§ 28. Жорсткість води та способи її усунення

Вам відомо, що абсолютно чистих речовин не існує. Дощова, річкова чи морська вода, підземні води завжди містять домішки, серед яких найпоширенішими є солі. Тому природна вода буває і жорсткою, і м’якою.

Жорстка вода створює несприятливі умови для функціонування приладів, робота яких пов’язана з гарячою водою, погіршує прання, приготування їжі тощо.

Якщо у складі питної чи мінеральної води катіони Кальцію і Магнію є корисними у визначених межах споживання, то для води, у якій перуть білизну, яку кип’ятять (під час приготування страв, чаю, кави тощо), використовують у системах опалення приміщень, їх наявність небажана і до певної міри шкідлива.

ПОНЯТТЯ ПРО ЖОРСТКІСТЬ ВОДИ. З наявністю у воді солей Кальцію і Магнію — гідрогенкарбонатів, хлоридів та сульфатів — пов’язане поняття жорсткість води.

Жорсткість води — сукупність властивостей води, зумовлена наявністю катіонів Са 2+ і Mg 2+ . Ці йони входять до складу солей хлоридів, сульфатів, гідрогенкарбонатів.

Вода, 1 л якої містить до 2 ммоль/л йонів Са 2+ і Mg 2+ , вважається м’якою. Вода із вмістом йонів Са 2+ і Mg 2+ понад 10 ммоль/л вважається жорсткою. Прикладом м’якої води є дощова вода, жорсткої — вода морів і океанів.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Завдання. Вивчіть йонний склад двох різних мінеральних вод.

1. Знайдіть на етикетках досліджуваних мінеральних вод інформацію про вміст катіонів та аніонів і заповніть таблицю 11 у робочому зошиті.

Назва мінеральної води

Наявність йонів

Молекулярні формули солей

катіони

аніони

Із зазначених у таблиці катіонів та аніонів складіть хімічні формули солей і запишіть їх в останній колонці таблиці.

2. Запишіть по два катіони та аніони, вміст яких найбільший у складі кожної мінеральної води.

3. Знайдіть на етикетках відомості про загальну мінералізацію води (вміст солей в 1 л) та зробіть висновок, м’якою чи жорсткою вона є.

Розрізняють тимчасову, постійну та загальну жорсткість води (мал. 73).

Мал. 73. Види жорсткості води

Зі схеми бачимо, що жорсткість води, зумовлена вмістом у ній кальцій гідрогенкарбонату та магній гідрогенкарбонату, дістала назву тимчасової, або карбонатної.

Враховуючи здатність гідрогенкарбонатів розкладатися під час нагрівання з утворенням нерозчинного у воді кальцій карбонату, тимчасову жорсткість води можна усунути кип’ятінням:

Саме ця реакція відбувається під час кип’ятіння води, що має тимчасову жорсткість. Нерозчинні у воді карбонати, що утворюються з гідрогенкарбонатів, осідають на внутрішній поверхні посудин у вигляді білого осаду, утворюючи накип. Якщо вода містить солі Феруму, то накип набуває коричневого відтінку. Накип погіршує процес теплообміну в парових котлах і чайниках, призводить до перевитрат палива і перегрівання металевих поверхонь. З часом чайники, нагрівальні елементи пральних машин (мал. 74) виходять з ладу, просвіти батарей опалення звужуються й тепловіддача погіршується.

Мал. 74. Нагрівальний елемент, вкритий шаром накипу

Крім кип’ятіння, тимчасову жорсткість води усувають хімічним способом, додаючи до води кальцій гідроксид (гашене вапно), натрій гідроксид або соду.

• Аналогічні реакції для магній гідрогенкарбонату складіть самостійно.

