Страница 166 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какую воду называют жёсткой? Какова химическая природа жёсткости воды?

Какую воду называют жёсткой?

Жёсткой называют воду с высоким содержанием растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом катионов кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Характерными признаками такой воды являются плохое пенообразование при использовании мыла и образование твёрдого осадка (накипи) на нагревательных элементах бытовых приборов и в трубах при кипячении. Воду с низким содержанием этих солей называют мягкой.

Ответ: Жёсткой называют воду, содержащую значительное количество растворённых солей кальция и магния.

Какова химическая природа жёсткости воды?

Химическая природа жёсткости обусловлена присутствием в воде растворённых солей, диссоциирующих с образованием катионов кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). В зависимости от типа анионов, с которыми связаны эти катионы, различают два вида жёсткости.

Временная (карбонатная) жёсткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния ($Ca(HCO_3)_2$ и $Mg(HCO_3)_2$). Она называется временной, так как её можно устранить кипячением. При нагревании растворимые гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых соединений, которые выпадают в осадок (накипь):
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$
Для магния реакция несколько сложнее, так как образующийся карбонат магния $MgCO_3$ в горячей воде гидролизуется до менее растворимого гидроксида магния $Mg(OH)_2$:
$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} Mg(OH)_2 \downarrow + 2CO_2 \uparrow$

Постоянная (некарбонатная) жёсткость обусловлена наличием сульфатов, хлоридов, нитратов и других солей кальция и магния (например, $CaSO_4, MgCl_2, Ca(NO_3)_2$). Этот вид жёсткости не устраняется кипячением.

Сумма временной и постоянной жёсткости составляет общую жёсткость воды.

При взаимодействии жёсткой воды с мылом (которое является натриевыми или калиевыми солями высших жирных кислот, например, стеаратом натрия $C_{17}H_{35}COONa$) образуются нерастворимые кальциевые и магниевые соли этих кислот. Это и есть причина плохого вспенивания и образования "мыльных шлаков":
$2C_{17}H_{35}COONa (растворим) + Ca^{2+} \rightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca \downarrow (нерастворим) + 2Na^+$

Ответ: Химическая природа жёсткости воды заключается в присутствии в ней растворённых солей кальция и магния. Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами, и постоянную (некарбонатную), обусловленную сульфатами, хлоридами и другими солями.

2. Какие виды жёсткости воды различают? Какова их химическая природа?

Жёсткость воды — это свойство, обусловленное наличием в ней растворенных солей щёлочноземельных металлов, главным образом кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Суммарную концентрацию этих ионов называют общей жёсткостью, которая подразделяется на два вида.

Временная (карбонатная) жёсткость

Химическая природа временной жёсткости связана с присутствием в воде гидрокарбонатов (бикарбонатов) кальция — $Ca(HCO_3)_2$ и магния — $Mg(HCO_3)_2$. Её называют «временной», так как от неё можно избавиться кипячением. При нагревании эти соли разлагаются, образуя нерастворимые соединения (накипь) и углекислый газ, что приводит к умягчению воды.

Процесс описывается следующими химическими уравнениями:
Разложение гидрокарбоната кальция с образованием нерастворимого карбоната кальция:
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$
Разложение гидрокарбоната магния, в результате которого обычно образуется не карбонат, а менее растворимый гидроксид магния:
$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} Mg(OH)_2 \downarrow + 2CO_2 \uparrow$

Ответ: Временная жёсткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется при кипячении.

Постоянная (некарбонатная) жёсткость

Химическая природа постоянной жёсткости обусловлена наличием в воде других солей кальция и магния, которые не разлагаются при кипячении. В основном это сульфаты ($CaSO_4$, $MgSO_4$) и хлориды ($CaCl_2$, $MgCl_2$), но могут присутствовать и нитраты, силикаты и фосфаты этих металлов.

Так как кипячение не устраняет этот вид жёсткости, её называют «постоянной». Для её удаления используют химические реагенты (например, кальцинированную соду $Na_2CO_3$), ионообменные смолы или метод обратного осмоса.

Пример реакции умягчения воды с помощью соды:
$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Ответ: Постоянная жёсткость вызвана присутствием сульфатов, хлоридов и других солей кальция и магния, которые не удаляются из воды при кипячении.

Общая жёсткость

Общая жёсткость является суммой временной и постоянной жёсткости. Она отражает общее содержание ионов кальция и магния в воде.

Формула для расчёта:
$Ж_{общая} = Ж_{временная} + Ж_{постоянная}$

Следовательно, химическая природа общей жёсткости — это совокупное присутствие в воде всех видов солей кальция и магния (гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов и др.).

