Przeczytaj

bg‑yellow

Czym jest twarda woda?

Twarda woda to taka, która w swoim składzie zawiera głównie dobrze rozpuszczalne w wodzie sole wapnia, magnezu (np. wodorowęglan wapnia i magnezu, chlorek wapnia, czy siarczan( $VI$ ) magnezu), czasem również żelaza, manganu i innych metali wielowartościowych, które dostały się do wody na skutek rozpuszczenia soli, zawartych w glebie i skałach, przez wody opadowe.

Obecność jonów generujących twardość w wodzie użytkowanej w gospodarstwie domowym może prowadzić do zwiększenia zużycia środków chemii gospodarczej oraz niszczenia sprzętów gospodarstwa domowego, a w przemyśle może nawet prowadzić do strat energetycznych.

bg‑yellow

Jakie są rodzaje twardości wody?

Ze względu na zawartość soli w wodzie można wyróżnić trzy rodzaje twardości wodytwardość wodytwardości wody ( $T$ ): twardość przemijającątwardość węglanowatwardość przemijającą ( $T_{w}$ ), twardość trwałątwardość niewęglanowatwardość trwałą ( $T_{s}$ ) oraz twardość ogólnątwardość ogólnatwardość ogólną ( $T_{o}$ ).

Twardość przemijająca to twardość wywołana obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu, z kolei twardość trwała jest spowodowana zawartością w wodzie głównie siarczanów( $VI$ ) i chlorków magnezu i wapnia (w mniejszym stopniu azotanów, krzemianów i innych rozpuszczalnych soli wapnia, magnezu i innych metali). Natomiast twardość ogólna jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej.

Twardość przemijająca nosi właśnie taką nazwę, ponieważ jest usuwana z wody w czasie gotowania. Woda zatem mięknie, co jest korzystne np. w kontekście prania, ale z drugiej strony w trakcie tego procesu tworzy się kamień kotłowy.

Ca {({HCO}_{3})}_{2} \overset{temperatura}{\to} {CaCO}_{3} ↓ + {CO}_{2} + H_{2} O

Mg {({HCO}_{3})}_{2} \overset{temperatura}{\to} {MgCO}_{3} ↓ + {CO}_{2} + H_{2} O

Mg {({HCO}_{3})}_{2} \overset{temperatura}{\to} Mg {(OH)}_{2} ↓ + 2 {CO}_{2}

Twardość trwałą można usunąć przez strącenie w postaci osadu trudno rozpuszczalnej soli:

3 {CaSO}_{4} + 2 {Na}_{3} {PO}_{4} \to {Ca}_{3} {({PO}_{4})}_{2} ↓ + 3 {Na}_{2} {SO}_{4}

3 {Ca}^{2 +} + 2 {PO}_{4}^{3 -} \to {Ca}_{3} {({PO}_{4})}_{2} ↓

lub

{CaSO}_{4} + {Na}_{2} {CO}_{3} \to {CaCO}_{3} ↓ + {Na}_{2} {SO}_{4}

{Ca}^{2 +} + {CO}_{3}^{2 -} \to {CaCO}_{3} ↓

Tak w uproszczeniu działają środki zmiękczające wodę.

Ciekawostka

Duża zawartość soli mineralnych w wodzie skutkuje wytrącaniem się kamienia kotłowegokamień kotłowykamienia kotłowego, który powstaje w wyniku ogrzewania twardej wody i powoduje niszczenie instalacji przemysłowych (np. kotłów cieplnych, pogarszając ich przewodnictwo cieplne i prowadząc do strat energetycznych) oraz sprzętów gospodarstwa domowego (np. czajników, grzałek w pralkach). Najprostszym domowym sposobem na pozbycie się kamienia kotłowego, który osadził się w czajniku na skutek wielokrotnego gotowania w nim twardej wody, jest zagotowanie wody w tym czajniku z pewną ilością kwasu spożywczego (np. kwasu octowego, cytrynowego). Wówczas następuje reakcja roztwarzania tego kamienia w kwasie, co prezentuje poniższa reakcja:

{CaCO}_{3} ↓ + 2 H_{3} O^{+} \to {Ca}^{2 +} + H_{2} O + {CO}_{2} ↑

bg‑yellow

W jaki sposób wyraża się twardość wody?

