К физическим способам относятся термический способ (кипячение), дистилляция и вымораживание. Термический способ основан на уменьшении растворимости карбонатов щелочноземельных металлов при повышении температуры, вследствие чего эти соли выпадают в осадок.

Дистиллированную воду, не содержащую солей, получают в испарительных установках. Для получения опресненной воды методом вымораживания используют холодильные установки.

Существуют также электрохимические способы, основанные на использовании электродиализа и электроосмоса. Применяются и комбинированные способы, например термический способ комбинируют с известково-содовым.

В последнее время все более широкое распространение приобретают ионообменные (ионитовые) способы умягчения и обессоливания воды. Они основаны на способности некоторых твердых малорастворимых веществ к обменным реакциям с катионами или анионами, содержащимися в воде.

Наиболее распространенными способами умягчения воды являются известково-содовый и катионитовый. Известково-содовый способ умягчения воды заключается в обработке ее известью и содой. При применении извести и соды содержащиеся в воде кальциевые соли превращаются в нерас­творимый карбонат кальция, магниевые соли — в гидроокись магния. Известь удаляет из воды бикарбонаты и свободную двуокись углерода, сода — остальные соли.

Реакции, протекающие при обработке воды известью, могут быть выражены следующими уравнениями:

СО2 + Са(ОН)2 = СаСО3 + Н2О

Са(НСОз)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

МgСO3 + Са(ОН)2 = Мg(ОН)2 + СаСО3

МgSО4 + Са(ОН)2 = Мg(ОН)2 + СаSО4

При удалении примесей из воды с помощью соды протекают реакции:

СаSO4 + Nа2СO3 = СаСО3 + Na2SО4

МgSО4 + Nа2СО3 = МgСО3 + Nа2SО4

МgCl2 + Nа2СО3 = МgСО3 + 2NаCl

Ионообменный способ умягчения и обессоливания воды. С помощью ионообменивающих веществ может быть достигнуто умягчение воды — удаление из нее катионов кальция и магния (катионитовый способ очистки воды) — или полное ее обессоливание (деионизация).

Ионообменивающие вещества — иониты делятся на катиониты и аниониты. К катионитам относятся, например, алюмосиликаты типа Na2O• А12O3 • 2SiO2 • nН2О (обменивающие ионы натрия на ионы магния и кальция растворенных в воде солей) и органические ионигы, содержащие кислотные группы. Органические катиониты обменивают на катионы растворенных в воде солей водород и потому называются Н-ионитами.

В качестве анионообменивающих веществ применяются органические, преимущественно синтетические полимеры, обменивающие ионы гидроксила на анионы солей, растворенных в воде. Такие вещества носят название ОН-ионитов.

Процессы ионного обмена обратимы. Поглотивший катионы (или анионы) ионит можно регенерировать, пропуская через него раствор щелочи (или кислоты).

Процессы, протекающие при ионном обмене, можно схема­тически представить следующим образом:

катионныйобмен

[Кат.]Н+NаС1 [Кат]Na + HCl

2[Кат.]Н+ Са(НСO3)2 [Кат]2 Ca + 2CO2 + H2O

или

2[Кат.]Na+ Mg(НСO3)2 [Кат]2 Mg + 2NaHCO3

2[Кат.]Na+ CaSO4 [Кат]2 Ca + Na2SO4

анионный обмен

[Ан.] ОН + НС1 [Ан.]Cl + Н2О

2[Ан.] ОН + Н2SO4 [Ан.]2SO4 + 2Н2О

Последовательным пропусканием воды через катионитовый и анионитовый фильтры достигается ее полное обессоливание.

Из неорганических катионитов применяют природные алюмосиликаты (глауконит, волконскоит и др.) или искусственно приготовленные (пермутит и др.). В качестве органических катионитов применяют некоторые сорта угля, содержащего кислотные остатки, сульфированный уголь и главным образом син­тетические полимеры (сополимеры стирола и дивинилбензола, фенолформальдегидные полимеры и др.)

Для регенерации катионит промывают обычно раствором поваренной соли или кислоты.

