Примеры решения типовых задач

Задача 1. Вычислить [Н⁺], [ОН^-] и рН раствора, образовавшегося в результате смешивания 30 мл 0,1М раствора уксусной кислоты СН₃СООН и 50 мл 0,3М раствора ацетата калия СН₃СООК.

Решение:

1. Общий объем образовавшегося раствора образовавшегося в результате смешивания V_общ= 30 + 50= 80 мл.

2. Концентрации уксусной кислоты и ацетата калия после смешивания

[СН₃СООН] = моль/л,

[СН₃СООК] = моль/л.

Так как ионы водорода образуются только за счет диссоциации уксусной кислоты, а ацетат анионы также и за счет диссоциации ацетата калия, то, принимая количество диссоцированной кислоты за Х, получим:

[СН₃СООН]_ост = (0,0375 – Х) моль/л;  [Н⁺]= Х моль/л;

[СН₃СОО^-] = (0,188+ Х ) моль/л.

Из уравнения К_Han = ; 1,74 10^-5 =  

Так как Х<< 0,0375 то им можно пренебречь.

Тогда Х = [H⁺] = 3,5 10^-6 моль/л; [OH^-] = 2,85 10^-9 моль/л;

рН= – lg (3,5 10^-6) = 5,46.

      Такой же результат может быть получен, если пользоваться уравнением 1.

рН = рК_НА – lg  = – lg (1,74 10^-5) – lg  = 4,76 – (– 0,7) = 5,46.

Ответ: [H⁺] = 3,5 10^-6 моль/л; [OH^-] = 2,85 10^-9 моль/л; рН = 5,46.

Пример 2. Определить рН раствора, получившегося в результате смешения равных объемов растворов 0,12М СН₃СООН и СН₃СООК.

 Ответ. После смешения С_кис= С_соль= 0,12/2=0,06 моль/л.

Пользуясь уравнением рН = рК_НА - lg  = –lg (1,74 10^-5 ) – lg  =

= 4,76 – lg1 = 4,76 - 0 = 4,76.

Ответ: рН = 4,76

Пример 3. Сколько миллилитров 0,25м раствора ацетата калия СН₃СООК следует прибавить к 50 мл 1,0 м раствора уксусной кислоты СН₃СООН, чтобы получить буферную систему с рН=3,0?

Ответ:  Подставим соответствующие значения в формулу:

рН = рК_НА – lg ;

lg  = рК_НА – рН = 4,76 – 3= 1,76;

 = 10^1,76 = 57,5.

 Это означает, что после смешения растворов в полученном растворе концентрация кислоты в 57,5 раза должна быть выше, чем концентрация соли. С растворе имеется 0,05 1,0 = 0,05 моль кислоты. Следовательно, количество вещества соли в этом растворе должно быть в 57,5 раза меньше, а именно 0,05:57,5=0,00087 моль ацетата калия.

V=0,00087/ 0,25 = 0,00348л = 3,48 мл.

Ответ: V = 3,48 мл.

Задача 4.  Буферная система, состоящая из дигидрофосфата калия КН₂РО₄ и гидрофосфата калия К₂НРО₄ приготовлена при мольном соотношении солей 16 : 1. Определить рН данного раствора.

Решение: В данном случае кислотой является КН₂РО₄, то есть кислота Н₂РО₄^- (из таблицы К₂= 6,2 10^-8 или рК = 7,2). 

Используя уравнение рН = рК_НА – lg, получим: рН = 7,2 – lg16= 6,0

Ответ: рН = 6.

Задача 5. Вычислить рН буферного раствора, содержащего 0,2 М NH₄Cl и 0,2 М NH₄OH.

  В соответствии с уравнением 2, 

рН=14 – рК_{ВОН +}  lg  .

Так как рК (NH₄ОН) = 4,755, то

рН = 14 – 4,755 +  lg = 9,25 .

            Ответ: рН = 9,25.

 

 

Жёсткость воды

 

Теоретические пояснения

 

Природная вода в своем составе всегда содержит различные примеси- соли и газы, механические примеси, находящиеся во взвешенном состоянии, эмульсии, гидрозоли и другие коллоидные образования и т.п. Соли, присутствующие в воде, вызывают жесткость воды.

Гидрокарбонаты кальция и магния обуславливают карбонатную жесткость. При нагревании воды растворенные гидрокарбонаты разлагаются, и карбонатная жесткость при этом сильно снижается. Полного устранения карбонатной жесткости не происходит вследствие того, что карбонат кальция, и особенно магния несколько растворим в воде.

Наряду с понятием «карбонатная жесткость», существует еще понятие об устранимой жесткости, на которую она понижается при десятиминутном кипячении воды. Жесткость, оставшаяся после кипячения воды, называется постоянной жесткостью.