Ответ: Общая жёсткость — это суммарный показатель содержания всех солей кальция и магния, равный сумме временной и постоянной жёсткости.

3. Как устраняют временную жёсткость воды, а как — постоянную?

Жёсткость воды обусловлена наличием в ней растворенных солей кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жёсткость.

Устранение временной жёсткости

Временная жёсткость вызвана присутствием гидрокарбонатов кальция $Ca(HCO_3)_2$ и магния $Mg(HCO_3)_2$. Её можно устранить следующими способами:

1. Кипячение. При нагревании гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых солей (карбоната кальция и гидроксида магния), которые выпадают в осадок (накипь), и углекислого газа. Этот метод эффективен в бытовых условиях.

Уравнения реакций:

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} Mg(OH)_2 \downarrow + 2CO_2 \uparrow$

2. Добавление гашёной извести (известкование). При добавлении гидроксида кальция $Ca(OH)_2$ гидрокарбонаты кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и выпадают в осадок. Этот метод используется в промышленных масштабах.

Уравнения реакций:

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

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

Ответ: Временную жёсткость устраняют кипячением или добавлением гашёной извести (известкованием).

Устранение постоянной жёсткости

Постоянная жёсткость обусловлена наличием сульфатов ($CaSO_4, MgSO_4$) и хлоридов ($CaCl_2, MgCl_2$) кальция и магния. Эти соли не удаляются кипячением, поэтому применяют химические методы.

1. Реагентные методы. Основаны на добавлении в воду веществ, которые образуют с ионами $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ нерастворимые соединения.

• Содовый метод: добавление карбоната натрия (кальцинированной соды) $Na_2CO_3$. Ионы кальция и магния осаждаются в виде нерастворимых карбонатов.

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

$MgSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow MgCO_3 \downarrow + Na_2SO_4$

• Фосфатный метод: добавление фосфатов натрия, например, ортофосфата натрия $Na_3PO_4$. Образуются очень малорастворимые фосфаты кальция и магния. Этот метод более дорогой, но очень эффективный.

$3CaSO_4 + 2Na_3PO_4 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 3Na_2SO_4$

$3MgCl_2 + 2Na_3PO_4 \rightarrow Mg_3(PO_4)_2 \downarrow + 6NaCl$

2. Ионообменный метод. Воду пропускают через специальные фильтры, заполненные ионообменными смолами (ионитами). Иониты поглощают из воды ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$, отдавая взамен "безвредные" ионы, чаще всего $Na^+$ или $H^+$. Это один из самых современных и эффективных способов умягчения воды, применяемый как в промышленности, так и в бытовых фильтрах.

Схематически процесс можно записать так (где $RNa$ – ионит в натриевой форме):

$2RNa + Ca^{2+} \rightarrow R_2Ca + 2Na^+$

$2RNa + Mg^{2+} \rightarrow R_2Mg + 2Na^+$

Ответ: Постоянную жёсткость устраняют реагентными методами (добавлением соды, фосфатов) или с помощью ионообменных смол.

4. Какой вред человеку наносит жёсткая вода?

Решение

Жёсткая вода – это вода с высоким содержанием растворённых солей минералов, в первую очередь солей кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Хотя умеренно жёсткая вода не считается опасной для питья, её постоянное использование в быту и для гигиены наносит человеку значительный вред, который можно разделить на две основные категории: вред для здоровья и бытовой/экономический вред.

1. Вред для здоровья

• Кожа и волосы. При контакте с мылом и шампунем ионы кальция и магния образуют нерастворимые соединения, так называемые "кальциевые мыла" или мыльный шлак. Этот осадок плохо смывается с кожи и волос.
  • Для кожи: Остатки мыльного шлака могут забивать поры, приводить к сухости, стянутости, шелушению и зуду. У людей с чувствительной кожей или склонностью к дерматологическим заболеваниям (например, экзема, дерматит) жёсткая вода может вызывать обострения.
  • Для волос: Жёсткая вода делает волосы тусклыми, сухими, ломкими и непослушными. На волосах остаётся минеральный налёт, который утяжеляет их и лишает блеска.
• Внутренние органы. Постоянное употребление очень жёсткой воды в качестве питьевой может создавать дополнительную нагрузку на организм. Хотя кальций и магний являются важными элементами, их избыток, поступающий с водой, может способствовать накоплению солей. Некоторые медицинские исследования указывают на возможную связь между длительным потреблением воды с высокой жёсткостью и повышенным риском развития мочекаменной болезни (образование камней в почках и мочевом пузыре). Также жёсткая вода часто имеет специфический привкус, который портит вкус напитков, таких как чай и кофе.

