Обработка кальция водой реакция

И.Н. Григорьев, Archer

Реакция лития с водой происходит спокойно — без воспламенения водорода: металл плавает по поверхности воды, выделяя газ. Остальные щелочные металлы реагируют со вспышкой или взрывом.

Небольшие кусочки натрия могут плавать на поверхности воды без воспламенения, но кусочки побольше (примерно с горошину) уже загораются желтым пламенем, а если взять кусочек натрия еще больше — происходит взрыв.

Крохотные кусочки калия еще могут плавать по поверхности воды без взрыва — давая розовое пламя, но кусочки побольше практически сразу взрываются.

Рубидий и цезий еще активнее. Не знаю, что происходит при контакте небольших количеств рубидия или цезия с водой, но кадры, на которых несколько грамм цезия бросают в воду, впечатляют: взрывом может разнести стакан или кристаллизатор.

Реакция цезия с водой

В противоположность щелочным металлам, магний практически не реагирует с холодной водой, реакция начинается только с горячей водой и протекает не особо активно.

В случае металлов средней активности, таких как железо, чтобы реакция с водой протекала с хорошей скоростью, нужно использовать нагретый до высоких температур водяной пар.

По характеру реакции с водой к кальцию ближе всего литий. Есть, однако, и две отличительные особенности. Во-первых, кальций — легкий металл, но все равно он заметно тяжелее воды (плотность кальция 1.55 г/см 3 ), а литий — почти вдвое легче воды (плотность лития 0.53 г/см 3 — литий всплывает не только в воде, но и в углеводородах). Во-вторых, гидроксид кальция плохо растворим в воде, гидроксид лития — хорошо (как и гидроксиды других щелочных металлов).

Перед тем, как приступить к экспериментам, опишем технику работы с кальцием.

Кальций обычно хранят в банках под слоем защитной жидкости — керосина, минерального масла и т.п. В этом он аналогичен щелочным металлам. Однако если экспериментатор достанет полоску металлического кальция, оботрет металл от масла и попытается его разрезать, как натрий или калий, то экспериментатор скоро поймет свою ошибку. На внешнем виде аналогия и заканчивается. Кальций — умеренно-твердый металл, по твердости он примерно соответствует меди или мягкой стали. Другими словами, кальций нельзя резать ножом, как натрий или литий.

Мимо воли вспоминается предмет «методика химического эксперимента». На семинарах там cтуденты ставят демонстрационные опыты из школьной программы с комментариями, как на уроках для учеников, а преподаватель стоит рядом и наблюдает.

Так вот, реакция кальция с водой. Стоит старая банка с кусками кальция в керосине. Препод Марина Ивановна наблюдает. Одногруппница достает большой кусок кальция кладет на фильтровальную бумагу, чтобы керосин промокнуть. Препод молчит, но про себя, вероятно, зловеще ухмыляется, предчувствуя, как она будет издеваться. Одногруппница берет скальпель, намереваясь отрезать кусочек — подобно натрию, и пытается отрезать, — но не тут-то было. Препод начинает жестко насмехаться.

Правильный вариант, по мнению Марины Ивановны, — найти в банке маленький кусочек и его использовать. Понятно, что пассатижи или кусачки легко решают проблему (да и удар молотком расщепляет технический кальций на удобные пластинчатые куски), но это не каноничные варианты, соответственно, инструментов рядом нет.

Итак, если небольшие кусочки кальция в банке отсутствуют, одним ножом, как со щелочными металлами, здесь не обойтись — нужны пассатижи, молоток или т.п. инструменты. Отделенный таким способом кусочек кальция бросим в колбу или стакан с водой.

Кальций опускается на дно, при этом начинается выделение водорода — прежде всего там, где был свежий излом металла. Вскоре со всей поверхности металла активно выделяется газ, это напоминает бурное кипение, одновременно начинает обильно образовываться осадок гидроксида кальция. Кусок кальция всплывает, подхваченный пузырьками водорода.

