شيمي علمي براي زندگي امروز

اين وبلاگ درصدد برداشتن گام هر چند كوچك در جهت ارائه مطالب شيمي مي باشد.

 
آب طبیعی به علت خاصیت حل کنندگی خوبی که دارد معمولا دارای حجم بالایی از نمکهای محلول در آب می‌شود. CO2 هوا به خاطر انحلال در آب و تولید اسید کربنیک ضعیف ، خاصیت خورندگی آب را بهبود می‌بخشد. بنابراین آب هنگام عبور از محیط‌های گوناگون مخصوصا محیط‌های آهکی مقداری از کربناتها را در خود حل می‌کند که این کربناتها همراه یونهایی مثل کلسیم ، منیزیم و … باعث ایجاد سختی موقت می‌شود که با جوشاندن از بین می‌رود. البته یونهای منیزیم و کلسیم و سایر یونهای فلزی با سولفات و نیترات و کلرو ایجاد سختی دائم می‌کنند. سختی آب باعث رسوب کردن صابون در آب می‌شود (خاصیت کف کنندگی صابون را از بین می‌برد). اثرات زيانبخش ناخالصيهاي آب در صنعتآب در شیمی یکی از مهمترین حلالها می‌باشد و معمولا از آن به عنوان حلال عمومی نام می‌برند و بنابراین کاربرد اساسی در صنعت دارد که برخی از کاربردهای مهم به این شرح می‌باشد:۱- به عنوان حلال ۲- به عنوان ماده اولیه برای شرکت در واکنشهای شیمیایی تهیه محصول ۳- به عنوان ماده واسطه برای خارج کردن مواد ناخواسته ۴- به عنوان بستر یا محیط واکنش

وجود ناخالصیها در آب باعث ایجاد رسوب در دستگاههای حرارتی و دیگ بخار می‌شود که این عمل باعث کاهش عمر مفید دستگاه می‌گردد. بخاری که از آبهای ناخالص تولید می‌شود دارای کیفیت بسیار پایینی می‌باشد به عنوان مثال سیلیس همراه بخار خارج شده و در اثر سرد شدن روی پره‌های توربین رسوب می‌کند. خوردگی بویلرها و تأسیسات حرارتی و لوله‌ها ، اتلاف مواد شیمیایی و باقی گذاشتن لکه روی محصولات غذایی و نساجی از عوارض دیگر آبهای ناخالص می‌باشد.
بهترین آب برای استفاده در صنعت آب بدون یون است اما هزینه تولید آب بدون یون بسیار بالاست. بنابراین در اکثر آزمایشگاهها و واحدهای صنعتی از آب مقطر استفاده می‌کنند همچنین در مناطق کویری و خشک که منابع آب آشامیدنی محدود می‌باشد. از روش تقطیر آب دریا برای تولید آب آشامیدنی استفاده می‌شود

آب سخت

هيچکدام از ما در پاکي تميزي آب باران شک نداريم، آبي که تمام مواد آن محلول و معلق آن طی تشکيل ابر جدا شده حين نزول بصورت باران مقداری از CO2 هوا را در خود حل ميکند و بصورت يک اسيد ضعيف که pH آن از 7 کمتر است در ميآيد.اين آب هنگام عبور از سنگهاي زيرزمينی يونهايي مانند Ca2+، Mg2+ و Fe2+ را در خود حل میکند که باعث آلوده شدن طبيعی آب ميشود

وجود املاح گفته شده در آب باعث ميشود صابون معمولي در آن کف نکند، از اينرو اين آب ها را آب سخت نامگذاری کردند

آب سخت آبی است که حاوی نمك‌هاي معدني از قبيل ترکیبات کربنات‌های هیدروژنی و کلسیم ومنیزیم و ... استعناصر ایجاد کننده سختی آب صابون عمدتا توسط کلسیم و منیزیم قابل ترسیب است، ولی به غیر از آنها فلزات دیگری نظیر آلومینیوم ، آهن ، منگنز ، استرانسیم و روی نیز در ایجاد سختی آب شرکت می‌کنند، ولی از این نظر که دو عنصر اولی در مقادیر زیاد در آبهای طبیعی وجود دارند، لذا سختی آب بطور عمده بر اساس این دو سنجیده می‌شود. ولی با وجود این ، اگر مقادیر فلزات دیگر قابل توجه باشد، باید آنها را نیز محسوب داشت.تغییرات سختی آببر حسب آنکه آب در موقع نفوذ در زمین از قشرهای آهکی و منیزیمی و گچی گذشته و یا نگذشته باشد سختی آب کم یا زیاد می‌شود. آبهای نواحی آهکی سختی زیادتری تا آبهای نواحی گرانیتی و یا شنی دارند. سختی آب در عرض سال هم ممکن است تغییر نماید. معمولاً سختی آبها در فصل باران کم و در فصل خشکی زیاد می‌شود. و بعضی مواقع هم در فصول پر باران و مرطوب مثل غار ها ایجاد شود.

