Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Попель

§ 28. Жорсткість води

Матеріал параграфа допоможе вам:

  • отримати інформацію про жорсткість води;
  • дізнатися про способи усунення жорсткості води.

Жорсткість води. На виробництві, у побуті майже завжди використовують прісну воду. У ній містяться невеликі кількості різних йонів, серед яких — катіони Са2+ і Mg2+(мал. 80). Наявність цих йонів зумовлює так звану жорсткість води — властивість, яка спричиняє певні проблеми під час її використання. У «м’якій» воді концентрація катіонів Кальцію і Магнію дуже мала.

Мал. 80. Вміст йонів у популярній мінеральній воді

Цікаво знати

В 1 л дніпровської води міститься в середньому 64 мг йонів Кальцію і 12 мг йонів Магнію.

Мило1 у жорсткій воді утворює мало піни, що не сприяє відокремленню часточок бруду від поверхні тканини. Складники мила (аніони карбонових кислот — пальмітинової, стеаринової) взаємодіють із йонами Са2+ і Mg2+ з утворенням нерозчинних сполук Кальцію і Магнію:

1 Милами називають солі вищих карбонових кислот і лужних елементів.

Під час прання такі сполуки осідають на тканині й погіршують її якість.

Вода зі значною жорсткістю негативно діє на виробниче устаткування, побутову техніку, в яких здійснюють її нагрівання або кип’ятіння. Тому в багатьох випадках намагаються пом’якшити воду, тобто позбутися якомога більшої кількості йонів Кальцію і Магнію в ній.

Розрізняють тимчасову і постійну жорсткість природної води.

Тимчасова, або карбонатна, жорсткість. Цей вид жорсткості зумовлений наявністю в природній воді катіонів Са2+, Mg2+ і аніонів НСО3, тобто вмістом розчинених гідрогенкарбонатів Са(НСО3)2 і Mg(HCO3)2. При кип’ятінні такої води відбуваються реакції

Цікаво знати

У побуті накип зазвичай видаляють за допомогою оцту.

Середні карбонати, осаджуючись, утворюють так званий накип у системах водяного опалення, парових котлах. Це погіршує теплообмін, зменшує пропускну спроможність тепломагістралей, іноді спричиняє аварії. Накип з’являється в чайниках, прасках, пральних машинах, на поверхні нагрівних пристроїв (мал. 81), водопровідних кранів.

Мал. 81. Нагрівний елемент із накипом

Гідрогенкарбонати Кальцію і Магнію постійно утворюються під час взаємодії карбонатних мінералів (СаСО3, MgCO3 із розчиненим у природній воді вуглекислим газом:

За певної зміни зовнішніх умов (наприклад, при підвищенні температури) відбуваються зворотні реакції. Середні солі, виділяючись із води, нерідко утворюють у вапнякових печерах карбонатні «бурульки» — сталактити — і баштоподібні нарости — сталагміти (мал. 82).

Мал. 82. Сталактити (вгорі) і сталагміти (внизу)

Найпростіший спосіб усунення тимчасової жорсткості природної води — її кип’ятіння. При цьому відбуваються реакції згідно з наведеними вище хімічними рівняннями. Після відокремлення осаду карбонатів відстоюванням або фільтруванням вода містить значно менше йонів Са2+ і Mg2+ (за рахунок розчинених сульфатів та інших солей цих елементів).

Природну воду можна «звільнити» від гідрогенкарбонатів Кальцію і Магнію, додавши до неї невелику кількість гашеного вапна

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3↓ + 2Н2О;

Mg(HCO3)2+ Са(ОН)2 = MgCO3↓ + СаСО3↓ + 2Н2О

чи кальцинованої соди:

М(НСО3)2 + Na2CO3 = МСО3↓ + 2NaHCO3

(М — Са, Mg).

Постійна, або некарбонатна, жорсткість природної води зумовлена наявністю у ній катіонів Са2+ і Mg2+, які належать іншим розчиненим солям Кальцію і Магнію (наприклад, сульфатам).

Усунути постійну жорсткість води кип’ятінням не можна. Цього досягають додаванням до неї кальцинованої соди або натрій ортофосфату. Внаслідок реакцій обміну йони Са2+ і Mg2+ осаджуються повністю:

CaSO4 + Na2CO3 = СаСО3↓ + Na2SO4;

3MgSO4+ 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4.

Сода й ортофосфат усувають не лише постійну, а й тимчасову жорсткість води:

3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4= Mg3(PO4)2↓ + 6NaHCO3.

Незначна кількість йонів Натрію, яка потрапляє при цьому у воду, не впливає на її технологічні якості.

Складіть йонно-молекулярне рівняння останньої реакції.

За сумарною концентрацією йонів Кальцію і Магнію визначають загальну жорсткість води.

Цікаво знати

Оптимальний вміст у питній воді йонів Са2+ 25—75 мг/л, а йонів Mg2+ 10—50 мг/л.

На деяких виробництвах для усунення жорсткості води використовують особливі речовини — йонообмінні смоли. Іноді у воду, яку застосовують для технічних потреб, додають реагенти, що «зв’язують» йони Са2+ і Mg2+ у розчинні, стійкі до підвищення температури сполуки і цим запобігають утворенню накипу. Такі реагенти використовують при експлуатації пральних і посудомийних машин.

Видалити всі розчинені солі з води можна, застосувавши перегонку й отримавши дистильовану воду.

ВИСНОВКИ

Жорсткість природної води зумовлена наявністю у ній йонів Кальцію і Магнію. Гідроген-карбонати цих елементів визначають тимчасову жорсткість води, а інші розчинені солі Кальцію і Магнію — її постійну жорсткість.

Тимчасову жорсткість води усувають кип’ятінням, додаванням гашеного вапна, кальцинованої соди, а загальну — додаванням кальцинованої соди, натрій ортофосфату, деяких інших речовин, а також за допомогою йонообмінних смол.

  • 226. Жорсткою чи м’якою є дощова вода, тала вода? Відповідь обґрунтуйте.
  • 227. Чому мило не милиться у воді зі значною жорсткістю?
  • 228. Як позбавити природну воду розчинених солей Магнію та Кальцію?
  • 229. Чи можна усунути постійну жорсткість води кип’ятінням? Чому?
  • 230. Чи можна повністю усунути жорсткість води додаванням гашеного вапна? Відповідь аргументуйте.
  • 231. За результатами хімічного аналізу вміст деяких йонів у природному джерелі такий: Са2+ — 100 мг/л; Mg2+ — 24 мг/л; НСО-3 — 488 мг/л. Обчисліть масу осаду, який виділиться при кип’ятінні 0,5 л води цього джерела.