2. Бытовой и экономический вред

Этот вид вреда напрямую влияет на качество жизни и финансовое состояние человека.

• Образование накипи. При нагревании жёсткой воды соли кальция и магния выпадают в осадок, образуя твёрдый известковый налёт – накипь (в основном карбонат кальция, $CaCO_3$). Накипь образуется на нагревательных элементах бытовых приборов:
  • Снижение энергоэффективности: Накипь имеет низкую теплопроводность. Слой накипи на ТЭНе чайника, бойлера или стиральной машины действует как изолятор, заставляя прибор потреблять значительно больше электроэнергии для нагрева того же объёма воды. Это ведёт к увеличению счетов за коммунальные услуги.
  • Поломка бытовой техники: Накипь приводит к перегреву и преждевременному выходу из строя нагревательных элементов. Она может забивать узкие трубки и клапаны в стиральных и посудомоечных машинах, кофемашинах, что приводит к дорогостоящему ремонту или необходимости покупки новой техники.
• Проблемы со стиркой и уборкой.
  • Повышенный расход моющих средств: Ионы жёсткости вступают в реакцию с компонентами мыла, стиральных порошков и других моющих средств, нейтрализуя их действие. В результате для достижения чистоты и образования пены приходится использовать на 30-50% больше средства.
  • Снижение качества стирки и мытья: В результате реакции образуется мыльный шлак, который оседает на тканях, делая их жёсткими, колючими и сероватыми. На посуде, стекле и сантехнике после высыхания воды остаются белёсые разводы и пятна, которые требуют дополнительных усилий для удаления.

Ответ:

Жёсткая вода наносит человеку комплексный вред. Во-первых, она негативно сказывается на состоянии кожи и волос, вызывая сухость, раздражение, ломкость и тусклость. Длительное употребление очень жёсткой воды может быть связано с риском развития мочекаменной болезни. Во-вторых, она наносит значительный экономический и бытовой ущерб: из-за образования накипи увеличивается расход электроэнергии и преждевременно выходит из строя бытовая техника (чайники, бойлеры, стиральные машины); из-за плохой реакции с мылом увеличивается расход моющих средств, а качество стирки и уборки снижается, оставляя налёт на одежде и разводы на поверхностях.

5. Почему при устранении временной жёсткости воды следует избегать добавления избытка известкового молока?

Решение

Временная, или карбонатная, жёсткость воды вызвана присутствием в ней растворимых гидрокарбонатов кальция ($Ca(HCO_3)_2$) и магния ($Mg(HCO_3)_2$). Один из методов её устранения — известкование, то есть добавление известкового молока (суспензии гидроксида кальция $Ca(OH)_2$).

При добавлении строго необходимого (стехиометрического) количества известкового молока протекают реакции, в ходе которых ионы кальция и магния, обуславливающие жёсткость, переводятся в нерастворимые соединения и выпадают в осадок:

1. С гидрокарбонатом кальция:

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

2. С гидрокарбонатом магния (для полного осаждения магния в виде гидроксида $Mg(OH)_2$, который менее растворим, чем карбонат магния $MgCO_3$, требуется двойное количество щёлочи):

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

В результате этих реакций вода умягчается.

Однако, если добавить избыток известкового молока, возникает обратный эффект. Гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$) является умеренно растворимым в воде веществом. Избыточное количество $Ca(OH)_2$, не вступившее в реакцию, будет растворяться в воде, приводя к насыщению раствора ионами кальция ($Ca^{2+}$) и гидроксид-ионами ($OH^-$).

Это приводит к двум негативным последствиям:

• Повышается концентрация ионов $Ca^{2+}$ в воде, что вызывает её так называемую вторичную (или искусственную) жёсткость. Эта жёсткость является постоянной (некарбонатной), так как обусловлена не гидрокарбонатами, а гидроксидом кальция. Таким образом, вода снова становится жёсткой.
• Вода приобретает сильную щелочную реакцию из-за высокой концентрации гидроксид-ионов ($OH^-$), что делает её непригодной для многих бытовых и промышленных целей.

Следовательно, добавление избытка реагента не только не решает проблему, но и усугубляет её, заменяя временную жёсткость на постоянную и повышая щёлочность воды.

Ответ: Добавление избытка известкового молока ($Ca(OH)_2$) при устранении временной жёсткости воды следует избегать, потому что непрореагировавший гидроксид кальция растворяется в воде. Это приводит к появлению в воде ионов кальция ($Ca^{2+}$), что вызывает вторичную (постоянную) жёсткость, и к сильному повышению щёлочности воды. В итоге качество воды не улучшается, а ухудшается.

