Определение жесткости воды различных источников методом титрования
творческая работа учащихся по биологии (8 класс) на тему

Определение жесткости воды различных источников методом титрования

        Работу выполнил

Кочкин Александр Алексеевич

                                                       ученик 8 класса

  МКОУ ООШ

 с. Николаево

            Фалёнского района

 Кировской области

    Руководитель:

       Докучаева Е. А.

           учитель биологии

с.Николаево 2015 г

Содержание

Введение .……………………………………………………………………….. - 3

1. Определение жесткости воды …………………………………………. - 4

1. Литературный обзор……………………………………………………….. - 4
2. Вода. Химический состав воды …………………………………………...– 4 - 6
3. Виды жесткости воды ……………………………………………………. .– 6 - 8
4. Влияние жесткости воды на бытовые приборы ……………………….. .- 8 - 10
5. Влияние жесткости воды на организм человека ………………………. – 10 - 12
6. Методы устранения жесткости воды ……………………………………. – 12 - 15

2. Экспериментальная база …………………………………………….... – 16 - 21
3. Выводы и рекомендации …………………………………………….. .– 22 - 23

Библиографический список …………………………………………………… - 24

Приложения

Введение

Жизнь людей без воды невозможно представить. Мы её пьём, а также применяем в других целях: стирка белья, приготовление пищи, промышленное производство и другие потребности. Каждый день кипятим  воду, чтобы попить чай. Я заметил, что в чайнике образуется накипь. У меня возникло желание узнать об этом факте как можно больше информации: влияние накипи на бытовые приборы, организм человека, способы её устранения.

В данном учебном году я начал изучать химию, поэтому мне легче проводить химические эксперименты.

Цель: изучение жесткости различных образцов воды.

Задачи:

1. Изучить литературу по данному вопросу.
2. Освоить метод химического анализа - титрование.
3. Определить жёсткость  воды из разных источников несколькими методиками.
4. Сделать выводы, предложить рекомендации.

Гипотеза: родниковая вода имеет меньшее значение жесткости по сравнению с водопроводной водой.

Объект исследования: вода из различных источников.

Предмет исследования: жесткость воды.

Актуальность работы заключается в том, что: каждый человек должен знать о том, является ли вода, которую он используют жесткой или нет. Жесткость воды влияет на здоровье человека. Излишне жесткая вода может быть причиной некоторых заболеваний, например: камней в почках, желчном пузыре, шелушение и сухость и др. кроме того, жесткость воды нужно учитывать при эксплуатации бытовых приборов (чайник, утюг, водонагреватель, отпариватель и т.д), систем отопления, так как она может быть причиной их поломки.

Практическая значимость работы заключается в том, что: зная жесткость воды, можно продлить время эксплуатации бытовых приборов, систем отопления, применяя различные смягчители, а также следить за своим здоровьем.  

Методы исследования:

1. Анализ литературы.
2. Химический эксперимент – титрование.
3. Наблюдение.
4. Сравнение.

1. Определение жесткости воды

1.1  Литературный обзор

1. Синюков В.В. Вода известная и неизвестная. М: Знание, 1987г. – данное издание содержит информацию о воде, как самом распространенном веществе на Земле, ее химическом составе.
2. Очкин А.В., Фадеев Г.Н.  Химия защищает природу. М: Просвещение, 1984г.; http://lib2.znate.ru/docs/index-347029.html - данные источники содержат сведения о влиянии жесткой воды на организм человека.
3. «Основы химического анализа», В.И. Астафуров, «Просвещение», 1997 – здесь была взята информация о видах жесткости воды.
4. https://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=5&ved=0CDgQFjAE&url=https%3A%2F%2Fwww.novsu.ru%2Ffile%2F985135&ei=2SHnVP2vG8X5yQP3sYKADA&usg=AFQjCNFQNrIoUTmP3YV0gpT2vEzPlZ9tnw&sig2=6ZZ_6UjfZiOKw2yjQJnFBg&bvm=bv.86475890,d.bGQ&cad=rjt – данный интернет ресурс содержит информацию о методах устранения жесткости воды, методику определения временной жесткости воды.
5. Лурье Ю. Ю., Аналитическая химия промышленных сточных вод. М., 1984. В. А. Гладков. – данное издание содержит информацию о влиянии жесткой воды на бытовые приборы.
6. Экология родного края. Киров, 1996 г. Под редакцией Т.Я.Ашихминой. – здесь находится методика определения жесткости воды спиртово-мыльным раствором.
7. http://www.magwater.ru/zhurnal-o-zhivoj- vode/zhestkaya_voda_kak_zawititsya_ot_nakipi/ ; http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-56169/- данные интернет-ресурсы содержат информацию о способах защиты бытовой техники накипи.
8. http://www.aqualover.ru/hydrochemistry/general-hardness-measuring-by-the-help-of-soup.html - здесь находится методика определения общей жесткости воды с помощью мыла

