Гидролиз солей. жесткость воды и методы ее устранения

Химическое обменное взаимодействие ионов растворенной соли с водой, приводящее к образованию слабодиссоциирующих продуктов (молекул слабых кислот или оснований, анионов кислых или катионов основных солей) и сопровож­дающееся изменением рН среды, называется гидролизом.

 

Пример 1. Составьте ионно-молекулярные и молекуляр­ные уравнения гидролиза солей: a) KCN, б) Nа₂СО₃, в) ZnSО₄. Определите реакцию среды растворов этих солей.

Решение:

а) Цианид калия KCN - соль слабой одноосновной кисло­ты HCN и сильного основания КОН. При растворении в воде молекулы KCN полностью диссоциируют на катионы К⁺ и анионы CN^-. Катионы К⁺ не могут связывать ионы ОН^- воды, так как КОН — сильный электролит. Анионы CN^- связывают ионы Н⁺ воды, образуя молекулы слабого элект­ролита HCN. Соль гидролизуется, как говорят, по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:

CN^- + Н₂О Û HCN + ОН^-,

или в молекулярной форме:

KCN + H₂O Û HCN + KOH

В результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионов ОН^-, поэтому раствор KCN имеет щелочную реакцию (pH>7).

б) Карбонат натрия Na₂CО₃ - соль слабой многоосновной кислоты и сильного основания. В этом случае анионы СО₃^2-, связывая водородные ионы воды, образуют анионы кислой соли НСО₃^-, а не молекулы Н₂СО₃, так как ионы НСО₃^- диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Н₂СО₃. В обыч­ных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

СО₃^2- + Н₂О Û НСО₃^- + ОН^-,

или в молекулярной форме

Na₂CО₃ + H₂O Û NaHCO₃ + NaOH

В растворе появляется избыток ионов ОН^-, поэтому раствор Na₂CO₃ имеет щелочную реакцию (рН> 7).

в) Сульфат цинка ZnSО₄ - соль слабого многоосновного основания Zn(OH)₂ и сильной кислоты H₂SO₄. В этом случае Zn²⁺ связывают гидроксидные ионы воды, образуя катионы основной соли ZnOH⁺. Образование молекул Zn(OH)₂ не происходит, так как ионы ZnOН⁺ диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Zn(OH)₂. В обычных условиях гидро­лиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по катиону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза

Zn²⁺ + H₂O Û ZnOH⁺ + Н⁺,

или в молекулярной форме

2ZnSО₄ + 2H₂O Û (ZnOH)₂SО₄ + H₂SО₄.

В растворе появляется избыток ионов водорода, поэтому ра­створ ZnSО₄ имеет кислотную реакцию (рН<7).

 

Общая жесткость воды выражается суммой миллиграмм - эквивалентов ионов Са²⁺ и Мg²⁺ (иногда Fe²⁺), содержащихся в 1 л воды (мг-экв/л). Один миллиграмм-эквивалент жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л Са²⁺ или 12,16 Мg²⁺.

 

Пример 2. Определение общей жесткости воды по количеству содержащихся в воде солей. Рассчитайте общую жесткость воды (в мг-экв/л), если в 0,25 л воды содержится 16,20 мг гидрокарбоната кальция, 2,92 мг гидрокарбоната магния, 11,10 мг хлорида кальция и 9,50 мг хлорида магния.

Решение. Жесткость воды Ж выражается в миллиграмм-эквивалентах двухзарядных катионов металлов Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и других или соответствующих им солей, содержащихся в 1 л воды:

Ж = m₁/(Э₁V) + m₂/(Э₂V) + m₃/(Э₃V) + …,

где m₁, m₂, m₃ – содержание в воде двухзарядных катионов металлов (или соответствующих им солей), мг; Э₁, Э₂, Э₃ – эквиваленты катионов металлов (или соответствующих им солей); V – объем воды, л.

Определяем эквивалентные массы солей, обусловливающих жесткость воды:

для Са(НСО₃)₂ Э = М/2 = 162,11/2 = 81,05 г/моль;

для Mg(HCO₃)₂ Э = М/2 = 146,34/2 = 73,17 г/моль;

для CaCl₂ Э = М/2 = 110,99/2 = 55,49 г/моль;

для MgCl₂ Э = М/2 = 95,21/2 = 47,60 г/моль.

Общая жесткость данного образца воды равна сумме временной и постоянной жесткости и обусловливается содержанием в ней солей, придающих ей жесткость; она равна:

Ж_общ = 16,20/(81,05·0,25) + 2,92/(73,17·0,25) + 11,10/(55,49·0,25) + 9,50/(47,60·0,25) = 0,80 + 0,16 + 0,80 + 0,80 = 2,56 мг-экв/л.

 

Пример 3. Сколько граммов CaSО₄ содержится в 1 м³ воды, если ее жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 мг-экв/л?

Решение. Мольная масса CaSО₄ 136,14 г/моль; эквивалентная масса равна 136,14/2=68,07 г/моль. В 1 м³ воды жесткостью 4 мг-экв/л содержится 4•1000= 4000 мг-экв, или 4000·68,07=272280 мг = 272,280 г CaSО₄.

