Як дізнатися рівень жорсткості води

Вода є найбільш поширеною у світі сполукою. Він становить основу життя на Землі. Це також невід’ємна частина нашого повсякденного життя. Щоб її використання – особливо для пиття – було безпечним, параметри якості води повинні відповідати певним критеріям. Одним із показників якості води є її жорсткість, яка, в тому числі, відповідає за білий осад, який накопичується на вашому посуді або викликає поломку побутової техніки.

Чому вода жорстка?

Жорсткість води визначається кількістю міліграмів іонів Ca 2+ і Mg 2+ , що містяться в ній. Частина жорсткості, яка визначає її загальну лужність (що є ще одним показником якості води), називається карбонатною жорсткістю, інакше відомою як перехідна жорсткість. Кількісне перевищення загальної лужності інакше називають некарбонатною (твердою) твердістю. Сумарне значення карбонатної і некарбонатної жорсткості являє собою загальну (загальну) жорсткість води. Чим вище вміст іонів кальцію і магнію у воді, тим більша жорсткість. Причому на значення цього показника опосередковано впливають іони заліза та марганцю. Вода стає жорсткою, тому що під час її циркуляції вона контактує з численними факторами, такими як скелі чи ґрунт, які віддають їй різні концентрації елементарних іонів. Природні води зазвичай містять до 10 мг Mg/л. Концентрація іонів магнію рідко перевищує 100 мг на літр. У природних джерелах переважаючим типом жорсткості є жорсткість, яка зумовлена ​​високим вмістом іонів кальцію, також називається кальцієвою жорсткістю. В аналітичних лабораторіях і лабораторіях контролю якості загальну твердість визначають комплексонометричним методом EDTA. Карбонатна жорсткість (що відповідає загальній лужності) все ще визначається за допомогою кислотно-лужного титрування з візуальним (або потенціометричним) способом визначення кінцевої точки титрування. Метод ЕДТА заснований на визначенні сумарного вмісту іонів кальцію і магнію. Зразок, що підлягає аналізу, титрують розчином динатрію едетату (це натрієва сіль етилендіамінтетраоцтової кислоти) при рН від 9 до 10 проти еріохромового чорного Т як індикатора. У кінцевій точці титрування колір змінюється з червоного на синій. Титрант, використаний у цьому визначенні, позначається акронімом EDTA. Динатрій едетат у водних розчинах піддається електролітичній дисоціації, і отриманий іон динатрію едетат утворює комплекс з аналізованими іонами. Ви також можете самостійно перевірити приблизну жорсткість води (крім замовлення аналізу якості води). Для цього необхідно придбати відповідні тест-смужки або дроп-тести. Якщо ви використовуєте їх, ви повинні дотримуватися інструкцій, які додаються до тестів.

Вплив високої жорсткості води:

• Погіршення фізико-хімічних властивостей води.
• Знищення побутової електроніки та побутової техніки, що працює на жорсткій воді. Осад, який не завжди можна повністю видалити з приладу. З часом це призводить до пошкодження та виходу з ладу ваших приладів.
• Наростання масштабу. Виникає у вигляді білого осаду карбонату кальцію і карбонату магнію. Він випадає в осад в процесі термічної обробки води, тому найчастіше зустрічається в чайниках. Утворення накипу викликає значні втрати енергії.
• Збільшення поверхневого натягу води, що викликає, наприклад, зниження змочувальних властивостей. У результаті вам потрібно використовувати набагато більше миючого засобу , наприклад, для прання тканин.
• Зношеність систем опалення. Особливо страждають опалювальні котли, які безпосередньо контактують з жорсткою водою. Накопичення нерозчинного накипу засмічує труби, в результаті чого значно збільшуються витрати на опалення.

