Chimie Curs 4

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRA ŞOVCatedra de Chimie si Mediu

Apa. Duritatea apei. Dedurizarea şi demineralizarea apei

Curs 4

2

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA BRA ŞOV Chimie - Curs 4

Obiective

Explicarea intrebuintarilor apei pe baza proprietatilor fizice si chimice ale acesteia;

Efectuarea de calcule chimice referitoare la duritatea apei si interpretarea rezultatelor;

Identificarea metodelor de purificare a apei.

3


4


Stare naturala

Apa se găseşte în natură atât în stare lichidă cât şi în stare solidă şi gazoasă.

Din suprafaţa totală de 5,1.108 km2 a globului pământesc, 71% respectiv 3,62.108 km2 este acoperită de mări şi oceane.

5


Apa – caracterizareagenerala

Apa este substanţa chimică anorganică, formată din molecule obţinute prin combinarea a doi atomi de hidrogenşi un atom de oxigen.

! Determinati continutul procentual de hidrogen respectiv de oxigen

din apa.

? % H ? % O

6


O

H

H

H

H

HH

O

O

OH

H

H

HO

0.99

1.77104o45’

Structura moleculei de apa

(H2O)1…9

7


Apa – proprietati fizice

71,96 .10-3N.m-171,96 erg.cm-2Tensiune superficială, γγγγ (T= 25oC)

10-14Produs ionic, Pw (T=25oC)

6.10-6 Ω-1.m-16.10-8 Ω-1.cm-1Conductivitate, κκκκ (T=25oC)

1,3330Indice de refracţie, nD20 (T=20oC)

78,5Constantă dielectrică, εεεε (T=25oC)

1,84 DMoment de dipol

1,005.10-5 kg.m-1.s-11,005 cPViscozitate dinamică, ηηηη (T=20oC)

4182 J. kg-1K-11 cal.g-1grad-1Căldur ă specifică, cp

2442,8 kJ. kg-1583,3 kcal.kg-1Căldur ă de vaporizare, ∆∆∆∆Hov

1000 kg.m-31 g.cm-3Densitate, ρρρρ (T= 4oC)

Unităţi S.I.Unităţi tolerate

ValoareProprietate

8


P

T

O1atm

Tv0 =TfTt

0.

solid

lichid

vapori

C

Punct T[oC] P[bar] ρ [g · cm-3]Triplu (O) 0,01 0,0612 -Critic (C) 374,12 220,64 0,322De topire 0 1 0,9168 (s)

0,999841 (l)De fierbere 100 1 0,95835 (l)

Diagrama de faze a apei punctul triplu (O), în care coexistă cele trei

stări de agregare: S, L, V

punctul critic (C), peste care vaporii de apă nu mai pot fi condensaţi şi se transformă în gaze

temperatura normală de topireşi temperatura normală de vaporizare(temperatură de fierbere), determinate prin intersectarea izobarei de 1 atm cu diagrama de faze.

9


Proprietăţi chimice

Reactii fara modificarea starii de oxidare H2O + oxizi acizi→ acizi; ex: H2O+CO2 ↔ H2CO3

H2O + oxizi bazici→ hidroxizi; ex: H2O+Na2O=2NaOH

Reactii de hidroliza3H2O + AlCl3 ↔ Al(OH)3+ 3(H+ + Cl-) pH<72H2O + Na2CO3 ↔ 2(Na+ + HO-) + H2CO3 pH>72H2O + (NH4)CO3 ↔ 2 NH4OH + H2CO3 pH≅7

! Prin reactia apei cu o serie de poluanţi din aer (SO2, SO3, oxizi de azot) se formează acizi→ ploi acide.

