Жесткость воды в химии: что это значит, чем определяется, типы жесткости

Что влияет на жесткость воды

Прозрачная жидкость вводит в заблуждение, потому что многие люди не понимают, сколько примесей она может содержать, несмотря на отсутствие цвета. Так как вода добывается из недр земли, жидкость постоянно контактирует с разными видами грунта, минералами и газами.

Такое воздействие приводит к изменению состава воды, а как следствие и ее свойств.

Отличия воды из разных источников:

• Цвет.
• Степень открытости.
• Вязкость.
• Запах.
• Степень замерзания и испарения.
• Степень расширения и сжатия.
• Способность растворять различные вещества.

Анализируя эти данные о той или иной воде, вы многое узнаете, в том числе и о ее пригодности для питья.

Больше всего примесей занимают различные соли, определяющие степень жесткости. Таким образом, можно сделать вывод, что мягкий и

жесткая вода отличается только количеством солевых примесей в ее составе.

Особенности мягкой воды

Каждый из нас сталкивался с мягкой водой при мытье посуды или купании, это проявляется довольно необычно. Моющие средства лучше пенятся в мягкой воде, но меньше смываются.

Преимущества мягкой воды:

• Снижает расход моющих средств до 50%.
• Продлевает срок службы нагревательных элементов.
• Положительное влияние на кожу и волосы.
• Улучшение вкуса готовой пищи.
• Профилактика возникновения мочекаменной болезни.

Именно по этой причине мягкая вода так ценится в быту, но она имеет и некоторые недостатки, о которых необходимо знать.

Недостатки мягкой воды:

• Возникновение гастрита, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
• Развитие кариеса.
• Заболеваемость артериальной гипертензией.
• Недостаток минералов в организме.

Все эти повреждения относятся только к случаям постоянного использования мягкой воды. Сократив количество потребляемой такой жидкости, вы предотвратите все эти факторы.

Особенности жесткой воды

Изучив особенности мягкой воды, кажется, что жесткая вода совершенно непригодна для использования, но это совершенно не так. Организм человека построен по принципу баланса, поэтому даже такие вредные соли, растворенные в жесткой воде, в небольших количествах очень полезны.

Самым большим преимуществом употребления жесткой воды является предотвращение развития гипертонии и сердечно-сосудистых заболеваний. Но с его применением нужно быть максимально осторожным, особенно если это происходит регулярно.

Основная проблема, которая возникает с первых дней использования – рост камней в почках, печени, развитие кариеса, а также отложение солей в суставах.

Помимо негативного воздействия на здоровье членов вашей семьи, использование жесткой воды наносит ущерб бытовой технике, детали которой вступают с ней в непосредственный контакт. В большей степени для покрытия налетом подходят нагревательные змеевики, но не стоит забывать и о водопроводных трубах, диаметр которых может быть уменьшен до 50% при постоянном протоке жесткой воды. Исходя из этого, необходимо постоянно следить за собственным питанием, количеством употребляемой жидкости при повышенной жесткости в повседневной жизни.

Чем отличается жесткая вода от мягкой

Этот вопрос становится для многих самым сложным, ведь каждый вид воды полезен и вреден по-своему. Но список основных отличий все же есть, и он поможет лучше раскрыть всю суть понятия жесткости.

Основные отличия жесткой и мягкой воды:

• Количество и виды минеральных частиц. Это самый главный и важный фактор, так как он влияет на молекулярную структуру, вкус, внешний вид и другие параметры. Степень жесткости не имеет четких границ, поэтому вся вода имеет большую или меньшую жесткость, за исключением дистиллированной воды. Эта жидкость представляет собой чистую Н2О, не имеющую заряда, вкуса и визуальных свойств.
• Цвет и степень прозрачности. Наличие различных солей в составе жесткой воды может повлиять на ее прозрачность, текучесть, цвет. При кипячении окраска становится светлее, так как соли растворяются и выпадают в осадок.
• Взаимодействие с окружающими предметами. Мягкая вода в большинстве случаев нейтральна по отношению к металлическим деталям, что, конечно же, влияет на срок службы. Вода с повышенной жесткостью из-за наличия солей негативно влияет на бытовую электронику, сантехнику. При отоплении или нормальном течении в водопроводе на стенках труб и нагревательных элементов скапливаются соли в виде твердых кальциевых пород. Удаление накипи довольно проблематично, при этом большинство моющих средств содержат специальные добавки, препятствующие таким явлениям.