Види жорсткості води

Загалом, жорсткість води класифікується на:

• Карбонатна жорсткість – тип жорсткості, який легко помітити на посуді чи в чайнику. Карбонатну твердість зумовлюють карбонати і бікарбонати кальцію і магнію. Однак вони легко видаляються з води, наприклад, за допомогою тепла, тому цей тип твердості часто називають перехідним. Ці сполуки випадають з гарячої води у вигляді білого накипу, який накопичується в ємності.
• Некарбонатна твердість – також називається солідною твердістю. Важко витягується з води. У той час як солі нестабільної вугільної кислоти відповідають за карбонатну жорсткість, солі інших кислот, таких як сірчана (VI) , соляна або азотна (V) кислоти, відповідають за некарбонатну жорсткість. Вони утворюють стійкі сульфати (VI), хлориди і нітрати (V), які залишаються у воді навіть після її кип’ятіння.
• Загальна жорсткість води – це сума карбонатної і некарбонатної жорсткості.

Які різні ступені жорсткості води?

Ступінь жорсткості води можна виражати в різних одиницях. До них зазвичай входять німецькі градуси, французькі градуси, англійські градуси або вміст солей , які спричиняють жорсткість води, у мілімолях на літр об’єму або в мілівалях на літр. У лабораторіях прийнято вказувати значення твердості в німецьких градусах ( o n). Якщо вода має один німецький ступінь жорсткості, то в 1 дм 3 вона містить таку кількість солей кальцію і магнію, що відповідає 10 мг СаО. Якщо ви знаєте значення жорсткості води, ви можете класифікувати воду на основі результату, наведеного в німецьких градусах:

• дуже м’яка вода: нижче 5,6,
• м’яка вода: 5,6 – 11,2
• помірно жорстка вода: 11,2 – 19,6
• жорстка вода: 19,6 – 30,8
• дуже жорстка вода: вище 30,8.

Як зменшити жорсткість води?

Висока жорсткість води може стати перешкодою у вашому повсякденному житті. Якщо ви не знаєте якості води, яку використовуєте, або підозрюєте, що її фізико-хімічні показники не відповідають відповідним стандартам, варто замовити аналіз води у компетентній лабораторії. Основним способом усунення жорсткості води є термічна обробка. Однак він ефективний лише для перехідної твердості. Термічний спосіб полягає в нагріванні води до температури близько 80 о С. При підвищенні температури гідрокарбонати кальцію і магнію випадають в осад у вигляді нерозчинних карбонатів кальцію і карбонату магнію. Утворений накип можна видалити, наприклад, фільтрацією. Термічний метод часто є початковим кроком до подальшого зниження жорсткості води. Іони кальцію та магнію також можна осадити хімічними методами. Він передбачає додавання специфічних пластифікаторів, тобто хімічних сполук, які спрямовані на осадження відповідних відкладень або утворюють з ними комплексні сполуки. Іони кальцію і магнію, що випали в осад у вигляді солей, відокремлюють фільтруванням або декантацією. Пом’якшувачі також можна використовувати в домашніх умовах. Сьогодні багато виробників опалювальних котлів пропонують установку центральних пом’якшувачів води, які працюють як іоніти. Негайним способом пом’якшення води є використання фільтруючих глечиків для води, які стали дуже популярними в останні роки. Вода, яку ви наливаєте в глечик, проходить через спеціальний сорбційний шар, який діє як іонообмінник. На ринку є чималий вибір фільтрів для таких глечиків, і ви навіть можете придбати фільтри, які відразу збагатять вашу фільтровану воду необхідними мінералами. Читайте також про очищення води та очищення стічних вод .

§ 34. Кальцій. Кальцій гідроксид. Жорсткість води

Кальцій називають лужноземельним елементом, оскільки він утворює луги. На зовнішньому енергетичному рівні його атоми містять по два електрони. Атоми Кальцію прагнуть віддавати електрони, набуваючи ступеня окиснення +2. У цьому випадку йони Кальцію набувають стійкої електронної конфігурації атомів інертного елемента Аргону (3s 2 3p 6 ), що зумовлює відновні властивості Кальцію.

