Методические указания к выполнению контрольных работ для студентов заочной формы обучения специальностей (стр. 7 из 14)

Примерами амфотерных электролитов могут служить как растворимые в воде (аминокислоты), так и нерастворимые (гидраты окислов некоторых элементов).

Для аминокислот и некоторых других органических электролитов причиной амфотерности является наличие, по крайней мере, двух различных функциональных групп, одна из которых проявляет кислотные свойства, а другая - основные.

Для гидратов окислов причина амфотерности другая. В их составе всегда можно выделить группировку:

Э-О-Н, 1.57

где Э – элемент, О - кислород, Н – водород.

В зависимости от соотношения энергий связи О-Н и О-Э, могут реализоваться три варианта:

1. энергия связи О –Н прочнее, чем для связи Э – О

2. энергия связи О –Н примерно такая же как и для связи Э –О

3. энергия связи О –Н слабее, чем для связи Э –О

В первом случае гидрат окисла является основанием, в третьем – кислотой, а во втором проявляет амфотерные свойства.

В начале любого периода всегда реализуется первый вариант, и все гидраты окислов являются типичными основаниями. В конце любого периода реализуется третий вариант, и все гидраты окислов являются типичными кислотами. Где-то ближе к середине периода ( в разных периодах это происходит по разному) реализуется второй вариант.

Для второго периода это происходит уже у Ве, в третьем – у Al, в четвертом – у Zn, Ga и Ge, в пятом у In и Sn, в шестом у Pb.

Однако существует и другая возможность, реализующаяся у переходных элементов. Для тех из них, которые могут реализовать несколько валентных состояний, в низших валентных состояниях реализуется первый вариант, а в высших, когда валентность элемента 5 и выше, реализуется третий вариант. В средних же валентных состояниях они проявляют амфотерные свойства. В первой вставной декаде амфотерные свойства проявляют Ti и V, в четырех валентном состоянии, Cr, в трех валентном состоянии, Mn, в четырех валентном состоянии. У элементов второй и третьей вставных декадах явного проявления амфотерных свойств не обнаружено.

Соответственно этому амфотерные гидроксиды в кислой среде выступают в качестве оснований, а в щелочной – кислот. Однако взаимодействие амфотерного гидроксида со щелочью дает разные продукты в зависимости от того, проводится ли реакция в растворе или путем сплавления (в твердом виде). Формы получающихся продуктов (анионы) приведены в таблице 4 в общем виде.

Табл. 4.

Формы анионов амфотерных гидроксидов при взаимодействии со щелочами.

Валентное	Форма существования аниона:
состояние элемента	в растворе	в твердом виде
Э(II)
Э(III)
Э(IV)		мета, орто

Пример 15. Напишите уравнения реакций взаимодействия Al(OH)₃ с растворами H₂SO₄ и NaOH в молекулярной и ионной форме.

РЕШЕНИЕ. Уравнения взаимодействия с серной кислотой имеют вид:

Взаимодействие с NaOH протекает так:

Жесткость природных вод

Природная вода всегда в той или иной степени минерализована. В природной воде всегда, в том или ином количестве, присутствуют следующие ионы:

, . Соли кальция и магния, содержащиеся в воде, придают ей жесткость.

Жесткой называется вода, при кипячении которой образуется осадок.

Жесткость измеряется в миллимольэквивалентах на литр (мМЭ/л) и обозначается Ж. Для выше приведенных ионов, величина миллимольэквивалента составляет 23 мг, 39,1 мг, 20,04 мг, 12,15 мг, 35,45 мг, 61,02 мг, 48,03 мг, соответственно. При оценке жесткости воды эти цифры можно округлить до целых, кроме иона хлора, для которого берется 35,5, и, соответственно, имеем 23, 39, 12, для иона хлора смотрите выше, 61, 48.

В природных водах жесткость обуславливают , в основном, катионы кальция и магния. Поэтому общая жесткость можно определить по выражению;

где:

и - концентрации ионов кальция и магния в мМЭ/л, соответственно

Ж – жесткость природной воды.

Эту жесткость называют общей и обозначают Ж_О.

Общая жесткость состоит из двух видов: жесткость карбонатная (временная) и жесткость некарбонатная (постоянная). Первую обозначают Ж_К, а вторую – Ж_НК.

Карбонатная жесткость связана с присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, а некарбонатная жесткость обусловлена наличием в воде солей сильных кислот этих катионов.

При кипячении жесткой воды гидрокарбонаты разлагаются по схемам:

Поэтому карбонатную жесткость и называют временной, а некарбонатную – постоянной, поскольку соли сильных кислот при кипячении не разлагаются.

С точки зрения опасности, наличие в воде ионов Mg²⁺ более опасно из-за их гидролиза, который усиливается при нагревании:

Появление в воде избытка ионов водорода может привести к разрушению технологического оборудования.

Концентрация гидрокарбонатов в природных водах оказывает влияние на жесткость. С этой точки зрения, природные воды можно разделить на два вида:

1.

≥ Ж_О =

2.

< Ж_О =

Для воды 1-го вида вся жесткость будет жесткостью карбонатной (Ж_К), а некарбонатная жесткость (Ж_НК) равна нулю и карбонатная жесткость меньше или равна концентрации ионов гидрокарбоната:

Ж_О = Ж_К, Ж_НК = 0,

≥ Ж_К.

Для воды 2-го вида общая жесткость раскладывается на два компонента: жесткость карбонатная (Ж_К) и жесткость некарбонатная (Ж_НК), карбонатная жесткость равна концентрации ионов гидрокарбоната, а некарбонатная жесткость находится по разности между общей жесткостью и карбонатной:

Ж_О = Ж_К + Ж_НК; Ж_К =

, Ж_НК = Ж_О - Ж_К

Способы устранения жесткости.

Процесс устранения жесткости получил название умягчение воды. для умягчения воды в народном хозяйстве, в основном, используются реагентные методы. Наиболее часто применяющиеся из них следующие:

1. Известковый метод. Сущность этого метода состоит в переводе катионов кальция и магния в трудно растворимые соединения с использованием извести. При этом протекают следующие реакции:

Как видно из написанных выше реакций этот метод устраняет только кальциевую карбонатную жесткость, а магниевую – переводит в кальциевую. Поэтому для устранения магниевой жесткости нужно добавлять избыток извести, чтобы связать образующуюся кальциевую жесткость из магниевой.

2. Содовый метод. Сущность этого метода состоит в переводе катионов кальция и магния в трудно растворимые соединения с использованием кальцинированной соды. При этом протекают следующие реакции, написанные в ионном виде:

В этом методе происходит устранение как карбонатной, так и некарбонатной жесткости, но он более дорогой, чем известковый. Поэтому на практике его применяют редко, а используют содово-известковый метод.

3. Содово-известковый метод. При его использовании для устранения некарбонатной жесткости в воду добавляется сода, а для устранения карбонатной – известь в избытке, необходимом для устранения магниевой составляющей карбонатной жесткости. Протекающие реакции приведены в методах, описанных выше.