Вода. Жёсткость воды

Определение

Вода ($H_2O$) — простейшее и самое распространённое химическое соединение водорода с кислородом. Важнейший растворитель на Земле.

Строение молекулы воды

• Химическая формула: $H_2O$
• Молярная масса: $M_r = 18$ г/моль
• Молекула имеет угловую форму, валентный угол $\angle HOH = 104{,}5^\circ$
• Связь $O-H$ — ковалентная полярная
• Молекула воды — диполь (полярна): на атоме кислорода частичный отрицательный заряд ($\delta^-$), на атомах водорода — положительный ($\delta^+$)

Физические свойства воды

• Плотность: 1 г/см³ (при $4^\circ C$)
• Высокая удельная теплоёмкость ($4{,}18$ кДж/(кг·К))
• Высокое поверхностное натяжение
• Аномалия плотности: лёд легче жидкой воды (максимальная плотность при $+4^\circ C$)

Вода как растворитель

Вода — универсальный полярный растворитель. Хорошо растворяет ионные соединения и полярные вещества. Не растворяет неполярные вещества (жиры, масла).

Химические свойства воды

1. С активными металлами (щелочными и щелочноземельными): $2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$ $Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2 \uparrow$

2. С кислотными оксидами: $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

3. С основными оксидами: $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$ (гашение извести)

4. Электролиз: $2H_2O \xrightarrow{\text{эл. ток}} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Жёсткость воды

Жёсткость воды — свойство, обусловленное присутствием растворённых солей кальция и магния.

Временная (карбонатная) жёсткость — вызвана гидрокарбонатами $Ca(HCO_3)_2$ и $Mg(HCO_3)_2$. Устраняется кипячением: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + CO_2 \uparrow + H_2O$

Постоянная (некарбонатная) жёсткость — вызвана сульфатами и хлоридами ($CaSO_4$, $MgSO_4$, $CaCl_2$). Кипячением не устраняется.

Устранение жёсткости

1. Кипячение — устраняет только временную жёсткость.
2. Добавление соды ($Na_2CO_3$) — устраняет постоянную жёсткость: $CaSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + Na_2SO_4$
3. Добавление гашёной извести ($Ca(OH)_2$) — устраняет временную жёсткость: $Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3 \downarrow + 2H_2O$

Примеры

1. Расчёт массы соли при устранении жёсткости: Для удаления 13,6 г $CaSO_4$ из воды требуется: $M(CaSO_4) = 136$ г/моль, $n = 13{,}6 / 136 = 0{,}1$ моль По реакции: $CaSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 + Na_2SO_4$ $n(Na_2CO_3) = 0{,}1$ моль, $M(Na_2CO_3) = 106$ г/моль $m(Na_2CO_3) = 0{,}1 \cdot 106 = 10{,}6$ г

2. На 1 моль $Ca(HCO_3)_2$ требуется 1 моль $Ca(OH)_2$ для устранения временной жёсткости.