Поширеність у природі

Магній і Кальцій у вигляді простих речовин у природі не трапляються. У земній корі вміст Кальцію становить 3,38 %, а Магнію — 2,35 % (відповідно третє і шосте місця серед металічних елементів). Значна кількість цих елементів міститься в морській воді: йонів Магнію — 0,14 %, Кальцію — 0,05 % (відповідно, друге і третє місця серед металічних елементів). Морська вода є одним із головних джерел магнієвмісної сировини.

Сполуки Кальцію містяться в багатьох живих організмах. Гідроксиапатит Ca₅(PO₄)₃OH — основа кісткової тканини хребетних, а флуороапатит Ca₅(PO₄)₃F — зубів. Кальцій карбонат CaCO₃ є головною складовою черепашок та мушель молюсків і панцирів багатьох безхребетних, яєчної шкаралупи тощо.

Кальцій — типовий лужноземельний метал, хімічно активний, але дещо меншою мірою, ніж інші лужноземельні метали. У хімічних реакціях кальцій виявляє тільки відновні властивості.

1. Взаємодія з киснем. Кальцій за нагрівання на повітрі згоряє сліпучим полум’ям (мал. 34.1) з утворенням оксиду:

Мал. 34.1. Горіння кальцію

2. Взаємодія з іншими неметалами. Кальцій активно взаємодіє з неметалами (фтором, йодом, хлором, фосфором тощо) із виділенням великої кількості теплоти. Промислово важливою є реакція з вуглецем.

У реакції кальцію з вуглецем утворюється кальцій карбід (ацетиленід), що є сировиною для одержання етину:

Під час змішування з водою кальцій карбід активно реагує з утворенням кальцій гідроксиду та етину:

3. Взаємодія з водою. Кальцій витісняє водень із води за звичайних умов:

Кальцій гідроксид помірно розчиняється у воді, тому він є лугом і змінює забарвлення індикаторів (мал. 34.2).

Мал. 34.2. У результаті взаємодії кальцію з водою частина кальцій гідроксиду розчиняється у воді і змінює забарвлення універсального індикатора, а надлишок кальцій гідроксиду утворює білий осад

4. Взаємодія з кислотами. Як і інші метали, що розташовані в ряду активності ліворуч від водню, кальцій активно взаємодіє з розчинами кислот за звичайних умов:

Кальцій гідроксид

Кальцій гідроксид Са(ОН)₂, або гашене вапно, — білий порошок, малорозчинний у воді. За температури 20 °С у 100 г води розчиняється 0,185 г кальцій гідроксиду, причому, на відміну від багатьох твердих речовин, із підвищенням температури його розчинність знижується: майже у два рази менша у киплячій воді.

Кальцій гідроксид у лабораторії можна добути взаємодією з водою, як зазначено вище, але зручніше й економічно вигідніше його добувати взаємодією кальцій оксиду з водою:

Саме цей процес, який називають гасінням вапна, використовують у будівництві під час приготування «вапняного тіста». Взаємодія кальцій оксиду з водою — надзвичайно екзотермічний процес, після заливання водою кальцій оксиду вода дуже нагрівається й закипає.

Кальцій гідроксид за нагрівання плавиться (t_пл. = 512 °С), а за трохи вищої температури (580 °С) — розкладається:

Кальцій гідроксид — сильний електроліт, тому його відносять до лугів. Хоча кальцій гідроксид малорозчинний, але та його частина, що міститься у водному розчині, піддається електролітичній дисоціації:

Через це кальцій гідроксид виявляє всі загальні хімічні властивості основ. Він взаємодіє з:

• кислотними оксидами з утворенням середніх солей:

• розчинними солями (за умови утворення осаду):

• амфотерними оксидами (за сплавляння):

• амфотерними гідроксидами (за сплавляння):

Застосування кальцію та кальцій гідроксиду

• Більшу частину кальцію використовують для одержання чистих металів: нікелю, міді, рідкоземельних металів тощо.