1.2 Вода. Химический состав воды.   

        Вода - одно из самых распространенных веществ в природе. Гидросфера занимает 71% поверхности Земли. Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов. Около 65% человеческого тела составляет вода. Она – обязательный компонент практически всех технологических процессов как промышленных, так и сельскохозяйственных. Вода особо необходима в производстве продуктов питания, в медицине, в химическом анализе. А какую красоту она нам подарила! Водопады, гейзеры, океаны, моря, реки - за это все мы должны благодарить воду. От воды зависит климат нашей планеты. Дождь, снег, град – все это вода. С древних времен она привлекает внимание людей. До конца XVIII в. воду считали самостоятельным элементом, и только А. Лавуазье в 1783 г, осуществив синтез воды из кислорода и водорода, показал, что она – сложное вещество.

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха. Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль). 

Вода содержит в себе большое количество химических веществ:                                                                                                                                                   

1. Карбонаты и гидрокарбонаты представляют собой компоненты, определяющие природную щелочность воды. Их содержание в воде обусловлено процессами растворения атмосферного СО2 , взаимодействия воды с находящимися в прилегающих грунтах известняками и, конечно, протекающими в воде жизненными процессами дыхания всех водных организмов.
2. Хлориды присутствуют практически во всех пресных поверхностях и грунтовых водах. Высокие концентрации хлоридов в  воде оказывает по отношению к металлам, пагубно влияют на рост растений, вызывают засоление почв.
3. Сульфаты - распространенные компоненты природных вод. Их присутствие в воде обусловлено растворением в воде некоторых минералов - природных сульфатов (гипс), а также переносом с дождями содержащихся в воздухе сульфатов.
4. Фтор в виде фторидов может содержаться в природных и грунтовых водах,  что  обусловлено  его  присутствием  в  составе  некоторых почвообразующих (материнских) пород и минералов. Этот элемент может добавляться в питьевую воду в целях профилактики заболеваний кариесом. Однако избыточное количество фтора оказывает вредное воздействие на человека, вызывает разрушение зубной эмали. Кроме того, избыток фтора в организме осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена. По этим причинам определение фтора в питьевой воде, также грунтовых водах и водоёмов хозяйственно-питьевого назначения, является очень важным.
5. Нитраты являются солями азотной кислоты и обычно присутствуют в воде. Их повышенное содержание в воде может служить индикатором загрязнения рек в результате распространения фекальных, либо химических загрязнений. Богатые нитратными водами сточные канавы ухудшают качество воды в реках, стимулируя массовое развитие водной растительности  рек.[1]

1.3 Виды жесткости воды

Важнейшим свойством природных вод является их жесткость. Жёсткость природных вод более всего обусловлена содержанием в них растворимых солей кальция и магния.

Если в воде находятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые соли жирных кислот, то в такой воде затрудняется образование пены при стирке белья или мытье рук, вследствие чего возникает ощущение жёсткости. Отсюда и возникло понятие "жёсткой" воды.

Разумеется, жёсткость воды могут вызывать не только ионы Ca2+ и Мg2+, но и катионы других металлов, однако в естественных водах из катионов, образующих нерастворимые мыла, в значительных количествах присутствуют только катионы кальция и магния. Эти ионы входят в состав гидрокарбонатов Са(НСО3)2, Mg(HCO3)2, сульфатов (СаSO4 и MgSO4) и хлоридов (СаСl2 и MgCl2). Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало.