Через несколько десятков секунд кальций растворяется, а вода становится бело-мутной — из-за образования взвеси гидроксида (поэтому снимать опыт лучше на умеренно-темном фоне).

Если реакцию проводить не в стакане, а в пробирке, легко можно заметить выделение тепла: пробирка быстро становится горячей.

Разумеется, реакция кальция с водой не заканчивается эффектным взрывом, как в случае цезия, но она по-своему красива.

Источник

Химические и физические свойства кальция, его взаимодействие с водой

Почему металл хранят в герметичной банке

Кальций располагается в четвертом большом периоде, второй группе, главной подгруппе, порядковый номер элемента — 20. Согласно периодической таблице Менделеева, атомный вес кальция — 40,08. Формула высшего оксида — СаО. Кальций имеет латинское название calcium, поэтому символ атома элемента — Са.

Характеристика кальция как простого вещества

При обычных условиях кальций — это металл серебристо-белого цвета. Имея высокую химическую активность, элемент способен образовывать множество соединений разных классов. Элемент представляет ценность для технических и промышленных химических синтезов. Металл широко распространен в земной коре: его доля составляет около 1,5 %. Кальций относится к группе щелочноземельных металлов: при растворении в воде он дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Морская вода содержит кальций в больших концентрациях (400 мг/л).

Характеристики кальция зависят от строения его кристаллической решетки. У этого элемента она бывает двух типов: кубическая гранецентрическая и объемноцентрическая. Тип связи в молекуле кальция — металлический.

Природные источники кальция:

Физические свойства кальция и способы получения металла

В обычных условиях кальций находится в твердом агрегатном состоянии. Металл плавится при 842 °С. Кальций является хорошим электро- и теплопроводником. При нагревании он переходит сначала в жидкое, а затем в парообразное состояние и теряет металлические свойства. Металл является очень мягким и режется ножом. Кипит при 1484 °С.

Под давлением кальций теряет металлические свойства и способность к электропроводимости. Но затем металлические свойства восстанавливаются и проявляются свойства сверхпроводника, в несколько раз превышающего по своим показателям остальные элементы.

Кальций долго не удавалось получить без примесей: из-за высокой химической активности этот элемент не встречается в природе в чистом виде. Элемент был открыт в начале XIX века. Кальций как металл впервые синтезировал британский химик Гемфри Дэви. Ученый обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. В наши дни электролиз солей кальция (смеси хлоридов кальция и калия, смеси фторида и хлорида кальция) остается самым актуальным способом получения металла. Кальций также извлекают из его оксида с помощью алюминотермии — распространенного в металлургии метода.

Химические свойства кальция

Кальций — активный металл, вступающий во многие взаимодействия. При нормальных условиях он легко реагирует, образуя соответствующие бинарные соединения: с кислородом, галогенами. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о соединениях кальция. При нагревании кальций реагирует с азотом, водородом, углеродом, кремнием, бором, фосфором, серой и другими веществами. На открытом воздухе мгновенно взаимодействует с кислородом и углекислым газом, поэтому покрывается серым налетом.

Бурно реагирует с кислотами, при этом иногда воспламеняется. В солях кальций проявляет интересные свойства. Например, пещерные сталактиты и сталагмиты — это карбонат кальция, постепенно образовавшийся из воды, углекислого газа и гидрокарбоната в итоге процессов внутри подземных вод.

Из-за высокой активности в обычном состоянии кальций хранится в лабораториях в темной герметичной стеклянной посуде под слоем парафина или керосина. Качественная реакция на ион кальция — окрашивание пламени в насыщенный кирпично-красный цвет.

Идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым осадкам некоторых солей элемента (фторид, карбонат, сульфат, силикат, фосфат, сульфит).

