Публикации
Исследовательская работа по химии
Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.
Скачать публикацию
Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Исследовательская работа по химии
Автор: Некрасова Зоя Оганесовна
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Исследовательская работа по химии
Автор: Некрасова Зоя Оганесовна
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа №19 г. Перми
Научно-исследовательская работа
Жёсткость воды и методы её устранения
Работу выполнила:
учащаяся 11 класса
Савинова Юлия Максимовна
Руководитель:
учитель химии и биологии
Некрасова Зоя Оганесовна
Пермь
Содержание
Введение3
1. Теоретическая часть
1.1. Определение понятия жёсткость воды5
1.2. Жёсткая и мягкая вода5
1.3. Временная и постоянная жёсткость5
1.4. Классификация жесткости 6
1.5. Способы устранения жесткости6
2. Практическая часть
2.1. Опыт №1 Определение жёсткости воды9
2.2. Опыт №2 Ионообменное умягчение воды9
2.3. Опыт №3 Регенерация катионита в колонке10
Заключение12
Список литературы13
Введение
Как известно, без воды человек не может существовать. Человеческое тело на 80% состоит из воды.
Природная вода содержит вещества в виде ионов, молекул, а также вещества во взвешенном состоянии. Природные воды содержат в себе более 70 химических элементов. Наиболее распространены НСО3, SO4, CO3, HSiO3, Na+, Ca2+, Mg2+, K+, Fe2+.
Ионы кальция и магния обуславливают жёсткость воды. Жёсткость – определяющий фактор в вопросе употребления воды. В своем исследовании я определила жесткость водопроводной воды при помощи титрования. Титрование - процесс определения титра исследуемого вещества. Титрование производят с помощью бюретки, заполненной титрантом до нулевой отметки. Конечную точку титрования определяют индикаторами. Также я рассмотрела один из способов умягчения жесткой воды – катионирование.
Актуальность работы заключается в использовании результатов моих исследований в разных областях науки. Допустимый предел жёсткости для питьевой воды – 7 мг-экв/л. Каждый день мы выпиваем несколько литров воды, сколько же вредных веществ попадает к нам в организм? Мое исследование поможет в изучении уменьшения потребления солей жесткости.
Целью нашей работы является изучение жёсткости воды и методов её устранения.
В связи с этим мы ставим перед собой следующие задачи:
1. Определить жёсткость воды
2. Умягчить воду ионообменным путем
3. Восстановить использованный катионит
Объект исследования - жесткость воды
Гипотеза: если пропустить жесткую воду через ионообменные смолы, она умягчится.
В соответствии с задачами исследования были использованы методы систематизации теоретического материала, исследовательская работа по изучению жесткости воды, обобщение накопленного материала.
1. Теоретическая часть
Определение жёсткости воды
Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых солей жёсткости).
Жесткая и мягкая вода
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. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой.
1.3. Временная и постоянная жесткость
Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния (Са(НСО3)2; Mg(НСО3)2), при нагревании эти соли разлагаются; и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2). Суммарная жесткость воды носит название общей жесткости.
Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах. Жесткой водой нельзя пользоваться, проводя ряд технологических процессов. В то же время, использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб, так как в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность, которую обеспечивает гидрокарбонатная жёсткость. Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, хотя есть данные о том, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая — незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Вкус природной питьевой воды, например воды родников, обусловлен именно присутствием солей жёсткости.
Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.
Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м), однако, на практике для измерения жёсткости используются миллиграммы эквивалента на литр (мг-экв/л). Также жесткость выражается в градусах жесткости (Ж), что соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм (г/м) (1 Ж = 1 мг-экв/л).
1.4. Классификация жёсткости (мг-экв/л):
До 1,5 – очень мягкая вода;
1,5 – 3,0 - мягкая;
3,0 – 5,4 - средняя;
5,4 – 10,7 - жёсткая;
более 10,7 – очень жёсткая
1.5. Способы устранения жесткости
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. Применяется в быту.
