Twarda woda to woda zawierająca rozpuszczone w niej sole, zwykle są to sole obejmujące kationy wapnia i magnezu. Woda wodociągowa ma różny stopień twardości, zależnie od regionu/wodociągów. Woda mineralna należy do wód twardych.

Wyróżnić można również wodę miękką, czyli taką, która zawiera mało lub bardzo mało rozpuszczonych soli (wtedy jest to woda bardzo miękka). Woda zupełnie czysta od soli to woda dejonizowana lub po prostu destylowana.

Twardość wody dzielimy na:

• twardość węglanową przemijającą ($T_{\text{w}}$);

• twardość trwałą niewęglanowątwardość niewęglanowatwardość trwałą niewęglanową ($T_{\text{s}}$).

Twardość ogólnatwardość ogólnaTwardość ogólna lub inaczej całkowita ($T_{\text{o}}$), to suma obu tych twardości.

Twardość przemijającą nadają, takie sole jak np. $\text{Ca}{\left({\text{HCO}}_3\right)}_2$ czy $\text{Mg}{\left({\text{HCO}}_3\right)}_2$. Natomiast za twardość trwałą odpowiadają, takie sole jak np. ${\text{CaCl}}_2$ czy ${\text{MgSO}}_4$.

Twardość całkowita wody to suma stężeń jonów ${\text{Ca}}^{2+}$ i ${\text{Mg}}^{2+}$, która wyrażana jest w molach na litr wody $\left[\frac{\text{mol}}{\text{l}}\right]$. Często do określenia twardości wody stosuje się różne skale twardości, jak np. ogólny stopień twardości, skalę Clarka czy skalę niemiecką, które różnią się jednostką.

Twardość wody można wyznaczyć metodami analizy objętościowej, czyli miareczkując badaną próbkę odpowiednim roztworem kwasu lub zasady. Przykładem takiej analizy jest miareczkowaniemiareczkowaniemiareczkowanie wody roztworem kwasu chlorowodorowego o znanym stężeniu, w obecności oranżu metylowego.

Zmiana zabarwienia roztworu wskazuje koniec miareczkowania.

Usuwanie twardości przemijającej możliwe jest przez zagotowanie wody – sole wodorowęglanów w wyższej temperaturze przekształcają się w nierozpuszczalne węglany wapnia czy magnezu. Dodatkowo reakcji sprzyja zmniejszenie rozpuszczalności ${\text{CO}}_2$ wraz ze wzrostem temperatury, co powoduje przesunięcie równowagi reakcji w stronę tworzenia produktów. Ponadto w procesie usuwania twardości wody może powstać wodorotlenek magnezu $\text{Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2$. Jest to możliwe dzięki obecności jonów ${\text{OH}}^{-}$ w roztworze, które powstają w wyniku hydrolizy wodorowęglanów.

Produktami procesu usuwania przemijającej twardości wody są ${\text{CaCO}}_3$, ${\text{MgCO}}_3$ i $\text{Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2$, które razem tworzą tzw. kamień kotłowy. Jest on odpowiedzialny za niszczenie wszelkich urządzeń, w których podgrzewa się wodę, jak np. czajniki czy pralki.

Aby pozbyć się z wody soli odpowiedzialnych za twardość trwałą, wykorzystuje się metody strąceniowe. W tym celu do wody dodaje się środki zmiękczające, najczęściej fosforany($\text{V}$) lub węglany.

Jak już wspomniano powyżej, podczas procesu usuwania przemijającej twardości wody powstaje kamień kotłowy, który osadza się na wielu powierzchniach, przez co uszkadza sprzęty, takie jak czajniki i grzałki w pralkach.

RDbICq0NBTY6F

Zdjęcie przedstawiające czajnik z tworzywa sztucznego. W jego wnętrzu osadzony jest kamień, głównie na grzałce i ściankach czajnika.

Jednak twarda woda, niezależnie od tego, czy zawiera wodorowęglany, czy też chlorki i siarczany($\text{VI}$), utrudnia też, takie procesy jak pranie czy mycie. Jest to związane z reakcją strącania soli wyższych kwasów tłuszczowych. Mydła, czyli sole sodowe, potasowe i amoniowe wyższych kwasów tłuszczowych są związkami rozpuszczalnymi w wodzie, które reagują z obecnymi w niej jonami, tworząc nierozpuszczalne sole wapnia czy magnezu, które nie mają właściwości myjących.