Хлориды и сульфаты кальция и магния обуславливают некарбонатную жесткость воды. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость. Жесткость выражают в виде суммы миллимоль-экви­валентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды. 1 ммоль-экв (ммоль/л) жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л Са²⁺ или 12,16 мг/л Mg²⁺.

 Различают очень мягкие, мягкие, средне жесткие, довольно жесткие, жесткие и очень жесткие воды. Один литр мягкой воды содержит 1,5-3,0 ммоль-экв, а жесткой 6,5-11,0 ммоль-экв Са²⁺.

Жесткость воды определяется аналитически.

 

Карбонатную (устранимую или временную) жесткость воды определяют титрованием воды соляной кислотой:

              Са(НСО₃)₂ + 2НС1 = CaCl₂ + 2H₂O + 2СO₂                (8.1)

                 Mg(HCO₃)₂ + 2НС1 = MgCl₂ + 2Н₂О + 2СО₂              (8.2)

Точку эквивалентности можно определить или потенциометрическм титрованием с помощью рН-метра (определение объема раствора соляной кислоты в точке скачка рН) или титрованием в присутствии кислотно-основных индикаторов (чаще всего метилового-оранжевого).

Для выбора соответствующего кислотно-основного индикатора необходимо строить интегральную кривую титрования, исходя из показателей потенциометрического титрования. После определения значения рН-скачка подбирается соответствующий индикатор, исходя из его физико-химических показателей.

Таблица 8.1 – Характеристика наиболее часто применяемых кислотно-основных индикаторов.

№	И н д и к а т о р	Интервал перехода рН	Изменение окраски раствора при возрастании рН
1	О-крезоловый синий	0,2 - 1,9	красная        желтая
2	Тимоловый синий	1,2 – 2,8	красная      желтая
3	Метиловый оранжевый	3,1 – 4,4	красная    оранжевая
4	Бромкрезоловый зеленый	3,8 – 5,4	желтая       синяя
5	Бромметиловый зеленый	5,0 – 8,0	желтая     синяя
6	Лакмус	5,0 –8,0	красна      синяя
7	Бромтимоловый синий	6,0 – 7,6	желтая     синяя
8	Феноловый красный	6,8 – 8,4	желтая     красная
9	Фенолфталеин	8,0 – 9,6	бесцветная   красная
10	Ализариновый желтый	10,0 – 12,0	бледно-лимон. желтый

Некарбонатную (постоянную) жесткость воды определяют методом обратного титрования. К отмеренному объему исследуемой воды добавляют определенный объем раствора карбоната натрия известной концентрации и выпаривают раствор досуха. При этом образуются нерастворимые в воде карбонаты кальция и магния.

Са²⁺ + Mg²⁺ + 2Na₂CO₃  = CaCO₃   + MgCO₃  + 4Na⁺           (8.3)

Сухой остаток, представляющий из себя смесь карбонатов кальция, магния, натрия и других солей натрия, растворяют в не содержащей СО₂ воде, отфильтровывают нерастворимые в воде карбонаты кальция и магния и титрометрическим способом определяют в растворе количество избыточного Na₂CO₃, не вошедшего в реакцию осаждения карбонатов. Специальными опытами показано, что при этом Na₂CO₃ не реагирует с гидрокарбонатами кальция и магния. Именно поэтому, этот метод позволяет определять постоянную жесткость воды.

 Общую жесткость определяют как сумму постоянной и временной      (карбонатной) жесткости.

Современным методом определения общей жесткости воды является титрование воды раствором трилона Б в присутствии спе­циальных индикаторов- хромогенов, чаще всего эрихрома черного. Титрование проводится в аммиачной среде при значении рН раствора в пределах 9-10.

Хромогены образуют с ионами магния и другими ионами относительно непрочные комплексные соединения, окрашенные в красно-фиолетовый цвет. При титровании трилоном Б, содержащиеся в воде ионы Са²⁺ и Mg²⁺, а также ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Al³⁺, Fе²⁺, Fe³⁺ реагируют с ним и образуют мало диссоциированные бесцветные прочные комплексные соединения. В конце титрования ионы магния, кальция и другие переходят от комплексного соеди­нения с хромогеном к трилону Б, с образованием прочных, бесцветных комплексов. Трилон-Б или комплексон III - динатриевая соль этилендиамминтетрауксусной кислоты (NaO₂CCH₂)₂N(CH₂)₂N(CH₂CO₂H)₂ или сокращенно-(Na₂H₂ЭДТА).

