Жесткая вода — это вода, богатая растворенным кальцием (Ca), а также некоторым количеством ионов железа (Fe) и магния (Mg). Голые ионы кальция не могут существовать в воде одни. В результате молекулы воды или другие ионы, которые могут отдавать ему электроны, окружают его, так что ион кальция может быть стабильным. Ионы кальция образуются, когда угольная кислота (H2CO3) реагирует с карбонатом кальция (CaCO3). Карбонат кальция встречается в природе в виде мела, мрамора и известняка. И используется для построения костей и скорлупы яиц и многих морских существ. Карбонат кальция мало растворяется в воде, из-за этого при встрече ионов кальция и карбоната в растворе они легко образуют осадок (твердый), который оседает на дно своей емкости.
Жесткость воды может существовать в двух формах. Это временная жесткость и постоянная твердость.
Вода временно жесткая, если в ней присутствуют ионы кальция (Ca2+) и бикарбоната (HCO 3 –). Эти ионы образуются при растворении бикарбоната кальция (Ca(HCO3)2) в воде. Бикарбонат кальция образуется при взаимодействии угольной кислоты (H2CO3) с карбонатом кальция. Уравнение этой реакции можно записать так:
- H2CO3 (водн.) + CaCO 3s) ↔ Ca(HCO3)2 (водн.)
Ca(HCO3)2 диссоциирует в воде в виде:
Ca(HCO3)2(водн.) ↔ Ca 2+ (водн.) + 2HCO 3 – (водн.)
Как видно из двойной стрелки, уравнение 1 является равновесной реакцией, и в зависимости от условий реакции оно может идти как влево, так и вправо. Например, при высокой концентрации углекислого газа он реагирует с водой с образованием угольной кислоты. Эта кислота затем разъедает карбонат кальция с образованием бикарбоната кальция. Другими словами, увеличение концентрации углекислого газа сдвигает реакцию (1) вправо. Затем бикарбонат кальция растворяется в воде с образованием ионов кальция (Ca 2+) и бикарбоната (HCO 3 2- ): источника ионов, вызывающих временную жесткость.
А когда температура воды повышается, углекислота распадается с выделением углекислого газа и твердых отложений карбоната кальция. Другими словами, при повышении температуры воды выделяется углекислый газ и образуется твердый карбонат кальция, сдвигая реакцию влево.
Во время дождя вода падает с неба, он вступает в реакцию с углекислым газом (CO2) в воздухе с образованием угольной кислоты. По мере того, как эта вода просачивается через поры и корни растений под землей, она далее вступает в реакцию с углекислым газом от дышащих микроорганизмов и разлагающихся органических веществ с образованием большего количества угольной кислоты. Уравнение этой реакции можно записать так:
- CO 2(г) + H 2 O (ж ) ↔ H 2 CO 3 (водн.)
Эта реакция говорит о том, что грунтовые воды состоят из разбавленной углекислоты. Эта кислота превращает карбонат кальция (CaCO3), нерастворимый в воде, в бикарбонат кальция (CaHCO3)2, растворимый в воде, как показано в уравнении 1.
Когда люди используют жесткую воду для стирки белья, мыло растворяется в ней, образуя накипь, слизистую пленку или твердое вещество. В то время как вода с дефицитом бикарбоната кальция (мягкая вода) растворяет мыло с образованием пены (пены). Другими словами, мыло не пенится в жесткой воде, а пенится в мягкой.
Вода постоянно жесткая, если в ней присутствуют ионы кальция (Ca 2+), магния (Mg 2+) и сульфата (SO 4 2- ). Эти ионы образуются, когда сульфат кальция (CaSO4) и сульфат магния (MgSO4) растворяются в воде.
Жесткая вода – это любая вода, содержащая значительное количество растворенных минералов. Содержащиеся в воде минералы придают ей характерный вкус. Некоторые природные минеральные воды пользуются большим спросом из-за их вкуса и пользы для здоровья, которую они могут принести. При нагревании жесткой воды карбонаты выпадают из раствора, образуя накипь в трубах и чайниках. В дополнение к сужению и потенциальному засорению труб, накипь препятствует эффективной передаче тепла, поэтому водонагревателю с накипью придется использовать много энергии, чтобы дать людям горячую воду.
Жесткую воду можно смягчить (удалить содержащиеся в ней минералы), обработав ее известью или пропуская через ионообменную смолу. Ионообменные смолы представляют собой комплексные соли натрия. Вода течет по поверхности смолы, растворяя натрий. Катионы кальция, магния и другие катионы осаждаются на поверхности смолы. Натрий переходит в воду, а остальные катионы остаются со смолой. Очень жесткая вода будет иметь более соленый вкус, чем вода с меньшим содержанием растворенных минералов.