Krasowienie jest efektem chemicznego oddziaływania wód powierzchniowych i podziemnych na skały osadowe (np. wapień, dolomit, margiel, gips, anhydryt, halit).

R6l6HZVkGb2s0

Zdjęcie przedstawiające strome skałki, miejscami porośnięte drzewami iglastymi. Po lewej stronie skał znajduje się rumosz skalny.

Do zajścia procesu krasowienia węglanowego konieczna jest obecność rozpuszczonego w wodzie tlenku węgla($\text{IV}$), a także odpowiednie warunki, tj. temperatura oraz ciśnienie. Woda nasycona tlenkiem węgla($\text{IV}$) reaguje z węglanem wapnia budującym skały, w wyniku czego powstaje wodorowęglan wapnia $\text{Ca}{\left({\text{HCO}}_3\right)}_2$.

Proces ten zachodzi zgodnie z równaniem reakcji:

W ten sposób wodorowęglany trafiają do wód powierzchniowych, czego wynikiem jest twarda woda.

Węglan wapnia bardzo słabo rozpuszcza się w czystej wodzie, w porównaniu z wodorowęglanem. Następnie woda nasycona wodorowęglanem wapnia przepływa do jaskini, gdzie w wyniku zmiany warunków zachodzi reakcja odwrotna – wytrąca się węglan wapnia, tworząc tym samym nacieki.

Zmiana warunków, jakie panują w jaskiniach, wpływa na przesunięcie reakcji w prawo lub w lewo.

• Spadek temperatury, a tym samym zwiększenie stężenia ${\text{CO}}_2$ w wodzie, powoduje przesnięcie równowagi reakcji w lewo i tworzenie się $\text{Ca}{\left({\text{HCO}}_3\right)}_2$;

• Wzrost temperatury i zmniejszenie się stężenia ${\text{CO}}_2$ przesuwa równowagę reakcji w prawo, czyli w stronę tworzenia się produktów.

Jest to ta sama reakcja chemiczna, jaka zachodzi podczas gotowania twardej wody!

Roztwarzanie skał może zachodzić:

• na powierzchni Ziemi (kraskraskras powierzchniowy);

• pod powierzchnią Ziemi (kras podziemny).

Przykłady skał ulegających roztwarzaniu:

RoWl76OmF2dO2

Zdjęcie przedstawia kawałki białej skały o nieregularnych kształtach. Kawałki mają ostre krawędzie.

Rnp2D4qEcEpXH

Zdjęcie przedstawiające dolinę z widokiem na szczyty górskie. W dolinie znajduje się kilka domów i kościół. Szczyty mają bardzo strome zbocza i są pokryte śniegiem. W tle błękitne niebo pokryte gęstymi, białymi chmurami.

RogXsXhu0MTz3

Zdjęcie przedstawia kryształ gipsu. Kryształy mają kształt słupków. Między kryształami występują połączenia i struktura przypomina promienie padające w różne strony.

Poniższa animacja przedstawia mechanizm powstawania form krasu powierzchniowego oraz podziemnego.

Ta sama reakcja chemiczna, w której powstają sole wapnia i magnezu, odpowiadają zarówno za twardość wody, jak również za zjawiska krasowe. Dzięki nim powstają przepiękne formacje skalne oraz jaskinie. Do negatywnych skutków należy zaliczyć powstawanie zapadlisk, które niszczą drogi i budynki mieszkalne. Innym aspektem krasu jest tworzenie nisz ekologicznych. Istnieją gatunki żyjące w specyficznym środowisku, jakim są jaskinie. Odrębnym negatywnym aspektem występowania tych związków jest twardość przemijająca wody. Zjawisko to wpływa na awaryjność urządzeń służących do jej podgrzewania. W przemyśle zwiększa to koszty produkcji, a w budżecie domowym – wydatki na energię, potrzebną do podgrzewania twardej wody.

Słownik

Bibliografia

Instrukcja do ćwiczeń: Oznaczanie twardości ogólnej wody za pomocą wersenianu sodu, Katedra Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego.

Migoń P., Development of karst phenomena for geotourism in the Moravian Karst (Czech Republic), Wrocław 2011.

Pulina M., Zjawiska krasowe we wschodniej Syberii. Prace Geograficzne nr 70, Warszawa 1968. 

Szczepanek K., The Staszów karst in the light of palaeobotanical studies (South Poland), „Acta Palaeobotanica” 1971, t. 12, nr 2, s. 63‑40.