Na ₂ H ₂ ЭДТА + Са²⁺ (или Mg ²⁺ ) Na ₂ Ca ЭДТА + 2H⁺.            (8.4)

Поэтому, в точке эквивалентности, красно-фиолетовая окраска раствора исчезает. Однако раствор не обесцвечивается, а окрашивается в сине-фиолетовый цвет - цвет самого хромогена - эрихрома при рН = 9-10 (аммиачный буфер), что ука­зывает на окончание титрования.

Так как трилон-Б образует прочные комплексы со всеми катионами кальция и магния, вне зависимости от характера аниона, поэтому комплексометрическим методом определяют именно общую жесткость воды. 

Проба воды должна характеризовать действительный ее состав, поэтому при отборе пробы из водопровода воду спус­кают в течение 10-15 мин. Когда склянка наполнится, воду некоторое время переливают через край.

Из рек и ручьев отбирают пробы воды на глубине 0,75 м в нескольких местах, около берегов и в середине реки. Отдельные пробы смешивают вместе. Анализ воды прово­дят сразу же после взятия пробы или, в крайнем случае, при соответствующем хранении спустя несколько часов.

Карбонатную жесткость воды определяют кислотно-основным титрованием анализируемой воды. Для этого оттитровывают воду в колбе 0,1н раствором НСl. С помощью рН-метра фиксируют значения рН воды после каждого раза прибавления по 0,5мл кислоты из бюретки, строят интегральную и дифференциальные кривые титрования. Из кривых титрования определяют точку эквивалентности. Пользуясь данными табл.1 выбирают соответствующий индикатор для экспресс анализа.

Карбонатную жесткость воды (Ж_врем, ммоль/л) определяют по формуле:

Ж_врем =                                   (8.5)

где V(HCl) – объем раствора НСl концентрацией С(HCl), израсходованного до точки эквивалентности;

  V(Н₂О) – объем исследуемой воды.

Общую жесткость воды определяют комплексометрическим титрованием. В коническую колбу отмеряют пипеткой соответствующее количество исследуемой воды (100-150 мл), добавляют 5 мл аммиачного буфера, несколько кристаллов эрихрома, до образования заметной вишнево-красной окраски. При слабой окраске универсальной индикаторной бумагой проверяют рН раствора. Он должен соответствовать значениям 8-11. При необходимости корректируют рН добавлением в раствор буферной смеси.

Раствор оттитровывают стандартным раствором трилона-Б, до точки резкого перехода вишнево - красной окраски в синюю. Окраска раствора от избытка трилона-Б остается неизменной, поэтому в конце титрования рабочий раствор трилона прибавляют по каплям, энергично перемешивая. Титрование повторить два раза и взять среднее значение объема израсходованного раствора трилона. 

Общую жесткость воды  Ж_общ (ммоль/л), определить по формуле:

Ж_общ = ;                           (8.6)

где V₁ – объем рабочего раствора трилона - Б на титрование пробы воды,

    объемом V₂,

  N – молярная концентрация эквивалента рабочего раствора трилона Б,

     моль/л.

По разности значений общей и карбонатной жёсткости определяют постоянную жесткость.

Жесткая вода обладает рядом качеств, которые делают ее непригодной в производственных процессах. В жесткой воде мыла и стиральные порошки плохо пенятся, что приводит к перерасходу их в процессах стирки и мойки оборудования и деталей. В паровых котлах и компрессорах во время их эксплуатации образуется накипь- отложение мраморного слоя на стенках металла, что часто приводит к аварии или взрывам.

Умягчение воды проводится с целью предотвращения образования в паровых котлах и теплообменных аппаратах накипи и для экономии стиральных средств в процессах стирки и мойки.

Жесткость воды чаще всего устраняется при помощи ионитов и известково-содовым методом. Другие методы находят более ограниченное применение в виду их нерентабельности (высокая стоимость и трудоемкость).

Умягчение воды может быть достигнуто:

1) осаждением иона кальция (обычно совместно с ионом магния) и после­дующим удалением осадка;

2) удалением иона кальция (и магния) методом ионного обмена.

Метод ионного обмена основан на способности ионитов поглощать из растворов одни ионы и отдавать взамен дру­гие. Иониты, способные обменивать находящиеся в раст­воре катионы, называются катионитами. К катионитам относятся: алюмосиликаты, сульфированные угли, синте­тические смолы. Характерной особенностью катионитов является наличие в них большого числа кислотных групп: силикатных, карбоксильных и сульфогрупп. Эти кислот­ные группы содержат ионы водорода, которые подвижны и могут быть заменены на различные катионы (R-SO₂OH + Me⁺            R-SO₂OMe + H⁺).

