Определение солей жесткости в водопроводной воде

 

 

Казанский национальный исследовательский технический университет 
им. А.Н. Туполева

 

Кафедра общей химии и экологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

по дисциплине

«Экологическая химия»

на тему

 

«Определение солей жесткости в водопроводной воде »

 

 

 

 

 

 

Исполнитель:

студент гр. 3312

Габдуллина Л.А.

Научный руководитель:

Доцент

Григорьева И.Г.

 

 

 

 

 

Казань 2013 

Содержание

Введение Глава 1.Соли кальция и магния как экотоксиканты. 1.1     Источники поступления в окружающую среду. 1.2 Состав, свойства загрязняющих веществ. 1.3 Влияние на организм человека. Глава 2. Методики качественного и количественного определения жесткости. Глава 3. Пробоотбор, пробоподготовка растворов к анализу. Глава 4. Определение жесткости  водопроводной воды (экспериментальная часть). Глава 5. Выводы. Список литературы. Приложение: ГОСТ Методы определения жесткости питьевой воды

 

ВВЕДЕНИЕ

В природных водах находится очень большое количество различных химических соединений. В процессе естественного кругооборота природные воды, находясь в контакте с воздухом и породами земной коры, обогащаются содержащимися в них веществами. Кроме того, в такие воды попадают продукты жизнедеятельности животных и растений. В ряде водоисточников вода дополнительно загрязняется отходами производственной деятельности людей. Непосредственное использование природных вод для промышленных и бытовых нужд является в большинстве случаев неприемлемым. Предъявляемые в промышленности требования к качеству потребляемой воды определяются специфическими условиями тех или иных технологических процессов. Так, например, многие производства (текстильное, кожевенное) не могут использовать жесткую воду, т.е. содержащую соли кальция и магния. Название жесткость воды возникло вследствие того, что промывание тканей в воде с высокой концентрацией ионов Ca и Mg делает волокна ломкими, неэластичными, словно жесткими. Это обусловлено образованием на волокнах кальциевых и магниевых солей жирных кислот, входящих в состав мыла, а также углекислых солей. Особенно высокие требования к потребляемой воде предъявляет теплоэнергетическое производство. Присутствие в воде значительного количества солей жесткости, делает воду непригодной для многих технических целей. При продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи. Такая корка может служить причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла. Поэтому химический контроль ионов Са2+ и Mg2+ очень важен для ведения водно-химического режима работы теплоэнергетического оборудования. 

 

Цель работы:

 Анализ свойств и методов определения жесткости воды.

Задачи:

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть источники поступления солей жесткости в природную воду

2. Рассмотреть влияние жесткости воды на здоровье человека.

3. Изучить методы качественного и количественного определения солей жесткости в водопроводной воде.

4. Экспериментально определить  жесткость водопроводной воды  в Советском и Ново-Савиновском районе г. Казани.

 

Глава 1. Соли кальция и магния как экотоксиканты

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха. 

Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Ввиду широкой распространенности магния и кальция в природе, их соли всегда содержатся в природной воде, придавая ей особые свойства. Вода, в которой растворены соли кальция и магния, обладает особым свойством - жесткостью.

Жесткая вода образует плотные слои накипи на внутренних стенках паровых котлов и кипятильников, в ней плохо развариваются пищевые продукты, при стирке белья в жесткой воде расходуется больше мыла.

Общая жесткость воды определяется содержанием в ней ионов Са²+ и Мg²+, по содержанию в воде гидрокарбонат- ионов судят о временной жесткости (карбонатной), некарбонатная жесткость обуславливается присутствием в воде хлоридов, сульфатов, а также других солей Са²+ и Мg²+. В сумме карбонатная и некарбонатная жесткость воды дает жесткость общую. По содержанию в воде ионов кальция и магния воды делятся на следующие группы:

Содержание Са²+ и Mg²+ (мг-экв/л)	Качество воды
0-1.5	Очень мягкая
1.5-3	Мягкая
3-4.5	Средне жесткая
4.5-6.5	Довольно жесткая
6.5-11	Жесткая

Таблица №1. Типы вод в зависимости от содержания ионов Са²+ и Мg²+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л Са²+  или 12,16 мг/л Мg²+ . Карбонатная жесткость, обусловленная присутствием ионов НСО3ˉ в воде, может быть устранено кипячением – и тогда в воде происходят следующие процессы:

Са(НСО3)2→СаCO3↓+ CO2↑+H2 0

Mg(HCO3)2→MgCO3↓+ CO2↑+H2O

Mg(HCO3)2→Mg(OH)2↓+2CO2↑

Постоянная жесткость воды не устраняется кипячением или добавлением соды и извести и вызывается наличием сульфатов кальция и магния в основном. Присутствие в воде значительного количества солей Са и Мg делает воду непригодной для многих технических целей. Так при продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи; такая накипь уже при толщине слоя в 1 мм сильно понижает передачу теплоты стенками котла и следовательно ведет к увеличению расхода топлива. Кроме того она может служить причиной образования вздутий и трещин как в кипятильных трубах, так и на стенках самого катка.