6. Что такое минеральная вода? Предложите потребительскую классификацию минеральных вод.

Что такое минеральная вода?

Минеральная вода — это природная вода, добываемая из подземных, защищенных от внешнего воздействия источников или скважин. Её ключевое отличие от обычной питьевой воды заключается в постоянстве и уникальности химического состава, а также в наличии определенного количества растворенных минеральных солей, макро- и микроэлементов. Часто минеральные воды содержат и биологически активные компоненты (например, йод, бром, бор), благодаря чему могут оказывать на организм человека физиологическое, в том числе лечебное, действие. Розлив минеральной воды производится непосредственно у источника, что позволяет сохранить её природные свойства.

Ответ: Минеральная вода — это добываемая из защищенных подземных источников природная вода, которая характеризуется стабильным и уникальным химическим составом с содержанием минеральных солей и микроэлементов, и может оказывать лечебное или профилактическое действие на организм.

Потребительская классификация минеральных вод

Для потребителя наиболее удобна классификация минеральных вод по нескольким ключевым признакам, которые обычно указываются на этикетке и помогают сделать правильный выбор в зависимости от цели употребления.

1. По общей минерализации (содержанию растворенных веществ)

Это основной показатель, который делит воду на группы по назначению:

• Столовая вода: общая минерализация не превышает $1$ г/л. Такую воду можно пить ежедневно без каких-либо ограничений для утоления жажды.
• Лечебно-столовая вода: общая минерализация составляет от $1$ до $10$ г/л. Эта вода обладает определённым лечебно-профилактическим эффектом, но её не рекомендуется употреблять в больших количествах постоянно без консультации с врачом.
• Лечебная вода: общая минерализация превышает $10$ г/л либо вода содержит высокую концентрацию специфических биологически активных элементов. Такую воду следует употреблять исключительно по назначению врача, курсами и в строгой дозировке.

2. По содержанию углекислого газа (газации)

Этот параметр влияет на вкус и отчасти на свойства воды:

• Негазированная (тихая вода): не содержит углекислого газа.
• Газированная: искусственно или естественно насыщена углекислым газом ($CO_2$). По степени насыщенности потребители выделяют слабо-, средне- и сильногазированную воду.

3. По преобладающему химическому (ионному) составу

Эта классификация важна для лечебно-столовых и лечебных вод, так как определяет их специфическое воздействие на организм:

• Гидрокарбонатные ($HCO_3^-$): снижают кислотность желудочного сока.
• Сульфатные ($SO_4^{2-}$): стимулируют моторику ЖКТ, обладают желчегонным действием.
• Хлоридные ($Cl^-$): стимулируют секреторную функцию желудка и обменные процессы.
• Магниевые ($Mg^{2+}$): благотворно влияют на нервную и сердечно-сосудистую системы.
• Кальциевые ($Ca^{2+}$): важны для костной ткани.
• Смешанные: сочетают свойства нескольких групп (например, гидрокарбонатно-натриевые, сульфатно-кальциевые).

Ответ: Потребительская классификация минеральных вод включает разделение по трём основным критериям: 1) по степени минерализации (столовая, лечебно-столовая, лечебная); 2) по содержанию газа (газированная, негазированная); 3) по основному ионному составу (гидрокарбонатная, сульфатная, хлоридная и др.), что в совокупности определяет назначение воды и рекомендации к её употреблению.

7. В образце жёсткой воды объёмом 1 л содержится 450 мг хлорида кальция. Какую массу кристаллической соды $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$ необходимо добавить к 250 л такой воды для устранения её постоянной жёсткости?

Дано:

$V_{воды\_образца} = 1 \text{ л}$
$m_{в\_образце}(CaCl_2) = 450 \text{ мг}$
$V_{воды\_общий} = 250 \text{ л}$

$1 \text{ л} = 10^{-3} \text{ м}^3$
$450 \text{ мг} = 0.45 \text{ г} = 4.5 \times 10^{-4} \text{ кг}$
$250 \text{ л} = 0.25 \text{ м}^3$

Найти:

$m(Na_2CO_3 \cdot 10H_2O) - ?$

Решение

Постоянная жёсткость воды в данном случае обусловлена наличием растворимой соли хлорида кальция ($CaCl_2$). Для её устранения используют кальцинированную соду ($Na_2CO_3$), которая осаждает ионы кальция в виде нерастворимого карбоната кальция ($CaCO_3$). В задаче используется кристаллическая сода ($Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$), которая при растворении в воде является источником карбоната натрия для реакции.

