Номер 4, страница 146, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Каковы основные способы устранения жесткости воды? Напишите уравнения соответствующих реакций.

Жесткость воды обусловлена наличием в ней растворенных солей кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Различают временную (карбонатную) жесткость, вызванную гидрокарбонатами ($Ca(HCO_3)_2$, $Mg(HCO_3)_2$), и постоянную (некарбонатную) жесткость, обусловленную сульфатами и хлоридами ($CaSO_4$, $CaCl_2$, $MgSO_4$, $MgCl_2$). Устранение жесткости, или умягчение воды, заключается в удалении ионов $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ или их преобразовании в нерастворимые соединения.

Существует несколько основных способов устранения жесткости воды.

1. Термический способ (кипячение)

Этот способ эффективен только для устранения временной (карбонатной) жесткости. При кипячении растворимые гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются, образуя нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок (накипь).

Уравнение реакции для гидрокарбоната кальция:

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3↓ + H_2o + CO_2↑$

Уравнение реакции для гидрокарбоната магния (при кипячении образуется гидроксид магния, так как он менее растворим, чем карбонат магния):

$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} Mg(OH)_2↓ + 2CO_2↑$

2. Химические (реагентные) способы

Методы основаны на добавлении химических реагентов, которые переводят ионы кальция и магния в нерастворимые соединения.

а) Известково-содовый способ

В воду добавляют гашеную известь ($Ca(OH)_2$) для удаления карбонатной жесткости и солей магния, а затем кальцинированную соду ($Na_2CO_3$) для удаления оставшейся постоянной кальциевой жесткости.

Удаление временной жесткости известью:

$Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3↓ + 2H_2O$

Удаление магниевой жесткости известью:

$Mg(HCO_3)_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow Mg(OH)_2↓ + 2CaCO_3↓ + 2H_2O$

$MgSO_4 + Ca(OH)_2 \rightarrow Mg(OH)_2↓ + CaSO_4$

Удаление постоянной кальциевой жесткости содой:

$CaSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3↓ + Na_2SO_4$

$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3↓ + 2NaCl$

б) Фосфатный способ

Добавление фосфатов, например, ортофосфата натрия ($Na_3PO_4$), приводит к образованию очень малорастворимых фосфатов кальция и магния.

Уравнения реакций в ионной форме:

$3Ca^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Ca_3(PO_4)_2↓$

$3Mg^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Mg_3(PO_4)_2↓$

3. Ионообменный способ

Воду пропускают через специальные фильтры, заполненные ионообменными смолами (ионитами). Катионит в натриевой форме ($NaR$) обменивает свои ионы натрия на ионы кальция и магния из воды.

Уравнения реакций обмена (где R – полимерная матрица ионита):

$Ca^{2+} + 2NaR \rightarrow CaR_2 + 2Na^{+}$

$Mg^{2+} + 2NaR \rightarrow MgR_2 + 2Na^{+}$

После истощения смолы (насыщения ионами $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$) ее регенерируют, промывая концентрированным раствором поваренной соли ($NaCl$).

$CaR_2 + 2NaCl(конц.) \rightarrow 2NaR + CaCl_2$

4. Метод обратного осмоса

Это физический метод, при котором вода под давлением проходит через полупроницаемую мембрану. Мембрана задерживает большинство растворенных веществ, включая ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$, пропуская в основном молекулы воды. Этот метод позволяет достичь высокой степени умягчения и очистки воды. Так как это физический процесс разделения, химические уравнения для него не записывают.

Ответ: Основными способами устранения жесткости воды являются:

1. Термический (кипячение): устраняет временную жесткость путем разложения гидрокарбонатов. Уравнение: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3↓ + H_2o + CO_2↑$.

2. Химический (реагентный): добавление реагентов (например, соды $Na_2CO_3$ и извести $Ca(OH)_2$) для осаждения ионов жесткости. Уравнение: $Ca^{2+} + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3↓ + 2Na^{+}$.

3. Ионообменный: фильтрация воды через ионообменные смолы, где ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ заменяются на ионы $Na^{+}$. Уравнение: $Ca^{2+} + 2NaR \rightarrow CaR_2 + 2Na^{+}$.

4. Обратный осмос: мембранный метод, физически удаляющий ионы жесткости из воды.