Применение комплексных соединений. Жесткость воды и методы его устранения

Южно-Казахстанская  Государственная Фармацевтическая Академия

Кафедра ФГЗ и химии

РЕФЕРАТ

На тему: Применение комплексных соединений. Жесткость воды и методы его устранения.

Выполнила: Беркимбаева  Д.

Группа: 105 «Б»  МПД   

Шымкент, 2013г.

Содержание:

• Применение комплексонов в аналитической химии.

• Применение комплексонов в нефтяной и газовой промышленности.

• Химическая очистка теплоэнергетического оборудования и стабилизационная обработка воды с помощью комплексонов.

• Применение комплексонов в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

• Применение комплексонов и комплексонатов в медицине.

• Определение жёсткости воды.

• Методы устранения жёсткости воды.

• Значение жесткости воды.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСОНОВ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Комплексоны имеют в аналитической химии широкое и многостороннее применение. Наиболее важное значение имеет их применение в титриметрическом (объемном) анализе, где на основе комплексонов возник и успешно развивается большой раздел аналитической химии, получивший название "комплексонометрии" или "хелатометрии". Комплексы эффективно используются также в фотометрическом, полярографическом, хроматографическом и других физико-химических методах анализа, в гравиметрическом анализе. Комплексоны применяются для маскировки мешающих ионов, растворения малорастворимых соединений, изменения редокс-потенциалов системы и для многих других целей.

Исторически первым аналитическим  методом, использующим способность  ЭДТА образовывать прочные комплексы  с ионами Mg2 + и Ca2 +, было определение жесткости воды. Однако настоящий расцвет комплексонометрических методов в титриметрии начался после открытия металлохромных индикаторов - веществ, образующих окрашенные соединения с ионами металлов. Окраска этих индикаторов изменяется также в зависимости от рН раствора. Открытие металлоиндикаторов произошло в результате случайного наблюдения в лаборатории проф. Г. Шварценбаха. Наряду с другими соединениями там исследовали урамилдиуксусную кислоту. Когда после работы с урамилдиуксусной кислотой посуду мыли обычной водопроводной водой, то наблюдалось резкое изменение окраски. Оказалось, что в результате окисления исследуемой кислоты кислородом воздуха происходит образование небольших количеств мурексида, который с ионами кальция в водопроводной воде дает ярко окрашенное соединение. В настоящее время он применяется при комплексонометрическом определении кальция, кобальта, никеля, меди и др.

Одним из наиболее популярных индикаторов стал эриохромовый черный Т, с которым определяют очень  многие катионы. В кислом растворе индикатор окрашивается в красный цвет, в аммиачном - в синий, а с ионами магния, кадмия, цинка, марганца и другими образует ярко окрашенные комплексы красного цвета. По химической природе это натриевая соль (1-окси-2-нафтилазо)-6-нитро-2-нафтол-4-сульфокислоты

С ионами металла индикатор  образует связи через атомы азота  и атомы кислорода гидроксильных  групп. До точки эквивалентности  взаимодействие трилона Б (титранта) с ионом металла не вызывает каких-либо внешних изменений раствора - он остается красным, что обусловлено цветом комплекса иона металла с индикатором Mind -, если Ind 3 - - условное обозначение депротонированной молекулы индикатора. В области точки эквивалентности в реакцию с трилоном Б вступает окрашенный комплекс, и после добавления эквивалентного количества комплексона цвет раствора резко меняется от красного к синему:

Mind - + Н2edta2 - + NH3 = Medta2 - + Hind2 - + .

красный б / цв б / цв синий

Однако многие металлы (кобальт, медь, свинец, ртуть и др.) образуют с  индикатором очень прочные комплексы, намного превышающие прочность комплексов с комплексоном. Поэтому прочные металл-индикаторные комплексы с комплексоном не реагируют, и изменения цвета в точке эквивалентности не происходит (как говорят, индикатор "блокирован"). В этих случаях используют известный в аналитической химии прием обратного титрования (титрования по остатку). К анализируемому раствору добавляется заведомый избыток титрованного раствора комплексона, а затем не вступившее в реакцию количество комплексона оттитровывается раствором соли магния или цинка. При таком титровании цвет раствора изменяется от синего к красному. Кроме мурексида и эриохромового черного, в комплексонометрии применяются многие другие индикаторы - ксиленоловый оранжевый, пирокатехиновый фиолетовый и др., а также реактивы, дающие цветную реакцию с определяемым ионом (например, железо (III) можно титровать, используя в качестве индикатора сульфосалициловую кислоту).

Для определения точки эквивалентности  используют также различные физико-химические методы - потенциометрию, полярографию, термометрию и т.д. Многие катионы образуют с ЭДТА яркоокрашенные соединения, что используется в фотометрических методах анализа (для определения Cr(III), Co(III), Cu(II) и др.).