• Сплав кальцію зі свинцем використовують для виготовлення акумуляторних батарей та підшипників.

• Кальцій карбонат використовують у виробництві цементу, сталі, скла.

• Кальцій оксид та кальцій гідроксид у чистому вигляді або у складі керамічних сумішей є сировиною для виготовлення вогнетривких матеріалів.

• Кальцій гідроксид (гашене вапно) є складовою будівельного розчину — в’яжучого матеріалу для укладання цегли, а також для виготовлення цементу й бетону.

• Із кальцій гідроксиду одержують вапняні добрива для зниження кислотності ґрунтів.

• Змішуванням кальцій гідроксиду з водою отримують вапняне молоко (суспензія кальцій гідроксиду у воді), а якщо його відфільтрувати, то залишиться прозорий розчин — насичений розчин кальцій гідроксиду — вапняна вода. Вапняне молоко використовують для побілки приміщень та стовбурів дерев навесні, одержання хлорного вапна, у виробництві цукру. Вапняну воду використовують для зниження карбонатної жорсткості води, у лабораторіях для виявлення вуглекислого газу.

Біологічне значення Rальцію і Магнію

Магній і Кальцій — важливі біогенні макроелементи, у значних кількостях вони містяться в тканинах тварин і рослин (мал. 34.3).

Мал. 34.3. Коралові поліпи складаються переважно з кальцій карбонату

Магній — необхідний живим організмам для синтезу білків і АТФ у клітинах. Разом із Кальцієм він бере участь у передачі нервових імпульсів та скороченні м’язів. Нестача Магнію в організмі спричиняє безсоння, хронічну втому, остеопороз, артрит, мігрень, м’язові судоми тощо.

На Магній багаті гарбузове насіння, какао, кунжут, висівки, горіхи (мал. 34.4). Джерелом Магнію є також свіжі зелені овочі.

Мал. 34.4. Продукти, що поповнюють організм людини Магнієм

Тканини тварин містять 1,5-2 % Кальцію. Йони Кальцію беруть участь у процесах зсідання крові, секреції деяких гормонів. Кальцій необхідний для розвитку та функціонування опорно-рухового апарату (кісток) і зубів, тому забезпечення організму Кальцієм дуже важливе в дитячому й підлітковому віці. У разі нестачі Кальцію в організмі виникають м’язові судоми, біль у суглобах, порушення процесів росту в дітей, остеопороз.

Багато Кальцію міститься в молочних продуктах, м’ясі, рибі, у деяких рослинних продуктах, зокрема в бобових, гречці (мал. 34.5).

Мал. 34.5. Продукти, що забезпечують організм людини Кальцієм

Жорсткість води

Жорсткість води — це природна властивість води, зумовлена наявністю в ній розчинних солей Кальцію і Магнію. Сумарну концентрацію йонів Магнію й Кальцію у воді називають загальною жорсткістю води.

Розрізняють постійну й тимчасову жорсткість води (табл. 5).

Таблиця 5. Порівняння видів жорсткості води

Ознака для порівняння

Тимчасова жорсткість (карбонатна)

Постійна жорсткість (некарбонатна)

Наявність розчинених гідрогенкарбонатів Магнію і Кальцію: Mg(HCO₃)₂ і Ca(HCO₃)₂

Наявність сульфатів, хлоридів або деяких інших солей Кальцію і Магнію, наприклад CaCl₂, MgSO₄ тощо

Річкова й озерна вода, водопровідна вода, природні газовані мінеральні води

Морська вода, вода солоних озер, природні негазовані мінеральні води

Усувається кип’ятінням, додаванням кислот або соди Na₂CO₃

Не усувається кип’ятінням, але видаляється додаванням соди Na₂CO₃ або пропусканням крізь йонообмінні смоли

