Методы устранения

Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O.

Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту.

Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной содыNa₂CO₃ или гашёной извести Ca(OH)₂. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат: Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na₃PO₄, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения: 3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6NaHCO₃

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

Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. При правильно подобранной ионообменной загрузке жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 °Ж, при двухступенчатом — до 0,01 °Ж. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду.

Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.

Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией.

60. Ионные реакции — реакции между ионами в растворе. Например, реакцию AgNO₃ + NaCl = NaNO₃ + AgCl

можно представить в ионном виде (реакция расписывается на ионы, не расписываются осадки, газы, вода, слабые кислоты и основания, а также малорастворимые и нерастворимые соединения) например AgCl нерастворим в воде и на ионы не расписывается:

Ag⁺ + NO₃⁻ + Na⁺ + Cl⁻ = AgCl + Na⁺ + NO₃⁻

Одинаковые ионы сокращаются и получается сокращенное ионное уравнение. Так как взаимодействие произошло между ионами Ag⁺ и ионами Cl⁻, то выражение Ag⁺ + Cl⁻ = AgCl и есть ионное уравнение рассматриваемой реакции. Оно проще молекулярного и в то же время отражает сущность происходящей реакции.

Направление ионно-обменной реакции между двумя электролитами в растворе определяется возможностью образования их ионами осадка, газа или слабого электролита.

1. Образование малорастворимого соединения, выпадающего в виде осадка: AgNO3 + NaCl = AgClv + NaNO3 (молекулярное уравнение) Ag+ + NO3 – + Na+ + Cl – = AgClv + Na+ + NO3 – (полное ионное уравнение) Ag+ + Cl – = AgClv (сокращенное ионное уравнение ).

2. Образование газообразного вещества, удаляемого из раствора: Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2O + CO2^

2Na+ + CO32 – + 2H+ + SO42 – = 2Na+ + SO42 – + H2O + CO2^ CO32 – + 2H+ = H2O + CO2^

3. Образование растворимого, но мало диссоциированного вещества, например, воды, слабой кислоты или слабого основания:

CH3COONa + H2SO4 = Na2SO4 + CH3COOH CH3COO –+ Na+ = 2Na+ +SO42 –+ CH3COOH CH3COO – + H+ = CH3COOH;

4. Образование устойчивой комплексной частицы – молекулы или иона: HgI2 + 2KI = K2[HgI4] Hg2+ + 2I – + 2K+ + 2I – = 2K+ + [HgI4]2 – Hg2+ + 4I – = [HgI4]2 –

Реакциями нейтрализации называются обменные реакции взаимодействия кислот и оснований, в результате которых образуются соль и вода, например: NaOH + HCl = NaCl + H2O или OH – + H+ = H2O.

При нейтрализации сильного основания сильной кислотой равновесие практически полностью смещено в сторону образования воды. Реакции нейтрализации при взаимодействии кислот и оснований, различающихся по силе, не доходят до конца вследствие протекания обратной реакции гидролиза соли, например: СН3СООН + NaOH CH3COONa + Н2О СН3СООН + ОН- СН3СОО- + Н2О.

Реакции нейтрализации экзотермические и протекают с выделением тепла.

61.Диспе́рсная систе́ма — это система, образованная из двух или более фаз (тел), которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т. д.).

Смеси веществ по степени дисперсности (дисперсность - характеристика размеров частиц данного вещества) условно разделяют на грубодисперсные, или механические смеси (размер частиц свыше 100 нм), коллоидные растворы (размер частиц 1-100 нм) и истинные растворы, размер частиц которых определяется размером ионов и молекул.

Механические смеси (взвеси) и коллоидные растворы являются многофазными (гетерогенными) системами, в которых частицы одного или нескольких веществ распределены в какой-либо среде. Механические смеси в зависимости от агрегатного состояния среды и распределенных в ней других веществ имеют свои особые названия: суспензия, эмульсия, аэрозоль, пена.

Суспензия - взвесь частиц одного или нескольких твердых веществ в жидкой среде. Обычно твердые частицы настолько велики, что они постепенно оседают под действием силы тяжести. Размеры взвешенных частиц суспензий более 1000 нанометров (1 нм = 1 · 10⁻⁹ м). Устойчивые суспензии образуются в тех случаях, когда плотности твердой и жидкой фаз почти не различаются или на твердых частицах адсорбируются полярные молекулы жидкой фазы или ионы растворенных веществ. Одноименно заряженные твердые частицы при своем движении уже не сталкиваются и не слипаются. Примеры суспензии - известковое молоко, гуашевые краски и другие краски, содержащие минеральные пигменты, фруктовый сок с мякотью и т.д.

Эмульсия - взвесь капель одной или нескольких жидких фаз в среде другой по составу жидкой фазы. Эмульсии со временем разрушаются, капли при соприкосновении друг с другом сливаются, и система постепенно расслаивается снова на несмешивающиеся жидкости. Широко известные примеры эмульсий - молоко (капельки жира в воде), водно-эмульсионные (латексные) краски, а также косметические кремы, лекарственные мази, бытовые хозяйственные препараты.