Вивчаючи органічні речовини, ви дізналися про натрій стеариноат C₁₇H₃₅COONa — основну складову твердого мила. Як і всі сполуки Натрію, мило добре розчиняється у воді, а розчин виявляє мийну дію. Однак у жорсткій воді, замість усунення забруднень, мило вступає в реакцію йонного обміну з наявними в ній солями Кальцію чи Магнію, утворюються нерозчинні у воді стеариноати цих металічних елементів:

Це їхні «пластівці» з’являються у мильній воді замість густої піни. До того часу, доки всі катіони Кальцію і Магнію не будуть осаджені, мийна дія мила проявляється слабко. Це збільшує витрати мила та погіршує структуру і якість тканин. Синтетичні мийні засоби (пральні порошки, пасти, рідини) не утворюють з Кальцієм та Магнієм нерозчинних солей, а тому забезпечують ефективне прання й економне витрачання мийних засобів як у м’якій, так і в жорсткій воді.

На відміну від гідрогенкарбонатів Кальцію і Магнію, розчинені у воді хлориди і сульфати не можна видалити з розчину кип’ятінням.

Наявність у воді гідрогенкарбонатів Кальцію і Магнію зумовлює тимчасову, або карбонатну жорсткість води.

Наявність у воді сульфатів і хлоридів Кальцію і Магнію зумовлюють постійну, або некарбонатну жорсткість води.

Постійну (некарбонатну) жорсткість води усувають хімічним способом, використовуючи речовини, які переводять йони Кальцію і Магнію з розчину в нерозчинні сполуки. Це можуть бути натрій карбонат (кальцинована сода) Na₂CO₃, натрій ортофосфат Na₃PO₄. Як і у випадку з тимчасовою жорсткістю, утворюються нерозчинні карбонати й ортофосфати:

Перспективним та ефективним способом усунення жорсткості води є йонітний. Для цього користуються йонообмінними колонками (мал. 75). Вони заповнені твердими нерозчинними у воді йонообмінними матеріалами із загальною назвою катіоніти, що містять рухливі йони, наприклад Натрію. Катіони Натрію обмінюються на катіони Кальцію і Магнію, що містяться у жорсткій воді. Унаслідок такого обміну катіони Кальцію та Магнію залишаються в йонообмінній колонці, а пом’якшена вода витікає з неї. Важливо також те, що йонообмінний матеріал піддається регенерації, тобто відновленню.

Мал. 75. Пом’якшення води в лабораторних умовах із використанням йонообмінної колонки

Постійну жорсткість води усувають хімічним способом за допомогою натрій карбонату (кальцинована сода) Na₂CO₃, натрій ортофосфату Na₃PO₄, аніони яких утворюють з катіонами Кальцію і Магнію нерозчинні сполуки, або воду пропускають через йонообмінні колонки.

Терміном загальна жорсткість характеризують одночасну присутність у воді сполук, що зумовлюють тимчасову і постійну жорсткість. Якість природних вод характеризують переважно цим терміном, оскільки у більшості випадків природна вода містить і карбонати, і хлориди, і сульфати Кальцію та Магнію.

Про дистиляцію як спосіб отримання м’якої води ви вже знаєте.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Завдання. У домашніх умовах з поверхні побутових приладів усуньте накип (відклад нерозчинних карбонатів). Для його виконання вам знадобиться: чайник, каструля або інший побутовий посуд, на стінках якого від тривалого кип’ятіння води утворився накип нерозчинних карбонатів; лимонна чи етанова кислоти (оцет), спеціальний засіб для видалення накипу, придбаний у магазині, вода.

Спосіб 1. Усуньте накип з поверхні будь-якого побутового приладу хімічним способом. Для цього приготуйте розчин засобу з розрахунку одна упаковка лимонної кислоти на 3 л води, або 50 мл оцту на такий самий об’єм води. Вилийте виготовлений розчин у посудину так, щоб він повністю покривав поверхню з накипом, закрийте кришкою і кип’ятіть близько 5 хв. Після завершення кип’ятіння зачекайте, поки рідина охолоне (реакція може ще продовжуватись). Вилийте розчин з посудини та ретельно ополосніть її.

Результати проведеного досліду запишіть у робочий зошит, поясніть їх.