فواید آب سخت

آب سخت برای انسان مضر نیست بلکه مفید است و معمولاً شکستگی استخوانهای آنهایی که آب سخت می‌آشامند زودتر بهبودی حاصل می‌کند و بیماری راشیتیسم کمتر در این اشخاص دیده می‌شود.

مضرات آب سخت

علیرغم فواید آب سخت برای بدن سختی بیش از حد آب نیز مضراتی دارد که مهمترین آن تشدید پدیده تولید سنگ کلیه به دلیل رسوب بونهای معلق در کلیه میشود. آب سخت برای رختشویی و مصرف در کارخانجات مناسب نیست. آب سخت موجب از دست دادن طعم و مزه خوب چایی و قهوه می‌شود. پخته نشدن حبوبات با آب سخت ضرر رساندن به جداره دیگهای بخار و ایجاد قشر آهکی بر روی جداره دیگ خوب کف نکردن صابون و موجب افزایش مصرف صابون مزاحمت در هنگام شستن نسوج و دستها رفع سختی آب در تجارت تعداد زیادی مواد شیمیایی برای رفع سختی آب به فروش می‌رسد که دارای کربنات سدیم هستند. این مواد را قبل از ورود آب در دیگها سختی آنرا می‌گیرند و یا در دیگ بر اثر افزودن این مواد آهک و گچ را رسوب می‌دهند و دیگر این رسوب محکم به جدار دیگ نمی‌چسبد بطوری که می‌توان آنرا به آسانی پاک نمود . محاسبه سختی آب

مقدار سختی آب ، برحسب اکی‌والانهای کربنات کلسیم آنها محاسبه و بیان می‌شود 

 تقسیم بندی سختی آب

سختی آب را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد:

 ۱-سختی موقت

سختی موقت (Temporary Hardner) را سختی کربناتی (Carbonate Hardner) نیز می‌نامند. این سختی ، مولود بی‌کربنات کلسیم و منیزیم است که عمدتا به کمک حرارت و یا ازدیاد PH کاهش می‌یابد.

۲- سختی دائم

سختی دائم (Permanent Hardner) را سختی غیرکربناتی (Noncarbonate Hardner) نیز می‌نامند. این سختی ، با حرارت دادن قابل حذف نیستسختی موقت و سختی دايم :

تابحال به ستونهای آهکي ايجاد شده درون غارها دقت کرديد؟ میدانيد علت تشکيل اين ستونها که به استالاکتيت و استالاگميت معروف هستند، چيست؟

اگر همان آب سختي که در بالا صحبتش را کرديم کمی گرم تر شود يونهای کلسيم خود را بصورت کربنات کلسيم رسوب مي دهد. اين دقيقاً همان رسوبي است که در کتري خانه خود مشاهده مینماييد. و ممکن است آب گرمکن يا شوفاژ منزل شما را برای مدتی از کار بياندازد.

اين رسوبات در واقع سختي آب هستند که با گرما از آب خارج ميشوند. در واقع واکنشی که آب باران با سنگهای آهکی زيرزمينی انجام گرفته و منجر به سختي آب شده با گرم شدن آب سخت برگشت میپذيرد و سختی آن گرفته ميشود. از اينرو به اين سختی، سختی موقت آب میگويند.

کلسيم هيدروژن کربنات(محلول) آب باران همراه با CO2 + سنگ آهک

(نامحلول)

در شرايط مناسب و گرماي کافي عکس واکنش بالا صورت میگيرد

آب + CO2 + کلسيم کربنات (نامحلول) کلسيم هيدروژن کربنات

(محلول)

اگر آبهای طبيعي مقدار قابل توجهي يونهای Ca2+، Mg2+ و Fe2+ داشته باشند، نميتوان سختي آن ها را با گرم کردن از بين برد. آب با اين ويژگي داراي سختی دايم است. برای از بين بردن سختي دايم آب کافي است يونهای عامل سختی را بگونهاي ته نشين کرد واکنش سديم کربنات با يونهای کلسيم رسوبات نا محلول کلسيم کربنات را به همراه خواهد داشت.

