Номер 2, страница 161 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 34. Жёсткость воды и способы её устранения. Глава 3. Металлы главных подгрупп - номер 2, страница 161.

Условие.

2. По каким свойствам жесткая вода отличается от мягкой? Приведите примеры.

Решение.

Решение 2.

2. По каким свойствам жесткая вода отличается от мягкой? Приведите примеры.

Жесткая вода отличается от мягкой прежде всего по своему химическому составу, что, в свою очередь, влияет на ее физические и органолептические свойства. Основное отличие заключается в концентрации растворенных солей щелочноземельных металлов, главным образом катионов кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). В мягкой воде их содержание незначительно.

Основные свойства, по которым они различаются:

• Взаимодействие с моющими средствами (мылом):

  Жесткая вода: Плохо образует пену с мылом. Ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ реагируют с жирными кислотами в составе мыла, образуя нерастворимые соединения («кальциевые мыла» или «мыльный шлак»), которые выпадают в виде хлопьев. Это приводит к перерасходу моющих средств.

  Пример реакции: $2C_{17}H_{35}COONa \text{ (мыло)} + Ca^{2+} \rightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca \downarrow \text{ (нерастворимый осадок)} + 2Na^{+}$

  Мягкая вода: Легко образует обильную мыльную пену, так как ионов, препятствующих этому, практически нет.

• Образование накипи при нагревании:

  Жесткая вода: При кипячении или нагреве на стенках чайников, котлов, бойлеров и на нагревательных элементах (ТЭНах) стиральных и посудомоечных машин образуется твердый известковый налет — накипь. Накипь состоит в основном из карбонатов кальция ($CaCO_3$) и магния ($MgCO_3$). Она плохо проводит тепло, что ведет к перерасходу энергии и выходу техники из строя.

  Пример: Гидрокарбонат кальция, растворенный в воде, при нагревании разлагается: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^{\circ}C} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

  Мягкая вода: Не образует накипи, так как не содержит солей, способных разлагаться с образованием нерастворимого осадка.

• Вкус:

  Жесткая вода: Часто имеет характерный, слегка горьковатый или «минеральный» привкус. Вода с очень высокой жесткостью может быть неприятной на вкус.

  Мягкая вода: Имеет более нейтральный, пресный вкус. Примером может служить дождевая или талая вода.

• Влияние на приготовление пищи:

  Жесткая вода: Увеличивается время приготовления продуктов, содержащих белок (мясо, бобовые), так как ионы кальция образуют с белками нерастворимые соединения. Овощи могут становиться жесткими.

  Мягкая вода: Продукты в ней развариваются быстрее, сохраняя свои вкусовые качества. Чай и кофе, заваренные на мягкой воде, имеют более насыщенный вкус и аромат.

Ответ: Жесткая вода отличается от мягкой высоким содержанием солей кальция и магния. Это проявляется в том, что она плохо пенится с мылом (образуя осадок), оставляет накипь на нагревательных приборах при кипячении, имеет специфический привкус и может увеличивать время приготовления пищи. Мягкая вода лишена этих недостатков.

3. Какие виды жесткости вам известны? Какими средствами их устраняют?

Общая жесткость воды подразделяется на два основных вида в зависимости от типа анионов, с которыми связаны катионы кальция и магния.

Виды жесткости:

1. Временная (карбонатная) жесткость: Обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция $Ca(HCO_3)_2$ и магния $Mg(HCO_3)_2$. Называется «временной», так как ее можно устранить простым кипячением воды. При нагревании гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов (накипи), углекислого газа и воды.

2. Постоянная (некарбонатная) жесткость: Обусловлена наличием в воде других солей кальция и магния, которые не удаляются при кипячении. Это в основном сульфаты ($CaSO_4, MgSO_4$) и хлориды ($CaCl_2, MgCl_2$).

Сумма временной и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды.

Способы устранения жесткости (умягчение воды):

• Термический метод (кипячение): Самый простой бытовой способ, который эффективен только для устранения временной (карбонатной) жесткости.
  Пример: $Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^{\circ}C} MgCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

• Химические (реагентные) методы: В воду добавляют химические реагенты, которые связывают ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ в нерастворимые соединения, выпадающие в осадок.

  • Известкование: Добавление гашеной извести ($Ca(OH)_2$) для удаления временной жесткости.
    $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$

  • Содо-известковый метод: Комбинированное использование гашеной извести ($Ca(OH)_2$) и кальцинированной соды ($Na_2CO_3$). Этот метод позволяет устранить и временную, и постоянную жесткость. Сода осаждает ионы кальция из солей постоянной жесткости.
    $CaSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + Na_2SO_4$

  • Фосфатный метод: Использование фосфатов (например, ортофосфата натрия $Na_3PO_4$) для осаждения ионов жесткости. Широко используется в бытовой химии (стиральные порошки).
    $3Ca^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow$

• Ионообменный метод: Наиболее современный и эффективный метод. Воду пропускают через фильтры с ионообменными смолами (чаще всего катионитами). Смола забирает из воды ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$, а взамен отдает в воду безопасные ионы натрия $Na^{+}$ или водорода $H^{+}$.
  Схема процесса: $2NaR + Ca^{2+} \leftrightarrow CaR_2 + 2Na^{+}$ (где $R$ — ионообменная смола).

• Мембранные методы (обратный осмос): Воду под давлением пропускают через полупроницаемую мембрану, которая задерживает практически все растворенные соли, включая соли жесткости, пропуская только молекулы воды. Этот метод позволяет получить очень чистую, практически дистиллированную воду.

Ответ: Известны два вида жесткости: временная (карбонатная), вызванная гидрокарбонатами, и постоянная (некарбонатная), вызванная сульфатами и хлоридами. Временную жесткость устраняют кипячением. Для устранения обоих видов жесткости используют химические методы (добавление соды, извести, фосфатов), ионообменные фильтры и системы обратного осмоса.