Жёсткость, придаваемая воде гидрокарбонатами кальция и магния, называется карбонатной.  Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью.

        Жёсткость, обусловленная хлоридами и сульфатами этих металлов, называется постоянной жёсткостью, она кипячением не устраняется..

        Суммарная жёсткость воды носит название общей жесткости. Жесткость воды (степень жёсткости) принято выражать в ммллиэквивалентах ионов Са2+ и  Mg2+ в I л воды (мэкв/л). I мэкв/л соответствует содержанию в I л воды 20,04 мг кальция или 12,16 мг магния. В зависимости от содержания ионов Са2+ и  Mg2+   природные воды делятся на следующие группы:

Карбонатная жесткость, обусловленная присутствием ионов НСО3ˉ в воде, может быть устранено кипячением – и тогда в воде происходят следующие процессы:

Са(НСО3)2→СаCO3↓+ CO2↑+H20

Mg(HCO3)2→MgCO3↓+ CO2↑+H2O

Mg(HCO3)2→Mg(OH)2↓+2CO2↑

Но при этом важно помнить о великом значении кальции  и магния для растений и животных. Недостаток этих элементов в рационе задерживает рост, угнетает развитие корневой системы растений, листья покрываются коричневыми пятнами, а иногда отмирают. У животных недостаток кальция вызывает рахит, ослабление сердечной деятельности.

Кровь, обедненная кальцием, плохо сворачивается на воздухе. Поэтому соли кальция применяют в ветеринарии: хлорид и карбонат кальция дают животным при рахите, инфекционных заболеваниях; известковой водой лечат кожные заболевания; фосфаты кальция и магния вводят в рацион молодняка.

Ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3). [4]

1.4 Влияние жесткости на бытовые приборы

Жесткая вода несет проблемы. Оседая на стенках трубопровода, накипь вызывает коррозию и закупоривает его, снижая теплопроводность. 60% электроэнергии уходит на то, чтобы нагреть отложившуюся накипь. Теплопроводность извести в 20 раз меньше, чем стали. В результате образования известкового налета потери электроэнергии в системе центрального отопления могут составлять до 60%, а денежные затраты увеличиться до 30%. Чем толще слой накипи, тем выше затраты на электроэнергию. Слой накипи толщиной 1мм увеличивает сумму счетов за электроэнергию на 10%. Бытовая техника служит на четверть меньше срока. Средний срок службы посудомоечной машины составляет 12 лет, но из-за образования накипи он сокращается до 9 лет. Постоянная жесткость воды не устраняется кипячением или добавлением соды и извести и вызывается наличием сульфатов кальция и магния в основном.

 Присутствие в воде значительного количества солей Са и Мg делает воду непригодной для многих технических целей. Так при продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи; такая накипь уже при толщине слоя в 1 мм сильно понижает передачу теплоты стенками котла и, следовательно, ведет к увеличению расхода топлива. Кроме того она может служить причиной образования вздутий и трещин как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла. Жесткую воду нельзя использовать при крашении тканей. Из-за образования накипи бытовые приборы и установки ломаются на 30% чаще обычного.

В промышленности жёсткая вода приносит особенно большой вред. При работе паровых котлов в жёсткой воде, содержащей Са(НСOз)2, Мg(НСO3)2 или CaS04, на внутренней поверхности стенок котла образуется слой накипи, уменьшающий их теплопроводность и тем самым понижающий коэффициент полезного действия установки. Замедленная теплопередача через стенки котла приводит к их перегреву и вследствие этого к ускоренной коррозии (окислению кислородом воздуха). В результате прочность стенок котла постепенно понижается, что может привести к его взрыву.

        Образование осадка (накипи) при использовании воды, обладающей временной жёсткостью, связано с выпадением в осадок малорастворимых карбонатов - СаСO3 и MgCO3 . Если в воде присутствует сульфат кальция, то он выпадает в осадок из-за резкого понижения его растворимости при нагревании. Особенно прочная, но вместе с тем пористая, малотеплопроводная накипь образуется при одновременном содержании в воде гидрокарбонатов и сульфата кальция.