Спосіб 2. Якщо маєте змогу придбати один із засобів, призначених для усунення накипу, виконайте дослід, скориставшись ним. Під час виконання досліду чітко дотримуйтесь інструкції, що додається до засобу.

Результати проведеного досліду запишіть у робочий зошит, а також зазначте основну речовину у складі засобу, призначену для зняття накипу.

Сторінка ерудита

Наземним рослинам для живлення, людям і тваринам суходолу для пиття потрібна прісна вода — вода з невеликим вмістом розчинених у ній речовин, які питній воді надають смаку. Водопостачання жителів великих міст здійснюють водою річок і підземними водами. Зокрема, дніпровську воду споживають жителі Києва, Дніпра, Запоріжжя та інших великих міст. Вам відомо, що перш ніж вода з’явиться у квартирах, її очищають і знезаражують, а в спеціальних лабораторіях фахівці з відповідною хіміко-біологічною підготовкою здійснюють контроль якості води. Контроль якості води полягає у встановленні жорсткості води, виявленні відповідності її складу державним нормам. Для цього проводять якісний і кількісний аналіз питної води на вміст у ній катіонів металічних елементів і Гідрогену, аніонів кислотних залишків, шкідливих мікроорганізмів, а також різних органічних речовин, забруднення води якими може статись через недбалу господарську діяльність людей.

Знаємо, розуміємо

• 1. Чим зумовлена жорсткість води? На які види її поділяють?
• 2. Яку загрозу побутовим приладам становить жорстка вода?
• 3. Назвіть солі, що зумовлюють тимчасову жорсткість води.
• 4. Назвіть солі, що зумовлюють постійну жорсткість води.

Застосовуємо

• 1. Поясніть хімічну суть різних видів жорсткості води.
• 2. Складіть рівняння реакцій за схемою перетворень: кальцій карбонат → кальцій оксид → кальцій гідроксид → кальцій гідрогенкарбонат → кальцій карбонат → кальцій хлорид → кальцій нітрат.
• 3. Виконайте завдання з рубрики «Хімія — це життя: сторінка природодослідника». Одержані результати оприлюдніть на уроці.
• 4. Чому вдаються до пом’якшення води, яку використовують у побуті?
• 5*. Запропонуйте спосіб опріснення морської води, який можна було б використовувати в екстремальній ситуації перебування людини у відкритому морі без запасу прісної води.

§ 28. Поняття про твердість (жорсткість) води та способи її усунення

Твердість води – це сукупність її властивостей, зумовлених деякими катіонами металічних елементів, що містяться в ній. Усі двовалентні катіони тією чи тією мірою впливають на твердість води, оскільки вони взаємодіють з певними аніонами, унаслідок чого утворюються нерозчинні або малорозчинні сполуки, що випадають в осад. Формули найважливіших 1 йонів, що зумовлюють твердість води, наведено в таблиці 28.1.

1 Через мізерно малий уміст у воді катіонів Стронцію, Феруму(ІІ) та Феруму(ІІІ), Мангану(ІІ), Барію їхнім упливом на твердість води нехтують.

Таблиця 28.1. Найважливіші йони, які зумовлюють твердість води

Звідки ці йони потрапляють у воду? Їхніми джерелами є природні поклади вапняків (СаСО₃), гіпсу (CaSO₄ · 2Н₂О) і доломіту (СаСО₃ · MgCO₃). Унаслідок взаємодії розчиненого у воді карбон(ІV) оксиду з мінералами, інших процесів розчинення й хімічного вивітрювання гірських порід природна вода збагачується катіонами та аніонами (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Як м’яка вода стає твердою та навпаки

• Складіть рівняння реакцій між карбонатами Кальцію та Магнію й карбон(ІV) оксидом, розчиненим у воді.

Джерелами йонів, що зумовлюють твердість води, можуть бути мікробіологічні процеси, що відбуваються в ґрунті на площі водозабору, у донних відкладеннях, кислотні опади, а також стічні води підприємств.