Аэрозоли - взвесь жидких или твердых частиц в газообразной среде. К аэрозолям относятся туман, дым и пыль. Наиболее мелкие частицы (менее 100 нм) содержатся в дыме. Частицы твердых веществ в аэрозолях часто несут определенный заряд: оксиды металлов (Fe₂O₃, MgO, ZnO, Cr₂O₃ и др.) образуют отрицательно заряженную пыль, а кислотные оксиды и неметаллы (SiO₂, C, S₈, TiO₂ и др.) - положительно заряженную.

Пены образуются при распределении пузырьков газа в жидкой или твердой среде. Такие примеры этого явления, как образование мыльной пены, хорошо известны. При включении пузырьков газа, частиц жидкого вещества или твердой примеcи в твердую основу мы наблюдаем окклюзию (пример - пенопласт).

Коллоидные растворы (или золи) - системы, включающие среду, где распределены очень мелкие (микрогетерогенные) частицы, участвующие в интенсивном беспорядочном движении. Это явление (броуновское движение) открыл английский ученый, ботаник Р. Броун (1773-1858). В коллоидном растворе взвешенные частицы равномерно распределены по объему и очень медленно осаждаются (коагулируют).

Золи кажутся однородными и прозрачными, но при боковом освещении рассеивают свет. Это явление носит название "эффект Тиндаля", по имени открывшего его английского физика Дж. Тиндаля (1820-1893).

В качестве примера коллоидного раствора можно привести раствор серы в воде, образующийся сразу после смешения сероводородной воды с небольшим количеством хлорной воды.

В дальнейшем в данном пособии мы будем рассматривать только истинные растворы.

Истинные растворы - это однофазные (гомогенные) системы переменного состава, содержащие атомы, ионы или молекулы и состоящие из них небольшие устойчивые группы (ассоциаты). Истинные растворы могут быть газообразными (смесь газов в атмосфере Земли, состоящая из азота, кислорода, диоксида углерода, аргона и других газов, азотоводородная смесь в промышленном синтезе аммиака и др.), жидкими (морская вода - раствор хлорида натрия, сульфата натрия и других солей в воде, нефть - смесь углеводородов и др.) и твердыми (сплавы металлов, минералы и т.п.).

62. Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами (молекулярно- или ионно-дисперсными системами) и грубодисперсными системами. Поэтому коллоидные растворы могут быть получены либо путем ассоциации (конденсации) молекул и ионов истинных растворов, либо дальнейшим раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем.

Методы получения коллоидных растворов также можно разделить на две группы: методыконденсации и диспергирования (в отдельную группу выделяется метод пептизации, который будет рассмотрен позднее). Еще одним необходимым для получения золей условием, помимо доведения размеров частиц до коллоидных, является наличие в системе стабилизаторов – веществ, препятствующих процессу самопроизвольного укрупнения коллоидных частиц.

Дисперсионные методы-Дисперсионные методы основаны на раздроблении твердых тел до частиц коллоидного размера и образовании таким образом коллоидных растворов. Процесс диспергирования осуществляется различными методами: механическим размалыванием вещества в т.н. коллоидных мельницах, электродуговым распылением металлов, дроблением вещества при помощи ультразвука.

Методы конденсации-Вещество, находящееся в молекулярно-дисперсном состоянии, можно перевести в коллоидное состояние при замене одного растворителя другим – т.н. методом замены растворителя. В качестве примера можно привести получение золя канифоли, которая не растворяется в воде, но хорошо растворима в этаноле. При постепенном добавлении спиртового раствора канифоли к воде происходит резкое понижение растворимости канифоли, в результате чего образуется коллоидный раствор канифоли в воде. Аналогичным образом может быть получен гидрозоль серы.

Коллоидные растворы можно получать также и методом химической конденсации, основанном на проведении химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или малорастворимых веществ. Для этой цели используются различные типы реакций – разложения, гидролиза, окислительно-восстановительные и т.д. Так, красный золь золота получают восстановлением натриевой соли золотой кислоты формальдегидом: NaAuO2 + HCOH + Na2CO3 ––> Au + HCOONa + H2O

Строение мицеллы данного золя можно представить следующей схемой:

{[Au]m· n AuO2–· (n-x) Na+}x– · xNa+

Аналогичным образом получают золь серебра из разбавленных растворов нитрата серебра. Золь серы может быть получен окислением сероводорода кислородом в водном растворе, действием на сероводород сернистого газа либо разложением тиосерной кислоты:

H2S + O2 ––> S + H2O H2S + SO2 ––> S + H2O H2S2O3 ––> H2O + SO2 + S

Строение золя серы можно представить схемой: {[S]m · n HS– · (n-x) H+}x– · x H+

Золи могут быть получены также в результате реакций ионного обмена, в результате которых выделяется нерастворимая соль, образующая при определенных условиях коллоидный раствор; так получают, например, золь иодида серебра (см. ниже).

Процесс гидролиза различных солей может приводить к образованию коллоидных растворов нерастворимых гидроксидов или кислот; так получают, например, золь гидроксида железа(III), имеющий следующее строение: {[Fe(OH)3]m · n FeO+ · (n–x)Cl–}x+ · x Cl–