Вода стає жорсткою під час проходження крізь пласти вапняку. Розчинений у воді вуглекислий газ взаємодіє з вапняком, утворюючи розчинні гідрогенкарбонати:

Під час кип’ятіння тимчасова жорсткість зникає, оскільки йони Кальцію і Магнію видаляються у вигляді нерозчинного накипу:

Саме цей процес спричиняє утворення вапняного нальоту в трубах із гарячою водою, у котлах ТЕЦ та побутових водонагрівних приладах (мал. 34.6). Домішки сполук Феруму(ІІІ), які також часто містяться у водопровідній воді, надають накипу жовтого кольору. Цей наліт перешкоджає нормальному теплообміну, що спричиняє надмірну витрату палива, пошкодження труб, плавлення чайників тощо. Для усунення вапняного нальоту в чайнику необхідно залити його на ніч розбавленим розчином оцту або лимонної кислоти.

Мал. 34.6. Накип, що утворюється на дні чайника та нагрівному елементі пральної машини

Через жорсткість морську воду не має сенсу використовувати для миття рук — у жорсткій воді мило не милиться внаслідок утворення нерозчинних стеаратів. Також неможливо прати в жорсткій воді, тому що основний компонент прального порошку утворює з йонами Магнію і Кальцію нерозчинну у воді сполуку.

Природна помірна жорсткість води забезпечує організм людини Кальцієм для повноцінного розвитку кісток. Надлишкова жорсткість води може стати причиною утворення каменів у нирках, які є солями Кальцію й Магнію зі щавлевою кислотою (магній оксалат MgC₂O₄ і кальцій оксалат CaC₂O₄).

Ключова ідея

Кальцій — активний поширений металічний елемент, у сполуках перебуває у ступені окиснення +2, є важливим біогенним елементом.

Контрольні запитання

476. Схарактеризуйте електронну будову атомів кальцію.

477. Схарактеризуйте поширеність Магнію і кальцію в природі та їх біологічне значення.

478. Схарактеризуйте фізичні та хімічні властивості кальцій гідроксиду.

479. Що називають жорсткістю води? Які існують види жорсткості води та способи її усунення?

480. Схарактеризуйте негативні наслідки використання жорсткої води в побуті та промисловості.

481. Порівняйте фізичні властивості натрій гідроксиду та кальцій гідроксиду.

Завдання для засвоєння матеріалу

482. Складіть рівняння чотирьох принципово різних реакцій, у яких атоми кальцію перетворюються на йони Ca 2+ .

483. Наведіть рівняння реакцій, у яких: а) Кальцій окиснюється; б) Кальцій відновлюється; в) ступінь окиснення Кальцію не змінюється.

484. Доповніть йонно-молекулярні рівняння. Складіть для них молекулярні рівняння реакцій.

485. Як ви вважаєте, чому кальцій практично не взаємодіє з розчином сульфатної кислоти, проте досить активно реагує з водою?

Комплексні завдання

486. У певного зразка води жорсткість зумовлена наявністю кальцій хлориду в кількості 0,05 ммоль в 1 л води. Обчисліть масу натрій карбонату, необхідну для видалення всього кальцій хлориду в такій воді масою 10 тонн.

487. Певний зразок води містить 0,4 ммоль магній гідрогенкарбонату в 1 л води. Обчисліть масу осаду, що утвориться під час кип’ятіння такої води масою 2 кг.

Завдання з розвитку критичного мислення

488. Чи можна приготувати розчин у воді: а) кальцій оксиду; б) кальцій гідроксиду; в) кальцій карбіду; г) кальцій карбонату; д) кальцій хлориду; е) кальцій гідрогенкарбонату? Відповіді обґрунтуйте.

489. Які речовини з наведеного переліку можна застосувати для усунення тимчасової жорсткості води?

Натрій хлорид, натрій гідроксид, натрій карбонат, хлоридна кислота.

Дайте обґрунтовану відповідь, наведіть рівняння відповідних реакцій.