آيا با افزودن سديم کربنات، آب سختی دايم خود را از دست ميدهد؟

2Na+ + کلسيم کربنات (نامحلول) سديم کربنات + Ca2+ (عامل سختی دايم)

  نرم کردن آب سخت:

با توجه به زيانهای آب سخت در زندگی روزمره و تاثيرات سوء آن بر اندامهای حياتي، انسان همواره به دنبال روشهايي بوده که سختی آب را کاهش دهد. همانطور که گفته شد سختی موقت آب با گرم کردن آن از بين ميرود، اما آنچه مهم است سختي دايم آب هاست که براحتی از بين نميرود استفاده از سديم کربنات با وجود ارزاني آن به دليل وقت گير بودن و وسيع بودن امکانات آن در منازل و مراکز صنعتي کوچک به صرفه نيست، از اينرو برای نرم کردن آب از دستگاهي به نام تبادلگر يوني استفاده ميکنند. در اين دستگاه آب سخت با عبور از روی بستري که حاوي يونهای سديم است کاتيونهای عامل سختي خود را با کاتين سديم جايگزين ميکند.

برای برطرف کردن سختی آب ، با جوشاندن کربنات‌های هیدروژنی محلول به کلسیم نامحلول تبدیل شده و تشکیل رسوب می‌دهند. این رسوب در مناطق دارای آب سخت درون کتری‌ها دیده‌می‌شود. سختی دایمی یافت می‌شود.
یکی از اجسام گیرنده سختی آب تری ناتریم فسفات Na۳PO می‌باشد که با اسم آلبرت‌تری بکار می‌رود.
یون کلسیم موجود در آب بر اثر ناتریم فسفات تبدیل به "تری فسفات کلسیم" می‌گردد و رسوب می‌نماید.
اخیرا به مقدار زیاد از صمغ‌های مصنوعی که قادرند تعویض یون کنند برای رفع سختی آب استفاده می‌کنند. صمغ لواتیت در آلمان و آمبرلیت و دووکس در آمریکا استعمال می‌گردد. در صنعت از ستونهای تبادل یونی برای کاهش سختی استفاده می شود (ستونهای رزینی - آنیونی - کاتیونی )در پیشرفته ترین تکنولوژی ار فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis)برای کاهش سختی ،EC(هدایت الکتریکی یا شوری ) و TDS (کل جامدات محلول )آب استفاده می شود که فواید بسیاری از جمله مطئن بودن آن و هزینه های جاری بسیار پایین دارد . این فرآیند در ایران به دلیل اینکه اولین بار برای کاهش EC (شوری) آب استفاده شد به آب شیرین کن معروف است .

درجه سختی 

 آب درجه سختی آب را از روی مقدار کلسیم و منیزیم موجود در آن تعیین می‌کنند. در آلمان اگر آبی ده میلی گرم CaO در یک لیتر داشته باشد می‌گویند درجه سختی آب یک است. در فرانسه اگر آبی در یک لیتر ده میلی گرم کربنات کلسیم یا همسنگ آن کربنات منیزیم داشته باشد می‌گویند که یک درجه سختی دارد. در انگلستان اگر آبی ده میلی گرم کربنات کلسیم و یا همسنگ آن کربنات منیزیم در ۰.۷ لیتر داشته باشد یک درجه سختی دارد.

برای تعیین سریع سختی آب کارخانه شیمیایی واقع در آلمان قرصهایی ساخته است. در یک لوله آزمایش مخصوص و مدرج آب مورد آزمایش را تا خط نشان لوله پر می‌نمایند و به‌وسیله معرفی که همراه بسته قرصهاست رنگ این آب را قرمز می‌کنند و آگاه آنقدر از این قرصها در آن می‌اندازند تا رنگ آب سبز گردد. شماره قرصهای ریخته شده در لوله آزمایش برابر درجه سختی آب می‌باشد. دقت این روش تا نیم درجه استاهمیت سختی آب

مقدار سختی آب ، علاوه بر اینکه در آبهای صنعتی اهمیت وافر دارد، از نظر بهداشت عمومی نیز اهمیت خاصی دارد. کلسیم که یکی از عوامل سختی آب است، در رشد استخوان و حفظ تعادل بدن دخالت داشته، ولی به همان اندازه ، سولفات کلسیم به علت کمی قابلیت هضم ، ناراحتیهایی در دستگاه هاضمه بوجود می‌آورد.

