Лабораторный опыт 16, страница 161 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

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

Условие.

Лабораторный опыт 16. Жёсткость воды

1. Установите, имеются ли в выданной вам жёсткой воде сульфаты и гидрокарбонаты.

2. Докажите опытным путём, как можно умягчить воду с постоянной жёсткостью.

Решение.

Решение 2.

1. Установите, имеются ли в выданной вам жёсткой воде сульфаты и гидрокарбонаты.

Для определения наличия сульфат- и гидрокарбонат-ионов в жёсткой воде необходимо провести качественные реакции.

Определение сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$)

Оборудование и реактивы: пробирка, пипетка, анализируемая жёсткая вода, раствор хлорида бария ($BaCl_2$), соляная кислота ($HCl$).

Ход опыта:

1. В пробирку налить 2-3 мл исследуемой жёсткой воды.
2. Добавить несколько капель соляной кислоты для создания кислой среды (это необходимо, чтобы предотвратить осаждение других солей бария, например, карбоната $BaCO_3$).
3. Прилить 1-2 мл раствора хлорида бария ($BaCl_2$).

Наблюдение: Если в воде присутствуют сульфат-ионы, наблюдается образование белого мелкокристаллического осадка сульфата бария ($BaSO_4$), нерастворимого в кислотах.

Уравнение реакции в ионном виде:

$Ba^{2+}(aq) + SO_4^{2-}(aq) \rightarrow BaSO_4(s)\downarrow$

Вывод: Образование белого осадка после добавления хлорида бария в подкисленную среду свидетельствует о наличии сульфат-ионов в воде.

Определение гидрокарбонат-ионов ($HCO_3^{-}$)

Оборудование и реактивы: термостойкая пробирка, спиртовка или горелка, держатель для пробирок, анализируемая жёсткая вода.

Ход опыта (метод кипячения):

1. Налить в пробирку 3-5 мл исследуемой воды.
2. Закрепить пробирку в держателе и осторожно нагреть воду до кипения. Кипятить в течение 1-2 минут.

Наблюдение: Если в воде присутствуют гидрокарбонаты кальция и/или магния (которые обуславливают временную, или карбонатную, жёсткость), то при кипячении наблюдается помутнение раствора из-за образования нерастворимых карбонатов (накипи).

Уравнения реакций:

$Ca(HCO_3)_2(aq) \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3(s)\downarrow + H_2O(l) + CO_2(g)\uparrow$

$Mg(HCO_3)_2(aq) \xrightarrow{t^\circ} MgCO_3(s)\downarrow + H_2O(l) + CO_2(g)\uparrow$

Вывод: Помутнение воды при кипячении указывает на наличие в ней гидрокарбонат-ионов, которые вызывают временную жёсткость.

Ответ: Наличие сульфат-ионов определяется по образованию белого осадка с раствором хлорида бария в кислой среде. Наличие гидрокарбонат-ионов определяется по образованию осадка (накипи) при кипячении воды.

2. Докажите опытным путём, как можно умягчить воду с постоянной жёсткостью.

Постоянная (некарбонатная) жёсткость воды обусловлена присутствием в ней растворимых сульфатов и хлоридов кальция и магния. В отличие от временной, она не устраняется кипячением. Умягчить такую воду можно с помощью химических реагентов, например, карбоната натрия ($Na_2CO_3$, кальцинированная сода).

Оборудование и реактивы: три пробирки, штатив для пробирок, пипетки, фильтровальная бумага, воронка, химический стакан, вода с постоянной жёсткостью (например, раствор $CaSO_4$), раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$), мыльный раствор.

Ход опыта:

1. В две пробирки налить по 5 мл исследуемой жёсткой воды. Одна пробирка будет контрольной.
2. Во вторую пробирку добавить по каплям раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$).
3. Наблюдение 1: Во второй пробирке образуется белый осадок. Это нерастворимый карбонат кальция (и/или магния).

Уравнения реакций (на примере сульфата кальция):

Молекулярное уравнение: $CaSO_4(aq) + Na_2CO_3(aq) \rightarrow CaCO_3(s)\downarrow + Na_2SO_4(aq)$

Сокращённое ионное уравнение: $Ca^{2+}(aq) + CO_3^{2-}(aq) \rightarrow CaCO_3(s)\downarrow$

4. Дать осадку отстояться и отфильтровать содержимое второй пробирки в чистый стакан. Полученный фильтрат — это умягчённая вода.
5. Для доказательства умягчения воды провести тест с мылом. Взять две чистые пробирки. В одну налить 3 мл исходной жёсткой воды (из контрольной пробирки №1), в другую — 3 мл умягчённой (отфильтрованной) воды.
6. В обе пробирки добавить по несколько капель мыльного раствора и энергично встряхнуть.
7. Наблюдение 2: В пробирке с умягчённой водой образуется обильная, устойчивая пена. В пробирке с исходной жёсткой водой пена почти не образуется, а на поверхности появляется творожистый осадок (шлак) — нерастворимые соли кальция и высших жирных кислот, входящих в состав мыла.

Вывод: Добавление карбоната натрия позволяет эффективно удалять из воды ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$, переводя их в нерастворимые карбонаты, которые можно отделить фильтрованием. Это и есть процесс умягчения воды. Способность умягчённой воды образовывать пену с мылом в отличие от исходной жёсткой воды наглядно доказывает эффективность данного метода.

Ответ: Для умягчения воды с постоянной жёсткостью в неё необходимо добавить раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$). При этом ионы кальция и магния, обуславливающие жёсткость, выпадают в осадок в виде нерастворимых карбонатов. Эффективность умягчения доказывается сравнением способности исходной и умягчённой воды образовывать пену с мыльным раствором: умягчённая вода даёт обильную пену, в то время как жёсткая — нет.