Do określania zawartości soli w wodzie, czyli stopnia jej twardości, służy jednostka nazywana stopniem twardości wody. Ze względu na przyjęcie m. in odmiennych standardów w wielu krajach, twardość wody wyrażana jest zatem w:

stopniach amerykańskich ( $\frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}$ lub $ppm$ );
stopniach niemieckich ( $° dH$ , lub $dGH$ );
stopniach angielskich lub Clarka ( $° e$ );
stopniach francuskich ( $° f$ lub $° fH$ );
milivalach (miligramorównoważnikachgramorównoważnikmiligramorównoważnikach) jonów wapnia i magnezu na $1 {dm}^{3}$ ( $\frac{mval}{{dm}^{3}}$ );
milimolach na decymetr sześcienny ( $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$ ).

W Polsce twardość wody podaje się w jednostce międzynarodowej ( $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$ ) lub w milivalach składnika na $1 {dm}^{3}$ wody. Natomiast w literaturze technicznej twardość wody podawana jest zazwyczaj w stopniach niemieckich lub francuskich.

Ważne!

Twardości wody nie określa się tylko względem wapnia. Tak naprawdę, dla uproszczenia, zawartość magnezu przelicza się na wapń, dlatego jednostka międzynarodowa określa zawartość węglanu wapnia w ${dm}^{3}$ wody.

Twardość wód naturalnych mieści się w granicach od $8$ do $30 ° n$ . Najczęściej woda użytkowa, która występuje w kranach, ma około do $10 ° n$ . Za to twardość wody pitnej, zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dnia $13$ listopada $2015$ roku w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi, powinna mieścić się w przedziale od $60$ do $500 \frac{mmol {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}$ . Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) zaleca, żeby woda przeznaczona do picia posiadała twardość ogólną zawartą w granicach: $1$ do $10 \frac{mval}{{dm}^{3}}$ ( $50$ do $500 \frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}$ ).

bg‑gray1

Tabela przedstawiająca klasyfikację twardości wody w różnych skalach 1

Ważne!

Rodzaj wody	Jednostka fizyczna $\frac{mval}{{dm}^{3}}$	Jednostka międzynarodowa $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$	Jednostka amerykańska $\frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}$ $(ppm)$	Stopnie niemieckie $° n$	Stopnie angielskie $° e$	Stopnie francuskie $° f$
Bardzo miękka	$0$ $-$ $1,78$	$0$ $-$ $0,89$	$0$ $-$ $89$	$0$ $-$ $5$	$0$ $-$ $6,23$	$0$ $-$ $8,9$
Miękka	$1,78$ $-$ $3,57$	$0,89$ $-$ $1,79$	$89$ $-$ $179$	$5$ $-$ $10$	$6,23$ $-$ $12,5$	$8,9$ $-$ $17,9$
O średniej twardości	$3,57$ $-$ $5,35$	$1,79$ $-$ $2,68$	$179$ $-$ $268$	$10$ $-$ $15$	$12,5$ $-$ $18,73$	$17,9$ $-$ $26,8$
O znacznej twardości	$5,35$ $-$ $7,13$	$2,68$ $-$ $3,57$	$268$ $-$ $357$	$15$ $-$ $20$	$18,73$ $-$ $24,96$	$26,8$ $-$ $35,7$
Twarda	$7,13$ $-$ $10,7$	$3,57$ $-$ $5,35$	$357$ $-$ $535$	$20$ $-$ $30$	$24,96$ $-$ $37,45$	$35,7$ $-$ $53,5$
Bardzo twarda	$> 10,7$	$> 5,35$	$> 535$	$> 30$	$> 37,45$	$> 53,5$

Jak przeliczać różne jednostki twardości wody?

Jednostki przeliczane	$° dH$ (lub $° n$ )	$° e$	$° f$	$\frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}$ $(ppm)$	$\frac{mval}{{dm}^{3}}$	$\frac{mmol}{{dm}^{3}}$
Stopnie niemieckie $1 ° dH$ (lub $° n$ ) $=$	$1$	$1,253$	$1,78$	$17,8$	$0,357$	$0,1783$
Stopnie angielskie $1 ° e =$	$0,789$	$1$	$1,43$	$14,3$	$0,285$	$0,142$
Stopnie francuskie $1 ° f =$	$0,56$	$0,702$	$1$	$10$	$0,2$	$0,1$
Jednostka amerykańska $1 \frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}} =$	$0,056$	$0,07$	$0,1$	$1$	$0,02$	$0,01$
Jednostka fizyczna $1 \frac{mval}{{dm}^{3}} =$	$2,8$	$3,51$	$5$	$50$	$1$	$0,5$
Jednostka międzynarodowa $1 \frac{mmol}{{dm}^{3}} =$	$5,6$	$7,02$	$10$	$100$	$2$	$1$

