Краткие теоретические сведения

Кальций и магний относятся к главным ионам природных вод всех типов. Помимо того, что эти элементы являются жизненно необходимыми для всех без исключения гидробионтов, они играют немаловажную роль в буферной системе вод (карбонатной системе) и в системе самоочистки вод от многих анионов (сульфатов, фосфатов и др.).

Наличие в воде солей кальция и магния предопределяет ее свойство, которое называют жесткостью. Хотя жесткость воды не влияет на здоровье людей, она является нежелательной по нескольким причинам. Твердая вода имеет низкие моющие свойства. В такой воде плохо развариваются пищевые продукты, изменяются их вкусовые качества. Твердая вода абсолютно непригодная для использования в технологических процессах, особенно в паросиловых установках и парогенераторах, поскольку это приведет к перерасходам энергии, быстрого снашивания и поломки агрегатов (твердая вода вредно (агрессивно) действует на металлические конструкции, трубопроводы, строительные материалы).

Различают карбонатную (временную) и некарбонатную (постоянную) жесткость воды. Общая жесткость состоит из карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной).

Карбонатная жесткость обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов (бикарбонатов) кальция и магния (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂) и ее называют временной, поскольку избавиться от нее можно с помощью кипячения:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

гидрокарбонат карбонат

кальция кальция

Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

гидрокарбонат карбонат

магния магния

Некарбонатная жесткость обусловлена наличием в воде кальциевых и магниевых солей серной, соляной, азотной, фосфорной и кремниевой кислот, которые и после кипячения остаются в воде. Такую жесткость называют постоянной. Кроме того, различают кальциевую и магниевую жесткости воды.

Существует несколько способов умягчения воды. Временную жесткость устраняют кипячением. Если же вода содержит большое количество гидрокарбонатов, то ее умягчают добавлением гашеной извести (Са(ОН)₂), которая переводит кислые соли (гидрокарбонаты) в средние (карбонаты):

Ca(HCO₃)₂ + Са(ОН)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Некарбонатную жесткость (постоянную), которая обусловлена наличием сульфатов и хлоридов кальция и магния (CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂), устраняют добавлением соды (Na₂CO₃) или гашеной извести (Са(ОН)₂). В этом случае выпадают в осадок все соли кальция и магния в виде карбоната кальция и гидроксида магния:

MgSO₄ + Са(ОН)₂ →Mg(ОН)₂ ↓ + CaSO₄

CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄

Вместо соды иногда используют ортофосфат натрия (Na₃PO₄) и полиметафосфат натрия (NaPO₃)₃. Ортофосфат осаждает ионы Са²⁺ и Mg²⁺, полиметафосфат образует с ними растворимые комплексные соединения, которые не образуют накипь.

Избавиться от жесткости можно также методом ионного обмена или катионированием. Для этого жесткую воду следует пропустить через шар катионита, который способен обменивать ионы Na⁺ или Н⁺ на Са²⁺ и Mg²⁺:

2R-Na + Me²⁺ ↔ (R)₂ Me + Na⁺

Эта реакция обратима, поэтому катионит легко поддается регенерации. Для этого через катионит достаточно пропустить концентрированный раствор NaCl, и его снова можно будет использовать. Иногда воду нужно очищать не только от катионов Са²⁺ и Mg²⁺, но и от других ионов. В этом случае более эффективно использовать органические иониты сначала в Н-форме, а потом в ОН-форме (Н - катиониты, ОН - аниониты). Во время прохождения воды через Н-катиониты и ОН-аниониты, она очищается от всех солей вообще, то есть, таким образом, ее можно превратить в дистиллированную. Такая обработка называется обессоливанием. Самая мягкая вода в природе – это дождевая и талая.

Жесткость воды выражают количеством миллиграмм-эквивалентов солей кальция и магния, растворенных в1л воды. Раньше жесткость выражали в градусах (1 мграмм-екв жесткости отвечает 2,8°).

По жесткости воду классифицируют таким образом.

Общую жесткость воды определяют комплексометрическим методом, который основан на свойстве трилона Б связывать ионы кальция и магния в комплексные соединения, оптимальным условием образования которых является рН = 8...10.

Формулу трилоиа Б можно изобразить Na₂H₂R, где H₂R²⁺ анион комплексона.

Таким образом, видно, что 1 моль комплексона (трилона Б) связывает 1 моль металла.

В качестве индикаторов при комплексонометрическом титровании применяют различные органические вещества, в основном красители, образующие комплексы с ионами определяемых металлов (металлоиндикаторы). Наибольшее распространение получили эриохром черный Т, кислотный хром темно-синий и мурексид.

Метод комплексонометрического титрования основан на способности металлоиндикаторов, - образовывать окрашенные комплексные соединения определяемого металла с индикатором. Образование комплекса определяемого метала, с металлоиндикатором, происходит до достижения точки эквивалентности, по мере достижения точки эквивалентности комплекс определяемого метала, с индикатором постепенно разрушается и образуется более прочный комплекс металла с титрантом (трилоном Б). Метод определения кальция в природных водах основан на их способности в щелочной среде образовывать с мурексидом комплексное соединение, окрашенное в оранжево-розовый цвет. При титровании раствором трилона Б происходят разрушение менее прочного комплекса металлиндикатора с кальцием и образование комплексоната кальция. В точке эквивалентности, когда выделяется индикатор в свободном виде, изменяется окраска раствора. В отсутствие ионов кальция цвет раствора мурексида при рН>10 лиловый. Определение кальция возможно при содержании его не менее 0,03 мг-экв/л.

Величины рК для кальция и магния близки, поэтому для раздельного их определения необходимо создать определенные условия или выводить один из ионов из сферы реакции. При анализе магния комплексонометрическим методом ион кальция, мешающий определению, осаждают в виде оксалата кальция:

Ca²⁺ + (NH₄)₂C₂O₄ => CaC₂O₄↓ + 2NH₄⁺

Содержание кальция можно найти по разности между общей жесткостью и содержанием магния.