Удаление газов из воды. Газы удаляют из воды химическими и физическими способами. В первом случае применяют гашеную известь и железо, которые образуют с СО2 и О2 нерастворимые соединения:

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О

4Fе + ЗО2 = 2Fe2O3

Обычно для удаления двуокиси углерода к воде добавляют известковое молоко, а для удаления кислорода химическими способами применяют фильтры, заполненные железными опилками, стружками или порошкообразным железом.

Физические способы удаления газов основаны на выделении из воды значительной части растворенных в ней газов при аэрации или нагревании воды в вакууме.

Типовые методы получения веществ. Восстановление водородом

Получение металлов и некоторых неметаллов из оксидов

Реакции восстановления оксидов водородом наиболее часто используют для получения металлов и некоторых неметаллов в чистом состоянии. Особенность этих реакций в том, что они относятся к обратимым и гетерогенным.

Водород сравнительно слабый восстановитель, но равновесие реакции смещается в сторону образования металла, так как один из продуктов — пары воды — легко удаляется из зоны реакции током водорода.

Восстановление высших оксидов многовалентных металлов протекает ступенчато. Особенно легко идет восстановление оксидов элементов, находящихся в высшей степени окисления, например: Fе2О3, МnО2, V2О5 и т. д. Равновесие реакций восстановления таких оксидов сильно смещено в сторону образования оксидов с низшей степенью окисления, например:

3Fе2О3 + Н2 2Fе3О42- + Н2О

Константы равновесия реакций восстановления определяются соотношением концентраций паров воды и водорода, находящихся в газовой фазе, и не зависят от соотношения масс металла и его оксида в твердой фазе, например:

СuО + Н2 Сu + Н2О [H2O]

Kp=

Сr2О3 + 3Н2 2Сr + 3Н2О [H2]

При последовательном восстановлении оксидов многовалентных металлов для каждого образующегося оксида устанавливаются свои равновесные состояния. Если концентрацию водорода увеличить, то оксид железа Fе3О4 будет восcтанавливаться до оксида железа (II), а затем до металла:

Fe3О4 + Н2 3FeO + Н2О Kp = 2·104

FeО + Н2 Fe + Н2О

Константа равновесия реакции восстановления оксида железа (II) до железа уже равна 0,39.

Поэтому возможность получения металлов и неметаллов восстановлением оксидов водородом определяется прочностью низших оксидов. В соответствии с теорией А. Байкова оксиды рассматриваются как вещества, находящиеся в состоянии термической диссоциации:

2MeО 2Me + О2

Давление кислорода при равновесии его с оксидами при комнатной температуре незначительно, но с повышением температуры увеличивается. Для таких неустойчивых оксидов, как Аg2О, НgО, и некоторых других давление кислорода при термической диссоциации достигает атмосферного уже при сравнительно небольшом нагревании. Поэтому металл может быть получен из оксидов при их термической диссоциации. Если же давление кислорода над оксидом незначительно даже при высоких температурах, то металл можно получить только в том случае, если кислород (он может образоваться при термической диссоциации оксида) непрерывно выводить из зоны реакции, например за счет его связывания водородом, углеродом или оксидом углерода (II).

Воду при высоких температурах рассматривают как соединение, находящееся в состоянии термической диссоциации:

2H2О 2H2 + О2

Следовательно, пары воды могут выступать и в качестве окислителя металла. Поэтому смещение равновесия реакции

2MeО + H2 Me + HО2

определяется прочностью молекул исходного оксида и прочностью молекул воды.

Если давление кислорода, образующегося при диссоциации оксида (ВiО3, СuО, РЬО),. больше парциального давления кислорода, образующегося из паров воды, то равновесие будет смещено в сторону восстановления оксида.

Несмотря на то что равновесие во многих случаях смещено в сторону окисления металлов, их оксиды легко восстанавливаются водородом, так как эта реакция гетерогенная и один из ее продуктов (пары воды) током водорода выводится из зоны реакции. Создаются благоприятные условия для смещения равновесия в сторону восстановления оксидов.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19