Но при этом важно помнить о великом значении кальции  и магния для растений и животных. Недостаток этих элементов в рационе задерживает рост, угнетает развитие корневой системы растений, листья покрываются коричневыми пятнами, а иногда отмирают. У животных недостаток кальция вызывает рахит, ослабление сердечной деятельности.

Кровь, обедненная кальцием, плохо сворачивается на воздухе. Поэтому соли кальция применяют в ветеринарии: хлорид и карбонат кальция дают животным при рахите, инфекционных заболеваниях; известковой водой лечат кожные заболевания; фосфаты кальция и магния вводят в рацион молодняка [1,2].

 

1. Источники поступления в окружающую среду

Кальций (Calcium) Ca - химический элемент периодической системы элементов Д.И. Менделеева с порядковым номером 20 и атомной массой 40,08 а.е.м. Природный кальций образован 6 стабильными изотопами: кальций - 40 (96,94%), кальций - 44 (2,09%), кальций - 42 (0,067%), кальций - 48 (0,187%), кальций - 43 (0,135%), кальций - 46 (0,003%). Основные характеристики атома кальция таковы: строение внешнего энергетического уровня 4 s2, степень окисления +2, очень редко +1, электороотрицательность по Полингу 1,0; атомный радиус 0,197 нм [5].

По распространенности в земной коре кальций занимает пятое место - его содержание составляет 3,38% по массе. Кальций встречается только в виде соединений, чаще всего солей кислородсодержащих кислот. Известно около 400 минералов, содержащих данный элемент. Наиболее распространенны различные силикаты и алюмосиликаты, в частности анортит Ca3[Al2Si 2O8], диопсид CaMg[SiO6], волластонид Ca[Si3O9], также промышленное значение имеют кальцит (известняк, мрамор, мел) CaCO3, доломит CaMg(CO3)2 фосфорит Ca5(PO4)3(OH, CO3), апатиты Ca5(PO4)3(F, Cl), гипс CaSO4 • 2 H2 O, флюорит CaF2 и др. Значительное количество кальция находится в природных водах вследствие существования глобального карбонатного равновесия между практически нерастворимым карбонатом кальция, хорошо растворимым гидрокарбонатом кальция и находящимся в воде и воздухе диоксиде углерода. Заметное количество кальция содержится в организме человека и животных, в частности, гидроксилапатит - в костной ткани позвоночных, карбонат кальция - в раковинах моллюсков, яичной скорлупе.

Применение кальция основано на следующих моментах: при металлотермическом получении урана, тория, циркония, цезия, рубидия и некоторых лантаноидов из их соединений, для удаления примесей кислорода, азота, серы, фосфора из сталей, бронз и других сплавов, для обезвоживания многих органических жидкостей, очистки аргона от примесей азота, в качестве геттер в вакуумных устройствах, легирующего элемента для алюминиевых сплавов и модифицирующей добавки для магниевых сплавов. Сплавы кальция со свинцом являются антифрикционными материалами в производстве подшипников. Еще большее применение нашли соединения кальция. Например, карбонат кальция применяют в качестве антацидного средства, при повышенной кислотности желудочного сока, хлорид кальция организму необходим для осуществления передачи нервных импульсов, сокращения сердечных и скелетных мышц, для формирования костной ткани, свертывания крови и нормальной деятельности других органов и систем [3].

Магний - характерный элемент мантии Земли, в ультраосновных породах его содержится 25,9% по массе. В земной коре Магния меньше, средний кларк его 1,87%; преобладает Магний в основных породах (4,5%), в гранитах и других кислых породах его меньше (0,56%). В магматических процессах Mg2+ - аналог Fe2+, что объясняется близостью их ионных радиусов (соответственно 0,74 и 0,80 Å). Mg2+ вместе с Fe2+ входит в состав оливина, пироксенов и других магматических минералов.

Минералы Магния многочисленны - силикаты, карбонаты, сульфаты, хлориды и другие. Более половины из них образовались в биосфере - на дне морей, озер, в почвах и т. д.; остальные связаны с высокотемпературными процессами.