Не стоит забывать и о влиянии каждого вида на организм человека, так как хотя и есть различия, употребление обоих видов воды на постоянной основе вредно для организма.

Как узнать какая вода жесткая или мягкая

В химических составах разобраться сложно, а вот с жесткостью воды проще, так как с жидкостями сталкивается каждый ежедневно.

Вся вода в зависимости от степени жесткости делится на:

• Мягкий.
• Средний.
• Безжалостный.

Для повышения прозрачности оценки ГОСТ предлагает использовать специальные приборы, позволяющие стандартизировать измерения и исключить неточности. Эта величина относительная, так как предполагает наличие в жидкости определенного количества кальция и магния. Миллиграммовый эквивалент на 1 литр жидкости, или 1 степень жесткости, позволяет классифицировать любую жидкость, упростить работу с ней и предотвратить возможные проблемы.

Для мягкой показатель не должен превышать 2 степени жесткости, в воде средней жесткости количество солей колеблется в пределах 2-10 Вт, а для остальных превышает 10 мг-экв/л.

Определить свойства воды можно как в лаборатории, так и в домашних условиях, ведь они заметны даже тактильно.

Большое количество пены, плохая смываемость, а также отсутствие налета свидетельствуют о малом количестве загрязнений. Если при нагревании воды заметно образование белых частиц, то ТЭНы покрыты бело-бежевым налетом известкового налета, вы используете воду с повышенной жесткостью, и вам следует позаботиться о ее смягчении.

Для этого есть несколько способов:

• Обратный осмос. Аналог простой фильтрации, которая производится потоком воды под естественным напором. «Процеживание» через специальную мембрану позволяет задерживать большую часть твердых частиц, требуя при этом регулярного внимания к фильтрующему элементу.
• Термическая обработка. Кипячение — древнейший метод очистки воды, в том числе и от твердых примесей. Главный недостаток – «убийство» всех полезных свойств, а также вероятность превращения некоторых компонентов (хлора) в более сложные и вредные вещества.
• Электродиализ. Электрический ток также используется для снижения жесткости, так как в его основе лежат соли, которые легко удаляются с помощью анода и катода, а также специальные концентраты, повышающие эффективность.
• Ионный обмен. Каждое вещество обладает физико-химическими свойствами, а значит, выбрав правильный способ взаимодействия, можно извлечь из воды магний и кальций, сделав ее более мягкой.
• Магнитное влияние. Помимо химической обработки, на рынке также существуют методы магнитного умягчения. В основе такого устройства используется система мощных магнитов постоянного тока, которая воздействует на частицы, заставляя их разрушать старый налет.

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, поэтому перед его использованием необходимо определить основные цели и функции той или иной системы.

 

Жесткая и мягкая вода — в чем разница

Определение 1

Жесткость воды – это совокупность свойств, определяемых количеством и видом растворенных в ней солей щелочноземельных металлов, главным образом кальция и магния.

Воду с высоким содержанием таких солей называют жесткой, с низким — мягкой. Катионно-анионный состав, определяющий жесткость, представлен в табл. 1.

Исследованиями установлено, что двухвалентный стронций, железо, марганец и барий незначительно изменяют значение жесткости, поэтому обычно ими пренебрегают. Алюминий и трехвалентное железо также могут влиять на жесткость, но в нормальных условиях они плохо растворяются, и поэтому их вклад в жесткость очень мал.

причины образования жесткой воды обусловлены вымыванием солей из слоев горных пород: известняка, гипса, доломита, лежащих на пути водного потока.

Параметры жесткости могут варьироваться в зависимости от того, какие минералы распространены в данной местности, насколько хорошо они растворимы в воде и других факторов.

Отрицательное влияние жесткой воды:

• вызывает образование накипи на промышленном и бытовом водонагревательном оборудовании (в т.ч чайниках, стиральных машинах и т.п.), затрудняя работу;
• образует слабую пену;
• сушит кожу;
• увеличивает время приготовления некоторых продуктов (крупы, овощи) и т д.

Использование слишком мягкой воды может привести к коррозии труб из-за отсутствия необходимого кислотно-щелочного баланса, поддерживаемого углеводородами.

Вкусовые качества жесткой воды также различаются из-за наличия или отсутствия в ней различных солей:

• повышенное содержание солей магния, особенно сульфатов, может вызывать горечь;
• соли железа и марганца придают воде ярко выраженный неприятный привкус, а при кипячении она еще и буреет;
• хлориды определяют соленость воды.

