Twardość wodytwardość wodyTwardość wody wynika z występowania w niej różnych soli mineralnych, głównie soli wapnia i magnezu. Obecność tych soli w wodach gruntowych jest spowodowana wymywaniem ich z gleby w czasie, gdy wody opadowe, w skład których wchodzą jony, przenikają przez kolejne jej warstwy.

R16r0ISvkuTAD

Zdjęcie przedstawia ziemię, pokrytą drobną trawą i patykami. W tle znajduje się ścieżka i drzewa.

Twardość węglanowatwardość węglanowaTwardość węglanowa (TIndeks dolny w_w) powodowana jest głównie przez obecność jonów wapnia i magnezu, które znalazły się w wodzie w wyniku dysocjacji elektrolitycznej wodorowęglanów wapnia i magnezu (sole te są w wodzie dobrze rozpuszczalne). Zatem w wodzie, która charakteryzuje się twardością węglanową, obecne są również aniony wodorowęglanowe $\left({\text{HCO}}_3^{-}\right)$.

Głównym źródłem wodorowęglanów wapnia i magnezu w wodzie, są procesy chemicznego wietrzenia skał wapiennych. Woda nasycona tlenkiem węgla($\text{IV}$), reaguje z praktycznie nierozpuszczalnym w wodzie węglanem wapnia, będącym głównym składnikiem skały wapiennej. W wyniku zachodzącej reakcji powstaje dobrze rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia, a sama skała ulega roztworzeniu. Równanie opisanej reakcji chemicznej ma postać:

W podobny sposób możemy zapisać równanie reakcji dla węglanu magnezu (sól ta jest głównym składnikiem minerału o nazwie magnezyt, który często towarzyszy pokładom kalcytu, stanowiącego z kolei główny składnik wspomnianych już skał wapiennych):

Jak już wspomniano, uzyskane w wyniku chemicznego wietrzenia skał wodorowęglany, ulegają w wodzie dysocjacji elektrolitycznej. Procesy te można opisać równaniami:

Twardość wywołana obecnością w wodzie wodorowęglanów różnych metali nazywamy twardością węglanową, a czasem również twardością przemijającą lub nietrwałą. Można ją usunąć m.in. poprzez zagotowanie wody, w efekcie czego otrzymujemy kamień kotłowy, który składa się głównie ze strąconych węglanów wapnia i magnezu oraz wodorotlenku magnezu, osadzających się na dnie i ścianach naczynia lub zbiornika. Równania reakcji usuwania twardości przemijającej wody poprzez jej gotowanie, przedstawiono poniżej:

RpE9sS6r6fta6

Zdjęcie przedstawia okrągłe metalowe dno czajnika. Na jego powierzchni jest biały nalot.

Twardość niewęglanowatwardość niewęglanowaTwardość niewęglanowa (TIndeks dolny s_s) jest spowodowana zawartością w wodzie siarczanów($\text{VI}$) i chlorków (głównie magnezu i wapnia), ale również w mniejszym stopniu azotanów(V) i innych rozpuszczalnych soli wapnia, magnezu i innych metali. Jest to inaczej twardość trwała, której nie można usunąć poprzez ogrzewanie wody, tylko przy zastosowaniu metod chemicznych.

Procesy prania przebiegają z mniejszą skutecznością, jeśli w wodzie wodociągowej obecne jest np. duże stężenie jonów ${\text{Ca}}^{2+}$ czy ${\text{Mg}}^{2+}$. Nie zakłóca ich jednak obecność jonów ${\text{Na}}^{+}$ czy ${\text{Cl}}^{-}$. Jeśli woda wodociągowa jest bogata w jony ${\text{Ca}}^{2+}$ lub ${\text{Mg}}^{2+}$, pochodzące z rozpuszczonych soli, np. ${\text{CaCl}}_2$ i ${\text{MgCl}}_2$, to do usunięcia twardości generowanej przez te jony można użyć np. węglanu sodu lub fosforanu($\text{V}$) sodu, które spowodują strącenie kationów wapnia i magnezu w postaci osadów.

R1dC4yvK5w4Kz

Ilustracja przedstawia pewną ilość  wysypanego białego proszku. Można zauważyć różowe i niebieskie drobiny. Pewna ilość proszku znajduje się na plastikowej łyżeczce.

Przeanalizuj poniższe równania reakcji pozwalających na usunięcie nieprzemijającej twardości wody.

Równania reakcji strącania węglanu wapnia:

Równania reakcji strącania fosforanu($\text{V}$) wapnia:

Równania reakcji strącania węglanu magnezu:

Równania reakcji strącania fosforanu($\text{V}$) magnezu:

Twardość ogólnatwardość ogólnaTwardość ogólna ($T_o$) jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej.

Twardość wody podawana jest w różnych skalach. Najbardziej popularną skalą są stopnie niemieckie, oznaczane jako $°\mathrm{n}$, $°\mathrm{d}$, $°\mathrm{dH}$ lub $\mathrm{dGH}$. 1 $°\mathrm{n}$ oznacza, że w $1 {\mathrm{dm}}^{\text{3}}$ wody znajduje się $\mathrm{10,00} \text{mg}$ $\text{CaO}$, czyli $\mathrm{17,86} \text{mg}$ ${\text{CaCO}}_{\text{3}}$.