        Соли магния (МqCI2 и МgSO4) и СаС12, содержащиеся в воде, не приводят к образованию в котлах накипи, так как они хорошо растворимы в воде, но вызывают коррозию стенок и металлической арматуры. Эти соли как электролиты способствуют протеканию электрохимических процессов на поверхности стали и тем самым ускоряет процесс её коррозии под действием воды и кислорода. Кроме того, MgCI2 и МgSO4 как соли слабого основания и сильных кислот гидролизуются, повышая концентрацию.  

В строительной практике жёсткость воды должна учитываться, если гидротехническое сооружение или фундаментальные части зданий подвергаются действию грунтовых вод. Из солей, придающих воде жёсткость, вредное действие на бетон оказывают MgCI2, МgSO4 , СаSO4.  Первая соль вызывает так называемую магнезиальную коррозию бетона, вторая - сульфатно-магнезиальную, третья ― сульфатную коррозию бетона. На стальные строительные конструкции, находящиеся в воде, вредное действие оказывают все  соли, обусловливающие постоянную жёсткость. Причины ускорения коррозии стали те же, что и для паровых котлов.

        Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05—0.1 мг-экв/л). Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование «мыльных шлаков» в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах. Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью. [6]

  1.5 Влияние жесткости на организм человека.

Высокая жесткость придаёт воде горьковатый вкус и оказывает отрицательное действие на органы пищеварения.

В жесткой воде хуже развариваются продукты, в результате этого снижается усвояемость белков. Это связано с тем, что соли жесткости вступают в реакцию с животными белками.

Повышенная жесткость воды негативно сказывается на здоровье человека при умывании. Соли жесткости взаимодействуют с моющими веществами и образуют нерастворимые шлаки. Эти шлаки высыхают и остаются в виде микроскопической корки на кожном и волосяном покрове человека. Разрушается естественная жировая пленка кожного и волосяного покрова человека, забиваются поры, появляется сухость, шелушение, перхоть.

Признак повышенной жесткости воды – скрип чисто вымытой кожи и волос. Чувство повышенной мылкости, признак того, что защитная пленка на коже невредима, и жесткость воды небольшая.  При большой жесткости необходимо пользоваться лосьонами, увлажняющими кремами, чтобы создать искусственную защитную пленку для кожи и волос. Поэтому косметологи советуют умываться дождевой или талой водой.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л.

Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечнососудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

В жёсткой воде плохо развариваются продукты питания, так как катионы Ca2+ и Мg2+ с белками пищи образуют нерастворимые соединения. В такой воде плохо завариваются чай, кофе.

Постоянное употребление жёсткой воды может привести к расслаблению желудка и отложению солей в организме человека. В результате этого образуются камни в почках (мочекаменная болезнь). 

           Мягкая вода (дистиллированная вода),  т.е.  вода,  с ничтожно малыми примесями инородных веществ и минеральных солей, используется  в основном для медицинских или исследовательских целей  в различных лечебно-оздоровительных программах и процедурах для вывода из организма шлаков. [3]

Частое  употребление мягкой воды может привести к тому, что из организма начнут вымываться и полезные микроэлементы: кальций, магний, калий. Прежде всего, это опасно для костей, крепость которых зависит от наличия кальция и микроэлементов, обеспечивающих нормальную работу нашего организма. Например, в регионах, где вода отличается мягкостью, т.е. пониженным содержанием минеральных примесей, ученые отмечают рост числа сердечно-сосудистых заболеваний. Там же где вода более жесткая, ситуация с заболеваниями сердца обстоит гораздо лучше – подобные случаи регистрируются нечасто. Кроме того, жесткость воды оказывает влияние и на уровень заболеваний кариесом – чем больше минеральных веществ, тем реже обращения к стоматологам.

Также установлено, что в связи с низким уровнем минерализации мягкая  вода обладает неудовлетворительными органолептическими свойствами и оказывает неблагоприятное воздействие на водно-солевой обмен и функциональное состояние гипофиз-адреналиновой системы, регулирующей основные обменные процессы в организме.

Широкая доступность фильтров для улучшения свойств воды приводит к изменению баланса поступления в организм ионов Са²+ и Мg²+ . Агрессивная телевизионная реклама призывает  утолять жажду минеральной водой и заботиться о стиральных машинах с помощью «Калгона». Как может отразиться на здоровье человека изменение количества поступающих с пищей ионов Са²+ и Мg²+ ?

