Номер 3, страница 109 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Проверьте свои знания. Параграф 21. Соли. Глава III. Вещества и их свойства - номер 3, страница 109.

Условие.

3. Какая вода называется жёсткой? Как устраняют жёсткость воды? Почему для устранения жёсткости воды нельзя использовать пищевую соду?

Решение.

Решение 2.

Какая вода называется жёсткой?

Жёсткой называют воду с высоким содержанием растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Жёсткость воды является совокупностью химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней этих ионов.

Различают два основных вида жёсткости:

• Временная (карбонатная) жёсткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния ($Ca(HCO_3)_2$ и $Mg(HCO_3)_2$). Она называется временной, так как её можно устранить простым кипячением воды.

• Постоянная (некарбонатная) жёсткость вызвана наличием других солей кальция и магния, которые не удаляются при кипячении, например, сульфатов ($CaSO_4, MgSO_4$) и хлоридов ($CaCl_2, MgCl_2$).

Сумма временной и постоянной жёсткости называется общей жёсткостью воды.

Ответ: Жёсткой называется вода с высоким содержанием растворённых солей кальция и магния. Различают временную жёсткость (гидрокарбонаты), устраняемую кипячением, и постоянную жёсткость (сульфаты, хлориды), которая кипячением не устраняется.

Как устраняют жёсткость воды?

Устранение жёсткости, или умягчение воды, — это процесс удаления из неё ионов кальция и магния. Существует несколько методов умягчения воды:

• Термический метод (кипячение). Этот метод эффективен только для устранения временной (карбонатной) жёсткости. При нагревании растворимые гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов, которые выпадают в осадок (накипь), а также воды и углекислого газа.
  $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$
  $Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} MgCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

• Химический (реагентный) метод. Этот метод заключается в добавлении в воду специальных веществ (реагентов), которые связывают ионы кальция и магния в нерастворимые соединения, выпадающие в осадок.
  - Для устранения всех видов жёсткости используют кальцинированную соду ($Na_2CO_3$) или фосфаты (например, ортофосфат натрия $Na_3PO_4$). Карбонат-ионы осаждают ионы кальция и магния.
  $Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow$
  - Для устранения временной жёсткости можно использовать гашёную известь ($Ca(OH)_2$).
  $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$

• Ионообменный метод. Воду пропускают через специальные фильтры, заполненные ионообменными смолами (ионитами). Эти смолы "забирают" из воды ионы кальция и магния, отдавая взамен "безвредные" ионы натрия ($Na^+$) или водорода ($H^+$).

• Мембранные методы (например, обратный осмос). Воду под давлением пропускают через полупроницаемую мембрану, которая задерживает молекулы солей жёсткости и пропускает только молекулы воды.

Ответ: Жёсткость воды устраняют кипячением (для временной жёсткости), добавлением химических реагентов (кальцинированная сода, гашёная известь), ионным обменом и мембранными методами, такими как обратный осмос.

Почему для устранения жёсткости воды нельзя использовать пищевую соду?

Пищевая сода — это гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$). Использовать её для эффективного умягчения воды нельзя, в отличие от кальцинированной соды (карбоната натрия, $Na_2CO_3$). Причина кроется в химических свойствах анионов, которые они образуют в растворе.

Для осаждения ионов кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$) необходимы карбонат-ионы ($CO_3^{2-}$), которые предоставляет кальцинированная сода. Они образуют с ионами жёсткости практически нерастворимые осадки — карбонат кальция ($CaCO_3$) и карбонат магния ($MgCO_3$):

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

Пищевая сода при растворении в воде даёт гидрокарбонат-ионы ($HCO_3^-$). Эти ионы, взаимодействуя с ионами кальция, образуют растворимый гидрокарбонат кальция ($Ca(HCO_3)_2$) — то самое вещество, которое и вызывает временную жёсткость воды.

$Ca^{2+} + 2HCO_3^- \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2$

Таким образом, добавление пищевой соды не только не устраняет жёсткость, но и может даже увеличить её временную составляющую. Реакция осаждения карбоната кальция из раствора гидрокарбоната натрия идёт очень неэффективно, так как для этого необходимо сместить равновесие:

$Ca^{2+} + 2HCO_3^- \rightleftharpoons CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2$

Это равновесие сильно сдвинуто влево. Чтобы оно сместилось вправо и началось осаждение, требуется, например, нагревание (кипячение), но тогда умягчение происходит не за счёт соды, а за счёт термического разложения. Следовательно, пищевая сода не является эффективным реагентом для умягчения воды.

Ответ: Пищевую соду (гидрокарбонат натрия, $NaHCO_3$) нельзя использовать для умягчения воды, так как она образует с ионами кальция растворимый гидрокарбонат кальция $Ca(HCO_3)_2$, не устраняя жёсткость. Для эффективного умягчения необходимы карбонат-ионы ($CO_3^{2-}$), которые даёт кальцинированная сода ($Na_2CO_3$), образуя нерастворимый осадок $CaCO_3$.