Реакция воды с кальцием

Кальций хранят в банках под слоем защитной жидкости. Чтобы провести опыт, демонстрирующий, как происходит реакция воды и кальция, нельзя просто достать металл и отрезать от него нужный кусочек. Металлический кальций в лабораторных условиях проще использовать в виде стружки.

Если металлической стружки нет, а в банке есть только большие куски кальция, потребуются пассатижи или молоток. Готовый кусочек кальция нужного размера помещают в колбу или стакан с водой. Кальциевую стружку кладут в посуду в марлевом мешочке.

Кальций опускается на дно, и начинается выделение водорода (сначала в месте, где находится свежий излом металла). Постепенно с поверхности кальция выделяется газ. Процесс напоминает бурное кипение, одновременно образовывается осадок гидроксида кальция (гашёная известь).

Кусок кальция всплывает, подхваченный пузырьками водорода. Примерно через 30 секунд кальций растворяется, а вода из-за образования взвеси гидроксида становится мутно-белой. Если реакцию проводить не в стакане, а в пробирке, можно наблюдать выделение тепла: пробирка быстро становится горячей. Реакция кальция с водой не заканчивается эффектным взрывом, но взаимодействие двух веществ протекает бурно и выглядит зрелищно. Опыт безопасен.

Если мешочек с оставшимся кальцием вынуть из воды и подержать на воздухе, то через некоторое время в результате продолжающейся реакции наступит сильное разогревание и оставшаяся в марле вода закипит. Если часть помутневшего раствора отфильтровать через воронку в стакан, то при пропускании через раствор оксида углерода CO₂ получится осадок. Для этого не нужен углекислый газ — можно продувать выдыхаемый воздух в раствор через стеклянную трубочку.

Источник

Химическое осаждение

Химическое осаждение — это процесс, при котором под воздействием соответствующих реагентов образуются нерастворимые соединения. Реакции, проходящие при этом, подчиняются закону Бертолле или законам окисления-восстановления.

При обработке воды, наиболее часто прибегают к осаждению ионов Са2+ и Mg2+, а также гидроксидов металлов.

Выделение кальция и магния

Удаление карбонатов путем добавления извести

Декарбонизация воды известью — широко применяемый способ химического осаждения, что приводит к снижению бикарбонатной жесткости воды (называемой также временной жесткостью).

При анализе воды жесткость выражается общей жесткостью Жобщ, мг*экв/л, определяемой суммой катионов Са2+ и Mg2+, между тем содержание бикарбонатов характеризует общую щелочность ОЩ, мг*экв/л. Некарбонатная жесткость, следовательно, выражается как Жобщ — ОЩ.

Таким образом, удаление карбонатов известью есть частичное уменьшение содержания суммы ионов кальция и магния, не затрагивающее постоянной жесткости.

Если дозы реагентов определены точно, щелочность воды снизится в соответствии с теоретической растворимостью системы СаСОз + Mg(OH)2, составляющей 0,4—0,6 мг*экв/л, при обычных концентрации и температуре. Эти предельные значения могут однако возрасти при наличии в воде органических веществ. Если исходная вода содержит также бикарбонат натрия (Щ>Жобщ, то в воде останется дополнительная щелочность в виде карбоната натрия или каустической соды в количестве, соответствующем ОЩ — Жобщ.

Чтобы оценить достоинства различных способов удаления карбонатов с использованием извести, необходимо знать механизмы осаждения карбонатов кальция и магния.

При добавлении извести в сырую воду реакции проходят очень медленно, если отсутствуют центры кристаллизации. В состоянии покоя требуется несколько суток, чтобы, наступило химическое равновесие. В условиях проточного отстойника, когда нет контакта с содержащимся в нем осадком (такие конструкции еще применяются, но считаются устаревшими), длительность реакции составляет несколько часов. С другой стороны, если вода и известь контактируют с достаточно большим объемом уже образовавшихся кристаллов СаСОз, то реакция достигает точки равновесия за несколько минут. Так как осаждение проходит на кристаллах, размер их возрастает, скорость седиментации по закону Стокса увеличивается, что позволяет уменьшить размеры сооружения.