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСОНОВ В НЕФТЯНОЙ

И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Отложение минеральных солей в  нефте- и газопромысловом оборудовании существенно уменьшает дебит  скважин, требует частого ремонта  насосно-компрессорного оборудования, вызывает аварии и простои, выход  из строя аппаратуры и загрязнение  окружающей среды. По химическому составу отложения солей разнообразны, но в основном представляют собой карбонат кальция, сульфат магния, сульфат бария. Эффективным способом борьбы с минеральными отложениями является использование химических реагентов, препятствующих кристаллизации малорастворимых солей. Наибольшей эффективностью из них обладают фосфорсодержащие комплексоны. Применение их в количествах, значительно меньших стехиометрических ((1 - 5) " 10- 3 г/л), позволяет практически полностью предотвратить образование солеотложений.

Фосфорсодержащие комплексоны (ОЭДФ, НТФ и др.) препятствуют зародышеобразованию  в пересыщенных растворах и способны эффективно тормозить процесс роста  кристаллов. Установлено, что высокая  ингибирующая способность фосфорсодержащих комплексонов связана с блокированием только активных центров кристаллов. Это приводит к малым расходам комплексона и применяется очень широко. Так, например, на установке по подготовке нефти к переработке теплообменники очищали через 10 суток, а с применением комплексона-ингибитора стали очищать только через 4 - 5 месяцев. Широкое распространение для удаления осадков в скважинах и трубах получают полиаминополикарбоновые комплексоны. Осадки растворяются за счет образования устойчивых комплексонатов кальция и др. металлов.

Одна из острых проблем нефтедобывающей  промышленности - совместная добыча, транспортировка  и подготовка (обезвоживание и  обессоливание) железо- и сероводородсодержащих  нефтей. Во избежание образования FeS для транспортировки и подготовки строят два нефтепровода. При добавке ЭДТА в железосодержащую нефть образуется прочный комплексонат железа, и при смешивании с сероводородсодержащей нефтью осадок уже не образуется, что значительно уменьшает затраты и упрощает технологию переработки нефти.

ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

И СТАБИЛИЗАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ

С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСОНОВ

Многократное использование ограниченных объемов воды и использование  сточных вод в контурах охлаждения вызывает загрязнение систем теплообмена  отложениями малорастворимых солей и продуктами коррозии. Солеотложение на поверхности теплообменников приводит к значительному перерасходу топливных и водных ресурсов. Применение комплексонов, растворяющих солеотложения, позволяет проводить периодическую химическую очистку оборудования, а добавка фосфорсодержащих комплексонов ингибирует солеотложение. Уникальная способность фосфорсодержащих комплексонов проявлять эффект субстехиометрии позволяет путем введения микродоз предотвращать образование осадков даже в пересыщенных растворах. Обработанная комплексоном вода может длительное время эксплуатироваться в водооборотных системах охлаждения в безотмывочном режиме, сокращая расход топлива, воды, металла и объем сточных вод. Эффективной оказалась такая обработка воды в теплообменниках надводных и подводных судов с атомными реакторами, тепловых и атомных электростанций и в других областях.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСОНОВ

И КОМПЛЕКСОНАТОВ МЕТАЛЛОВ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Хотя для нормального безболезненного  протекания процессов жизнедеятельности необходимы, по утверждению специалистов, все элементы Периодической системы, все же роль некоторых из них особенно заметна. Это так называемые металлы жизни, или биометаллы, - натрий, калий, магний, кальций, цинк, марганец, железо, кобальт, медь и молибден - всего 10 элементов. При недостаточном поступлении биометаллов в организм растений снижается урожай, возникают болезни и т.д. Большое значение имеют металлы жизни и для животных. Микроэлементы, особенно кобальт, медь, цинк, марганец, участвуя в образовании ферментов, определяют рост, развитие, размножение и другие процессы, протекающие в организме.

Одно из наиболее тяжелых и часто  встречающихся заболеваний растений - хлороз. Болезнь проявляется в  пожелтении листьев, ослаблении роста и снижении урожая. Основной причиной болезни является недостаток железа в почвах, отмеченный почти на 30% площадей, используемых в сельском хозяйстве. Внесение солей железа в почву и известное еще с XIX века опрыскивание растений разбавленными растворами солей железа оказалось малоэффективным. Реальные успехи в борьбе с хлорозом появились при использовании комплексонатов железа и различных композиций на их основе. В результате сложных физико-химических процессов взаимодействия малорастворимого комплексоната железа с компонентами почвы и корневой системой растений создаются условия для равномерного и достаточного поступления железа к растению, что ликвидирует хлороз и повышает урожай. Длительность последействия комплексоната составляет не менее трех лет, что дает значительный экономический эффект.