Известкование. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 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. Катиониты – сложные вещества (природные соединения кремния и алюминия, высокомолекулярные органические соединения), общая формула которых – Na2R, где R – сложный кислотный остаток. При пропускании воды через слой катионита происходит обмен ионов (катионов) Na на ионы Са и Mg: Са + Na2R = 2Na + CaR. Ионы Са из раствора переходят в катионит, а ионы Na переходят из катионита в раствор. Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли. При этом происходит обратный процесс: 2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl.
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. Дистилляция - перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров.
2. Практическая часть
Опыт №1 Определение жёсткости воды
Я определила жёсткость водопроводной воды следующим образом:
1. С помощью пипетки отобрала 10 мл воды, добавила 10 мл буферного аммиачного раствора, добавила индикатор хром. Протитровала первую пробу. Измерила объем титранта, ушедшего на титрование.
2. Взяла ещё 2 пробы, аналогично протитровав их.
3. Рассчитала средний объем титранта.
4. Рассчитала жесткость воды по формуле (нормальность трилона Б – 0,1н):
Жв. = (Vт*Нт*1000)/Vж.в.
Vт*Нт =Vж.в.*Нж.в.
Номер титрования п/п
V трилона Б, пошедшего на титрование, мл
Ср. значение V трилона Б, мл
Ср. значение жёсткости воды, мг-экв/л
1.
0,7
0,7
7
2.
0,7
3.
0,7
Вывод: водопроводная вода жёсткая, её нежелательно употреблять.
Опыт №2 Ионообменное умягчение воды
Воду с данной жёсткостью 21 мг-экв/л требовалось умягчить с помощью катионирования.
1. Пропустить жёсткую воду (125 мл) через ионообменные смолы.
2. Протитровать 3 пробы каждых 50 мл раствора аналогично опыту №1.
3. Рассчитать кол-во ионов, потраченных на катионирование.
А1 (кол-во ионов) =(Ж исх.–Ж ум.в.)*V
А – сумма ионов, полученных из 3 проб
N пробы
V трилона Б, пошедшего на титрование, мл
V пробы, мл
Н пробы, г-экв/л
А1, мг
А, мг
1.
V1=V2=V3=0,05
V=0,05
48
0,0005
984
2466,4
2.
V1=0,05; V2=V3=0,1
V=0,08
46
0,0008
929,2
3.
V1=V2=V3=0,05
V=0,05
27
0,0005
553,5
Опыт №3 Регенерация катионита в колонке
Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли.
1. Восстановить катионит NaCl.
2. Определить фактический объем р-ра после промывания.
3. Рассчитать количество поглотившихся ионов.
4. Сравнить значения поглотившихся и вымытых ионов.
А= Жр.*Vр.
N пробы
VNaCl, мл
Vфакт., мл
Средний V трилона Б, мл
Жр.в., мг-экв/л
A
1.
100
97
3,5
35
3395
Вывод: значения вымытых и поглотившихся ионов не совпадают, т.к. количество вымытых ионов меньше, чем количество поглотившихся.
Заключение
По данным литературы и результатам проведенных мною экспериментов, можно сделать такие выводы:
Водопроводная вода нежелательна для употребления
Жесткость воды можно уменьшить с помощью катионирования
Восстановить использованный катионит можно, промыв его раствором поваренной соли
4. Следует помнить, что использование жесткой воды может неблаготворно сказаться на внешнем виде кожи и волос. Поэтому советую использовать воду средней жесткости или с пониженным содержанием солей жесткости.
Цель, поставленная мной в данной исследовательской работе – изучение жесткости воды и методов ее устранения, - достигнута, запланированные результаты получены.
Список литературы
1. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М., 1984. В. А. Гладков
2. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши, под ред. А. Д. Семенова. - Л., 1977;
3. Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2. С. 145
4. Харлампович Г.Д. и др. Многоликая химия. – М.: Просвещение, 1992 - 159 с.
5. Хомченко Г.П. Учебник химии – М.: Новая волна, 1996 – 304с.