! Nu hidrolizeaza sarurile care provin de la acizi tari si baze tari

10


Proprietăti chimice

Reactii fara modificarea starii de oxidare(cont.) Alte tipuri de reactii cu substante anorganice

2Ni + 2 H2O + O2 → 2Ni(OH)2 Reactii cu compusii organici – hidroliza esterilor

H2O + R-CO-O-R1↔R-COOH + R1-OH

! Hidroliza esterilor acizilor grasi cu glicerina→ saruri ale acizilorgrasi cu diferiti atomi de metale = sapunuri

11


Proprietăti chimice

Reactii cu modificarea starii de oxidare(REDOX) Reactii de oxidare – cu cedare de electroni

Reactii de reducere – cu acceptare de electroni

Substanta care se oxideaza prezinta caracter reducator

Substanta care se reduce prezinta caracter oxidant

Electroliza apei acidulate sau alcalinizate

222 2

1OHOH aelectroliz + →

12


Ho ← 1 e- + H+

Reducere, H2O are caracter oxidant

OII- - 2 e-→ Oo

Oxidare, H2O are caracter reducator

−+ II

OH 2

Reactii cu modificarea starii de oxidare (cont.)

HH22O + C = CO + HO + C = CO + H22

2H2H22O + 2Na = 2 O + 2Na = 2 NaOHNaOH + H+ H22

4H4H22O + 3 O + 3 FeFeinrositinrosit = Fe= Fe33OO44 + H+ H22

HH22O + Fe = O + Fe = FeOFeO + H+ H22

2H2H22O + Fe = Fe(OH)O + Fe = Fe(OH)22 + H+ H22

HH22O + C = CO + HO + C = CO + H22

2H2H22O + 2Na = 2 O + 2Na = 2 NaOHNaOH + H+ H22

4H4H22O + 3 O + 3 FeFeinrositinrosit = Fe= Fe33OO44 + H+ H22

HH22O + Fe = O + Fe = FeOFeO + H+ H22

2H2H22O + Fe = Fe(OH)O + Fe = Fe(OH)22 + H+ H22

HH22O + ClO + Cl22 = O + 2 = O + 2 HClHCl

HH22O + FO + F2 2 = O + 2 HF= O + 2 HF

OxigenulOxigenulatomic atomic rezultantrezultantesteestefoartefoartereactivreactivsisi poatepoatedistrugedistruge

microoganismelemicrooganismeledin din apaapa

13


Duritatea apei duritatea apei este imprimată de sărurile de calciu, de sărurile de

magneziu, respectiv de fier, dizolvate în apă, adică de prezenţa ionilor de Ca2+, deMg2+ si Fe2+ din apă

după comportarea acestor compuşi la încălzire, precum şi în funcţie de natura anionului sărurilor dizolvate, duritatea poate fi: duritate temporară (Dt), imprimată de carbonatul acid de calciu, Ca(HCO3)2,

de carbonatul acid de magneziu, Mg(HCO3)2, respectiv de carbonatul acid de fier;

duritate permanentă (Dp), imprimată de celelalte săruri de calciu şi de magneziu dizolvate în apă (fără carbonaţii acizi), ca de exemplu: cloruri, azotaţi, sulfaţi, etc.;

duritate totală (DT), suma celor două durităţi.

14


În funcţie de valoarea durităţii lor totale, apele se clasifică în:

DT [ oG] 0………4………8…………..12………………18…………30……

Ape: foarte moi moi slab dure mediu dure dure foarte dure

15


Duritatea apei

se exprimă în grade de duritate

Apa are un grad german de duritate dacă: în 100 mL apă dură

conţinutul de săruri solubile de calciu, magneziu si fier (II) este echivalent cu 1 mg CaO.

Apa are un grad francez de duritate dacă: în 100 mL apă dură

conţinutul de săruri solubile de calciu, magneziu si fier (II) este echivalent cu 1 mg CaCO3.

16


Tema 4

1. Duritatea temporară a unei ape care contine carbonat acid de calciueste egală cu 6 grade germane. Ce cantitate de Ca(HCO3)2 se găseste dizolvată în 100 de litri de apă dură ?

2. S-au dizolvat 0,475 g MgCl2 in 10 litri de apa. Ce tip de duritateprezinta apa? Care este valoarea duritatii?

17


Proprietatile apei dure

Apa dură nu face spumă cu săpunul ci formează cu acesta

precipitate, nu fierbe legumele şi prin şedere sau fierbere depune cruste de calcar pe pereţii vaselor:

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O

Dacă apa este utilizată ca agent termic, crustele depuse împiedică transmiterea căldurii, mărind consumul de combustibil necesar vaporizării.