Уплив твердої води на побутові прилади, комунікації, організми. Унаслідок нагрівання твердої води в трубах опалювальної системи, кип’ятіння її утворюється осад, який осідає на поверхні нагрівальних елементів, стінках труб, що призводить до зменшення теплопровідності, звужування отворів тощо (рис. 28.2).

Рис. 28.2. Накип у трубі (1) та на поверхні нагрівальних елементів (2)

Використання твердої води призводить до перевитрати електроенергії, бо частину енергії доводиться витрачати на нагрівання шару накипу. У твердій воді зменшується мийна дія мила (натрієвих і калієвих солей стеаратної кислоти) через утворення нерозчинних кальцієвих і магнієвих солей:

Утворені внаслідок цього осади стеаратів Кальцію та Магнію осідають на поверхні шкіри, волосся, заповнюють проміжки між волокнами тканин. Це може призвести до надмірної сухості шкіри, її подразненню. Волосся, вимите милом у твердій воді, тьмяніє та стає ламким. З поверхні тканин, випраних у ній, важче вибавити забруднення та плями. Вапняковий наліт осідає на поверхні облицювальної плитки, керамічних, металевих і пластмасових деталях сантехнічного обладнання (рис. 28.3).

Рис. 28.3. 1. Тверда вода є однією з можливих причин екземи в немовлят. 2. Тверда вода – для сантехніки біда

Цікаво і пізнавально

Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського Національної академії наук України є єдиною академічною установою, діяльність якої цілком і повністю пов’язана з комплексним дослідженням усіх аспектів хімії й технології води, колоїдної та аналітичної хімії. Одними з найвагоміших досягнень Інституту є розроблення та впровадження технологій та устаткування для одержання якісної питної води

Типи твердості води, їхні причини та способи усунення. Уявлення про них ви зможете дістати, проаналізувавши таблицю 28.2 (зробіть це).

Таблиця 28.2. Твердість води, її типи, причини та способи усунення

• 1. Перетворіть наведені в таблиці 28.2 схеми реакцій на хімічні рівняння, запишіть відповідні повні й скорочені йонні рівняння. 2. Поясніть: а) чому постійну твердість води не можна усунути кип’ятінням; б) які з наведених у таблиці 28.2 способів зм’якшення води є безпечними для використання в домашніх умовах.

Окрім уже зазначених способів зменшення твердості води, широко використовують й інші. Розгляньмо їх докладніше.

Дистилювання, або термічне опріснення, – чи не найпоширеніший на морських судах спосіб добування прісної води із забортної морської. Також солону воду знесолюють, а отже, і зм’якшують, виморожуванням. Унаслідок охолодження солоної води нижче температури замерзання в ній утворюються кристали льоду – замерзлої прісної води, які відокремлюють від розсолу, промивають і плавлять.

Йонний обмін – одна з найдоступніших та ефективних технологій зм’якшення води, яку пропускають крізь фільтр, що містить йонообмінні смоли. Унаслідок реакцій йонного обміну катіони Кальцію та Магнію з води переходять у смолу, а вода натомість збагачується йонами Натрію. Для регенерування смолу промивають розчином кухонної солі.

Зворотний осмос передбачає використання напівпроникної мембрани, крізь яку під тиском пропускають воду. Мембрана затримує частинки з розмірами 0,001-0,0001 мкм, зокрема гідратовані сульфат-, хлорид- та нітрат-аніони, катіони Натрію, Кальцію, Магнію, молекули барвників тощо, але пропускає молекули води.

Магнітний та електромагнітний методи зм’якшення води. Під час проходження потоку води крізь магнітні та електромагнітні фільтри під дією магнітного поля солі Кальцію та Магнію переходять у нерозчинну форму. Осад, що утворився, з потоком води виводять із системи водопроводу. Таке обладнання застосовують для захисту від накипу котлів, колонок, водонагрівачів, пральних та посудомийних машин у приватних будинках і котеджах.

• Які з наведених вище способів зм’якшення води ґрунтуються на фізичних, а які – на хімічних явищах?