Здоровье населения находится в прямой зависимости от состава природных вод в источниках, из которых осуществляется регулярное водоснабжение данной территории. Природные воды должны содержать достаточное количество микроэлементов, участвующих в обменных процессах человека. Так недостаток  Са ²+ и Мg²+ влечет за собой увеличение числа смертельных исходов при кардиоваскулярных заболеваниях, увеличение тяжести рахита, остемаляцию, нарушение функционального состояния сердечной мышцы и процессов свертывания крови, а недостаток  Мg²+ внезапную сметь младенцев, увеличение тяжести течения и числа неблагоприятных исходов КВЗ, нейромускулярные и психиатрические симптомы, тахикардию и фибрилляцию сердечной мышцы, гипомагнезимию. Но в то же время, избыток Са²+ ведет к мочекаменной болезни, нарушению состояния водно-солевого обмена, раннему обызвествлению костей у детей, замедлению роста скелета, а избыток Мg²+ к возможности развития синдромов дыхательных параличей и сердечной блокады, желудочно-кишечного тракта. Повышенная жесткость воды негативно сказывается на здоровье человека при умывании. Соли жесткости взаимодействуют с моющими веществами и образуют нерастворимые шлаки, разрушающие естественную жировую пленку кожного и волосяного покрова человека, забивающие поры. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Однако не доказано, что и мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека. [2]

1.6 Методы устранения жесткости воды.

Существует несколько способов устранения жесткости воды.                                          Бытовые:                                              

1. Кипячение и вымораживание.
2. Фильтрование.
3. Добавление умягчителей.

Промышленные:

1. Добавление кальцинированной соды Na2CO3 .
2. Добавление гашеной извести Ca(OH) 2 .            

Кипячение и вымораживание.

Кипячение снижает общую жесткость на 30-40%. При нагревании жесткой воды образуется накипь - нерастворимые соединения кальция, магния и оксид железа(III).

Вымораживание снижает общую жесткость на 70-80%.

Фильтрование.

Фильтрование снижает общую жесткость до 80%. Внутри картриджа фильтра содержится смесь из активированного угля и катионообменники. Уголь адсорбирует вредные органические вещества и хлориды. Катионообменники снижают общую жесткость.

Добавление умягчителей.

Снижение общей жёсткости достигает 100%. Умягчители предназначены для снижения общей жёсткости воды в стиральных машинах. Воду нельзя использовать для приготовления пищи, нельзя пить.

Добавление Na2CO3  или Ca(OH) 2.

Кроме кипячения, устранить временную жесткость можно гашеной известью Ca(OH) 2 . 

Постоянную жесткость устраняют, обрабатывая воду раствором соды Na2CO3 .

Применяемые на практике методы устранения жёсткости природной воды условно можно разделить на химические и физические. В первом случае уменьшение жёсткости связано с добавлением к воде различных химических веществ (реагентные методы).         Физические методы понижения жёсткости воды основаны на использовании различного рода воздействия на воду (магнитное «электрическое поле, ультразвук и др.) и потому могут считаться безреагентными.

В самом общем виде химические методы устранения жёсткости воды основаны на химических реакциях, в результате которых катионы кальция и магния, придающие жёсткость воде, переводятся в нерастворимые соединения (осадок). Таких методов несколько.

Если вода обладает только временной жёсткостью, то для её устранения применяют известковый способ, т.е. обрабатывают воду известью Са(OН)2:

Са(НСО3)2 + Са(OН)2 = 2СаСO3   +  H2O

Mg(HCO3)2 + Са(ОН)2 = СаСO3 + MgCO3 + 2H2O

Так как ПР(MgCO3) больше, чем ПР(Mg(ОН)2), то окончательное удаление Mg2+ происходит не в виде карбоната, а в виде гидроксида:

MgCO3 + Са(ОН)2 = СаСO3 + Mg(ОН)2

Суммируя уравнения, относящиеся к гидрокарбонату магния, получим:

Mg(HCO3)2 +2Са(ОН)2 = 2СаСO3 + Mg(ОН)2 + 2H2O

Таким образом, при взаимодействии извести с гидрокарбонатами кальция и магния образуются осадки СаСO3 и Мg(OН)2.