Pentru a evita aceste fenomene apa se purifică prin dedurizare şi / sau demineralizare.

18


Purificarea apei Se realizeaza prin multe procedee in functie de destinatia ei finala

Apa potabilă

sedimentare- se îndepărtează impurităţile mecanice, etapă în care se adaugă şi substanţe chimice cu proprietăţi coagulante ca de exemplu Al2(SO4)3 care prin hidroliză se transformă în Al(OH)3, sub formă de gel ce înglobează o parte din impurităţi:

Al 2(SO4)3 + 6H2O 2 Al(OH)3 + 3H2SO4

filtrare - prin straturi de nisip din ce în ce mai fin sterilizare - cu diferiţi agenţi oxidanţi: ozon, hipoclorit de natriu, clor, radiaţii

ultraviolete.

19


Apa industrială - se purifică prin dedurizareşi demineralizare.

Dedurizareaeste operaţia de îndepărtare a ionilor de Ca2+, Mg2+ şi Fe2+ din apa dură. Operaţia se realizează prin precipitarea acestor ioni sau prin reţinerea lor pe

schimbători de ioni.

Duritatea temporară se poate îndepărta prin:a) fierberea apei dure:

Ca(HCO3)2.nH2O = CaCO3 + CO2 + (n+1) H2Ob) tratarea apei dure cu lapte de var:

Ca(HCO3)2.n H2O + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + (n+2) H2Oc) tratarea apei dure cu hidroxid de natriu:

Ca(HCO3)2.nH2O + 2NaOH = CaCO3 + Na2CO3 + (n+2) H2O

Purificarea apei

20


Duritatea totală se poate înlătura prin:

a) tratarea apei dure cu carbonat de natriu:

CaCl2.nH2O + Na2CO3 = CaCO3+ (nH2O + 2NaCl)

b) tratarea apei dure cu fosfat trisodic

3CaCl2.nH2O + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)3+ (3nH2O + 6NaCl)

c) trecerea apei dure peste schimbători de ioni.

Purificarea apei

21


Schimbătorii de ioni sunt substanţe macromoleculare naturale (zeoliţi), artificiale (permuti ţi) sau sintetice (răşini ) care au proprietatea de a schimba ionii lor cu ionii din soluţiile cu care intră în contact şi în care nu se dizolvă.

Zeoliţii se notează Z-Na, unde Z este un rest macromolecular; ei sunt silicaţi hidrataţi care conţin ioni de aluminiu şi ioni ai metalelor alcaline.

Permutiţii , se notează P-Na unde P este un rest macromolecular; sunt silicaţi dubli de aluminiu şi sodiu

Z-Na + (CaCl2 · n H2O) = Z2Ca + (n H2O + 2 NaCl)P-Na + (CaCl2 · n H2O) = P2Ca + (n H2O + 2 NaCl)

apă dedurizată

Purificarea apei

22


Răşinile sintetice, conţin un rest organic, R, care este un produs reticulat de copolimerizare, de tip stiren-divinilbenzen. Pe acesta se află grefate grupe active acide (carboxil, -COOH, sulfonice, -SO3H sau fenolice -OH) sau bazice (amine, -NH2, sau amine N-substituite).

Reacţiile care au loc la trecerea peste un cationit sinteticconduc la obţinerea de apă dedurizată, cu caracter acid:

R-COOH + (CaCl2.nH2O) = (R-COO)2Ca + (nH2O + 2HCl)2R-COOH + (Na2SO4.nH2O) = 2RCOONa + (nH2O + H2SO4)

23


Prin trecerea apei rezultate peste un anionit se obţine apă în care nu se mai găsesc nici un fel de ioni străini, numită apă demineralizată:

R-NH2 + (nH2O + HCl) = R-NH3]+Cl- + nH2O

Dacă se utilizează răşini schimbătoare de ioni, apa dură este trecută întâi

peste un cationit, apoi peste un anionit.