 

Пример 4. Определение временной и постоянной жесткости воды по количеству реагентов, необходимых для устранения жесткости. Для устранения общей жесткости по известково-содовому методу к 50 л воды добавлено 7,4 г Ca(OH)₂ и 5,3 г Na₂CO₃. Рассчитайте временную и постоянную жесткость воды.

Решение. Добавление к воде Ca(OH)₂ может устранить временную жесткость, а добавление Na₂CO₃ – постоянную жесткость. При добавлении этих реагентов к воде происходят следующие химические реакции:

Me(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = ¯MeCO₃ + ¯CaCO₃ + 2H₂O

Me(NO₃)₂ + Na₂CO₃ = ¯MeCO₃ + 2NaNO₃

(Me²⁺: Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ и др.)

Временная жесткость воды Ж_вр измеряется числом миллиграмм-эквивалентов гидроксида кальция, участвующего в реакции, а постоянная жесткость Ж_пост – числом миллиграмм-эквивалентов карбоната натрия:

Ж_вр = m_Ca(OH)2/(Э_Ca(OH)2 V); Ж_пост = m_Na2CO3/(Э_Na2CO3V);

Э_Ca(OH)2 = М/2 = 74,09/2 = 37,04 г/моль;

Э_Na2CO3 = М/2 = 106,00/2 = 53,00 г/моль;

Ж_вр = 7400/(37,04·50) = 4 мг-экв/л;

Ж_пост = 5300/(53,00·50) = 2 мг-экв/л.

Общая жесткость воды равна

Ж_общ = Ж_вр + Ж_пост = 4 + 2 = 6 мг-экв/л (вода средней жесткости).

 

Контрольные задания.

91. К раствору Nа₂СО₃ добавили cледующие вещества:

а) НСl, б) NaOH, в) Сu(NO₃)₂, г) K₂S. В каких случаях гидролиз карбоната натрия усилится? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

92. К раствору А1₂(SO₄)₃ добавили следующие вещества:

a) H₂SO₄, б) КОН, в) Na₂SO₃, г) ZnSO₄. В каких случаях гидролиз сульфата алюминия усилится? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

93. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: FeCl₃ или FeCl₂? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

94. Какая из двух солей при равных условиях в боль­шей степени подвергается гидролизу: NaCN или NaClO? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

95. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: MgCl₂ или ZnCl₂? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза этих солей.

96. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: Na₂CO₃ или Na₂SO₃? По­чему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные урав­нения гидролиза этих солей.

97. К раствору FeCl₃, добавили следующие вещества: а) НС1, б) КОН, в) ZnCl₂, г) Na₂CO₃. В каких случаях гид­ролиз хлорида железа (III) усилится? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

98. По формулам солей CsNO₃, BiCl₃, К₂Сr₂О₇ предска­жите реакцию среды этих растворов (рН). Составьте моле­кулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза BiCl₃ и К₂Сr₂O₇.

99. Присутствие каких солей обусловливает жесткость природной воды? Как можно устранить карбонатную и некарбонатную жесткость воды? Рассчитайте сколько граммов Са(НСО₃)₂ содержится в 1м³ воды, жесткость которой равна 3 мг-экв/л.

 

100. Определите карбонатную жесткость воды, в 1л которой содержится по 100 мг Са(НСО₃)₂, Mg(HCO₃)₂ и Fe(HCO₃)₂.

101. Сколько гашеной извести необходимо прибавить к 1 м³ воды, чтобы устранить ее временную жесткость, равную 7,2 мг-экв/л?

102. Устранение временной жесткости 100 л воды, вызванной присутствием Mg(HCO₃)₂, потребовало 4 г NaOH. Составить уравнение реакции и рассчитать, чему равна жесткость воды.

103. Определите жесткость воды, в литре которой содержится 0,324 г гидрокарбоната кальция. Сколько граммов соды нужно прибавить к 2 м³ этой воды для устранения ее жесткости?

104. В чем сущность ионитного способа устранения жесткости воды? Рассчитайте жесткость воды, содержащей в 1 л 0,005 моля гидрокарбоната кальция.

105. Какие химические реакции пройдут при кипячении жесткой воды, содержащей гидрокарбонат кальция и при прибавлении к ней: а) соды, б) гидроксида натрия? Вычислите жесткость воды, если для ее устранения необходимо было к 50 л воды прибавить 10,8 г безводной буры Na₂B₄O₇.

106. Жесткая вода содержит в литре 50 мг Са(НСО₃)₂ и 15 мг CaSO_4. Сколько граммов карбоната натрия потребуется для устранения жесткости 1 м³ этой воды?

107. Некарбонатная жесткость воды равна 3,18 мг-экв/л. Какую массу Na₃PO₄ нужно добавить, чтобы умягчить 1 м³ воды?

108. Вычислите жесткость воды, если в литре воды содержится 202,5 мг Ca(HCO₃)₂ и 285 мг MgCl₂.

109. Определить, чему равна жесткость воды, в 1 л которой содержится 240 мг MgSO₄. Сколько граммов соды потребуется прибавить к 100 л этой воды для устранения жесткости?

110. Рассчитайте, сколько должна весить накипь, выпавшая при выпаривании 100 л воды, если жесткость обусловлена только присутствием гидрокарбоната кальция и равна 5 мг-экв/л?