        При этом способе недопустим избыток извести, который может привести к повышению жёсткости. Поэтому количество вводимой извести должно точно соответствовать результатам анализа воды на жёсткость.

        Для устранения как временной, так и постоянной жёсткости воды нередко применяют известково-содовый способ устранения жёсткости. Известь осаждает гидрокарбонаты кальция и магния, как указано выше, а сода - хлориды и сульфаты по реакциям:

           CaCI2 + Nа2CO3  =   CaCO3 + 2NaCI

СаSO4 + Nа2CO3  =   CaCO3 + Nа2SO4

MgCI2  + Nа2CO3  =   MgCO3 + 2NaCI

MgSO4 + O3 =   MgCO3 + Nа2SO4

MgCO3 также переосаждается   в виде Мg(OН)2

          Кроме указанных способов, основанных на добавлении к воде растворимых реактивов, широкое распространение получили способы устранения жёсткости, основанные на прохождении (фильтрации) воды через слой специальных веществ - ионообменных смол (ионитов).

        Иониты представляют собой твёрдые электролиты, у которых один ион является поливалентным и нерастворимым, а ионы противоположного знака могут обмениваться на ионы, находящиеся в водном растворе. При этом, если обмениваются катионы, иониты называются катионитами, при обмене анионов - анионитами, а сам метод носит название метода ионного обмена. Этот метод может быть использован как для умягчения воды, так и для её обессоливания (деионизации).

        Ионообменные свойства смолам придают имеющиеся в них активные группы. Для катионитов такими группами являются -   SO3H, -SiOOH, - COOН, - ОН; для анионитов -   - NH2, - NH2OH и другие. К ионитам относятся также и некоторые сложные неорганические соединения, в частности алюмосиликаты натрия (пермутиты).

Использование ионитов позволяет практически полностью удалить из воды растворенные в ней соли, являющиеся электролитами. Вода, прошедшая через такие ионообменники, близка к дистиллированной, но обходится в несколько раз дешевле воды, полученной перегонкой. [5]

Вывод: жесткость воды может быть временной и постоянной.  Жесткая вода одинаково вредна как организму человека, так и бытовым приборам. Смягчить жесткую воду для употребления в домашних условиях можно с помощью различных фильтров для воды  или кипячением, а также в ионообменниках.

2. Экспериментальная база.

Для определения жесткости воды были применены следующие методики исследования:

1. Определение жесткости воды методом титрования с помощью соляной кислоты (Приложение 1).
2. Определение жесткости воды методом титрования спиртово-мыльным раствором (Приложение 2).
3. Определение жесткости воды методом титрования мыльным раствором (Приложение 3)

Для эксперимента использовалась вода следующих источников:

1. водопроводная вода с.Николаево Фаленского района Кировской области (Приложение 4),
2. профильтрованная водопроводная вода с.Николаево  Фаленского района Кировской области (Приложение 5),
3.  родниковая вода д.Демаки Фаленского района Кировской области (Приложение 6),
4. родниковая вода д. Веселки Фаленского района Кировской области (Приложение 7),
5. водопроводная вода п. Фаленки – ул. Береговая (Приложение 8),
6. профильтрованная водопроводная вода п. Фаленки – ул. Береговая,
7. водопроводная вода п. Фаленки – ул. Коммунистическая (Приложение 9),
8. профильтрованная водопроводная вода п. Фаленки – ул. Коммунистическая,
9. бутилизированная вода «Живой дар» - вода минеральная питьевая – успенский собор Трифонова мужского монастыря (вода разливается из освященного источника) (Приложение 10)
10. бутилизированная минеральная вода п. Нижнеивкино –  № 2К (Приложение 11)

 Все опыты проведены в трех  повторностях. Использовался метод титрования (Приложение 12)

Получены следующие результаты.

2.1 Определение  временной жесткости воды с помощью соляной кислоты.

Для определения временной жёсткости воды с помощью данной методики взяли 0,1Н раствор соляной кислоты, раствор метилового оранжевого. Данная методика основана на изменении цвета индикатора от желтого до оранжево-розового (Приложение 13). Определяли объём израсходованной соляной кислоты на титрование. Результаты заносились в таблицу.

