37 = 370 (мг).
3
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