Многие считают, что мягкая вода вкуснее.

В некоторых источниках есть информация о том, что употребление жесткой воды приводит к таким последствиям, как образование камней в половых органах, а мягкая вода повышает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Однако достоверных клинических исследований или научных отчетов, подтверждающих эту информацию, нет.

Виды жесткости воды

Ионы кальция отвечают за кальциевую жесткость, а ионы магния – за магниевую жесткость.

В поверхностном источнике по одному и тому же адресу жесткость воды может меняться в зависимости от времени года: например, весной, в период половодья жесткость воды снижается. А летом вода быстро испаряется с поверхностей водоемов, особенно если дождей мало, и жесткость увеличивается.

В подземных источниках жесткость воды остается примерно на том же, достаточно высоком уровне: 8-10 мг-экв/л.

Вода в океанах и морях очень жесткая, например:

• в Черном море общая жесткость 65,5 мг-экв/л, на ионы кальция приходится 12, магния — 53,5 мг-экв/л;
• в океанах средняя общая жесткость составляет 130,5 мг-экв/л, на ионы кальция приходится 22,5, магния — 108 мг-экв/л.

В России для хозяйственно-бытового водоснабжения ГОСТ 31865–2012 устанавливает следующую норму жесткости воды: от 4 до 7 мг-экв/л, при этом питьевая вода должна содержать 2-6 мг-экв/л ионов кальция ионов магния 1,6-3 мг-экв/л.

Для сравнения, в Европе жесткость не должна превышать 1,2 мэкв/л. Это означает, что европейцы привыкли пить мягкую воду.

Устранение скованности

1. Термическая обработка: подогрев воды до 70-80°С или кипячение позволяет практически полностью устранить временную жесткость. При нагревании углеводороды распадаются с образованием угольной кислоты:

и карбонат кальция и основной карбонат (или гидроксид при pH> 10,3) осаждения магния:

Реакция 2

2. Химическая обработка.

а) Карбонатный тип жесткости можно устранить добавлением гашеной извести Са(ОН)2

Реакция 3

б) При одновременном добавлении гашеной извести и соды Na2CO3 карбонатную жесткость устраняют известью, а некарбонатную — содой:

Реакция 4

Далее идет реакция с известью:

Реакция 5

в) Применение полифосфата натрия Na5P3O10 приводит к связыванию ионов и за счет образования хелатных комплексных соединений, хорошо растворимых в воде:

Реакция 6

3. Ионный обмен осуществляется с помощью ионообменников — твердых веществ, имеющих подвижные ионы, способные замещаться ионами из внешней среды. Кроме того, катионы обмениваются на катионы или анионы на анионы.

Например, алюмосиликат имеет пространственную решетку, образованную атомами Al, Si и O. Он содержит полости, содержащие молекулы воды и ионы Na+. Последние также могут замещаться ионами при пропускании воды через слой гранул алюмосиликата.

Применяются также ионообменные смолы — катиониты на основе синтетических полимеров. Их состав можно выразить общей формулой Na2R, где Na+ — подвижный катион, а R- — органический радикал с отрицательным зарядом.

При пропускании воды через слои катионита ионы кальция и магния из раствора переходят в катионит, замещая натрий:

Реакция 7

Когда процесс ионного обмена достигает равновесия, катионит перестает выполнять свою работу. Его можно регенерировать погружением в концентрированный раствор NaCl или Na2SO4. При этом ионы переходят в раствор, а катионит снова насыщается ионами Na.

4. Физические методы устранения жесткости основаны на удалении ионов кальция и магния под влиянием:

• электрическое поле — электродиализ;
• магнитное поле;
• магнитное ионизирующее излучение;
• ультразвуковые волны;
• обратный осмос;
• электромагнитные волны определенной частоты.

Методы определения уровня жесткости воды

Для определения общей жесткости Джо:

1. Используется комплексное комплексонометрическое титрование трилоном Б. Этот метод является наиболее точным.

Методика: в коническую колбу набирают 100 мл воды, прибавляют 5 мл аммиачной буферной смеси, затем 7-8 капель спиртового раствора индикатора эриохром черный Т или щепотку сухой смеси с натрием или калием хлористый. После смешивания раствор станет бордовым. Титруют 0,05 н раствором трилона Б до изменения окраски на сине-зеленую.