1. Запишем уравнение реакции, протекающей при умягчении воды:
$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

2. Рассчитаем массу хлорида кальция, содержащегося в 250 л жёсткой воды.
Сначала найдем массовую концентрацию $CaCl_2$ в воде:
$\rho(CaCl_2) = \frac{m_{в\_образце}(CaCl_2)}{V_{воды\_образца}} = \frac{450 \text{ мг}}{1 \text{ л}} = 450 \text{ мг/л} = 0.45 \text{ г/л}$
Теперь найдем общую массу $CaCl_2$ в 250 л воды:
$m_{общая}(CaCl_2) = \rho(CaCl_2) \times V_{воды\_общий} = 0.45 \text{ г/л} \times 250 \text{ л} = 112.5 \text{ г}$

3. Вычислим молярные массы реагентов. Для расчетов используем округленные значения относительных атомных масс: $Ar(Ca) = 40$, $Ar(Cl) = 35.5$, $Ar(Na) = 23$, $Ar(C) = 12$, $Ar(O) = 16$, $Ar(H) = 1$.
Молярная масса хлорида кальция:
$M(CaCl_2) = 40 + 2 \times 35.5 = 111 \text{ г/моль}$
Молярная масса кристаллической соды:
$M(Na_2CO_3 \cdot 10H_2O) = M(Na_2CO_3) + 10 \cdot M(H_2O) = (2 \times 23 + 12 + 3 \times 16) + 10 \times (2 \times 1 + 16) = 106 + 180 = 286 \text{ г/моль}$

4. Рассчитаем количество вещества (в молях) хлорида кальция, которое необходимо удалить:
$n(CaCl_2) = \frac{m_{общая}(CaCl_2)}{M(CaCl_2)} = \frac{112.5 \text{ г}}{111 \text{ г/моль}} \approx 1.0135 \text{ моль}$

5. Согласно уравнению реакции, стехиометрическое соотношение между хлоридом кальция и карбонатом натрия составляет 1:1.
$n(Na_2CO_3) = n(CaCl_2) \approx 1.0135 \text{ моль}$
Так как один моль кристаллогидрата $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$ содержит один моль безводного $Na_2CO_3$, то необходимое количество вещества кристаллической соды также равно:
$n(Na_2CO_3 \cdot 10H_2O) = n(Na_2CO_3) \approx 1.0135 \text{ моль}$

6. Найдем массу кристаллической соды, которую необходимо добавить в воду для полного устранения жёсткости:
$m(Na_2CO_3 \cdot 10H_2O) = n(Na_2CO_3 \cdot 10H_2O) \times M(Na_2CO_3 \cdot 10H_2O)$
$m(Na_2CO_3 \cdot 10H_2O) \approx 1.0135 \text{ моль} \times 286 \text{ г/моль} \approx 289.869 \text{ г}$
Округлив результат до десятых, получаем 289.9 г.

Ответ: необходимо добавить 289.9 г кристаллической соды $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$.

8. Какую массу соды (безводный карбонат натрия $ \text{Na}_2\text{CO}_3 $) необходимо добавить к 100 л природной воды, содержащей 610 мг/л катионов кальция, для её полного умягчения?

Дано:

Объем природной воды $V = 100$ л

Массовая концентрация катионов кальция $\gamma(Ca^{2+}) = 610$ мг/л

Перевод в СИ:

Массовая концентрация катионов кальция $\gamma(Ca^{2+}) = 610 \text{ мг/л} = 0,610 \text{ г/л}$

Найти:

Массу карбоната натрия $m(Na_2CO_3)$

Решение:

Умягчение воды, содержащей катионы кальция, с помощью соды (карбоната натрия $Na_2CO_3$) основано на реакции ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимый осадок карбоната кальция $CaCO_3$.

Запишем уравнение реакции:

$Ca^{2+} + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2Na^{+}$

1. Сначала рассчитаем общую массу катионов кальция $Ca^{2+}$, содержащихся в 100 литрах воды.

$m(Ca^{2+}) = \gamma(Ca^{2+}) \cdot V = 0,610 \text{ г/л} \cdot 100 \text{ л} = 61$ г

2. Теперь найдем количество вещества (моль) катионов кальция. Для этого используем молярную массу кальция, которая составляет $M(Ca) \approx 40$ г/моль.

$n(Ca^{2+}) = \frac{m(Ca^{2+})}{M(Ca)} = \frac{61 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 1,525$ моль

3. Из уравнения реакции следует, что для осаждения одного моля ионов $Ca^{2+}$ требуется один моль карбоната натрия $Na_2CO_3$. Таким образом, их количества вещества стехиометрически равны:

$n(Na_2CO_3) = n(Ca^{2+}) = 1,525$ моль

4. Рассчитаем молярную массу безводного карбоната натрия $Na_2CO_3$.