В биосфере наблюдается энергичная миграция и дифференциация Магния; здесь главная роль принадлежит физико-химическим процессам - растворению, осаждению солей, сорбции Магний глинами. Магний слабо задерживается в биологическом круговороте на континентах и с речным стоком поступает в океан. В морской воде в среднем 0,13% Магния - меньше, чем натрия, но больше всех других металлов. Морская вода не насыщена Магнием и осаждения его солей не происходит. При испарении воды в морских лагунах в осадках вместе с солями калия накапливаются сульфаты и хлориды Магния. В илах некоторых озер накапливается доломит (например, в озере Балхаш). В промышленности Магний получают в основном из доломитов, а также из морской воды [4].

 

2. Состав, свойства загрязняющих веществ

Существует нехитрая зависимость между показателями продолжительностью жизни населения страны и качеством потребляемой населением воды. К сожалению, наша страна находится где-то в шестом десятке среди всех стран мира по продолжительности жизни. Возникает очевидный вопрос, а можно ли вообще пить водопроводную воду без дополнительной очистке фильтрами для воды? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте разберемся, что же может содержать водопроводная вода.

Безусловно, даже в одном городе, но в разных районах вода будет отличаться по своему химическому составу. Чтобы точно определить какая вода, лучше всего сделать химический анализ воды. Мы рассмотрим те микроэлементы и соединения, которые чаще всего можно встретить в разном процентном соотношении в воде в нашей стране. Есть несколько основных групп загрязнений. Вещества, которые чаще всего встречаются в воде.

Жесткие соли кальция и магния – это минеральные соединения, которые природная вода вымывает из почвы и грунта. Они придают воде, так называемую, жесткость, из-за них возникает накипь, белые разводы на сантехнике и камень на водоразделители в душе. Регулярное употребление воды с высоким содержанием жестких солей может вызвать болезни суставов и мочекаменную болезнь. В среднем в водопроводной воде содержится около 3,0-3,5 мг-кв/л. Бороться с таким загрязнением не сложно, достаточно подобрать оптимальный фильтр для очистки воды от жестких солей [10].

Фтор(F) один из тех элементов, содержание которых может только радовать человека. Воду специально фторируют, чтобы увеличить содержание этого элемента в воде, так как при его недостатке развивается кариес зубов. Рекомендуемое содержание фтора для человека, живущего в средней полосе должно быть не более 1,2 мг/л.

Марганец(Mn) редко встречается без двухвалентного железа. Чаще всего попадает в воду через отложения в трубах марганцевых бактерий, также через почвенные удобрения. Редко содержания этого металла превышает 2 мг/л, но допустимая норма для здоровья человека – не более 0,5 мг/л. В случае отравления марганцем поражается печень и может развиться заболевание паркинсонизм, симптоматично схожее с болезнью Паркинсона, так как марганец имеет негативное воздействие на мозг человека.

Селен(Se). Несмотря на утверждение, что селен полезен, большое количество селена может приводить к острому отравлению, сопровождающемуся нарушением работы желудочно-кишечного тракта, озноба, резкими болями в животе. При регулярном употреблении воды с повышенным содержанием селена у человека развивается селеноз, выражающийся в изменении качества ногтевых пластин (ломкость, истончение), волос (обесцвечивание, облысение), кожи (дерматиты) и зубов (кариес). Содержание селена в питьевой воде не должно превышать 0,01 мг/л.

Молибден (Mo). Редко содержание молибдена превышает 0,01 мг/л, обычно это происходит в местах нахождения руд, содержащих молибден. В таком случае природные воды могут содержать его в концентрации до 200 мг/л. Вода насыщенная молибденом обладает вяжущим вкусом, но при содержании этого элемента в воде не выше нормы, составляющей 0,07 мг/л, вы не ощутите никакого специфического вкуса. При употреблении молибденовой воды с концентрацией 10-15 мг/л, может увеличиваться печени, появляться суставная боль в кистях и стопах, выявляются серьезные расстройства работы почек и пищеварительной системы.

Нитраты – соли азотной кислоты, которые обычно попадают в поверхностные и грунтовые воды, как загрязнение от сельскохозяйственных удобрений. Если вода заражена нитратами свыше нормы, могут развиваться заболевания крови, сердечнососудистой системы и токсичные отравления.

Сероводород – это газ, который может придавать воде неприятный запах гнилостных яиц, если его концентрация превышает 0,05 мг/л. При обогащении воды кислородом, сероводород окисляется, а вместе с этим пропадает и запах. Сам сероводород не опасен, его наличие только ухудшает органолептические показатели воды. Однако в процессе окисления появляются сульфиды, которые токсичны для человека. Например, разовая доза 10-15 г. сульфида натрия приводит к летальному исходу.

Вещества, которые появляются в воде после обработки реагентами