گاهی توصیه می‌شود که جهت تامین بهداشت و سلامت مصرف کنندگان ، آهک به آب آشامیدنی افزوده شود. بعضی دانشمندان معتقدند، بهتر است کلسیم و منیزیم لازم بدن توسط غذا تامین شود و حتی‌الامکان از آبهای سبک برای شرب استفاده شود. باید توجه داشت که بدن نسبت به سنگینی موجود در آب مورد مصرف خود حساسیت دارد، چنانچه این نوشیدنی تغییر یابد، ممکن است در دستگاه گوارش ایجاد اخلال نماید و این موضوع را به اصطلاح آب به آب شدن می‌گویند. 

 طبقه بندی آب از نظر سختی

سختی آب (کربنات کلسیم mg/lit) نوع آب

55 - 5 سبک

100 - 56 سختی کم

200 - 101متوسط

500 - 201 خیلی سخت
 

در بعضی از طبقه بندیها حداکثر سختی آبهای قابل شرب ، 300 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم تعیین شده است.  

واحدهای بکار رفته در سختی آب

در صورتی که مقادیر کاتیونهای مختلف برحسب میلی گرم بر لیتر (ppm) در دست باشد، معمولا جهت سهولت ، به کمک فاکتورهایی که از تقسیم وزن مولکولی کربنات کلسیم به وزن اتمی هر یک از عناصر بدست آمده ، کلیه این مقادیر برحسب کربنات کلسیم محاسبه و بیان می‌گردد. سختی آب ، معمولا بر حسب ppm یعنی mg/lit بیان می‌شود. علاوه بر این ، واحدهای آلمانی ، انگلیسی ، فرانسوی ، آمریکایی را نیز در بیان آن بکار می‌برند؛

هر یک از درجات فوق به ترتیب برابر 17.9 و 14.3 و 10 و 17.2 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم است.

شهرهای با آب سخت 

قم ، زاهدان ، گرمسار و سمنان از شهرهایی هستند که آب آنها از سختی بالایی برخوردار است. در زاهدان و سمنان سالانه چندین بار باید پوشالهای کولر را به علت اینکه مقدار فراوانی املاح روی آن رسوب کرده است تعویض کرد

   
   پر سش ها:

۱ . سختی موقت و دائمی را که بر حسب (ppm) محاسبه کرده اید بر حسب میلی اکی والان گرم بر لیتر محاسبه کنید ؟N=g*1000 / EV = 1mgr /lit *eq = me eq gr / lit

2 . در اندازه گیری سختی دائمی مزاحمت مربوط به یون های سختی موقت را چگونه بر طرف کردید ؟

با افزودن آب مقطر عاري از co2

3 . چرا در محاسبه ی سختی دائمی درمرحله ی شستشورسوبات کپسول ازآب مقطر فاقد co استفاده کردید ؟

زيرا در صورت استفاده از آب عاري از co2 ديگر يون هاي ca2+ و Mg2+ به صورت اضافه نمي شود لذا جواب معادله درست تر است يعني در صورت استفاده از آب عادي محاسبات غلط است.

4 . تفاوت آب س خت و آب سنگین در چیست ؟

آب سخت آبي است كه در آن تركيبات حل شده ي كلسيم و منيزيم و آهن وجود دارد و صابون در آن به خوبي كف نمي كند اما آب سنگين داراي هيدروژن سنگين به فرمول D2O است

5 . در اندازه گیری سختی دائم یک نمونه آب حجم هیدرو کلریک اسید N1/0برای ml10سدیم کربنات برابر 2/11میلی لیتر و حجم اسید مصرفی برای محلول زیر صافی برابر 2/5میلی لیتر بود سختی دائمی را بر حسب میلی اکی والان گرم بر لیتر و ppmمحاسبه کنیدV1=V`1 –V`2 = 11.2 - 5.2 =6

M NaCo3= 36+12+48=106

n Na2Co3 =2 *1 =2

E=M/n 106 /2 =53

6. علاوه بر یونهای Ca و Mgچه یونهای دیگری در آب ایجاد سختی می کنند ؟Fe2+

7. سختی موقت و دائم را بر حسب (ppm)یون های کلسیم مطابق رابطه زیر محاسبه کنید N E 1000=سختی

E=40 /2 =20

V1=V`2 –V`1 =8.1 -4.8 =3.3

N2=0.1 * 3.3 / 50=0.0066

+ نوشته شده در  87/04/21ساعت 1  توسط tehran  |