Интернет-ресурсы:
1.
2.
3.
4.
5.
12
Средняя общеобразовательная школа №19 г. Перми
Научно-исследовательская работа
Жёсткость воды и методы её устранения
Работу выполнила:
учащаяся 11 класса
Савинова Юлия Максимовна
Руководитель:
учитель химии и биологии
Некрасова Зоя Оганесовна
Пермь
Содержание
Введение3
1. Теоретическая часть
1.1. Определение понятия жёсткость воды5
1.2. Жёсткая и мягкая вода5
1.3. Временная и постоянная жёсткость5
1.4. Классификация жесткости 6
1.5. Способы устранения жесткости6
2. Практическая часть
2.1. Опыт №1 Определение жёсткости воды9
2.2. Опыт №2 Ионообменное умягчение воды9
2.3. Опыт №3 Регенерация катионита в колонке10
Заключение12
Список литературы13
Введение
Как известно, без воды человек не может существовать. Человеческое тело на 80% состоит из воды.
Природная вода содержит вещества в виде ионов, молекул, а также вещества во взвешенном состоянии. Природные воды содержат в себе более 70 химических элементов. Наиболее распространены НСО3, SO4, CO3, HSiO3, Na+, Ca2+, Mg2+, K+, Fe2+.
Ионы кальция и магния обуславливают жёсткость воды. Жёсткость – определяющий фактор в вопросе употребления воды. В своем исследовании я определила жесткость водопроводной воды при помощи титрования. Титрование - процесс определения титра исследуемого вещества. Титрование производят с помощью бюретки, заполненной титрантом до нулевой отметки. Конечную точку титрования определяют индикаторами. Также я рассмотрела один из способов умягчения жесткой воды – катионирование.
Актуальность работы заключается в использовании результатов моих исследований в разных областях науки. Допустимый предел жёсткости для питьевой воды – 7 мг-экв/л. Каждый день мы выпиваем несколько литров воды, сколько же вредных веществ попадает к нам в организм? Мое исследование поможет в изучении уменьшения потребления солей жесткости.
Целью нашей работы является изучение жёсткости воды и методов её устранения.
В связи с этим мы ставим перед собой следующие задачи:
1. Определить жёсткость воды
2. Умягчить воду ионообменным путем
3. Восстановить использованный катионит
Объект исследования - жесткость воды
Гипотеза: если пропустить жесткую воду через ионообменные смолы, она умягчится.
В соответствии с задачами исследования были использованы методы систематизации теоретического материала, исследовательская работа по изучению жесткости воды, обобщение накопленного материала.
1. Теоретическая часть
Определение жёсткости воды
Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых солей жёсткости).
Жесткая и мягкая вода
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. Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой.
1.3. Временная и постоянная жесткость
Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния (Са(НСО3)2; Mg(НСО3)2), при нагревании эти соли разлагаются; и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2). Суммарная жесткость воды носит название общей жесткости.
Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах. Жесткой водой нельзя пользоваться, проводя ряд технологических процессов. В то же время, использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб, так как в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность, которую обеспечивает гидрокарбонатная жёсткость. Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, хотя есть данные о том, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая — незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Вкус природной питьевой воды, например воды родников, обусловлен именно присутствием солей жёсткости.
Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.
Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м), однако, на практике для измерения жёсткости используются миллиграммы эквивалента на литр (мг-экв/л). Также жесткость выражается в градусах жесткости (Ж), что соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм (г/м) (1 Ж = 1 мг-экв/л).
1.4. Классификация жёсткости (мг-экв/л):
До 1,5 – очень мягкая вода;
1,5 – 3,0 - мягкая;
3,0 – 5,4 - средняя;
5,4 – 10,7 - жёсткая;
более 10,7 – очень жёсткая
1.5. Способы устранения жесткости
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. Применяется в быту.