Indeks dolny Źródło: http://www.mpwik.org/?page_id=174 (dostęp: 19.04.2020 r.) wg polskiej normy (PN – 71/C‑04554) Indeks dolny koniec

Przykład 1

Przelicz twardość wody o wartości $15,0 \frac{mval}{{dm}^{3}}$ na twardość wyrażoną w jednostkach $\frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}$ . Określ rodzaj wody.

W powyższej tabeli sprawdź, jaka wartość twardości wody wyrażonej w jednostkach $\frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}$ odpowiada $1 \frac{mval}{{dm}^{3}}$ .

1 \frac{mval}{{dm}^{3}} — 50 \frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}

Na podstawie tych informacji ułóż proporcję.

1 \frac{mval}{{dm}^{3}} — 50 \frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}

15 \frac{mval}{{dm}^{3}} — x

x = \frac{15 \frac{mval}{{dm}^{3}} \cdot 50 \frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}}{1 \frac{mval}{{dm}^{3}}} = 750 \frac{mg {CaCO}_{3}}{{dm}^{3}}

Podane wartości wskazują na wodę o bardzo dużej twardości.

Ćwiczenie 1

Przelicz twardość wody o wartości $12,0 ° dH$ na twardość wyrażoną w jednostce międzynarodowej. Określ rodzaj wody.

R10TaYGHeTa03

Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

RB3LJnPZdIE8x

W powyższej tabeli sprawdź, jaka wartość twardości wody wyrażonej w jednostce międzynarodowej odpowiada $12,0 ° dH$ .

1 ° dH — 0,1786 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

Na podstawie tych informacji ułóż proporcję.

1 ° dH — 0,1786 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

12 ° dH — y

y = \frac{12 ° dH \cdot 0,1786 \frac{mmol}{{dm}^{3}}}{1 ° dH} = 2,1432 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

Podane wartości wskazują na wodę o średniej twardości.

Słownik

twardość wody

cecha wody, na którą wpływa obecność soli mineralnych

twardość węglanowa

taka twardość wody, która jest spowodowana obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu; nazywana inaczej „twardością przemijającą”

twardość niewęglanowa

taka twardość wody, która jest spowodowana obecnością soli, tj. chlorków, siarczanów( $VI$ ) (magnezu i wapnia), ale również w mniejszym stopniu azotanów, krzemianów oraz innych soli wapnia, magnezu i innych metali; nazywana inaczej „twardością trwałą”

twardość ogólna

suma twardości niewęglanowej i węglanowej

gramorównoważnik

(ekwiwalent stechiometryczny) jednostka masy używana w chemii (niezalecana przez IUPAC), wyrażana jako $val$ , $wal$ , $eq$ , $ekw$ . W celu obliczenia gramorównoważnika chemicznego dla pierwiastka lub związku chemicznego, należy podzielić masę mola substancji przez odpowiednią wartościowość:

R = \frac{M}{w}

$R$ – gramorównoważnik chemiczny $[g]$ ;
$M$ – masa $1$ mola substancji $[g]$ ;
$w$ – wartościowość.

kamień kotłowy

warstwa osadu węglanów wapnia i magnezu oraz wodorotlenku magnezu, powstała w wyniku termicznego rozkładu wodorowęglanów wapnia i magnezu, zawartych w twardej wodzie

Bibliografia

Minczewski J., Marczenko Z., Chemia analityczna. Chemiczne metody analizy ilościowej 2, Warszawa 2009.

Woda Oligoceńska, woda z kranu czy woda z filtra?, online: http://smacznawoda.pl/woda_oligocenska.php?menu=6&lp=5 (dostęp: 26.04.2021).

Wprowadzenie

Film edukacyjny

Czym jest twarda woda?

Jakie są rodzaje twardości wody?

W jaki sposób wyraża się twardość wody?

Tabela przedstawiająca klasyfikację twardości wody w różnych skalach 1

Słownik

Bibliografia