3.10. Жесткость воды

Природная вода, содержащая ионы Ca²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺ и Fe²⁺, называется жесткой, причем жесткость воды обуславливается главным образом ионами Ca²⁺ и Mg²⁺. Жесткая вода при кипячении образует накипь, в ней не развариваются пищевые продукты; моющие средства не дают пены.

Карбонатная (временная) жесткость связана с присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, некарбонатная (постоянная) жесткость – хлоридов и сульфатов.

Общая жесткость воды рассматривается как сумма карбонатной и некарбонатной.

Удаление временной жесткости воды осуществляется путем осаждения из раствора ионов Ca²⁺ и Mg²⁺:

1) кипячением:

Сa(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂­ + H₂O;

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃↓ + CO₂­ + H₂O;

при кипячении соли разрушаются с образованием труднорастворимых карбонатов и ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ удаляются из раствора.

2) добавлением гидроксида кальция (известкового молока):

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O;

3) добавлением соды:

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓+ 2NaHCO₃.

Удаление постоянной жесткости воды кипячением невозможно, поскольку хлориды и сульфаты магния и кальция не разрушаются, её можно удалить при добавлении соды или фосфата натрия:

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + Na₂SO₄;

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + 2NaCl;

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂SO₄.

Для удаления общей жесткости воды используют ионообменную смолу:

1) катионный обмен:

2RH + Ca²⁺ R₂Ca + 2H⁺;

2) анионный обмен:

2ROH + SO₄^2- R₂SO₄ + 2OH^-

(где R – сложный органический радикал).

3.11. Обнаружение щелочно-земельных металлов

Щелочно-земельные металлы и их соединения можно обнаружить по характерной окраске пламени: кальций окрашивает пламя в кирпично-красный цвет; стронций – в карминово-красный; барий – в желто-зеленый (яблочный).

3.12. Применение бериллия, магния и щелочно-земельных металлов и их соединений

Бериллий и сплавы на его основе используются в самолето- и ракетостроении, ядерной энергетике и при производстве рентгеновских трубок.

Оксид бериллия применяется в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей и специальной керамики, входит в состав стеклообразующих смесей.

Магнийалюминевые сплавы (магналий, электрон) используются для изготовления деталей в самолето- и автомобилестроении.

Оксид магния применяется в сигнальных ракетах, в производстве магния, при производстве резины, для очистки нефтепродуктов, в производстве строительных и огнеупорных материалов, используется в медицине.

Горькая соль – гептагидрат сульфата магния – применяется в медицине.

Кальций служит восстановителей в металлотермии, раскислителем при выплавке стали.

Оксид и гидроксид кальция широко используются в строительстве, металлургии, при производстве стекла, сахара, бумаги и др.

Фторид кальция служит сырьем для получения плавиковой кислоты и фтора.

Стронций используется в качестве легирующей добавки при производстве сталей.

Оксид стронция применяется для поглощения рентгеновского излучения, стекла на его основе идут на производство кинескопов.

Барий используется в качестве газопоглотителя в вакуумных трубках.

Сульфат бария применяется в качестве белого пигмента, используется в медицине.

Примеры решения задач

Задача 1. Запишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: Ca Ca(OH)₂ Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ CaO Ca.

Решение:

При взаимодействии кальция с водой образуется гидроксид кальция и выделяется водород:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂.

При пропускании углекислого газа через раствор гидроксида калия образуется гидрокарбонат кальция:

Ca(OH)₂ + 2CO₂ = Ca(HCO₃)₂.

Карбонат кальция образуется при взаимодействии гидрокарбоната с гидроксидом кальция:

Ca(HСО₃)₂ + Cа(OН)₂ = 2CaCO₃ + 2H₂O.

В результате термического разложения карбоната кальция образуется оксид:

CaCO₃ = CaO + CO₂.

При алюмотермическом восстановлении оксида получится металлический кальций:

4CaO + 2Al = 3Ca + CaAl₂O₄.

Задача 2. Для растворения смеси оксида и карбоната магния потребовалось 400 мл 2 моль/л раствора соляной кислоты. В результате взаимодействия выделилось 6,72 л газа. Определите массы веществ в смеси.

Дано:

V (р-ра HCl) = 400 мл

C_M = 2 моль/л

V (газа) = 6,72 л

М (MgO) = 40 г/моль

М (MgСO₃) = 84 г/моль

Найти:

m (MgО)

m (MgCO₃)

Решение:

Запишем уравнения реакций взаимодействия компонентов смеси с соляной кислотой:

MgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O,                                                                      (1)

MgCO₃ + 2HCl = MgCl₂ + CO₂­ + H₂O.                                                     (2)

Газ выделяется только в реакции (2), при взаимодействии карбоната магния и кислоты. Вычислим количество образовавшегося газа и определим количество карбоната магния:

(моль),

по уравнению реакции (2) 1 моль газа образуется из 1 моль карбоната магния, следовательно, 0,3 моль газа образуется из 0,3 моль карбоната магния. Масса карбоната магния равна:

m (MgCO₃) = n · M = 0,3 · 84 = 25,2 (г).

Определить количество оксида магния в смеси можно, зная количество соляной кислоты, пошедшей на реакцию (1). Вычислим общее количество соляной кислоты. По определению молярной концентрации:

, тогда:

n (HCl) = C_M · V(р-ра) = 2 · 0,4 = 0,8 (моль).

По уравнению реакции (2) 1 моль карбоната магния соответствует 2 моль соляной кислоты, в смеси имеется 0,3 моль карбоната, следовательно, на его растворение израсходовано 0,6 моль кислоты. Оставшаяся кислота реагирует с оксидом магния. Вычислим количество кислоты, пошедшей на реакцию (1):

n₁ (HCl) = n (HCl) – n₂ (HCl) = 0,8 – 0,6 = 0,2 (моль),

то есть во взаимодействие с оксидом вступает 0,2 моль кислоты. По уравнению реакции (1) 1 моль оксида магния соответствует 2 моль кислоты, следовательно, 0,2 моль кислоты реагирует с 0,1 моль оксида. Масса оксида равна:

m (MgO) = n · M = 0,1 · 40 = 4 (г).

Ответ: m (MgО) = 4 г; m (MgCO₃) = 25,2 г.

Задачи для самостоятельного решения

1. Запишите уравнения реакций между бериллием и следующими веществами:

а) углеродом;

б) кислородом;

в) фторидом аммония;

г) раствором гидроксида натрия.

2. Запишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

Mg(OH)₂ Mg MgO MgCl₂ Mg(OH)₂ MgO.

Укажите условия протекания реакций.

3. Запишите уравнения реакций между следующими веществами:

а) магнием и раствором хлорида аммония;

б) хлоридом магния и гидрокарбонатом натрия;

в) оксидом кальция и соляной кислотой;

г) кальцием и водой.

4. Смесь магния и бериллия растворили в растворе гидроксида натрия, при этом выделилось 2,24 л газа (н. у.). Такую же массу смеси растворили в 200 мл соляной кислоты с молярной концентрацией 2 моль/л. Определите массы металлов в смеси.

Ответ: m(Mg) = 2,4 г; m(Be) =0,9 г .

5. При обжиге известняка массой 100 г выделилось 17,9 л газа (н. у.). Определите массовую долю карбоната кальция в известняке.

Ответ: w(CaCO₃) =0,8.