Выполнен расчёт значения жесткости для каждой пробы воды по нижеприведенной формуле:

                   Сн (HCl) · V сред (HCl)

Ж врем  = --------------------------------- · 1000

                           V (H2O)

I.Водопроводная вода с.Николаево -              

                           0,1 * 6.07

Ж  врем  = ---------------------- · 1000 = 6,07 ммоль экв/л

                              100

II.Профильтрованная водопроводная вода с.Николаево –

                         0,1 * 6,0

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 6,0 ммоль экв/л

                               100

III.Родниковая вода д. Демаки –

                         0,1 * 3,3

Ж  врем  = ------------------------- · 1000 = 3,3 ммоль экв/л

                             100

IV. Родниковая вода д. Веселки –

                         0,1 * 10,26

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 10,26 ммоль экв/л

                               100

V. Водопроводная вода п. Фаленки – ул. Береговая –

                         0,1 * 15,36

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 15,36 ммоль экв/л

                               100

VI. Профильтрованная водопроводная вода п. Фаленки – ул. Береговая –

                         0,1 * 14,53

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 14,53 ммоль экв/л

                               100

VII. Водопроводная вода п. Фаленки – ул. Коммунистическая –

                         0,1 * 4,76

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 4,76 ммоль экв/л

                               100

VIII. Профильтрованная водопроводная вода п. Фаленки - ул. Коммунистическая –

                         0,1 * 3,7

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 3,7 ммоль экв/л

                               100

IX. Бутилизированная вода «Живой дар» -

                         0,1 * 9,13

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 9,13 ммоль экв/л

                               100

X. Бутилизированная минеральная вода п. Нижнеивкино - №2К –

                         0,1 * 9,13

Ж  врем  = ----------------------- · 1000 = 10,7 ммоль экв/л

                               100

Вывод: самое низкое значение временной жесткости имеет проба № III - родниковая вода д. Демаки,  также небольшое значение временной жесткости имеет проба № VIII - водопроводная профильтрованная вода п. Фаленки на ул. Коммунистической. Самое высокое значение временной жесткости имеет проба № V -  водопроводная вода п. Фаленки на ул. Береговой. Профильтрованная вода имеет значение жесткости ниже, в сравнении с водопроводной. Следовательно, фильтр, пусть незначительно, но снижает жесткость воды.

2.2 Определение общей жесткости воды спиртово-мыльным раствором.

Для выполнения данного опыта был приготовлен эталонный раствор (Приложение 2, 14). В заранее заготовленную таблицу (Приложение 2) заносились результаты титрования.

На основании полученных данных построен график (калибровочная кривая), откладывая на оси абсцисс жесткость эталонных образцов титруемого раствора, на оси ординат – объем затраченного спиртово-мыльного раствора.

Калибровочная кривая

Каждый образец воды титровали 3 раза, находили среднее значение объёма мыльного раствора. Жесткость исследуемого раствора находили по графику на основании объема спиртово-мыльного раствора, затраченного на титрование.

Вывод: исследование общей жесткости воды по данной методике показывает, что разброс значений общей жесткости воды различных источников большой. Самое низкое значение имеет проба № VIII – 0,3 ммольэкв/л, самое высокое значение – проба № X – 8,25 ммольэкв/л. Не вся родниковая вода может иметь низкое значение жесткости.

3. Определение жесткости с помощью мыла.

Данная методика основана  на титровании пробы воды мыльным раствором

(Приложение 3, 15). Титрование проводилось одноразовым стерильным шприцем, объемом 10 мл, который был приобретен на ФАП с. Николаево. Результаты заносились в таблицу. Выводы о жесткости воды проводились по времени оседания пены – в жесткой воде пена оседает быстрее с образованием мыльных хлопьев.

Вывод: среднее время оседания пены больше у пробы № VIII. Значит эта вода имеет низкое значение  жесткости, проба № X не образует мыльной пены, следовательно вода жесткая.

