§ 32. Жёсткость воды и способы её устранения

Определения и обозначения

Жёсткость воды — свойство воды, обусловленное присутствием растворённых ионов кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺. Эти частицы не видны глазом, но влияют на свойства воды и её использование. Понятие жёсткости помогает объяснить, почему вода по-разному ведёт себя при мытье и нагревании. Для описания причин жёсткости выделяют несколько её видов.

Временная, или карбонатная, жёсткость — жёсткость, вызванная гидрокарбонатами кальция и магния. Например, к таким солям относятся Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Название «временная» связано с тем, что при кипячении эти соли разлагаются и часть растворённых ионов удаляется из воды. Это определение помогает понять, когда кипячение может быть полезным.

Постоянная, или некарбонатная, жёсткость — жёсткость, вызванная сульфатами, хлоридами и другими растворимыми солями кальция и магния. Примеры таких солей — CaSO₄ и MgCl₂. При обычном кипячении они не разлагаются, поэтому одной тепловой обработки недостаточно. По составу соли можно определить, какой способ умягчения потребуется.

Общая жёсткость — суммарная временная и постоянная жёсткость воды. Иначе говоря, она учитывает все растворённые в воде соли кальция и магния, которые создают жёсткость. Это понятие нужно, чтобы оценить её целиком, а не только ту часть, которая устраняется кипячением. Поэтому при выборе обработки важно учитывать обе составляющие.

Как это устроено

Дождевая вода, проходя через почву и горные породы, соприкасается с минералами, содержащими кальций и магний. Часть пород и их солей растворяется, а ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ переходят в воду. Чем больше таких частиц попало в раствор, тем сильнее проявляется жёсткость. Поэтому состав природной воды зависит от того, через какие породы она проходит.

Мыло содержит вещества, которые обычно образуют пену при взаимодействии с водой. Ионы кальция и магния связываются с компонентами мыла и дают малорастворимые соединения. Они выпадают в осадок, поэтому мыло расходуется на реакцию, а не на образование пены. Из-за этого в жёсткой воде приходится использовать больше мыла, а на посуде или ткани могут оставаться следы осадка.

При нагревании гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются, потому что их соединения неустойчивы при повышении температуры. Для гидрокарбоната кальция уравнение имеет вид: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O. Малорастворимый CaCO₃ выпадает в осадок, углекислый газ выделяется, а часть ионов кальция удаляется из воды. Так кипячение уменьшает временную жёсткость, но появившийся осадок может откладываться на нагревательных поверхностях как накипь.

Сульфаты и хлориды кальция и магния при кипячении не распадаются на осадок и газ, как гидрокарбонаты. Поэтому содержащие их ионы остаются в растворе, и постоянная жёсткость сохраняется. Если вода содержит оба вида солей, кипячение удалит только часть причин жёсткости. После него для дальнейшего умягчения может понадобиться дополнительная обработка.

Чтобы удалить постоянную жёсткость, в воду добавляют карбонат натрия Na₂CO₃: его карбонат-ионы соединяются с Ca²⁺ и Mg²⁺, образуя малорастворимые карбонаты. Например, CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄. При известковании используют соединения кальция, чтобы перевести растворённые вещества в осадок; конкретный результат зависит от состава воды. Ионообменный фильтр действует иначе: материал фильтра задерживает ионы кальция и магния, обменивая их на другие ионы, поэтому жёсткость снижается без кипячения.

Виды жёсткости воды и способы её устранения

Сначала найдите в таблице соль, содержащуюся в воде, и сопоставьте её с причиной жёсткости. Затем проверьте, устраняет ли её кипячение, и выберите подходящий способ обработки. Если присутствуют соли обоих видов, одного способа может быть недостаточно.

Разбор задач

Задача 1. Определите вид жёсткости, вызываемый солями Ca(HCO₃)₂, MgSO₄ и CaCl₂, и укажите способ её устранения. Сначала определим, к каким классам солей относятся вещества. Затем выберем способ по тому, можно ли устранить причину кипячением. Так мы не будем ошибочно считать все соли кальция и магния одинаковыми.

1. Ca(HCO₃)₂ содержит гидрокарбонат-ион HCO₃⁻, поэтому вызывает временную жёсткость; её уменьшают кипячением.
2. MgSO₄ — сульфат, а CaCl₂ — хлорид; оба вещества вызывают постоянную жёсткость.
3. Для MgSO₄ и CaCl₂ можно применить Na₂CO₃, известкование или ионообменный фильтр; кипячение их не удалит.

