Федеральное агентство по образованию
Министерство образования Российской Федерации
Филиал Санкт-Петербургского государственного
инженерно-экономического университета
в г. Пскове
Кафедра математических и естественных наук
Курсовая работа
Дисциплина:
Теоретические основы прогрессивных технологий
Тема:
Жёсткость воды, её значение и методы её устранения
Псков
2007
Аннотация
Тема нашей курсовой работы затрагивает жёсткость воды, значение и методы её устранения. Мы рассмотрели особенности воды, её химические и физические свойства, дали определение жёсткости воды, описали все найденные способы устранения жёсткости, значение и последствия после её использования.
Таким образом, проведя маленькое исследование в рамках написания курсовой работы, можно понять, что жёсткая вода неблагоприятно воздействует не только на техническое и промышленное оборудование, но и на такие вещи как ткань, посуда, а также и на кожу человека и продукты питания.
Жёсткость воды – это наиболее распространённая проблема качества воды. В настоящее время для борьбы с жёсткой водой существуют и более современные способы, чем кипячение воды или вымораживание, например, установка фильтров-умягчителей. Они смягчают воду и в результате, она обладает лучшими вкусовыми качествами и более благоприятно воздействует на кожу человека.
Введение
В настоящее время всё большую актуальность приобретает проблема очистки, или правильнее сказать подготовки воды. Причём не только воды для питья и приготовления пищи, но и той, которая используется в быту - для стирки, мытья посуды и т.д. Существует проблема, общая как для загородных домов с автономной системой водоснабжения, так и для городских квартир. Имя этой проблемы - жёсткость воды. И если на качество питьевой воды жёсткость хоть и влияет, но не столь сильно, то для современной бытовой техники, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники необходимость борьбы с жесткостью крайне актуальна.
Глава 1
1.1 Вода. Особенности тепловых свойств воды
Вода – одно из самых уникальных и загадочных веществ на Земле. Природа этого вещества до конца ещё не понята. Внешне вода кажется достаточно простой, в связи с чем долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определённой пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen – от греч. hydrogenes), которое можно истолковать как «порождающий воду».
Дальнейшее исследование показали, что за незатейливой химической формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами.
Первая особенность воды: вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоёмкости от температуры имеет минимум.
Из-за того, что удельная теплоёмкость воды имеет минимум около 37ºС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36-38ºС.
Вторая особенность воды: теплоёмкость воды аномально высока. Чтобы нагреть определённое её количество на один градус, необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, - по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Из этого вытекает уникальная способность воды сохранять тепло.
Третья особенность: вода обладает высокой удельной теплотой плавления, т.е. воду очень трудно заморозить, а лёд – растопить. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок.
Имеются особенности и в поведении объёма воды. Плотность большинства веществ – жидкостей, кристаллов и газов – при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации. Плотность воды при охлаждении от 100 до 4ºС (точнее, до 3,98ºС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4ºС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Другими словами, максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4ºС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0ºС.
Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8% тогда как у большинства других веществ процесс кристаллизации сопровождается увеличением плотности. В связи с этим лёд (твёрдая вода) занимает больший объём, чем жидкая вода, и держится на её поверхности.
1.2 Физические свойства воды
Несмотря на свой, казалось бы, предельно простой химический состав, вода - одно из самых загадочных веществ на Земле. Достаточно упомянуть, что это единственное химическое вещество, которое существует в условиях нашей планеты одновременно в трёх агрегатных состояниях - газообразном, жидком и твердом.
Физические свойства воды своеобразны. Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой воды от давления: в области сравнительно низких давлений при температурах до 30ºС вязкость с ростом давления уменьшается. Вода – полярная, и жидкая вода, и лёд являются диэлектриками. Вода диамагнитна. Свойства воды зависят от её изотопного состава. Так, давление пара D2O при 20ºС на 13% ниже, чем пара Н2O.
Высокая диэлектрическая проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в воде многих веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с распространённостью воды обуславливают её широкое применение для многих технологических процессов.
1.3 Химические свойства воды
Вода – простейшее устойчивое химическое соединение водорода и кислорода (окись водорода - Н2O), одно из самых распространённых соединений в природе, играющее исключительно важную роль в процессах, происходящих на Земле.
Известно 3 изотопа водорода (1Н – протий; 2Н, или Д, - дейтерий; 3Н, или Т, - тритий) и 6 изотопов кислорода (14О, 15О, 16О, 17О, 18О, 19О), так что существует большое количество изотопных разновидностей молекул воды. Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с ядрами О и Н в вершинах.
Химически чистая вода состоит почти исключительно из молекул Н2O. Незначительная доля молекул (при 25ºС – примерно одна на 5·109) диссоциирует по схеме Н2O ↔ Н+ + ОН-. Протон Н+ в водной среде существовать в свободном состоянии не может и, взаимодействуя с молекулами воды, образует комплексы Н5 О2+. Хотя степень диссоциации в воде ничтожна, она играет большую роль в химических процессах, происходящих в различных системах, в том числе и биологических. В частности, она является причиной гидролиза солей слабых кислот и оснований и некоторых других реакций, протекающих в воде.
Вода взаимодействует со многими элементами и веществами. Так, при реакции воды с наиболее активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции со многими окислами образуются кислоты или основания. Вода гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и другие вещества.
Глава 2. Жёсткость воды и методы её устранения
2.1 Определение жёсткости воды
Природная вода обязательно содержит растворённые соли и газы (кислород, азот и др.). Присутствие в воде ионов Mg2+ и Са2+ и некоторых других, способных образовывать твёрдые осадки при взаимодействии с анионами жизненных органических кислот, входящих в состав различных мыл (например, со стеарат-ионом С17Н35СОО2-), обуславливает так называемую жёсткость воды.
Во всех просмотренных нами научных источниках, понятие жёсткости воды обычно связано с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жёсткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жёсткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством не обладают.
В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жёсткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются:
| Катионы | Анионы |
| Кальций (Са2+) | Гидрокарбонат(HCO3-) |
| Магний (Mg2+) | Сульфат(SO42-) |
| Стронций (Sr2+) | Хлорид(Cl-) |
| Железо(Fe2+) | Нитрат(NO3-) |
| Марганец (Mn2+) | Силикат(SiO32-) |
На практике стронций, железо и марганец оказывают на жёсткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al3+) и трёхвалентное железо (Fe3+) также влияют на жёсткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жёсткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва2+).
Чем выше концентрация указанных двухзарядовых катионов Mg2+ и Са2+ в воде, тем вода жёстче. Наличие в воде этих катионов приводит к тому, что при использовании, например при стирке, обычного мыла (но не синтетического моющего средства) часть его расходуется на образование с этими катионами нерастворимых в воде соединений так называемых жирных кислот (мыло представляет собой смесь натриевых и калиевых солей этих кислот):