Вода, минеральные воды, жесткость воды

В работе рассмотрены физические и химические свойства воды и ее применение. Внимание также уделяется природным водам и жесткости воды. ...

Введение
1. Вода и ее свойства
1.1. Вода в природе
1.2. Физические свойства воды
1.3. Химические свойства воды
1.4. Применение воды
2. Минеральные воды
2.1. Минеральные питьевые природные воды
2.2. Классификация питьевых минеральных вод
3. Жесткость воды и способы ее устранения
Список литературы

Нашу планету можно назвать водной или гидропланетой. Общий баланс воды в земной коре складывается из вод Мирового океана, ледников, озер и рек, вод атмосферы и литосферы (подземной гидросферы). Все это составляет около 1,8 млрд. км3 воды. Значительное количество соленые и минерализованные воды разных составов. Для глубинных зон земной коры характерны минеральные воды, т.е. воды, обладающие минерализацией свыше 1 г/л и содержащие в себе ряд химических компонентов.
В воде зародилась жизнь, вышла из нее, постепенно заселив сушу и воздух. Без воды немыслима жизнь на планете Земля, немыслима жизнедеятельность человека. Именно доступность и незаменимость воды обусловила ее широкое применение в быту, промышленности и сельском хозяйстве, медицине - во всех сферах человеческой деятельности.
В наст оящее 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.