Формула 1

2. Приобретены экспресс-тесты. Подходит для домашнего использования. Не всегда точный, но простой в использовании и доступный.

3. Измерение электропроводности с помощью кондуктометра.

Метод приближенный, так как электропроводность воды определяет не показатель жесткости, а общее содержание растворенных в воде солей, в том числе солей кальция и магния. Кондуктометр должен точно измерять электропроводность, которая измеряется в мкСм/см, обычный прибор не подойдет.

График зависимости электропроводности воды от жесткости.

Для определения временной жесткости жидкостей в химии применяют кислотное титрование соляной кислотой.

При титровании пробы воды соляной кислотой в присутствии индикатора метилового оранжевого гидрокарбонаты разлагаются, вызывая временную жесткость:

Реакция 8

Метод определения. В лабораторную коническую колбу отбирают 100 мл испытуемой воды, добавляют 2-3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н раствором едкого натра раствором HCl до появления оранжевой окраски.

Формула 2

После определения общей и временной жесткости рассчитывают постоянную (некарбонатную) жесткость Жп:

Формула 3

Современные варианты рН-метров — рН-иономеры позволяют определять временную жесткость на основе титрования соляной кислотой, а общую жесткость — на основе комплексонометрического титрования. Кроме того, они оснащены селективными по кальцию электродами, позволяющими различать кальциевую и магниевую жесткость.

Единицы измерения жесткости

Общая жесткость измеряется в градусах GH. Например, в воде с близким к нулю значением GH аквариумные рыбки погибают, и использовать ее в пищевых целях не рекомендуется.

В мире для измерения параметра жесткости используются разные значения: см рисунок 5.

С 1 января 2014 г действует межгосударственный стандарт ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жесткости. По новому ГОСТу жесткость выражается в градусах жесткости (°F).

2. Определение

1 °F соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 миллимоля на литр (1 °F = 1 мг-экв/л).

По величине общей жесткости воды разделяют:

Природа воды	dGH, °dH	мг-экв/л=°F	мг/л, промилле
очень сложно	23-34	старше 12 лет	320-530
трудный	13-22	8-12	210-320
средней жесткости	9-12	4-8	140-210
мягкий	5-8	1,5-4	70-140
очень мягкий	0-4	0-1,5	0-70

Степени

Характеристика уровня шкалы твердости может быть представлена ​​3-мя типами показателей — градусами, эквивалентными миллиграммами и фактическим эквивалентом. Итак, особо мягкий вариант предполагает рассмотрение:

• не более 4 градусов;
• или максимум 1,5 мг эквивалента;
• или не более 70 ppm единиц.

Наоборот, вода считается средней жесткости:

• с показателем от 9 до 12 градусов;
• с содержанием солей не менее 4 и не более 8 мг эквивалентов;
• с общим эквивалентом от 140 до 210 частей на миллион.

Самой жесткой воде присваивается рейтинг от 23 до 34 градусов. Минерализация не менее 12 мг соответствующего типа. Показатель промилле составляет минимум 210 единиц. Его самый высокий зарегистрированный уровень составляет 320 единиц.

На практике, конечно, используется в основном более мягкая вода.

Как измерить?

Самостоятельно рассчитывать формулы не нужно. Куда лучше оставить решение этой проблемы специалистам. В профессиональных лабораториях они могут анализировать очень качественно и четко. Помимо измерения жесткости, те же лаборатории СЭС обычно также измеряют содержание:

• нитраты;
• пестициды;
• промышленные выбросы;
• опасные микроорганизмы;
• органические примеси.

Но обычно к услугам лабораторий прибегают только при пуске в оборот нового источника (колодца, резервуара, колодца) или при наличии серьезных подозрений. В домашних условиях гораздо выгоднее и быстрее использовать тест-полоски. Такие индикаторы легко продаются в зоомагазинах и в местах, где продают бытовую технику для кухни. Также можно зайти в магазин, где продаются кофемашины, водонагреватели. Полоска работает просто: она меняет цвет в зависимости от концентрации нужных веществ в воде. Однако точность этого метода низкая. Он имеет высокую погрешность.

Кроме того, индикаторы способны реагировать на любое вещество и не позволяют сказать, в чем причина высокой или низкой жесткости, каков баланс между конкретными солями. Хорошие тест-полоски обычно поставляются крупными зарубежными производителями.