Inną skalą są stopnie francuskie ($°\mathrm{f}$), w których 1 $°\mathrm{f}$ to $\mathrm{10,00} \text{mg}$ ${\text{CaCO}}_{\text{3}}$ w $1 {\mathrm{dm}}^{\text{3}}$ wody.

Stopnie angielskie ($°\mathrm{e}$), zwane też stopniami Clarka, mogą wydawać się najbardziej skomplikowane, ponieważ stosuje się w nich specyficzne jednostki: 1$°\mathrm{f}$ to 1 gran, czyli $\mathrm{64,8} \text{mg}$ ${\text{CaCO}}_{\text{3}}$ w galonie angielskim, który wynosi z kolei $4,55 {\mathrm{dm}}^3$ wody. Podobnie przelicza się stopień twardości w granach na galon amerykański: 1 gran ${\text{CaCO}}_{\text{3}}$ w galonie amerykańskim, czyli $3,79 {\text{dm}}^3$ wody. Inną skalą są milivale (miligramorównoważniki) jonów wapnia i magnezu w $1{\text{ dm}}^3$ wody.

W Polsce twardość wody podaje się w stopniach ogólnoeuropejskich lub w milivalach ${\text{CaCO}}_3$ na $1{\text{ dm}}^3$ wody. Zgodnie z tym, 1 $\frac{\text{mval}}{{\text{dm}}^3}$ odpowiada równocześnie $50 \text{mg} {\text{CaCO}}_3$ na $1{\text{ dm}}^3$ wody oraz $\mathrm{2,8}°\mathrm{n}$ twardości wody.

Twardość wód naturalnych mieści się w granicach od $8 \text{do} 30°n$. Najczęstsza wartość twardości wody użytkowej, która występuje w kranach, wynosi ok. $10°\mathrm{n}$. Według polskich norm, twardość wody pitnej powinna wynosić od $60$ do $500$ $\frac{\text{mg} {\text{CaCO}}_3}{{\text{dm}}^3}$, czyli $3,4-28,1°\mathrm{n}$. Zgodnie ze stopniami twardości, wodę klasyfikujemy wg tabeli:

Indeks górny Na podstawie: Hanns‑J. Krause: Aquarienwasser. Diagnose, Therapie, Aufbereitung. 2. verbesserte Auflage, Neuauflage, bede‑Verlag, Kollnburg 1993, s. 35. Indeks górny koniec^{Na podstawie: Hanns‑J. Krause: Aquarienwasser. Diagnose, Therapie, Aufbereitung. 2. verbesserte Auflage, Neuauflage, bede‑Verlag, Kollnburg 1993, s. 35.}

Chociaż składniki mineralne są ważne dla zdrowia człowieka, zbyt duża twardość wody jest zjawiskiem niekorzystnym w warunkach gospodarstwa domowego oraz w procesach przemysłowych. Nadmierne ilości soli wapnia i magnezu powodują bowiem mniejsze pienienie się mydła, a w konsekwencji większe zużycie środków chemii gospodarczej. Sole te wpływają też na powstawanie kamienia kotłowego, który powoduje niszczenie instalacji przemysłowych oraz sprzętów gospodarstwa domowego. Sposób na pozbycie się kamienia kotłowego z czajnika jest bardzo prosty. Otóż, wystarczy zagotować wodę w czajniku z dodatkiem kwasu spożywczego (np. octowego lub cytrynowego).

Ciekawostka

Środki chemii gospodarczej to surfaktantysurfaktantysurfaktanty. Innymi słowy, są to substancje powierzchniowo czynne, których drobiny są zbudowane z części hydrofilowej, czyli tzw. „głowy”, i części hydrofobowej, tzw. „ogona”. Ze względu na swoją amfifilową budowę mają zdolność do modyfikowania napięcia powierzchniowego na granicy faz układu cieczy, zmieniając tym samym jej energię swobodną. Polarna część hydrofilowa charakteryzuje się powinowactwem do cieczy polarnych, dzięki czemu surfaktanty ulegają rozpuszczaniu w wodzie i innych cieczach polarnych. Niepolarna część hydrofobowa, zwana też lipofilową, wykazuje powinowactwo do cieczy niepolarnych. Takie ugrupowanie to najczęściej prosty, długi, alifatyczny łańcuch węglowodorowy. Jedną z grup surfaktantów są mydła, które dzięki swojej specyficznej budowie mają zdolności myjące.

RKC0C5wgbVFmz

Na ilustracji po lewej stronie znajduje się polarna "głowa" (kulka), doczepiony jest do niej niepolarny "ogon" (ma kształt witki).

RKBzoGvKQ9baD

Zdjęcie przedstawia cienką rurę przymocowaną do ściany budynku. Rura zakończona jest kranem. Do rury przymocowany jest mały pojemnik, znajduje się w nim mydło.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.

Oznaczanie twardości ogólnej wody za pomocą wersenianu sodu. Instrukcja do ćwiczeń, Katedra Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego, online: http://www.chemia.uni.lodz.pl/kchs/index_pliki/Dokumenty/11.pdf, dostęp: 24.01.2022.