Воду, молекулы которой содержат два атома тяжелого нуклида водорода дейтерия 2Н (D) и любой стабильный нуклид кислорода, т. е. воду состава 2Н2НО (D2О), называют «тяжелой» водой. Далее в этой статье будут обсуждаться свойства обычной воды.Если при 4 °С плотность воды 1 г/см3, то при 20 °С она равна 0,9971 г/см3. Из-за того что с повышением температуры от 0 до 4 °С водородные связи между молекулами воды, существующие в структуре льда, постепенно разрушаются, плотность воды при повышении температуры в этом интервале увеличивается (рис. 3). При повышении температуры выше 4 °С плотность воды постепенно уменьшаться. Наличие прочных водородных связей между молекулами в твердой форме воды – льду – обусловливает и то, что лед легче своего расплава — (плотность льда около 0,93 г/см3).Рис. 3. Изменение плотности воды в зависимости от температурыВода очень мало диссоциирована на ионы (константа диссоциации Кд воды на ионы при комнатной температуре приблизительно равна 1,8 * 10-16), поэтому чистая вода не проводит электрический ток, ее нельзя подвергнуть электролизу. При сильном нагревании (выше 2000 °С) вода начинает разлагаться на водород и кислород: t2Н2О → 2Н2 + О2В природе вода встречается в виде жидкости (океаны, моря, озера, реки), твердого вещества (снег и лед), в виде паров (в атмосфере). В форме соединений входит в состав многих минера лов, например кристаллогидратов CaSО4 * 2Н2О (гипс), КСl*MgCl2 * 6Н2O (карналлит).1.3. Химические свойстваПри комнатной температуре вода взаимодействует с щелочными и щелочноземельными металлами с образованием водорода Н2 и соответствующего гидроксида:2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑При взаимодействии нагретых паров воды с менее активными металлами образуются соответствующие оксиды и водород Н2: 3Fe + 4H2O →Fe3O4+ 4H2↑При контакте фтора с водой протекает реакция:2F2+2H2O → O2 + 4HFВ растворе газа хлора в воде (в так называемой хлорной воде) происходит обратимое взаимодействие:Сl2 + Н2О ↔ НСl + НОС1При высоких температурах протекает взаимодействие паров воды с углем:tC + H2O → CO + H2Полученную в результате протекания этой реакции смесь газов (так называемый «синтез-газ») используют дли производства многих органических веществ.Оксиды металлов (щелочных и щелочноземельных) при взаимодействии с водой образуют гидроксиды:CaO + H2O → Ca(OH)2а реакция с водой оксидов многих неметаллов приводит к образованию соответствующей кислоты:SO2 + H2O → H2SO3P2O5 + 3H2O → 2H3PO4Вода – полярный растворитель, она способна растворять многие вещества, особенно с ионным типом химической связи. Природная вода обязательно содержит растворенные соли, точнее говоря, ионы Na+, К+, Mg2+, Са2+, Fe2+ и Fe3+, Сl-, SO42-, НСО3- и некоторые другие. В питьевой воде содержание этих ионов составляет от нескольких миллиграмм в 1 л до нескольких десятков миллиграмм в 1 л. Больше всего в питьевой воде содержится ионов Са2+ и НСО3-, их присутствие обусловливает временную жесткость воды. В питьевой воде в небольших концентрациях присутствуют также анионы F-, I-, РО43-, NО3- и некоторые катионы (Cu2+, Zn2+ и др.).В морской воде содержание растворенных солей (главным образом хлориды, гидрокарбонаты и сульфаты натрия, калия, магния и кальция) превышает 20-25 г/л. Любая природная вода всегда содержит растворенные газы (кислород, азот и др.) и микроорганизмы.1.4. Применение водыВоду широко используют в химической практике (приготовление растворов кислот, щелочей, солей и проведение реакций), а также во многих производственных процессах (гидрометаллургия и т. д.) и в быту. В лабораторной практике во многих случаях применяют воду, очищенную от растворенных солей и газов перегонкой при кипячении (так называемую воду дистиллированную).2. Минеральные водыМинеральная вода – вода, содержащая в своем составе растворённые соли, микроэлементы, а также некоторые биологически активные компоненты. Среди минеральных вод выделяют минеральные природные питьевые воды, минеральные воды для наружного применения и другие. Остановимся лишь на рассмотрении минеральных природных питьевых вод.2.1. Минеральные природные питьевые водыМинеральные воды – сложные растворы, в которых вещества содержатся в виде ионов, недиссоциированных молекул, газов, коллоидных частиц. Минеральными природными питьевыми водами называются воды, добытые из водоносных горизонтов или водоносных комплексов, защищённых от антропогенного воздействия, сохраняющих естественный химический состав и относящиеся к пищевым продуктам, а при повышенной минерализации или при повышенном содержании определённых биологически активных компонентов оказывающие лечебно-профилактическое действие. Не считаются природными минеральными водами: смесь подземных вод из водоносных горизонтов с разными условиями формирования их гидрохимических типов или смесь подземных вод разных гидрохимических типов;смесь природной минеральной воды с питьевой водой или с искусственно минерализованной водой.Минеральная питьевая вода должна быть прозрачной бесцветной или с оттенками от желтоватого до зеленоватого цвета жидкостью, с вкусом и запахом, характерным для содержащихся в ней веществ. В минеральной воде возможен осадок содержащихся в ней минеральных солей. Критерии для отнесения вод к «минеральным» в той или иной степени отличаются у разных исследователей. Всех их объединяет происхождение: то есть минеральные воды — это воды, добытые или вынесенные на поверхность из земных недр. На государственном уровне, в ряде стран ЕС законодательно утверждены определенные критерии причисления вод к категории минеральных. В национальных нормативных актах относительно критериев минеральных вод нашли свое отображение гидрогеохимические особенности территорий, которые присущи для каждой страны.В России принято определение В. В. Иванова и Г. А. Невраева, данное в работе «Классификация подземных минеральных вод» (1964 г.). В соответствии с ГОСТ 13273-88, к минеральным питьевым водам относятся воды с общей минерализацией не менее 1 г/л или при меньшей минерализации, содержащие биологически активные микрокомпоненты в количестве не ниже бальнеологических норм.В США минеральной водой считается вода с общей минерализацией не менее 250 мг на дм³ при условии, что она происходит из подземного и физически защищённого источника, характеризующего постоянным уровнем и постоянной пропорцией концентрации компонентов и отсутствием минеральных искусственных добавок. 2.2. Классификация питьевых минеральных водВ зависимости от общей минерализации минеральные воды классифицируются на: пресные (минерализация до 1 г на дм³ включительно);слабоминерализованные (минерализация более 1 до 2 г на дм³ включительно);маломинерализованные (минерализация более 2 до 5 г на дм³ включительно);среднеминерализованные (более 5 до 10 г на дм³ включительно);высокоминерализованные (более 10 до 15 г на дм³ включительно).По химическому составу различается шесть классов минеральных вод: гидрокарбонатные, хлоридные, сульфатные, смешанные, биологически активные и газированные. Есть и другая трактовка этой классификации — по ионному составу: гидрокарбонатные (щелочные); сульфатные; хлоридные; магниевые; железистые и др.В зависимости от газового состава и наличия специфических компонентов минеральные воды делят на: углекислые, сульфидные (сероводородные), азотные, кремнистые (H2SiO3), бромистые, йодистые, железистые, мышьяковистые, радиоактивные (Rn) и др.Реакция воды (степень кислотности или щелочности, выражаемая величиной pH) имеет важное значение для оценки её лечебного действия. Кислые воды имеют pH = 3,5-6,8, нейтральные - 6,8-7,2, щелочные - 7,2-8,5 и выше.3. Жесткость природных вод и ее устранениеВвиду широкой распространенности кальция, соли его почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс несколько растворим в воде, однако, если вода содержит диоксид углерода, то карбонат кальция тоже может переходить в раствор в виде гидрокарбоната Са(НСО3)2.Природная вода, содержащая в растворе большое количество солей кальция и магния, называется жесткой водой в противоположность мягкой водe, содержащей мало солей кальция и магния или совсем не содержащей их.Суммарное содержание этих солей в воде называется ее общей жесткостью. Она подразделяется на карбонатную и некарбонатную жесткость. Первая из них обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния, вторая присутствием солей сильных кислот — сульфатов или хлоридов кальция и магния. При длительном кипячении воды, обладающей карбонатной жесткостью, в ней появляется осадок, состоящий главным образом из СаСО3, и одновременно выделяется СО2. Оба эти вещества появляются вследствие разложения гидрокарбоната кальция:Са(НСО3)2 → СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О.