Существуют и другие варианты измерения жесткости воды. Например, любители химических экспериментов могут поэкспериментировать с горячей водой и мылом. На особую точность, как в случае с индикаторами, рассчитывать не приходится, но увлекательно получится, особенно для детей и подростков. Важно: потребуется дистиллированная вода, линейка, литровая банка или мерная емкость с прозрачным корпусом.

Порядок работы следующий:

• отделить ровно 1 г хозяйственного мыла;
• в измельченном виде положить в стакан;
• греют, но не кипятят воду на плите;
• налейте его в стакан и добейтесь растворения мыла;
• добавить дистиллированной воды до 6 см для 60% мыла и до 7 см для 72% мыла;
• в подготовленную банку или мерную емкость налить 0,5 л водопроводной воды;
• медленно перелить раствор из стакана в стакан и осторожно размешать, дожидаясь появления белой пены (= связывание солей жесткости);
• вычесть высоту оставшегося мыльного раствора из исходной;
• учитывать, что каждому сантиметру залитого раствора соответствует связывание количества солей жесткости, равное 2 градусам или 0,75 мг-экв/л.

Но все эти эксперименты слишком сложны, а в бытовой сфере нужно в работе что-то более простое и слаженное. Тестер (или, более формально, TDS-метр) может быть хорошим решением. Такой прибор, если он хорошо откалиброван, точно установит электропроводность воды. Но надо понимать, что вам снова предстоит изучать и анализировать множество различных параметров.

Достаточно хорошим «бытовым тестом» является исследование вкуса, запаха и прозрачности; но все же в случае сомнений правильнее обратиться в профессиональную лабораторию.

Как сделать воду мягче?

Когда тем или иным образом несомненно установлено, что вода слишком жесткая, возникает логичный вопрос – можно ли уменьшить эту жесткость в домашних условиях или нет. И ответ на него будет положительным. Однако придется приложить усилия. Как бороться с жесткостью воды, зависит от конкретной ситуации.

Если вам нужно справиться с ним только в определенном объеме жидкости, можно прибегнуть к кипячению. Этот вариант не требует использования каких-либо реагентов или сложной техники. При высоких температурах неприятные вещества просто растворяются и выпадают. Кипяченую воду можно использовать практически для всех бытовых и технических целей. Однако не все вещества, вызывающие жесткость, можно устранить таким образом, и вместо одной проблемы возникает другая – что делать с накипью или осадком.

Кроме того, тратится время, энергия или топливо. Для некоторых нужд кипяченая вода вообще не подходит. И более того, он просто не сможет «закрыть» все мыслимые потребности. Излишнюю скованность также можно убрать сидя. Но есть и минусы: заселение занимает много времени, в основном подходит для полива растений.

Защищать питьевую воду имеет смысл только в том случае, если ее первоначальная жесткость ненамного превышает норму. Иногда помогает и заморозка. При таком подходе можно избавиться от ненужных солей без ухудшения качества воды. Однако получить можно будет лишь очень небольшое количество жидкости. Альтернативой является употребление продуктов питания и безалкогольных напитков; сам по себе метод неплох, но вода, полученная с его помощью, не пригодна для питья.

Бороться с негативными свойствами воды можно также с помощью уксуса или лимонной кислоты. Такие агенты снижают жесткость до некоторой ограниченной степени. Однако из-за них часто повышается кислотность. Поэтому для питьевых нужд этот способ не подходит. Но для косметических манипуляций его можно рекомендовать.

Решить проблему накипи в стиральных и посудомоечных машинах можно с помощью обычной поваренной или фирменной соли (от производителя). Но самым универсальным методом, особенно при подаче воды из колодца или колодца, является использование фильтров. Их также можно использовать для очистки водопроводной воды. Конструкция и способ действия в данном случае не так важны, гораздо важнее будет производительность устройства.

Фильтры-кувшины позволяют получить от 1 до 3 литров чистой жидкости. Вполне можно приготовить чай, кофе, даже пару порций супа или каши, помыть посуду, но, увы, не более того. Более эффективные ионообменные фильтры. Правда, они не позволяют получать питьевую воду и нормально работать только при подключении к канализации.

получение питьевой воды невозможно с помощью магнитных, электромагнитных умягчителей, а также из-за мембранных фильтров. В последнем случае может помочь дополнительная контролируемая реминерализация, но это дорого и сложно.

Читайте также: Диагональ телевизора: сводная таблица значений в сантиметрах и дюймах