Иониты, обменивающие анионы с находившимися в растворе ионами солей и кислот, называются анионитами. Аниониты представляют собой аминосмолы, содержащие амино (-NH₂) и имино (-NH) группы. Способность этих групп образовывать соли с различными анионами и исполь­зуется для анионного обмена:

R-NH₂ + HOH          [R-NH₃]⁺OH^-                (8.7)

[R-NH₃]⁺OH^- + А^-             [R-NH₃]⁺ A^- + OH^-     (8.8)

Для умягчения воды применяются обычно катиониты в водородной (Н-катиониты) и натриевой (Na-катиониты) форме. Если обозначить весь катионит, кроме подвижного иона (например, натрия), буквой R, то реакции ионного обмена в жесткой воде (содержащей ионы кальция и маг­ния) могут быть выражены следующими уравнениями:

             Na₂R + (Са,Mg) (НСО₃)₂          (Са, Mg)R + 2NаНСО₃      (8.9)

  Na₂R + (Са,Mg) SO₄                (Са, Mg)R + Na₂SO₄ (8.10)

   Na₂R + (Са, Mg)Cl₂             (Са, Mg)R + 2NaCl          (8.11)

Количество катионов кальция и магния, которое может быть поглощено определенным количеством катионита, называется емкостью поглощения Е и выражается в моль эквивалентах на 1 м³ ионита. Например, емкость погло­щения сульфоугля равна 1000 моль экв/м³; эспатита -1700 моль экв/м³; алюмосиликатов - 850 моль экв/м³.

После длительной работы иониты насыщаются и теряют свои эксплуатационные качества. С целью возобновления работы ионита их подвергают процессу регенерации.

Для регенерации катионитов нат­рия на кальций, ионит регенерируют, т. е. пропускают через него насыщенный раствор хлорида натрия. При этом ионы кальция вытесняются ионами натрия.

Другой распространенный способ умягчения воды - известково-содовый. Для очистки воды по известково-содовому методу используют смесь соды и гашеной изве­сти. При действии извести соли, дающие карбонатную жест­кость, и растворенный в воде оксид углерода (IV) пере­водятся в осадок:

     Са(НСО₃)₂  + Са(ОН)₂     2СаСО₃ + 2Н₂O                           (8.12)

 Mg(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂    MgCO₃ + СаСО₃ + 2Н₂O     (8.13)

СО₂ + Са(ОН)₂             СаСО₃ + Н₂О                              (8.14)

Одновременно магниевая жесткость заменяется на каль­циевую, так как образовавшийся в качестве продукта ионного обмена гидроксид магния в воде растворим хуже, чем гидроксид кальция:

           MgCl₂ + Са(ОН)₂    Mg(OH)₂  + CaСl₂                      (8.15)

Содой удаляют соли, обусловливающие наличие некар­бонатной жесткости:

   CaSO₄ + Nа₂СО₃      СаСО₃   + Na₂SO₄               (8.16)

   CaCI₂ + Na₂CO₃         СаСО₃ + 2NaCl            (8.17)

Карбонаты выпадают в виде взвеси. После фильтрования вода содержит соли, не дающие накипи, поэтому вполне пригодна для многих промышленных целей.

В последние годы все большее значение приобретает метод удаления солей с помощью постоянного электриче­ского тока, называемый электродиализом. Этот метод ока­зался более экономичным по сравнению с ионообменным.

Принцип метода заключается в следующем (рисунок 8.1).

 

1,2 - катодное и анодное пространства; 3 - межэлектродное пространство (обессоливаемая вода); 4, 5 - катодная и анодная мембраны; 6,7- катод и анод.

Рисунок 8.1 – Схема обессоливания воды электродиализом  

 

Если через воду, находящуюся в ванне, разделенной полу­проницаемыми диафрагмами на три отделения, пропускать постоянный электрический ток, то при соответствующем напряжении будет происходить электролиз растворенных солей. Катионы из анодного пространства и из средней камеры под действием электрического поля перемещаются в катодное пространство, где накапливается раствор гидроксидов натрия, калия, магния и др.

Анионы, в свою очередь, из катодного пространства и из средней камеры перемещаются в анодное пространство, где накапливаются кислоты – соляная и серная. На катоде происходит разрядка ионов водорода и выделение водоро­да.

 На аноде выделяется кислород и частично хлор за счет разрядки молекул воды, а частично гидроксид-ионов, а также хлорид-ионов. По мере прохождения электролиза в средней камере количество катионов и анионов кислот уменьшается и получается обессоленная вода. Загрязненную солями воду из катодного и анодного пространства выливают, поскольку она является отходом, а из среднего пространства частично очищ6енная вода поступает в другой электродиализатор. Описанный метод применяется как для опреснения воды, например морской, используемой для бытовых нужд, так и для получения воды особой чистоты, используемой для получения ультрачистых веществ.

 

---

Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 479; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!