$M(Na_2CO_3) = 2 \cdot M(Na) + M(C) + 3 \cdot M(O) = 2 \cdot 23 + 12 + 3 \cdot 16 = 46 + 12 + 48 = 106$ г/моль

5. Наконец, определим массу карбоната натрия, которую необходимо добавить в воду.

$m(Na_2CO_3) = n(Na_2CO_3) \cdot M(Na_2CO_3) = 1,525 \text{ моль} \cdot 106 \text{ г/моль} = 161,65$ г

Ответ: для полного умягчения воды необходимо добавить 161,65 г соды ($Na_2CO_3$).

9. Предложите свой проект по экономии бытового потребления воды.

Решение

Проект по экономии бытового потребления воды можно назвать "Экономный дом". Он представляет собой комплексный подход, сочетающий технические, поведенческие и организационные меры для достижения значительного сокращения расхода воды в рамках одного домохозяйства.

Цель проекта: Снизить общее потребление воды в домохозяйстве на 25-40% в течение 6 месяцев, не снижая уровень бытового комфорта.

Задачи проекта:
1. Провести аудит текущего водопотребления для выявления основных точек перерасхода.
2. Модернизировать сантехническое оборудование для повышения его эффективности.
3. Сформировать и закрепить у членов семьи водосберегающие привычки.
4. Наладить систему мониторинга для отслеживания результатов и поддержания мотивации.

Этапы реализации проекта:

Этап 1: Аудит и планирование (1 неделя). На этом этапе необходимо зафиксировать начальные показания счетчиков воды и отслеживать их в течение недели для определения среднего расхода. Важно тщательно осмотреть всю сантехнику (краны, душ, сливной бачок унитаза) на предмет скрытых и явных утечек. Простая проверка утечки в унитазе: добавьте в бачок несколько капель пищевого красителя. Если через 15-20 минут краситель появится в чаше унитаза без смыва, значит, механизм слива негерметичен и требует ремонта. По итогам аудита составляется список проблемных зон и план действий.

Этап 2: Техническая модернизация (1-2 недели). Этот этап включает замену или дооснащение сантехники:
• Установка аэраторов-распылителей на все смесители. Эти недорогие устройства смешивают воду с воздухом, сокращая ее расход до 50% без потери интенсивности струи.
• Замена стандартной душевой лейки на экономичную, с ограничителем потока до 6-9 литров в минуту (стандартный расход — 15-20 л/мин).
• Установка унитаза с двухрежимной системой слива (например, 3 и 6 литров) или модернизация старого бачка путем помещения в него пластиковой бутылки с водой для уменьшения объема слива на 1-2 литра.
• Немедленное устранение всех обнаруженных протечек, так как даже капающий кран может привести к потере до 20-30 литров воды в сутки.

Этап 3: Внедрение полезных привычек (постоянно). Это ключевой этап, требующий вовлеченности всех членов семьи. Основные правила экономии:
• Закрывать кран во время чистки зубов, бритья или намыливания посуды. За 2 минуты чистки зубов с открытым краном утекает до 20 литров воды.
• Отдавать предпочтение душу, а не ванне. Пятиминутный душ расходует около 50-70 литров воды, в то время как на наполнение ванны уходит 150-200 литров.
• Максимально полно загружать посудомоечную и стиральную машины. Одна полная загрузка расходует меньше воды, чем две неполные.
• Повторно использовать воду там, где это возможно: вода после мытья овощей и фруктов отлично подходит для полива комнатных растений.

Этап 4: Мониторинг и мотивация (постоянно). Необходимо еженедельно снимать показания счетчиков и вести учет расхода, например, в виде простого графика. Это наглядно демонстрирует эффект от приложенных усилий. Сэкономленные на оплате коммунальных услуг средства можно направлять на общие семейные цели (например, поход в кино, покупка настольной игры), что станет дополнительной мотивацией.

Ожидаемые результаты:

В результате реализации проекта ожидается не только сокращение потребления воды на 25-40% и соответствующее уменьшение коммунальных платежей, но и формирование экологически ответственного поведения, которое станет полезной привычкой для всей семьи и вкладом в сохранение ценных природных ресурсов.

Ответ:

Предлагается комплексный проект "Экономный дом" по сокращению бытового потребления воды, включающий четыре основных направления: 1) аудит текущего расхода и устранение утечек; 2) техническая модернизация (установка аэраторов, экономичных душевых леек, унитазов с двойным сливом); 3) формирование водосберегающих привычек (выключать воду во время гигиенических процедур, принимать душ вместо ванны, полностью загружать бытовую технику); 4) регулярный мониторинг расхода по счетчикам. Ожидаемый эффект — снижение потребления воды на 25-40%, экономия семейного бюджета и воспитание экологической культуры.