24


Schema procesului de demineralizare a apei cu schimbători de ioni

Apă dură care conţine ioni de Na+, Ca2+, Cl-, SO42-

H+, Cl-, SO42-

Apă deionizată(apă “demi”)

CC

C

C

C

C

C

OOH

OOH

OOH

CC

C

C

C

C

NH2

NH2

NH2

Apă dedurizată

cationitanionit

25


Pentru regenerarea schimbătorilor de ionise folosesc: soluţii concentrate de clorură de sodiu (saramură), soluţii concentrate de acizi (de obicei HCl 4n) soluţii concentrate de hidroxid de sodiu soluţii de concentraţii medii de carbonat de sodiu

P2Ca + 2NaCl = 2 P-Na + CaCl2

(R-COO)2Ca + 2HCl = 2R-COOH + CaCl2

2[R-NH3]+Cl- + Na2CO3 = 2R-NH2 + 2NaCl + CO2 + H2O[R-NH3]+Cl- + NaOH = R-NH2 + NaCl + H2O

26


Soluţia apoasă de apă oxigenată 30% se numeşte perhidrol.Sub denumirea de “apă” mai sunt cunoscute numeroase alte soluţii.Apa amoniacală este o soluţie apoasă de amoniac şi săruri de amoniu, obţinută ca subprodus la distilarea uscată a

cărbunilor.Apa de barită este o soluţie apoasă de hidroxid de bariu, utilizată pentru identificarea CO2.Apa de brom este o soluţie apoasă de brom. Are culoare brună, se utilizează ca oxidant şi ca antidot pentru hidrogen

sulfurat, H2S. Este utilizată şi în analiza chimică a compuşilor nesaturaţi.Apa celestă este o soluţie cu proprietăţi fungicide obţinută prin tratarea Cu(OH)2 cu amoniac, NH3. Se mai numeşte

zeamă cupru-amoniacală.Apa de clor este o soluţie apoasă de clor. Ea este un amestec de Cl2, HCl, HClO (acid hipocloros) format în reacţia

parţială a clorului cu apa:

Cl2 + H2O = HCl + HClO ; HClO = HCl + O

Se întrebuinţează ca decolorant şi ca dezinfectant.Apa de hidrogen sulfurat este o soluţie apoasă de hidrogen sulfurat. Se întrebuinţează în chimia analitică pentru

identificarea unor cationi şi se mai numeşte acid sulfhidric.

27


Apa de Javel este o soluţie apoasă de KClO – hipoclorit de potasiu. Se utilizează ca oxidant, ca decolorant şi ca dezinfectant întrucât se descompune cu formare de oxigen atomic:

KClO = O + KCl

Apa de Lebaraque este o soluţie apoasă de NaClO (hipoclorit de sodiu). Are aceleaşi utilizări ca şi apa de Javel. Comercial se numeşte hipoclor.

Apa de plumb este o soluţie apoasă de acetat de plumb. Are gust dulce şi este toxică. Se utilizează în medicină, la tratarea entorselor şi ca mordant în imprimeria textilă.

Apa regală este o soluţie apoasă care conţine un amestec de trei părţi acid clorhidric şi o parte acid azotic. Apa regală reacţionează cu metalele chiar şi cu aurul care este considerat “regele metalelor”:

Au + 3HCl + HNO3 = AuCl3 + NO + 2H2O

Apa tare este o soluţie apoasă concentrată (69%) de acid azotic. Tot sub această denumire se mai utilizează şi soluţia apoasă de acid clorhidric “stins” cu zinc. Ambele sorturi de apă tare se utilizează la decaparea metalelor.

28


Tema 4

Dintre substantele: KOH, NaOH, NaCl, KCl, Ca(HCO3)2, NaHCO3 si Al2(SO4)3 care imprima apei a) duritate temporara, b) duritate permanenta, c) nu imprima duritate?

In 28 de L de apa s-au dizolvat 2,375 g MgCl2. Ce tip de duritatea prezinta apa? Care este valoarea duritatiiexprimata in grade franceze si in grade germane?

In 10 L de apa se gasesc dizolvate: 0,8 g CaCl2, 2 g CaSO4si 4,2 g Ca(HCO3)2. Care este duritatea temporara, permanenta si totala a apei?

Chimie Curs 4

Documents

Transcript of Chimie Curs 4