Все сказанное справедливо в том случае, когда поверхность кристаллов СаСОз остается достаточно чистой. Поэтому если в воде присутствуют органические коллоиды, способные помешать кристаллизации, то их следует выделить из воды; обычно для этого добавляют в сырую воду коагулянты: хлорид железа, сульфат или полихлорид алюминия.

Очень важно учитывать, что СаСОз в отдельности имеет тенденцию образовывать твердые крупные скопления кристаллов, которые оседают чрезвычайно быстро, в то время как магний в отдельности образует очень легкие хлопья Mg(OH)2. Если доля этого вещества ничтожно мала, оно сорбируется кальциевым осадком. Если же она велика, то невозможно получить тяжелый осадок и желаемую скорость осаждения.

Сооружение для удаления карбонатов выбирают поэтому прежде всего по его способности обеспечивать образование гомогенной смеси сырой воды, реагентов и осадка СаСОз в зоне реакции соответствующих размеров. Площадь поверхности зоны осаждения или осветления зависит от условий образования осадка и, главным образом, от содержания органических коллоидных веществ и солей магния.

Если требуется, тщательная очистка от карбонатов, то после осаждения их воду следует подвергнуть фильтрованию.

Использование карбоната натрия

Применявшийся прежде способ снижения постоянной жесткости с карбонатом натрия при высокой температуре, с карбонатом бария или тринатрий-фосфатом теперь, в сущности, устарел и заменен более современным, изложенным ниже. Процесс удаления солей постоянной жесткости с карбонатом натрия на холоду еще используется и сейчас; он основан на осаждении бикарбонатов кальция и магния.

Этот метод имеет ряд недостатков, в частности общая жесткость не может быть снижена более чем до 0,6—0,8 мг*экв/л.

При удалении карбонатов предпочтение часто отдается использованию одной извести, а также умягчению на натрий-катионитовых фильтрах, при котором до умягчения (после осветления) необходимо предусмотреть фильтрование через песок.

Осаждение каустической содой

Осаждение ионов кальция и магния каустической содой представляет собой комбинацию процессов обработки известью и карбонатом натрия, описанных выше.

Осаждение карбоната кальция сопровождается образованием карбоната натрия, который в свою очередь вступит в реакции (снижение постоянной жесткости).

Таким образом, снижение жесткости с помощью каустической соды равно удвоенной концентрации бикарбонатов щелочно-земельных металлов в исходной воде.

Значение ОЩ воды может быть понижено до 0,6 мг*экв/л, если достаточное количество ионов кальция соединится с образующимся карбонатом натрия.

Удаление кремния

Процесс обескремнивания в большей степени относится к адсорбционным процессам, нежели к процессам осаждения. Однако поскольку его часто осуществляют одновременно с декарбонизацией, целесообразно рассмотрение этого вопроса в настоящей главе. Процесс может быть проведен при нагревании или на холоду.

Удаление кремния с алюминатом натрия

В природных водах содержание кремния может быть существенно уменьшено путем перевода его в состав комплексов алюмосиликатов кальция или железа, которые образуются при температуре исходной воды. Для этой цели к воде добавляют соответствующие дозы хлорида железа, алюмината натрия и извести.

Наиболее полное удаление кремния обычно достигается, если вода одновременно подвергается декарбонизации. Осадок в этом случае содержит карбонат кальция, а также комплексные соединения, в состав которых входят кремний, алюминий и железо. Чем выше концентрация кремния в исходной воде и выше температура, тем больше концентрация остаточного кремния.

Обычно можно снизить содержание кремния до 2—5 мг/л (в расчете на кремнезем), если его начальная концентрация составляет 20 мг/л при 20 °С. При более высоких начальных концентрациях снижение содержания кремния составляет от 70 до 80%.

Удаление кремния магнезией

Обработка может быть проведена при нагревании или на холоду.