Известкование. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 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. Катиониты – сложные вещества (природные соединения кремния и алюминия, высокомолекулярные органические соединения), общая формула которых – Na2R, где R – сложный кислотный остаток. При пропускании воды через слой катионита происходит обмен ионов (катионов) Na на ионы Са и Mg: Са + Na2R = 2Na + CaR. Ионы Са из раствора переходят в катионит, а ионы Na переходят из катионита в раствор. Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли. При этом происходит обратный процесс: 2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl.
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. Дистилляция - перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров.
2. Практическая часть
Опыт №1 Определение жёсткости воды
Я определила жёсткость водопроводной воды следующим образом:
1. С помощью пипетки отобрала 10 мл воды, добавила 10 мл буферного аммиачного раствора, добавила индикатор хром. Протитровала первую пробу. Измерила объем титранта, ушедшего на титрование.
2. Взяла ещё 2 пробы, аналогично протитровав их.
3. Рассчитала средний объем титранта.
4. Рассчитала жесткость воды по формуле (нормальность трилона Б – 0,1н):
Жв. = (Vт*Нт*1000)/Vж.в.
Vт*Нт =Vж.в.*Нж.в.
Номер титрования п/п
V трилона Б, пошедшего на титрование, мл
Ср. значение V трилона Б, мл
Ср. значение жёсткости воды, мг-экв/л
1.
0,7
0,7
7
2.
0,7
3.
0,7
Вывод: водопроводная вода жёсткая, её нежелательно употреблять.
Опыт №2 Ионообменное умягчение воды
Воду с данной жёсткостью 21 мг-экв/л требовалось умягчить с помощью катионирования.
1. Пропустить жёсткую воду (125 мл) через ионообменные смолы.
2. Протитровать 3 пробы каждых 50 мл раствора аналогично опыту №1.
3. Рассчитать кол-во ионов, потраченных на катионирование.
А1 (кол-во ионов) =(Ж исх.–Ж ум.в.)*V
А – сумма ионов, полученных из 3 проб
N пробы
V трилона Б, пошедшего на титрование, мл
V пробы, мл
Н пробы, г-экв/л
А1, мг
А, мг
1.
V1=V2=V3=0,05
V=0,05
48
0,0005
984
2466,4
2.
V1=0,05; V2=V3=0,1
V=0,08
46
0,0008
929,2
3.
V1=V2=V3=0,05
V=0,05
27
0,0005
553,5
Опыт №3 Регенерация катионита в колонке
Чтобы восстановить использованный катионит, его необходимо промыть раствором поваренной соли.
1. Восстановить катионит NaCl.
2. Определить фактический объем р-ра после промывания.
3. Рассчитать количество поглотившихся ионов.
4. Сравнить значения поглотившихся и вымытых ионов.
А= Жр.*Vр.
N пробы
VNaCl, мл
Vфакт., мл
Средний V трилона Б, мл
Жр.в., мг-экв/л
A
1.
100
97
3,5
35
3395
Вывод: значения вымытых и поглотившихся ионов не совпадают, т.к. количество вымытых ионов меньше, чем количество поглотившихся.
Заключение
По данным литературы и результатам проведенных мною экспериментов, можно сделать такие выводы:
Водопроводная вода нежелательна для употребления
Жесткость воды можно уменьшить с помощью катионирования
Восстановить использованный катионит можно, промыв его раствором поваренной соли
4. Следует помнить, что использование жесткой воды может неблаготворно сказаться на внешнем виде кожи и волос. Поэтому советую использовать воду средней жесткости или с пониженным содержанием солей жесткости.
Цель, поставленная мной в данной исследовательской работе – изучение жесткости воды и методов ее устранения, - достигнута, запланированные результаты получены.
Список литературы
1. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М., 1984. В. А. Гладков
2. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши, под ред. А. Д. Семенова. - Л., 1977;
3. Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2. С. 145
4. Харлампович Г.Д. и др. Многоликая химия. – М.: Просвещение, 1992 - 159 с.
5. Хомченко Г.П. Учебник химии – М.: Новая волна, 1996 – 304с.
Интернет-ресурсы:
1.
2.
3.
4.
5.
12