Широко практикуется введение в  рацион сельскохозяйственных животных комплексонатов металлов как источников макро- и микроэлементов, витаминов  и других биологически активных соединений. Например, в качестве источника железа для гемоглобина используется этилендиаминтетраацетат железа, успешно применяющийся при лечении анемии. Весьма перспективным оказалось применение комплексонов для увеличения сроков хранения пищевого сырья и продуктов питания. Порча масла, мяса, рыбы, соков и вин при хранении в значительной степени связана с процессами их окисления, которое катализируется катионами тяжелых металлов. Комплексоны связывают ионы катализаторов в каталитически неактивные комплексы, что приводит к стабилизации пищевых продуктов.

Известно, что основной причиной помутнения вин и коньяков является повышенное содержание катионов металлов, чаще всего железа. Для  его удаления раньше использовали K4Fe(CN)6 . Это был сложный процесс, так  как не всегда удавалось провести полную деметаллизацию напитка, в отдельных случаях выделялась высокотоксичная синильная кислота, трудно было утилизировать или уничтожить осадок.

Обработка напитков фосфорилированными комплексонами (НТФ) решила многие из этих проблем - комплексон не токсичен, полнота  выделения железа гарантируется, а полученный осадок представляет собой эффективный стимулятор роста.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСОНОВ

И КОМПЛЕКСОНАТОВ В МЕДИЦИНЕ

Комплексоны занимают важное место в разработке лекарственных  и диагностических средств. Установлена  их способность проникать сквозь клеточные мембраны, проявлять функции биокатализаторов, имитировать функции некоторых ферментов и т.п. На основе комплексонов изготовлены регуляторы минерального обмена, бактерицидные и антивирусные препараты, противоаллергенные вещества, диагностические препараты и т.п. Простой перечень используемых препаратов составил бы солидный список. Можно назвать, например, ксидифон - дикалийдинатриевую соль ОЭДФ. Этот препарат прошел клинические испытания и разрешен к применению при лечении мочекаменной болезни, отложения солей, заболеваниях почек, спазмах гладких мышц и т.д.

Химия комплексонов переживает период интенсивного развития. Высокими темпами идут процессы накопления информации о составе, строении и свойствах  комплексонатов, условиях их существования, реальных и потенциальных областях их практического использования.

     Жёсткость  воды - свойство воды (не мылиться, давать накипь  в  паровых котлах), связанное с содержанием растворимых  в  ней  соединений  кальция  и магния, это параметр, показывающий содержание  катионов  кальция,  магния  в воде.

      Жесткость  - это  особые  свойства  воды,  во  многом  определяющие  её потребительские качества и потому  имеющие  важное  хозяйственное  значение.

Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных  котлов,  батареях  и пр., чем существенно  ухудшает  их  теплотехнические  характеристики.  Такой тонкий  слой  на  греющей  поверхности   вовсе   не   безобиден,   так   как продолжительность   нагревания   через   слой   накипи,   обладающей   малой теплопроводностью,  постепенно  возрастает,  дно  прогорает  все  быстрее  и быстрее – ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и  медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться  так, что  дно  сосуда  не  выдержит  и  даст  течь.  Этот  факт  очень  опасен  в промышленности, где существуют паровые котлы.

      Жесткая   вода  мало  пригодна  для   стирки.  Накипь  на   нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает  еще  и  моющие свойства мыла.  Катионы Ca2+ и Mg2+  реагируют  с  жирными  кислотами  мыла,  образуя малорастворимые соли, которые  создают  пленки  и  осадки,  в  итоге  снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая  вода  плохо мылится.

Существует два типа  жесткости:  временная  и  постоянная.  Обусловлено  это

различие  типом  анионов,  которые  присутствуют  в  растворе   в   качестве

противовеса кальцию  и магнию.

   Временная жесткость  связана с присутствием  в   воде  наряду  с  катионами Ca2+, Mg2+ и Fe2+ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO3-).

   Постоянная жесткость  (или  некарбонатная)  возникает,  если  в  растворе присутствуют сульфатные, хлоридные, нитратные и другие анионы, соли  кальция и магния  которых  хорошо  растворимы  и  так  просто  не  удаляются.  Общая жесткость определяется как суммарное содержание всех солей кальция и  магния в растворе.

   В разных странах  существуют свои нормы жесткости  для воды. У нас в стране вода классифицируется по жесткости таким образом:

    .  Мягкая  вода с жесткостью менее 3,0 мг-экв/л,

    .  Средней  жесткости – 3,0-6,0 мг-экв/л

    . Жесткая –  более 6,0 мг-экв/мл.