Процесс на холоду: получаемые результаты аналогичны результатам процессов обескремнивания описанным выше. Маг-

пезия готовится на месте из оксида магния, который растворяется при продувке С02 и затем осаждается с известью.

Процесс при нагревании: совмещает процесс удаления из воды кремния и декарбонизацию ее.

Если вода обрабатывается при температуре около 100 °С в смеси с известью и пористым порошкообразным ангидридом магния, то кремнезем может быть удален адсорбцией (при этом остаточное содержание его в обработанной воде ниже 1мг/л). Этот метод, с последующим катионообменным умягчением, широко используется для воды, питающей бойлеры среднего давления. Необходимо включать фильтрование осветленной воды через среду, которая не содержит кремний (например, мрамор или антрацит).

Удаление солей из металлсодержащих стоков путем обработки осаждением

Различные неорганические соли, содержащиеся в стоках производств обработки металлов, удаляют путем осаждения, описываемым законом Бертолле. Среди этих солей основные — фториды и фосфаты.

Ион фтора после обработки воды известью превращается в нерастворимый фторид кальция, который затем осаждается в соответствии с его пределом растворимости; последний в свою очередь колеблется от 15 до 25 мг/л (в расчете на F) в зависимости от природы и концентрации других присутствующих в воде солей.

Фосфаты осаждают солями кальция или железа в форме фосфатов кальция или железа.

Осаждение сульфата кальция в форме гипса (CaSO4*2H2O) при нейтрализации растворов известью, достаточно концентрированных по серной кислоте, относится к этому же типу обработки. Здесь реакции ускоряются также в присутствии ранее образовавшихся кристаллов, что приводит к получению большого объема осадков.

Обработка рассолов

Прежде чем рассол подвергнуть выпариванию для образования кристаллов соли или же электролизу для выделения хлора, его очищают путем химического осаждения. В первом случае это необходимо сделать, чтобы получить максимально возможную чистую соль для использования ее человеком. Во втором случае задача может изменяться в зависимости от типа используемого электролизного оборудования.

Если ячейки электролизера диафрагменного типа, где диафрагма отделяет анод от катода для предотвращения рекомбинации хлора и натрия, обеспечивающих прохождение электрического тока, то кальций и магний должны быть выделены, чтобы исключить их осаждение на диафрагме и предотвратить ее загрязнение. В ячейках с ртутными катодами, в которых натрий находится в составе амальгамы, очистка должна быть особенно полной, чтобы удалить, в частности, ионы железа и магния, которые могут вытеснить натрий из амальгамы. В обоих случаях износ графитовых анодов уменьшается, если удалены сульфат-ионы.

Основным фактором, позволяющим отличить сырой рассол от обычной воды, служит концентрация растворенных ионов, которая в первом случае в 10—10000 раз больше, чем во втором. Вследствие этого происходит неполная диссоциация ионов, а кинетика реакций осаждения отличается от той кинетики, которая описывает процессы обработки воды.

В рассоле, пропущенном через электролитическую батарею, понижается концентрация NaCl, но в то же время увеличивается его загрязнение другими солями, присутствовавшими в обрабатываемых рассолах; эти примеси следует выводить до того, как рассол будет подан в электролитическую батарею.

Осаждение гидроксидов металлов

Основное требование в процессе осаждения гидроксидов металлов — выделение тяжелых металлов: кадмия, меди, хрома, никеля, цинка и железа, которые присутствуют, в частности, в стоках цехов обработки металлов. Если предположить, что эти металлы присутствуют в виде ионов и не образуют комплексов, то все они осаждаются в виде гидроксидов или гидрокарбонатов в определенном интервале значений pH. Так, если pH среды колеблется в пределах 8,5—9,5, то растворимость этих металлов находится на уровне допустимой.

При проектировании уличного освещения особенно важно обратить внимание на выбор уличных опор. Качественные опоры уличного освещения доступны по ссылке.

Источник