Nước cứng tạm thời, nước cứng vĩnh cửu và giải bài tập

Nước cứng tạm thời, nước cứng vĩnh cửu và giải bài tập

Nước cứng là một trong những nguyên nhân gây ra những tác hại trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, như: Thùng máy giặt bị tắc, đóng cặn trắng; ống nước, vòi nước hay bị bám một lớp bột như đá vôi hay ấm nước đun sôi lắng nhiều mảng bám dày dưới đáy. Chủ đề Hóa Học hôm nay chúng ta sẽ nghiên cứu về nước cứng tạm thời và nước cứng vĩnh cửu để cùng tìm ra cách xử lý nước cứng để tránh những vấn đề trên.

Nước cứng tạm thời và nước cứng vĩnh cửu là gì?

– Nước có nhiều ion Ca²⁺, Mg²⁺ là nước cứng.

– Nước không chứa hoặc chứa ít các ion trên gọi là nước mềm.

+ Nước cứng tạm thời: chứa các ion: Ca²⁺, Mg²⁺, HCO^–₃.

+ Nước cứng tạm thời: chứa các ion: Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^– ,SO^2-₄.

+ Nước cứng toàn phần: chứa các ion: Ca²⁺, Mg²⁺, HCO^–₃, Cl^– ,SO^2-₄.

Chúng ta có thể nhận biết được nước cứng tạm thời khi đun sôi nước trong bình inox hoặc nhôm sẽ phát hiện lượng cặn bẩn trắng bám ở thành bình. Đối với nước cứng vĩnh cữu chúng ta không thể dễ dàng nhận biết được vì khi ở nhiệt độ càng cao độ hòa tan của chúng sẽ tăng và khó nhận biết. Chúng ta chỉ có thể dùng phương pháp trao đổi Ion và chính xác là sử dụng cationit để loại Ca, Magie ra khỏi và thay vào đó là Na và Kali.

Phương pháp làm mềm nước cứng

Có 3 phương pháp để làm mềm nước cứng: Phương pháp nhiệt, phương pháp trao đổi ion, phương pháp lọc bằng máy lọc nước.

Phương pháp nhiệt

– Đun sôi nước là phương pháp phổ biến được nhiều hộ gia đình sử dụng. Dưới tác động của nhiệt lượng lớn, nước cứng tạm thời sẽ được làm mềm bới phản ứng hóa học.

+ Ca(HCO3)2 => CaCO3 + H2O + CO2

+ Mg(HCO3)2 => MgCO3 + H2O + CO2

Cũng trong quá trình này, khí CO2 được giải phóng, muối không tan CaCO3 và MgCO3 lắng cặn dưới đáy ấm, lâu ngày thiết bị đun dễ bị hỏng hóc, xuống cấp. Với phương pháp này, nước được khuyến cáo nên sử dụng trong vòng 24h, nếu để càng lâu thì độ cứng lại càng cao, gây ảnh hưởng đến sức khỏe.

– Nước cứng vĩnh cửu khi đun nóng sẽ không làm mất tính cứng của nước.

– Nước cứng toàn phần khi đun nóng sẽ làm giảm tính cứng của nước.

Phương pháp kết tủa

– Đối với mọi loại nước cứng ta dùng Na2CO3 hoặc Na3PO4 để làm mềm nước cứng

M(2+)   +   CO3(2-)     →    MCO3↓

2M(2+)   +   2PO4(3-)   →    M3(PO4)2↓

– Đối với nước cứng tạm thời, ngoài phương pháp dùng Na2CO3 hoặc Na3PO4, ta có thể dùng thêm NaOH, hoặc Ca(OH)2 vừa đủ hoặc đun nóng

+ Dùng NaOH vừa đủ

Ca(HCO3)2 + 2NaOH → CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O

Mg(HCO3)2 + 2NaOH → MgCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O

+ Dùng Ca(OH)2 vừa đủ

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

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

+ Đun sôi nước, để phân hủy Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2 tạo thành muối cacbonat không tan. Để lắng gạn bỏ kết tủa được nước mềm.

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O

Mg(HCO3)2 → MgCO3↓ + CO2↑ + H2O

Phương pháp trao đổi ion

Nguyên lý hoạt động của phương pháp trao đổi ion là sử dụng hạt nhựa trao đổi ion để thay thế các ion tự do có hại trong nước. Các muối Natri và Kali (K) vô hại, có khả năng tan hoàn toàn trong nước được sử dụng để thay thế Canxi, Magie. Phản ứng trao đổi ion tách ion Ca2+, Mg2+ trong nước và hoán vị với Na+, K+ trong hạt nhựa giúp làm mềm nguồn nước mà vẫn đảm bảo lượng muối khoáng cần thiết. Phương pháp trao đổi ion là phương pháp tối ưu với chi phí rẻ kể cả chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành, tuổi thọ cao, dễ áp dụng.

Bài tập về nước cứng tạm thời và nước cứng vĩnh cửu

Trắc nghiệm

Câu 1: Chất nào sau đây được dùng để làm mềm nước cứng vĩnh cửu?