Практическая работа 6

ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ И СПОСОБЫ ЕЁ УСТРАНЕНИЯ

1. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой и проверьте прибор на герметичность.

2. В прибор для получения газов внесите 2—3 небольших кусочка мрамора. Закрепите прибор в лапке штатива. В воронку налейте немного соляной кислоты, чтобы она покрывала кусочки мрамора. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах.

3. Газоотводную трубку прибора опустите в пробирку с прозрачной известковой водой. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах.

4. Продолжайте пропускание углекислого газа до получения прозрачного раствора. Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах.

Полученную жёсткую воду разделите на три пробирки.

5. К содержимому первой пробирки добавьте немного раствора мыла, закройте её пробкой и сильно встряхните. Что наблюдаете? Почему?

6. Вторую пробирку зажмите в пробиркодержателе и нагрейте на пламени спиртовки до кипения жидкости. Объясните наблюдаемое явление.

7. К содержимому третьей пробирки добавьте раствор соды. Что наблюдаете?

8. В пробирку прилейте 1—2 мл раствора хлорида кальция. Вставьте пробирку в пробиркодержатель и нагрейте содержимое пробирки. Наблюдаете ли вы какие-нибудь изменения, свидетельствующие о протекании химической реакции? Почему?

9. Установите пробирку в штатив и добавьте к содержимому 1—2 мл раствора карбоната натрия. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах. Оформите отчёт о работе.

В прибор для получения газов внесите 2–3 небольших кусочка мрамора. Закрепите прибор в лапке штатива. В воронку налейте немного соляной кислоты, чтобы она покрывала кусочки мрамора. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах.

При добавлении соляной кислоты к мрамору (карбонату кальция) наблюдается бурная реакция с выделением бесцветного газа без запаха (шипение). Мрамор постепенно растворяется. Выделяющийся газ – углекислый газ ($CO_2$).

Уравнения реакции:

Молекулярное уравнение:

$CaCO_3(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow CaCl_2(р-р) + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$

Полное ионное уравнение:

$CaCO_3(тв) + 2H^+(р-р) + 2Cl^-(р-р) \rightarrow Ca^{2+}(р-р) + 2Cl^-(р-р) + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$

Сокращённое ионное уравнение:

$CaCO_3(тв) + 2H^+(р-р) \rightarrow Ca^{2+}(р-р) + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$

Ответ: Наблюдается выделение углекислого газа в результате реакции соляной кислоты с карбонатом кальция.

3. Газоотводную трубку прибора опустите в пробирку с прозрачной известковой водой. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах.

При пропускании углекислого газа через прозрачный раствор известковой воды (гидроксид кальция, $Ca(OH)_2$) наблюдается помутнение раствора из-за образования белого осадка нерастворимого карбоната кальция.

Уравнения реакции:

Молекулярное уравнение:

$CO_2(г) + Ca(OH)_2(р-р) \rightarrow CaCO_3(осадок)\downarrow + H_2O(ж)$

Полное ионное уравнение:

$CO_2(г) + Ca^{2+}(р-р) + 2OH^-(р-р) \rightarrow CaCO_3(осадок)\downarrow + H_2O(ж)$

Сокращённое ионное уравнение совпадает с полным.

Ответ: Прозрачный раствор мутнеет из-за образования нерастворимого карбоната кальция.

4. Продолжайте пропускание углекислого газа до получения прозрачного раствора. Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах.

При дальнейшем пропускании избытка углекислого газа через мутный раствор осадок карбоната кальция растворяется, и раствор снова становится прозрачным. Это происходит потому, что нерастворимый карбонат кальция реагирует с угольной кислотой (образующейся при растворении $CO_2$ в воде) с образованием растворимого гидрокарбоната кальция $Ca(HCO_3)_2$. Полученный раствор представляет собой модель воды с временной (карбонатной) жёсткостью.

Уравнения реакции:

Молекулярное уравнение:

$CaCO_3(осадок) + H_2O(ж) + CO_2(г) \rightarrow Ca(HCO_3)_2(р-р)$

Ионное уравнение:

$CaCO_3(осадок) + H_2O(ж) + CO_2(г) \rightarrow Ca^{2+}(р-р) + 2HCO_3^-(р-р)$

Ответ: Осадок растворяется с образованием растворимого гидрокарбоната кальция, который обуславливает временную жёсткость воды.

5. К содержимому первой пробирки добавьте немного раствора мыла, закройте её пробкой и сильно встряхните. Что наблюдаете? Почему?