Выводы:

1. Изучив литературу по данному вопросу, узнали, что жесткость воды может быть временной и постоянной.  Жесткая вода одинаково вредна как организму человека, так и бытовым приборам. Смягчить жесткую воду для употребления в домашних условиях можно с помощью различных фильтров для воды  или кипячением. В бытовые приборы можно добавлять смягчители или использовать специальные приборы для смягчения воды.
2. Для изучения жесткости использовано три методики. Исследовано 10 проб воды. Результаты каждой из них получились одинаковые – проба № VIII – имеет самое низкое значение жесткости, проба № X – самое высокое значение жесткости.
3. Гипотеза - родниковая вода имеет меньшее значение жесткости по сравнению с водопроводной водой – не подтвердилась. Не вся родниковая вода может иметь низкое значение жесткости, так как вода, будучи прекрасным растворителем, растворяет самые различные соли, проходя через водопроницаемые слои.
4. В ходе проведения эксперимента был отработан метод химического анализа – титрование.

Рекомендации: если при кипячении воды в чайнике остается накипь, значит вода жесткая. Такая вода вредна для организма человека. Поэтому воду следует смягчать. Для этого можно использовать различные фильтры и кипячение. Но при кипячении накипь остается на бытовом приборе. Его необходимо периодически очищать.

Чайник – от накипи прекрасно помогает лимонная кислота. Один пакетик лимонной кислоты высыпать в чайник, долить воды до необходимой метки, вскипятить и оставить на 10-15 минут. Вся накипь удаляется хорошо, но при условии, что её, накипи, было не большое количество . Если же накипи много, то процедуру нужно повторить несколько раз. Затем промыть чайник обычной водой. Лимонная кислота не оставляет никакого запаха, в отличие от уксусной кислоты, хорошо вымывается. Проводя такую процедуру один раз в неделю, чайник будет всегда оставаться чистым, без накипи и, значит, в наш организм не попадут лишние соли (Приложение 16).

Водонагреватель, системы отопления  – их защитить, а уж тем более очистить, от накипи очень сложно. Специалисты предлагают применять Магнитный Преобразователь Воды MWS (бытовой и производственный) , а также прибор Акващит [8] (Приложение 17). Магнитный Преобразователь Воды подходит и для систем отопления.

Утюг – в утюг не зальешь воду с кальцинированной содой, на белье могут остаться разводы. Но почистить утюг от накипи можно с помощью лимонной кислоты – 25 г лимонной кислоты развести в стакане теплой воды и залить в резервуар утюга, поставить регулятор температуры на максимум и нажатием на кнопку подачи пара провести очистку. После процедуры надо таким же способом очистить резервуар уже от лимонной кислоты. Для этого минимум два раза залейте и «выгоните» из резервуара чистую воду. Если сильно забились отверстия для выпуска пара, то раствор лимонной кислоты вводят в них с помощью шприца [9]. 
Отпариватели – в этих новомодных приборов должна быть встроена защита от накипи. Если этого нет, то необходимо использовать дистиллированную воду [9].

Библиографический список:

1. Вода известная и неизвестная. Синюков В.В.  - М: Знание, 1987г.
2.  Жесткая вода и ее влияние на организм человека. — [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://lib2.znate.ru/docs/index-347029.html .
3. Химия защищает природу. Очкин А.В., Фадеев Г.Н. -  М: Просвещение, 1984г.
4. «Основы химического анализа», В.И. Астафуров. – М: Просвещение, 1997
5. https://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=5&ved=0CDgQFjAE&url=https%3A%2F%2Fwww.novsu.ru%2Ffile%2F985135&ei=2SHnVP2vG8X5yQP3sYKADA&usg=AFQjCNFQNrIoUTmP3YV0gpT2vEzPlZ9tnw&sig2=6ZZ_6UjfZiOKw2yjQJnFBg&bvm=bv.86475890,d.bGQ&cad=rjt.
6. Аналитическая химия промышленных сточных вод. Лурье Ю. Ю., В. А. Гладков. -  М., 1984.
7. Экология родного края. Под редакцией Т.Я.Ашихминой., -  Киров, 1996 г.
8. http://www.magwater.ru/zhurnal-o-zhivoj- vode/zhestkaya_voda_kak_zawititsya_ot_nakipi/
9. http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-56169/
10. http://www.aqualover.ru/hydrochemistry/general-hardness-measuring-by-the-help-of-soup.html