Luyện tập Nước cứng và làm mềm nước cứng CD

Loại nước trên là nước cứng có tính cứng toàn phần. Bao gồm tính cứng tạm thời (gây ra bởi Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂) và tính cứng vĩnh cửu (gây nên bởi các muối sulfate, chloride của calcium và magnesium).

Nguyên tắc làm mềm nước cứng là làm giảm nồng độ ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước cứng bằng phương pháp hóa học hoặc phương pháp trao đổi ion.

Phản ứng: Na₂CO₃ + CaSO₄ → CaCO₃ + Na₂SO₄

Số mol Na₂SO₄ = số mol CaSO₄ = 6.10^–5 (mol)

Khối lượng Na₂CO₃ cần dùng là:

106 . 6.10^–5 gam = 636.10^–5 (gam) = 6,36 (mg)

Xét 1 lít nước cứng cần xử lí ta có: n_Ca²⁺ = 0,004 mol và n_Mg²⁺ = 0,003 mol.

Giả sử số mol Ca(OH)₂ cần dùng vừa đủ để xử lí 1 lít nước cứng là x (mol).

Khi đó ta có: n_Ca²⁺ = x + 0,004 mol; n_OH⁻ = 2x, n_Mg²⁺ = 0,03 mol

           Mg²⁺ + 2OH^- ⟶ Mg(OH)₂ ↓

mol: 0,003 ⟶ 0,006 

           HCO_3^– +  OH^–  ⟶  CO₃^2– + H₂O

mol:         (2x – 0,006) ⟶ (2x – 0,006)

            Ca²⁺   +     CO₃^2– ⟶ CaCO₃↓

mol: (x + 0,004) (2x – 0,006)

Lượng Ca(OH)₂ cần dùng vừa đủ:

n_Ca²⁺ = n_CO3²⁻ ⇒ x + 0,004 = 2x − 0,006 ⇒ x = 0,01 (mol) 

Ta có thể tích dung dịch Ca(OH)₂ cần dùng vừa đủ để xử lí 1 lít nước cứng là:

V₁ = = 0,5 lít.

Vậy thể tích dung dịch Ca(OH)₂ cần dùng vừa đủ để xử lí 1000 lít nước cứng là:

V = 0,5.1000 = 500 lít.

Gọi số mol Ca(OH)₂ cần dùng là x mol:

⇒ Trong dung dịch chứa x + 0,01 mol Ca²⁺ và 0,02 mol Mg²⁺.

⇒ Cần dùng (x + 0,03) mol CO₃^2– để kết tủa hoàn toàn ion Ca²⁺ và Mg²⁺.

             HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O

mol: x + 0,03 ← x + 0,03 ← x + 0,03

⇒ n_{OH^– cần dùng} = 2n_Ca(OH)2

⇒ x + 0,03 = 2x

⇒ x = 0,03 mol

(1) đúng.

(2) đúng.

(3) sai, dùng HCl thì không loại bỏ được ion Ca²⁺ và Mg²⁺.

(4) đúng.

- Nước cứng không gây ô nhiễm nguồn nước.

- Nước ngầm chảy qua các vùng đất có khoáng vật calcite, gypsum, apatite,... sẽ hòa tan nhiều hợp chất của calcium, magnesium và trở thành nước cứng.

- Nước cứng là nước chứa nhiều ion Ca²⁺ và Mg²⁺.

- Đun nóng chỉ làm mềm nước cứng có tính cứng tạm thời.

Ðể làm mềm nước cứng vĩnh cửu ta có thể dùng Na₃PO₄:

Ca²⁺ + PO₄^3– → Ca₃(PO₄)₂

Mg²⁺ + PO₄^3– → Mg₃(PO₄)₂

Có thể làm mềm nước cứng tạm thời là những chất hòa vào nước để kết hợp với ion Ca²⁺ , Mg²⁺ thành các chất kết tủa không tan trong nước.

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ + 2H₂O

Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + 2NaHCO₃

Cách nhận biết: Khi đun nóng thì nước mềm và nước cứng vĩnh cửu không hiện tượng (nhóm 1) , nước cứng tạm thời và nước cứng toàn phần tạo kết tủa (nhóm 2).

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O

Sau khi đun nóng thì nước cứng tạm thời chỉ còn H₂O, nước cứng toàn phần chỉ chứa Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–, SO₄^2–.

Cho dung dịch Na₂CO₃ vào dung dịch sau khi đun nóng của nhóm (1) thì nước mềm không hiện tượng, nước cứng vĩnh cửu tạo kết tuả. Khi cho Na₂CO₃ vào dung dịch sau khi đun nóng nhóm (2) thì nước cứng toàn phần tạo kết tủa.

Ca²⁺ + CO₃^2– → CaCO₃ 

Mg²⁺ + CO₃^2– → MgCO₃

Nước cứng gây ra nhiều tác hại trong đời sống và sản xuất:

- Ống dẫn nước, nồi hơi sử dụng nước cứng lâu ngày sẽ bị đóng cặn (thành phần chính là CaCO₃ và MgCO₃). Lớp cặn này làm giảm lưu lượng nước trong ống dẫn, làm hỏng thiết bị, làm tiêu hao thêm nhiên liệu khi đun nóng nồi hơi, thậm chí có thể gây ra nổi nồi hơi.

- Nước cứng làm giảm tác dụng của xà phòng, làm hại quần áo.

- Nước cứng làm giảm hương vị của trà khi pha và của thực phẩm khi nấu.

Đun nước cứng lâu ngày, trong ấm nước xuất hiện một lớp cặn. Thành phần chính của lớp cặn đó là CaCO₃.

Để độ cứng của nước là nhỏ nhất thì lượng Ca²⁺ và Mg²⁺ loại bỏ khỏi dung dịch càng nhiều càng tốt.

Khi đó các chất phản ứng vừa đủ theo các phản ứng sau:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → MgCO₃↓ + CaCO₃↓ + 2H₂O

Do đó: n_Ca(OH)2 = n_Ca²⁺ + n_Mg²⁺ ⇒ V.x = a + b

Để làm sạch lớp cặn trong các dụng cụ đun và chứa nước nóng, người ta dùng giấm để hòa tan các chất cặn (thường là CaCO₃) ⇒ Dùng acid yếu để hòa tan CaCO₃ nhưng không làm hư hại đến vật liệu làm ấm nước (do giấm ăn có tính acid).

       2HCO₃^– CO₃^2– + CO₂ + H2O

mol:     0,1   → 0,05

Mg²⁺ + CO₃^2– → MgCO₃↓

Ca²⁺ + CO₃^2– → CaCO₃↓

Vì lượng CO₃^2– không đủ để kết tủa hết ion Mg²⁺ hoặc Ca²⁺ nên trong dung dịch thu được sau phản ứng chứa Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, SO₄^2– đó là nước cứng vĩnh cửu.

n_Cl^– = 0,006 mol; n_HCO3^– = 0,01 mol

Bảo toàn điện tích → n_Ca²⁺ + n_Mg²⁺ = 0,008 (mol)

⇒ n_Na2CO3 = 0,008 ⇒ V_dd = = 0,,4 (l) = 40 (ml)

Phương pháp trao đổi ion làm giảm được cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

Có thể loại bỏ tính cứng tạm thời của nước bằng cách đun sôi vì các muối hydrogencarbonate của Mg và Ca bị phân hủy bởi nhiệt để tạo kết tủa.

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Mg(HCO₃)₂ MgCO₃ + CO₂ + H₂O