Методы устранения жесткости.

      Чтобы  избавиться от временной жесткости необходимо  просто  вскипятить воду. При кипячении воды,  гидрокарбонатные  анионы  вступают  в  реакцию  с катионами и  образуют  с  ними  очень  мало  растворимые  карбонатные  соли, которые выпадают в осадок.

      Ca2 + 2HCO3- = CaCO3v + H2O + CO2^

     С ионами  железа  реакция  протекает   сложнее  из-за  того,  что  FeCO3 неустойчивое в воде вещество. В  присутствии  кислорода  конечным  продуктом цепочки  реакций  оказывается  Fe(OH)3,  представляющий  собой   темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем  сильнее  окраска  у  накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

  С  постоянной  жесткостью  бороться  труднее.   Один   из   вариантов:

вымораживание льда. Необходимо просто постепенно  замораживать  воду.  Когда

останется примерно 10 % жидкости от первоначального  количества,  необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все  соли,  которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.

      Еде  один способ – перегонка, то  есть, испарение воды с последующие   ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они  остаются, а вода испаряется.

      Но такие  методы, как замораживание и   перегонка  пригодны  только  для смягчения  небольшого  количества  воды.  Промышленность  же  имеет  дело  с тоннами. Поэтому используют  другие  методы.  Наиболее  широко  используется катионообменный способ, основанный на  применении  специальных  реагентов  – катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них  воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия.

      С последствием  жесткости воды - накипью, с точки   зрения  химии  можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать  кислотой более  сильной.  Последняя  и  занимает  место  угольной,  которая,   будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В  состав  накипи  могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты.  Но  если  разрушить  карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

      В качестве  средства для удаления накипи  применяются  также  адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые  добавляются  в  воду.  Эти  вещества слабее сульфаминовой кислоты, поэтому для снятия накипи  необходимо  так  же кипячение.

Значение жёсткости  воды.

Как мы уже говорили, жёсткость  воды определяется содержанием в воде растворенных солей кальция и магния, которые при нагревании выпадают в осадок, образуя налёт, всем хорошо известный как накипь. Сравнительно безобидная на стенках чайника накипь может стать причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных и стиральных машин (недаром дорогие модели бытовой техники снабжены встроенными умягчителями).

Накипь может стать  причиной преждевременного выхода из строя сантехники, посудомоечных  и стиральных машин

На бытовом же уровне жёсткость проявляет себя значительным (на 30-50%) перерасходом моющих средств при стирке белья и умывании, а также ухудшением потребительских свойств воды. При кипячении достаточно жёсткой воды на её поверхности образуется плёнка, а сама вода приобретает характерный привкус. При заваривании чая или кофе в такой воде может выпадать бурый осадок, теряется вкусовые качества чая. В жёсткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. К тому же диетологами установлено, что в жёсткой воде хуже разваривается мясо. Связано это с тем, что соли жёсткости вступают в реакцию с животными белками, образуя нерастворимые соединения. Это приводит к снижению усвояемости белков.

С точки зрения применения воды для питьевых нужд, её приемлемость по степени жёсткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жёсткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жёсткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус.

Всемирная Организация  Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жёсткости  по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жёсткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Вместе с тем, в зависимости  от рН и щелочности, вода с жёсткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в  распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень строгие требования к величине жёсткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л).

К сожалению, далеко не всем известно также о неблагоприятном влиянии жёсткости на здоровье человека при умывании.

Связано это с тем, что при  взаимодействии солей жёсткости  с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) может происходить  образование нерастворимых "мыльных шлаков" в виде пены. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жёстких" волос хорошо известное многим). При этом разрушается естественная жировая плёнка, которой всегда покрыты здоровые волосы и нормальная кожа, забиваются поры, появляются сухость, шелушение, перхоть. Первым тревожным признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых людей раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой, является признаком того, что защитная жировая плёнка на коже цела и невредима. Именно она-то и скользит. В противном случае, приходится пользоваться лосьонами, умягчающими и увлажняющими кремами, необходимые для восстановление защиты. Недаром косметологи рекомендуют использовать для умывания очень мягкую дождевую или талую воду.

Как мы уже говорили, «мыльные шлаки» в виде пены, высыхая, остаётся на сантехнике, белье и т.д. В результате, ткань становится грубой и неэластичной; она перестаёт пропускать воздух и влагу. Портится и внешний вид изделия: ткань приобретает серо-жёлтый оттенок, блекнут краски рисунка. Осевшие на ткани "известковые мыла" лишают её прочности.

Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жёсткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную ёмкость (щёлочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жёсткостью воды и её коррозионной активностью.