При добавлении мыльного раствора к полученной жёсткой воде и встряхивании практически не образуется пена. Вместо этого наблюдается образование белого творожистого осадка. Это происходит потому, что ионы кальция ($Ca^{2+}$), присутствующие в жёсткой воде, взаимодействуют с анионами высших жирных кислот, входящими в состав мыла (например, со стеаратом натрия $C_{17}H_{35}COONa$), образуя нерастворимые кальциевые соли (стеарат кальция). Мыло начнёт пениться только после того, как все ионы $Ca^{2+}$ будут осаждены.

Уравнение реакции в ионной форме:

$Ca^{2+}(р-р) + 2C_{17}H_{35}COO^-(р-р) \rightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca(осадок)\downarrow$

Ответ: Мыло не пенится в жёсткой воде, так как образуются нерастворимые соли кальция и высших жирных кислот.

6. Вторую пробирку зажмите в пробиркодержателе и нагрейте на пламени спиртовки до кипения жидкости. Объясните наблюдаемое явление.

При нагревании раствора до кипения он снова мутнеет, и на дно и стенки пробирки выпадает белый осадок (накипь). Это явление объясняется термическим разложением растворимого гидрокарбоната кальция. При кипячении он распадается на нерастворимый карбонат кальция, воду и углекислый газ, который улетучивается. Таким образом, кипячение устраняет временную (карбонатную) жёсткость.

Уравнение реакции:

$Ca(HCO_3)_2(р-р) \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3(осадок)\downarrow + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$

Ответ: Временная жёсткость устраняется кипячением, так как растворимые гидрокарбонаты разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов (накипи).

7. К содержимому третьей пробирки добавьте раствор соды. Что наблюдаете?

При добавлении к жёсткой воде раствора кальцинированной соды (карбоната натрия, $Na_2CO_3$) наблюдается образование белого осадка. Это химический способ умягчения воды. Ионы кальция ($Ca^{2+}$) из гидрокарбоната кальция реагируют с карбонат-ионами ($CO_3^{2-}$) из соды, образуя нерастворимый карбонат кальция.

Уравнение реакции:

$Ca(HCO_3)_2(р-р) + Na_2CO_3(р-р) \rightarrow CaCO_3(осадок)\downarrow + 2NaHCO_3(р-р)$

Сокращённое ионное уравнение:

$Ca^{2+}(р-р) + CO_3^{2-}(р-р) \rightarrow CaCO_3(осадок)\downarrow$

Ответ: Добавление соды вызывает осаждение ионов кальция в виде карбоната кальция, устраняя жёсткость воды.

8. В пробирку прилейте 1–2 мл раствора хлорида кальция. Вставьте пробирку в пробиркодержатель и нагрейте содержимое пробирки. Наблюдаете ли вы какие-нибудь изменения, свидетельствующие о протекании химической реакции? Почему?

При нагревании раствора хлорида кальция ($CaCl_2$), который является моделью воды с постоянной (некарбонатной) жёсткостью, никаких видимых изменений не происходит. Раствор остаётся прозрачным, осадок не образуется. Это происходит потому, что соли, вызывающие постоянную жёсткость (хлориды и сульфаты кальция и магния), являются термически устойчивыми и не разлагаются при кипячении. Следовательно, кипячением устранить постоянную жёсткость невозможно.

Ответ: Изменений нет, так как постоянная жёсткость, в отличие от временной, не устраняется кипячением.

9. Установите пробирку в штатив и добавьте к содержимому 1–2 мл раствора карбоната натрия. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах.

При добавлении раствора карбоната натрия ($Na_2CO_3$) к раствору хлорида кальция (вода с постоянной жёсткостью) немедленно выпадает белый осадок карбоната кальция. Этот метод позволяет устранить и постоянную жёсткость.

Уравнения реакции:

Молекулярное уравнение:

$CaCl_2(р-р) + Na_2CO_3(р-р) \rightarrow CaCO_3(осадок)\downarrow + 2NaCl(р-р)$

Полное ионное уравнение:

$Ca^{2+}(р-р) + 2Cl^-(р-р) + 2Na^+(р-р) + CO_3^{2-}(р-р) \rightarrow CaCO_3(осадок)\downarrow + 2Na^+(р-р) + 2Cl^-(р-р)$

Сокращённое ионное уравнение:

$Ca^{2+}(р-р) + CO_3^{2-}(р-р) \rightarrow CaCO_3(осадок)\downarrow$

Ответ: Постоянную жёсткость можно устранить химически, добавив соду, которая осаждает ионы кальция из раствора.