490. Чому не можна гасити водою палаючий кальцій або магній?

491. У магнію і кальцію різна хімічна активність. Чи можливо сконструювати гальванічний елемент за зразком елемента Якобі-Даніеля (§ 14), а замість цинку й міді використати магній і кальцій та, відповідно, розчинні солі Магнію і Кальцію?

492. Як без використання хімічних реактивів довести, що для певного зразка води характерна тимчасова жорсткість?

493. Дієтологами встановлено, що деякі тваринні (вершкове масло та яловичий жир) та рослинні (пальмова олія) жири перешкоджають засвоєнню кальцію організмом. Свинячого сала і соняшникової олії це не стосується. Виявилося, що в разі одночасного вживання і жири, і кальцієвмісні сполуки не засвоюються, а виводяться з організму. Запропонуйте пояснення цього факту з хімічної точки зору.

Знадобиться мило і дзеркало: як визначити жорсткість води вдома

Жорсткість води в трубопроводі можна визначити самостійно за допомогою господарського мила або дзеркала.

У сучасному світі люди постійно використовують воду з трубопроводу. Хтось використовує її лише для купання, прибирання або миття посуду, а хтось її ще п’є і готує їжу. Ні для кого не секрет, що якість води в комунальних трубопроводах не дуже якісна.

Багатьох цікавить таке поняття, як жорсткість води. Жорсткою називають воду з підвищеним вмістом мінеральних солей – кальцію і магнію. Вони випадають в осад і створюють наліт.

Виявляється визначити жорсткість води можна самостійно.

Як визначити жорсткість води за допомогою мила

Існує спеціальний лакмусовий папір, за допомогою якого можна зробити тест на жорсткість води. Однак не обов’язково витрачати на нього гроші, адже можна скористатися звичайним твердим господарським милом, яке є у вас вдома.

Вам потрібно натерти господарське мило на тертці. Для експерименту знадобиться всього 1 г мила – чайна ложка без гірки. Мило потрібно засипати в стакан і залити підігрітою дистильованою водою – 3-4 столові ложки. Все це варто розмішати до повного розчинення мила, головне робити це обережно, щоб не утворилося багато піни.

З’являться зайві кілограми і не тільки: скільки можна їсти насіння, щоб не нашкодити

Як збільшити свій дохід: сильний ритуал для залучення грошей

Якщо ви взяли мило з написом 72%, то вам потрібно буде долити води до позначки 72 мм. Вимірювати рівень води можна за допомогою лінійки від денця, а не від поверхні столу.

Мильний розчин потрібно знову перемішати і обережно зняти піну, якщо вона утворилася. Туди тонкою цівкою варто додати 0,5 л холодної води з-під крана. Все це потрібно плавно перемішувати, поки не помітите на поверхні стійку білу піну. Це буде означати, що мило повністю зв’язало солі жорсткості.

Вам потрібно виміряти висоту мильного розчину, що залишився в склянці, і відняти його від початкової висоти. Так ви з’ясуєте, скільки сантиметрів розчину перелили в мірну ємність.

Якщо для утворення піни вам знадобилося перелити 6 см розчину, то жорсткість води становить 12°DH = 4,3 °Ж, що відповідає воді середньої жорсткості.

Таким чином, якщо мило добре піниться, то жорсткість води знаходиться в межах норми, якщо погано – рівень підвищений.

Як визначити жорсткість води за допомогою дзеркала

Вам потрібно піпеткою нанести на горизонтальну дзеркальну поверхню по кілька крапель води з-під крана і дистильованої. Вода повинна висохнути.

Якщо від води залишився осад, то це і вкаже на рівень жорсткості води. Чим більше сліди дистильованої води відрізняється від слідів води з-під крана, тим жорсткіше ваша вода.

Якщо ви помітили помилку, виділіть необхідний текст і натисніть Ctrl + Enter, щоб повідомити про це редакції.