A. Na₂CO₃ và Na₃PO₄         B. Na₂SO₄ và Na₃PO₄.

C. HCl và Na₂CO₃.         D. HCl và Ca(OH)₂.

Câu 2: Một cốc nước có chứa các ion: Na⁺ (0,02 mol), Mg²⁺ (0,02 mol), Ca²⁺ (0,04 mol), Cl^–(0,02 mol), HCO₃^– (0,10 mol) và SO₄^2-(0,01 mol). Đun sối cốc nước trên cho đến khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thì nước còn lại trong cốc:

A. Có tính cứng hoàn toàn

B. Có tính cứng vĩnh cửu

C. Là nước mềm

D. Có tính cứng tạm thời

Câu 3: Trong một cốc nước có chứa 0,01 mol Na⁺; 0,02 mol Ca²⁺; 0,01 mol Mg²⁺; 0,05 mol HCO^3-và 0,02 mol Cl^–. Nước trong cốc là:

A. Nước mềm

B. Nước cứng tạm thời

C. Nước cứng vĩnh cửu

D. Nước cứng toàn phần

Câu 4: Cho các phản ứng mô tả các phương pháp khác nhau để làm mềm nước cứng (dùng M²⁺thay cho Ca²⁺ và Mg²⁺) như sau:

Phương pháp nào có thể áp dụng với nước có tính cứng tạm thời?

A. (1)

B. (2)

C. (1) và (2)

D. (1), (2), (3) và (4)

Câu 5: Có các chất sau : NaCl, Ca(OH)₂ ,Na₂CO₃, HCl . Cặp chất nào có thể làm mềm nước cứng tạm thời :

A. NaCl và Ca(OH)₂

B. Ca(OH)₂ và Na₂CO₃

C. Na₂CO₃ và HCl

D. NaCl và HCl

Câu 6: Có các chất sau:

(1) NaCl         (2) Ca(OH)₂         (3) Na₂CO₃

(4) HCl         (5) K₃PO₄

Các chất có thể làm mềm nước cứng tạm thời là:

A. 1, 3, 5

B. 2, 3, 4

C. 2, 3, 5

D. 3, 4, 5

Câu 7: Ðể làm mềm nước cứng vĩnh cửu ta có thể dùng:

A. HCl

B. K₂CO₃

C. CaCO₃

D. NaCl

Câu 8: Nước cứng tạm thời là nước cứng có chứa ion HCO₃^– . Nước cứng vĩnh cửu là nước cứng có chứa ion Cl^– hay SO₄^2-. Để làm mềm nước cứng có 3 loại ion trên người ta:

A. Đun sôi nước

B. Dùng lượng vừa đủ Ca(OH)₂

C. Dùng dung dịch Na₂CO₃

D. Các câu trên đều đúng.

Câu 9: Phát biểu nào sai khi nói về nước cứng:

A. Nước cứng là nước có nhiều ion Ca²⁺ và Mg²⁺

B. Nước cứng tạm thời là nước cứng có chứa ion HCO₃^–

C. Nước cứng vĩnh cữu là nước cứng có chứa ion CO₃^2- và Cl^–

D. Nước mềm là nước có chứa ít ion Ca²⁺ và Mg²⁺

Câu 10: Một mẫu nước cứng chứa các ion : Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^–, Cl^– , SO₄^2- . Chất được dùng để làm mềm nước cứng trên là :

A. Na₂CO₃

B. HCl

C. H₂SO₄

D. NaHCO₃

1 – A

2 – B

3 – D

4 – D

5 – B

6 – C

7 – B

8 – C

9 – C

10 – A

Tự luận

Bài 1: Trong thể tích nước cứng có chứa 6.105- mol CaSO₄ cần số gam Na₂CO₃ đủ làm mềm thể tích nước là:

Lời giải:

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)

Bài 3: Một cốc nước có chứa các ion: Na⁺ (0,02 mol), Mg²⁺ (0,02 mol), Ca²⁺ (0,04 mol), Cl^– (0,02 mol), HCO₃^– (0,10 mol) và SO₄^2- (0,01 mol). Đun sôi cốc nước trên cho đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thì nước trong cốc là loại nước gì?

Lời giải:

Phản ứng khi đun sôi:

Nhận xét: 2. n_{Ca²⁺,Mg²⁺} 2.(0,02 + 0,04) = 0,12 > n_HCO3^–

Nên sau khi đun nóng HCO₃^– đã chuyển hết thành kết tủa và CO₂. Trong dung dịch còn Cl^–,SO₄^2- (Mg²⁺, Ca²⁺) dư nên nước còn lại trong cốc có tính cứng toàn phần.

Bài 4: Dung dịch A chứa các cation Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺ và 0,1 mol Cl^–, 0,2 mol NO^3-. Thêm V lít dung dịch K₂CO₃ 1M vào dung dịch A để thu được lượng kết tủa lớn nhất. Giá trị của V là bao nhiêu?

Lời giải:

Các phương trình ion rút gọn:

Gọi x, y và z là số mol Mg²⁺, Ca²⁺ và Ba²⁺ trong dung dịch A. Dung dịch trung hòa điện nên: 2x + 2y + 2z = 0,1 + 0,2 = 0,3 → x + y + z = 0,15

Từ (1), (2) và (3) ⇒ n_CO3^2- = x + y + z = 0,15 = n_K2CO3

⇒ V_{dd K2CO3} = 0,15/1 = 0,15 (lit)=150 (ml)

Như vậy các bạn vừa tìm hiểu xong về những phương pháp làm mềm nước cứng tạm thời và nước cứng vĩnh cửu. Ngoài những phương pháp kể trên, hiện nay chúng ta có thể sử dụng máy lọc nước để làm giảm tính cứng của nước một cách nhanh chóng, tiện lợi và tiết kiệm nhất. Chúc các em học tốt!

Giáo dục