Жесткость – это показатель, указывающий на наличие в водном растворе солей минералов. Это свойство обусловлено растворимостью в воде веществ различного химического происхождения. Основными из них для идентификации и количественного расчета жесткости являются кальциевые и магниевые соли. Измеряется их концентрация в мг-экв/л.
Степень жесткости
Определяется она уровнем солевого содержания. Например, вода, именуемая мягкой – это осадки, содержащие их незначительную долю в связи с химическими реакциями в атмосфере. Вода в ней впитывает в себя двуокись углерода и на земле оказывается в виде слабого раствора угольной кислоты (H2CO3). Только потом, после прохода через почву, в ней образуется кальциевая соль. Причина этому – известняк, вступающий в реакцию с угольной кислотой, в результате чего образуется соль гидрокарбоната кальция – Ca(HCO3)2.
Природа образования жесткой воды определяется ещё и ионным распадом этого вещества, в результате которого образуются положительно заряженный катион кальция и анион гидрокарбоната с отрицательным зарядом.
Разновидности жесткости
Химический состав солевого раствора позволил разделить жесткость на карбонатную и некарбонатную. Эквивалентные определения – соответственно временная и постоянная. Первая из них характеризуется присутствием в растворе не только карбоната и гидрокарбоната, но и катионов магния, железа и кальция. Эта разновидность жесткости обычно преобладает, её доля достигает 80%.
Результат кипячения приводит к хорошо знакомой «накипи». Это – осадок, образующийся при соединении катионов и анионов при повышении температуры. Осаждается углекислый кальций и гидроокись магния, распада гидрокарбонатов при этом не происходит.
Постоянную жесткость воды за счет разогрева устранить не удастся, хотя она тоже характеризуется наличием катионов тех же металлов. Анионная составляющая в ней более разнообразна – это хлориды, фосфаты, нитраты и силикаты, а стойкость связана с тем, что соли при этом образуются из сильных кислот.
Химическая природа жесткости
Определяется она присутствием в воде катионов металлов, имеющих валентность более 1. Каждый из них вступает в ассоциативную реакцию с определенным анионом сложного минерала. Степень влияния на жесткость различна. Минимальна она для марганца, железа и стронция; они объединяются с катионами соответственно силиката, нитрата и хлорида.
Некоторые катионы оказывают влияние только при определенных уровнях pH (трехвалентные железо и алюминий, барий), и их из-за малой растворимости в воде не учитывают.
Ключевое значение имеет суммарная концентрация ионов основных металлов, расчет производится по содержанию сернокислого магния (MgSO4, показатель постоянной жесткости) и кальциевого соединения Са(НCО3)2.
Смягчение воды
Эта проблема актуальна в наше время, когда образование накипи приводит к снижению эффективности современных электронагревателей. Её решение пытались найти ещё в 19 веке, когда изучался ионный обмен с помощью раствора солей аммония, пропускаемых через почву, содержащую глину и цеолиты. В результате опытов нейтрализовались ионы, провоцирующие образование накипи. Оставшиеся в воде моновалентные катионы вреда уже не наносили.
Современные средства смягчения воды также работают на принципе ионного обмена. Для этого используются специальные смолы. Для борьбы с некарбонатной жесткостью в этом случае применяется водородное катионирование, а для нейтрализации постоянной жесткости – натриевое катионирование.