Гидролиз солей. Жесткость воды.
Химическое обменное взаимодействие ионов растворенной соли с водой, приводящее к образованию слабодиссоциирующих продуктов (молекул слабых кислот или оснований, анионов кислых или катионов основных солей) и сопровождающееся изменением рН среды, называется гидролизом.
Пример 1. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза солей: a) KCN, б) Nа2СО3, в) ZnSО4. Определите реакцию среды растворов этих солей.
Решение:
а) Цианид калия KCN — соль слабой одноосновной кислоты HCN и сильного основания КОН. При растворении в воде молекулы KCN полностью диссоциируют на катионы К+ и анионы CN-. Катионы К+ не могут связывать ионы ОН- воды, так как КОН — сильный электролит. Анионы CN- связывают ионы Н+ воды, образуя молекулы слабого электролита HCN. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:
CN- + НОН ↔ HCN + ОН-,
или в молекулярной форме:
KCN + H2O ↔ HCN + KOH
В результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионов ОН-, поэтому раствор KCN имеет щелочную реакцию (pH>7).
б) Карбонат натрия Na2CО3 — соль слабой многоосновной кислоты и сильного основания. В этом случае анионы СO32-, связывая водородные ионы воды, образуют анионы кислой соли НСO3- , а не молекулы Н2СО3, так как ионы НСO3- диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Н2СО3. В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по аниону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:
СO32- + НОН ↔ НСO3- + OН-,
или в молекулярном виде
Na2CO3 + H2O ↔ NaHCO3 + NaOH
В растворе появляется избыток ионов OН-, поэтому раствор Na2CO3 имеет щелочную реакцию (рН>7).
в) Сульфат цинка ZnSО4 — соль слабого многоосновного основания Zn(OH)2 и сильной кислоты H2SO4. В этом случае Zn2+ связывают гидроксидные ионы воды, образуя катионы основной соли ZnOH+. Образование молекул Zn(OH)2 не происходит, так как ионы ZnOH+ диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Zn(OH)2. В обычных условиях гидролиз идет по первой ступени. Соль гидролизуется по катиону. Ионно-молекулярное уравнение гидролиза:
Zn2+ + HOН ↔ ZnOH++ Н+,
или в молекулярном виде
2ZnSO4 + 2H2O ↔ (ZnOH)2SO4 + H2SO4
В растворе появляется избыток ионов водорода, поэтому раствор ZnSО4 имеет кислую реакцию (рН<7).
Общая жесткость воды выражается суммой миллиграмм-эквивалентов ионов Са2+ и Мg2+ (иногда Fe2+), содержащихся в 1 л воды (мг-экв/л). Один миллиграмм-эквивалент жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л Са2+ или 12,16 Мg2+.
Пример 2. Определение общей жесткости воды по количеству содержащихся в воде солей. Рассчитайте общую жесткость воды (в мг-экв/л), если в 0,25 л воды содержится 16,20 мг гидрокарбоната кальция, 2,92 мг гидрокарбоната магния,11,10 мг хлорида кальция и 9,50 мг хлорида магния.
Решение. Жесткость воды Ж выражается в миллиграмм-эквивалентах двухзарядных катионов металлов Са2+, Мg2+, Fe2+ и других или соответствующих им солей, содержащихся в 1 л
воды:
Ж = m1/(Э1·V ) + m2/(Э2·V ) + m3/(Э3·V ) + … ,
где m1, m2, m3 – содержание в воде двухзарядных катионов металлов (или соответствующих им солей), мг;
Э1, Э2, Э3 – эквиваленты катионов металлов (или соответствующих им солей);
V – объем воды, л.
Определяем эквивалентные массы солей, обусловливающих жесткость воды
Са(НСО3)2 Э = М/2 = 162,11/2 = 81,05 г/моль;
Mg(НСО3)2 Э = М/2 = 146,34/2 = 73,17 г/моль;
CaCl2 Э = М/2 = 110,99/2 = 55,49 г/моль;
MgCl2 Э = М/2 = 95,21/2 = 47,60 г/моль.
Общая жесткость данного образца воды равна сумме временной и постоянной жесткости и обусловливается содержанием в ней солей, придающих ей жесткость; она равна:
Жобщ = 16,20/(81,05·0,25) + 2,92/(73,17·0,25) + 11,10/(55,49·0,25) + 9,50/(47,60·0,25) = 0,80 + 0,16 + 0,80 + 0,80 = 2,56 мг-экв/л.
Пример 3. Сколько граммов CaSО4 содержится в 1 м3 воды, если ее жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 мг-экв/л?
Решение. Мольная масса CaSО4 136,14 г/моль; эквивалентная масса равна 136,14/2 = 68,07 г/моль. В 1 м3 воды жесткостью 4 мг-экв/л содержится 4·1000= 4000 мг-экв, или 4000·68,07=272280 мг = 272,280 г CaSО4.
Пример 4. Определение временной и постоянной жесткости воды по количеству реагентов, необходимых для устранения жесткости. Для устранения общей жесткости по известково-содовому методу к 50 л воды добавлено 7,4 г Ca(OH)2 и 5,3 г Na2CO3. Рассчитайте временную и постоянную жесткость воды.
Решение. Добавление к воде Ca(OH)2 может устранить временную жесткость, а добавление Na2CO3 – постоянную жесткость. При добавлении этих реагентов к воде происходят следующие химические реакции:
Me(HCO3)2 + Ca(OH)2 = MeCO3↓+ CaCO3↓+ 2H2O
Me(NO3)2 + Na2CO3 = MeCO3↓+ 2NaNO3
(Me2+: Ca2+, Mg2+, Fe2+ и др.)
Временная жесткость воды Жвр измеряется числом миллиграмм-эквивалентов гидроксида кальция, участвующего в реакции, а постоянная жесткость Жпост – числом миллиграмм-эквивалентов карбоната натрия:
Жвр = m(Ca(OH)2)/(Э(Ca(OH)2) ·V); Жпост = m(Na2CO3)/(Э(Na2CO3)·V);
Э(Ca(OH)2) = М/2 = 74,09/2 = 37,04 г/моль;
Э(Na2CO3) = М/2 = 106,00/2 = 53,00 г/моль;
Жвр = 7400/(37,04·50) = 4 мг-экв/л;
Жпост = 5300/(53,00·50) = 2 мг-экв/л.
Общая жесткость воды равна
Жобщ = Жвр + Жпост = 4 + 2 = 6 мг-экв/л (вода средней жесткости).