Ответ: Ca(HCO₃)₂ вызывает временную жёсткость, а MgSO₄ и CaCl₂ — постоянную. Первую уменьшают кипячением, для постоянной используют другие способы умягчения.

Задача 2. При кипячении разложилось 0,020 моль Ca(HCO₃)₂. Нужно определить количество вещества и массу осадка CaCO₃. Сначала запишем реакцию, а затем сравним коэффициенты перед исходной солью и осадком. В уравнении они равны, значит, количества веществ относятся как 1:1.

1. Записываем уравнение: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O.
2. По соотношению 1 моль к 1 молю n(CaCO₃) = 0,020 моль.
3. Молярная масса CaCO₃: 40 + 12 + 3 × 16 = 100 г/моль. Тогда m = n × M = 0,020 × 100 = 2,0 г.

Ответ: образуется 0,020 моль CaCO₃ массой 2,0 г. Осадок возникает потому, что карбонат кальция малорастворим в воде.

Задача 3. В 1 л воды содержится 0,010 моль Ca(HCO₃)₂ и 0,005 моль CaSO₄. Сначала воду кипятят, затем добавляют Na₂CO₃. Рассчитаем массу соды, необходимую после кипячения для удаления оставшихся ионов Ca²⁺. Учитываем, что кипячение убирает временную жёсткость, а сульфат кальция остаётся.

1. При кипячении 0,010 моль Ca(HCO₃)₂ превращается в 0,010 моль CaCO₃ и выпадает в осадок.
2. После этого остаётся 0,005 моль Ca²⁺ из CaSO₄. По уравнению CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄ соотношение CaSO₄ и Na₂CO₃ равно 1:1.
3. Значит, n(Na₂CO₃) = 0,005 моль. При M(Na₂CO₃) = 106 г/моль масса равна 0,005 × 106 = 0,53 г.

Ответ: после кипячения нужно добавить 0,53 г Na₂CO₃. В расчёт вошли только оставшиеся после кипячения ионы кальция, а не исходное количество соли целиком.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любую соль кальция или магния причиной временной жёсткости. Так ошибаются, потому что замечают в формуле Ca или Mg, но не проверяют кислотный остаток. Временную жёсткость вызывают именно гидрокарбонаты, а сульфаты и хлориды относятся к причинам постоянной. Проверьте формулу соли: есть ли в ней HCO₃⁻?

Ошибка: утверждать, что кипячение устраняет любую жёсткость. Такое предположение возникает потому, что при кипячении действительно появляется накипь и часть солей выпадает. Однако это относится главным образом к гидрокарбонатам; сульфаты и хлориды сохраняются в растворе. Для самопроверки определите, к какому виду относится соль.

Ошибка: путать ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ с солями и неверно записывать формулы осадков. Ионы — это заряженные частицы в растворе, а формула соли должна учитывать заряды всех ионов. Например, карбонат кальция записывают CaCO₃, а не Ca₂CO₃. Проверьте, чтобы суммарный заряд в формуле вещества был равен нулю.

Ошибка: забывать уравнять реакцию и учитывать соотношение веществ при расчётах. Если брать количества реагентов напрямую, не сверяясь с коэффициентами, ответ может оказаться неверным. Сначала уравняйте реакцию, затем найдите соотношение молей и только после этого рассчитывайте массу. В конце проверьте единицы измерения и разумность результата.

Связь с другими темами

Для изучения жёсткости нужно знать формулы и названия солей, растворимость веществ и правила составления формул. Понятие ионного обмена помогает объяснить образование осадка при добавлении карбоната натрия. Уравнивание реакций и расчёты по коэффициентам нужны, чтобы находить количество осадка или реагента. Эти знания применяются при выборе бытовых фильтров, объяснении накипи и обработке воды в промышленности.

Что запомнить

• Жёсткость воды обусловлена ионами Ca²⁺ и Mg²⁺.
• Временную жёсткость вызывают гидрокарбонаты кальция и магния.
• Временная жёсткость уменьшается при кипячении.
• Постоянную жёсткость вызывают растворимые сульфаты и хлориды кальция и магния.
• Кипячение не устраняет постоянную жёсткость.
• Карбонат натрия связывает ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ в малорастворимые карбонаты.
• Общая жёсткость складывается из временной и постоянной.