Цікаво і пізнавально

Клітинні оболонки рослини містять пектини – вуглеводні ланцюжки. Пектинову сітку стабілізують йони полівалентних металічних елементів (таких, у яких валентність більша за одиницю). Тобто під час засолювання огірків катіони Кальцію та Магнію роблять пектинову сітку жорсткішою (рис. 28.4), а огірки не розм’якають і стають хрумкими.

Рис. 28.4

• Поясніть, чому для засолювання огірків досвідчені кулінари й кулінарки радять використовувати: а) для розсолу колодязну чи джерельну воду з підвищеною твердістю або навіть мінеральну воду; б) неочищену кам’яну або морську сіль, а не сіль «Екстра»; в) кальцій хлорид 1 як добавку до розсолу; г) лише сиру, а не кип’ячену воду для розсолу.

1 Аптечний препарат.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Твердість води – це сукупність її властивостей, зумовлених катіонами металічних елементів, передусім Са 2+ та Mg 2+ , що є в ній.

• Загальна твердість води складається з карбонатної (тимчасової) та некарбонатної (постійної).

• Карбонатну твердість зумовлено вмістом у воді йонів Са 2+ , Mg 2+ , НСО – ₃, а некарбонатну – Са 2+ , Mg 2+ , SO 2- ₄,NO – ₃, Сl – .

• Карбонатну твердість усувають кип’ятінням і реагентним способом, некарбонатну – реагентним способом.

• Дистилювання, виморожування, йонний обмін, зворотний осмос, магнітний та електромагнітний методи використовують для знесолення й, відповідно, зм’якшення води.

Перевірте себе

• 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

• 2. Розгляньте рисунки 28.5.1 та 28.5.2 й визначте: 1) на якому з його фрагментів – а чи б – зображено посуд, який мили у твердій воді; 2) на якому з його фрагментів – в чи г – зображено колбу з твердою водою, до якої долили мильного розчину й збовтнули.

Рис. 28.5

• 3. Поміркуйте й висловте припущення, чому: а) перегонкою можна усунути як тимчасову, так і постійну твердість води; б) твердість поверхневих вод зазвичай менша від твердості вод підземних; в) твердість поверхневих вод схильна до помітних сезонних коливань і досягає найбільшого значення наприкінці зими й найменшого – у період повені; г) часто систему зворотного осмосу для очищення питної води доповнюють фільтром штучної мінералізації, під час проходження крізь який воду збагачують солями Магнію, Кальцію, Калію, Флуору та інших хімічних елементів до рівня 100 мг/л, а якщо вода призначена для прання та миття посуду, то такий фільтр не встановлюють; д) для чого в посудомийні машини завантажують таблетки, головним складником яких є натрій хлорид, адже він не усуває твердість води та не є мийним засобом.
• 4. За допомогою інтернет-ресурсів знайдіть мапу України, на якій позначено регіони з різною твердістю води. Проаналізуйте й поясніть, чим, на вашу думку, зумовлено відмінності в різних регіонах.
• 5. Проаналізуйте з погляду хімії фрагмент інструкції щодо складу й використання порошку для посудомийних машин: «Лужність розчину, потрібну для процесу миття, забезпечує комбінація натрій карбонату, натрій гідрогенкарбонату, натрій силікату. Натрій цитрат і натрій глюконат зменшують твердість води під час нагрівання її й дають змогу запобігти утворенню осаду на посуді». Чи правильно описав виробник функції кожного зі складників 1 ?
• 6. Запропонуйте способи видалення накипу з огляду на його хімічний склад.
• 7. Доповніть опис досліду: «На предметне скельце нанесли по краплі дистильованої, кип’яченої мінеральної й некип’яченої мінеральної води. Після висихання дистильованої води осад . . Осад після випаровування кип’яченої мінеральної води дав змогу зробити висновок про її . твердість, а некип’яченої – про . ».

1 Візьміть до уваги, що цитрати та глюконати Кальцію й Магнію – малорозчинні сполуки.

Творча майстерня

• 8. Підготуйте презентацію «Тверда та м’яка вода в моєму житті».