Номер 7, страница 146 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 20. Металлы ІА-ІIIА-групп. Глава 5. Металлы и неметаллы - номер 7, страница 146.

Условие.

7. Какова жёсткость воды в водоёмах той местности, где вы живёте? Является ли для вас актуальной проблемой умягчения воды? Работая в группах, предложите способы умягчения воды.

Решение.

Решение 2.

Какова жёсткость воды в водоёмах той местности, где вы живёте?

Жёсткость воды — это совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, в основном кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Этот показатель существенно варьируется в зависимости от географического положения, так как он определяется геологическими особенностями региона, через которые проходят поверхностные и подземные воды.

Например, в регионах с залежами известняка, гипса или доломита (карбонатные породы) вода, как правило, очень жёсткая. В местностях, где преобладают гранитные породы или торфяники, вода обычно мягкая.

Чтобы узнать точную жёсткость воды в конкретной местности, можно:

• Обратиться к данным местной организации водоснабжения (водоканала). Часто такая информация публикуется на их официальных сайтах в виде отчётов о качестве воды.
• Использовать бытовые тест-полоски или наборы для определения жёсткости воды, которые можно приобрести в зоомагазинах (для аквариумов) или магазинах бытовой техники.
• Сдать пробу воды на анализ в специализированную лабораторию для получения точного результата.

В России жёсткость воды измеряется в градусах жёсткости (°Ж) или в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л), причём $1 \text{ °Ж} = 1 \text{ мг-экв/л}$. Согласно нормативам, питьевая вода должна иметь жёсткость не более 7 °Ж.

Классификация воды по жёсткости:

• Очень мягкая: до 1,5 °Ж
• Мягкая: от 1,5 до 4 °Ж
• Средней жёсткости: от 4 до 8 °Ж
• Жёсткая: от 8 до 12 °Ж
• Очень жёсткая: свыше 12 °Ж

Например, в Москве вода из поверхностных источников (Москвы-реки и Волги) проходит специальную подготовку и на выходе имеет среднюю жёсткость (около 3-5 °Ж), тогда как в южных регионах России, например, в Ростовской области, вода из артезианских скважин может быть очень жёсткой (свыше 10 °Ж).

Ответ: Жёсткость воды зависит от конкретного региона. Её можно узнать из отчётов местного водоканала, с помощью экспресс-тестов или лабораторного анализа.

Является ли для вас актуальной проблема умягчения воды?

Актуальность проблемы умягчения воды напрямую зависит от её уровня жёсткости. Если вода в регионе мягкая, то такой проблемы практически не существует. Однако для жителей местностей с водой средней жёсткости, жёсткой и очень жёсткой эта проблема более чем актуальна по ряду причин:

1. Образование накипи. При нагревании жёсткой воды соли кальция и магния (гидрокарбонаты) распадаются, образуя нерастворимый осадок — накипь. Она откладывается на нагревательных элементах бытовых приборов (чайников, стиральных и посудомоечных машин, бойлеров), что приводит к их перегреву, увеличению расхода электроэнергии и преждевременному выходу из строя.
2. Снижение эффективности моющих средств. Ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ вступают в реакцию с мылом и стиральными порошками, образуя нерастворимые "мыльные шлаки". В результате моющие средства плохо пенятся, их расход увеличивается, а качество стирки и мытья посуды снижается. На вымытых поверхностях и посуде могут оставаться белые разводы.
3. Влияние на кожу и волосы. Использование жёсткой воды для гигиенических процедур может приводить к сухости кожи, ощущению стянутости, появлению раздражения. "Мыльные шлаки" забивают поры и образуют плёнку на волосах, делая их тусклыми, ломкими и трудно расчёсываемыми.
4. Отложения в трубах. Со временем известковые отложения могут сужать просвет труб водоснабжения, уменьшая напор воды.

Таким образом, если человек сталкивается с вышеперечисленными проблемами, то умягчение воды для него является актуальной задачей, решение которой помогает сэкономить на ремонте техники, расходе моющих средств и улучшить личный комфорт.

Ответ: Да, проблема умягчения воды является актуальной для жителей регионов с жёсткой и очень жёсткой водой из-за негативного влияния на бытовую технику, увеличения расхода моющих средств и дискомфорта для кожи и волос.

Работая в группах, предложите способы умягчения воды.

Существует несколько способов умягчения воды, которые можно разделить на бытовые и промышленные, а также на физические и химические.

1. Термический метод (кипячение)
Это самый простой и доступный бытовой способ. Он эффективен только для устранения временной (карбонатной) жёсткости, обусловленной наличием гидрокарбонатов кальция и магния. При нагревании они разлагаются с образованием нерастворимых осадков (накипи) и углекислого газа.
Химические реакции процесса:
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$
$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} Mg(OH)_2 \downarrow + 2CO_2 \uparrow$
Преимущества: простота, не требует реагентов.
Недостатки: удаляет только временную жёсткость, энергозатратно, приводит к образованию накипи на стенках посуды и нагревательных элементах.

2. Реагентные (химические) методы
Основаны на добавлении в воду химических веществ, которые связывают ионы кальция и магния в нерастворимые соединения, выпадающие в осадок.

• Использование соды ($Na_2CO_3$) или гашёной извести ($Ca(OH)_2$). Этот метод (содо-известковый) чаще применяется в промышленных масштабах (например, на ТЭЦ). Известь удаляет карбонатную жёсткость, а сода — постоянную (некарбонатную).
  $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$
  $CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$
• Использование фосфатов. Например, тринатрийфосфат ($Na_3PO_4$) или полифосфаты натрия. Они образуют с ионами жёсткости нерастворимые фосфаты или растворимые комплексные соединения. Этот метод используется в некоторых стиральных порошках. Однако фосфаты наносят вред окружающей среде, вызывая эвтрофикацию (цветение) водоёмов.

Преимущества: высокая эффективность, удаление и временной, и постоянной жёсткости.
Недостатки: требуют точной дозировки реагентов, могут изменять химический состав воды, фосфаты экологически вредны.

3. Ионообменный метод
Это самый распространённый современный метод для бытового и промышленного умягчения. Вода пропускается через фильтр, заполненный ионообменной смолой (катионитом). Смола "забирает" из воды ионы кальция $Ca^{2+}$ и магния $Mg^{2+}$, отдавая взамен "безвредные" ионы натрия $Na^+$.
Упрощённая схема реакций (где R — полимерная матрица смолы):
$2NaR + Ca^{2+} \rightarrow CaR_2 + 2Na^+$
$2NaR + Mg^{2+} \rightarrow MgR_2 + 2Na^+$
Со временем ресурс смолы истощается, и её необходимо регенерировать (восстанавливать) путём промывки концентрированным раствором поваренной соли ($NaCl$).
Преимущества: высокая эффективность, полная автоматизация процесса.
Недостатки: высокая стоимость оборудования, необходимость периодической покупки соли для регенерации.

4. Мембранные методы (обратный осмос)
Вода под давлением проходит через полупроницаемую мембрану, которая пропускает молекулы воды, но задерживает до 99% всех примесей, включая ионы жёсткости.
Преимущества: получение практически дистиллированной воды, удаление не только солей жёсткости, но и других загрязнителей.
Недостатки: высокая стоимость системы, низкая производительность, большой расход воды (значительная часть сбрасывается в дренаж), удаление из воды полезных минералов.

Ответ: Основные способы умягчения воды — это кипячение (для устранения временной жёсткости), добавление реагентов (соды, извести), ионный обмен (с помощью ионообменных смол) и обратный осмос (мембранная фильтрация).