Номер 3, страница 163 - гдз по химии 9 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Глава 7. Металлы. Параграф 45. Важнейшие соединения кальция. Жёсткость воды. Подумай, ответь, выполни... - номер 3, страница 163.

Условие.

3. Каковы основные способы устранения жёсткости воды? Напишите уравнения соответствующих реакций.

Решение.

Решение 2.

Жёсткость воды — это свойство, обусловленное наличием в ней растворённых солей кальция ($Ca^{2+}$) и магния ($Mg^{2+}$). Различают два вида жёсткости:

• Временная (карбонатная) жёсткость, вызванная гидрокарбонатами $Ca(HCO_3)_2$ и $Mg(HCO_3)_2$. Её можно устранить кипячением.
• Постоянная (некарбонатная) жёсткость, вызванная сульфатами, хлоридами и другими солями кальция и магния (например, $CaSO_4$, $MgCl_2$). Кипячением не устраняется.

Общая жёсткость является суммой временной и постоянной. Для умягчения воды (устранения жёсткости) применяют следующие основные способы.

1. Термический способ (кипячение)

Этот способ эффективен только для устранения временной жёсткости. При нагревании растворимые гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются, образуя нерастворимые соединения (накипь), которые выпадают в осадок.

Уравнения соответствующих реакций:

При кипячении гидрокарбонат кальция превращается в нерастворимый карбонат кальция:

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

Гидрокарбонат магния при кипячении образует нерастворимый гидроксид магния, так как образующийся карбонат магния гидролизуется в горячей воде:

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

2. Химические (реагентные) способы

Суть этих методов заключается в добавлении в воду специальных реагентов, которые связывают ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ в нерастворимые соединения, удаляемые затем фильтрованием или отстаиванием.

а) Известковый способ (устранение временной жёсткости)

Добавление гашёной извести (гидроксида кальция $Ca(OH)_2$) позволяет осадить ионы кальция и магния из гидрокарбонатов.

Уравнения реакций:

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

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

б) Содовый способ (устранение постоянной жёсткости)

Добавление кальцинированной соды (карбоната натрия $Na_2CO_3$) позволяет устранить постоянную жёсткость, переводя растворимые соли кальция и магния в нерастворимые карбонаты.

Уравнения реакций:

$CaSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + Na_2SO_4$

$MgCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow MgCO_3\downarrow + 2NaCl$

Для одновременного удаления временной и постоянной жёсткости используют содово-известковый метод.

в) Фосфатный способ (устранение общей жёсткости)

Использование фосфатов, например ортофосфата натрия $Na_3PO_4$ или полифосфатов, является очень эффективным методом, так как фосфаты кальция и магния обладают крайне низкой растворимостью.

Уравнения реакций в ионном виде:

$3Ca^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Ca_3(PO_4)_2\downarrow$

$3Mg^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Mg_3(PO_4)_2\downarrow$

3. Ионный обмен

Это современный и широко распространенный метод. Воду пропускают через колонку с ионообменной смолой (ионитом). Иониты — это твёрдые нерастворимые вещества, способные обменивать свои ионы на ионы из раствора. Для умягчения воды используют катиониты в натриевой форме ($Na-катионит$).

Уравнения реакций (где R — матрица ионита):

Ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ из воды замещают ионы $Na^{+}$ в ионите:

$Ca^{2+} + 2NaR \rightarrow CaR_2 + 2Na^{+}$

$Mg^{2+} + 2NaR \rightarrow MgR_2 + 2Na^{+}$

В результате вода обогащается ионами натрия, а ионы жёсткости остаются в фильтре. Истощённый ионит регенерируют, промывая его концентрированным раствором поваренной соли ($NaCl$).

4. Физические (мембранные) методы

К ним относятся обратный осмос и дистилляция. В первом случае воду под давлением продавливают через полупроницаемую мембрану, которая пропускает молекулы воды, но задерживает ионы солей. Во втором случае воду испаряют, а затем конденсируют пар, получая чистую воду без солей. Эти методы позволяют получить воду высокой степени очистки, но являются более дорогостоящими и/или энергозатратными. Химических уравнений для этих процессов нет.

Ответ:

• Термический (кипячение): устраняет временную жёсткость. Уравнение реакции: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow$.
• Химический (реагентный): добавление реагентов (извести, соды, фосфатов) для осаждения ионов $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$. Уравнения реакций: $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3\downarrow + 2H_2O$ (устранение временной жёсткости); $CaSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + Na_2SO_4$ (устранение постоянной жёсткости).
• Ионообменный: фильтрация воды через ионообменные смолы, которые заменяют ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ на ионы $Na^{+}$. Уравнение реакции: $Ca^{2+} + 2NaR \rightarrow CaR_2 + 2Na^{+}$ (где R - матрица ионита).
• Физические методы: обратный осмос и дистилляция, которые физически отделяют воду от растворённых солей.