Жорсткість води обумовлена ​​наявністю іонів Ca²⁺ і Mg²⁺. Чим вище концентрація Ca²⁺ і Mg²⁺ у воді тим більша її жорсткість. Природна вода, що витікає з первинних або мало вивітрених гірських порід, зазвичай така ж м’яка як дощова вода або як промисловий конденсат (дистильована вода).

Ступінь жорсткості води. Кількісно жорсткість води характеризують через сумарний вміст іонів Ca²⁺ і Mg²⁺, виражений в ммоль/дм³ (1 моль = 1000 ммоль; 1 ммоль = 0,001 моль; 1 ммоль це 1/1000 частина моль). За жорсткістю всі природні води поділяються:

1. М’які – загальна жорсткість менше 2 ммоль/дм³;
2. Жорсткі – загальна жорсткість 2-10 ммоль/дм³;
3. Високої жорсткості – загальна жорсткість більше 10 ммоль/дм³.

Для різних типів води існують норми жорсткості. Наприклад, для водопровідної води загальна жорсткість не повинна перевищувати 6,5 ммоль/дм³ (в окремих випадках до 10 ммоль/дм³); Вода колодязів і джерел – до 10 ммоль/дм³; Вода фасована з пунктів розливу та з питних бюветів – 7 ммоль/дм³.

Види жорсткості води.

Загальна жорсткість води – це загальний вміст іонів Ca²⁺ і Mg²⁺ в воді.

Загальна жорсткість складається з тимчасової жорсткості і постійної жорсткості.

Тимчасова жорсткість води (карбонатна жорсткість, переборна жорсткість) – це жорсткість викликана присутністю у воді гідрокарбонатів Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂, яка кількісно дорівнює концентрації іонів Ca²⁺ і Mg²⁺, і відповідає подвоєній концентрації гідрокарбонат іонів HCO₃^2-. Усувається кип’ятінням води.

Постійна жорсткість (некарбонатна жорсткість, сульфатна жорсткість) – це жорсткість води, яка кількісно дорівнює концентрації іонів Ca²⁺ і Mg²⁺ за вирахуванням тимчасової жорсткості. Тобто постійна жорсткість визначається кількістю іонів Ca²⁺ і Mg²⁺ які не пов’язані з гідрокарбонат іонами HCO₃^2-. В якості аніонів можна умовно обрати іони SO₄^2-, хоча в воді також можуть знаходитись хлориди, нітрати, різні силікати і фосфати магнію і кальцію. Зазвичай постійну жорсткість характеризують вмістом CaSO₄ і MgSO₄, тому постійну жорсткість ще називають сульфатна жорсткість води. Постійна жорсткість не усувається кип’ятінням води.

Ознаки жорсткості води. На внутрішніх стінках парових котлів, трубопроводів, водонагрівальних бойлерів з жорсткої води осідають тверді солі, в основному кальцій карбонат і кальцій сульфат – накип. Накип має погану теплопровідність, тому може викликати місцевий перегрів стінок котла або нагрівальних тенів і як результат – корозію матеріалу. Випадкове відшарування накипу від розпеченої стінки котла може викликати швидке випаровування води і навіть вибух котла.

Наприклад, щоб знизити утворення накипу на стінках і тенах домашнього водогрівального бойлера, достатньо зменшити температуру нагрівання води до комфортних 50-55*С. В цьому випадку водонагрівальний бойлер прослужить набагато довше.

При пранні білизни в жорсткій воді збільшуються витрати мила, що обумовлено утворенням нерозчинних органічних солей кальцію і магнію, наприклад:

2Na(C₁₇H₃₅COO) + Ca(HCO₃)₂ = Ca(C₁₇H₃₅COO)₂ + 2NaHCO₃

Крім надмірної витрати мила, при пранні в жорсткій воді на тканині осідають кальцієво магнієві солі, які погіршують її властивості, з’являється жовтизна на тканині, знижується міцність тканини, з’являється затхлий запах. Тому для прання милом в жорсткій воді потрібна попереднє пом’якшення води (усунення жорсткості води). Синтетичні миючі засоби забезпечують ефективний і економічний процес прання в м’якій і жорсткій воді, тому що вони не утворюють нерозчинних солей кальцію і магнію.

Жорстка вода негативно впливає на якість приготування їжі. Наприклад в жорсткій воді погано розварюються стручкові овочі, оскільки пектин утворює на стінках клітин нерозчинні сполуки з іонами кальцію і магнію.

Усунення жорсткості води (пом’якшення води). Усунення жорсткості води полягає у видаленні з неї іонів Ca²⁺ і Mg²⁺. Кип’ятінням води усувається тільки тимчасова жорсткість; гідрокарбонати кальцію або магнію переходять в малорозчинні карбонати і таким чином виводяться з води:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂

При введенні в воду деяких реагентів (натрій карбонату, кальцій гідроксиду, натрій ортофосфату, натрій тетраборату і ін.) жорсткість води усувається повністю, наприклад:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + Na₂SO₄

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 3Na₂SO₄

Ортофосфати менш розчинні, ніж карбонати, тому краще усунення жорсткості води досягається за допомогою реагенту Na₃PO₄.

Сучасний спосіб усунення жорсткості води заснований на використанні іонообмінних смол – іонітів (катіонітів і аніонітів). Через трубчастий обмінник, заповнений гранулами смоли в Na⁺-формі, пропускаю жорстку воду, при цьому іони Mg²⁺ і Ca²⁺ еквівалентно заміщають іони Na⁺ в смолі. Іоніт періодично регенерують – промивають його концентрованим розчином натрій хлориду. Пом’якшення води при пранні проводять за допомогою комплексоутворюючих іонітів – натрій поліфосфатів натрію, натрій метафосфатів. Іони Ca²⁺ і Mg²⁺ зв’язуються в стійкі комплекси і стають інертними по відношенню до мила.

Повне знесолення води. Для отримання води яка підходить для парових котлів, питної води з морської води і для виділення промислово корисних, а також екологічно небезпечних солей з промивних вод проводять повне знесолення води. Для цього воду піддають перегонці – дистиляції. Інший спосіб знесолення полягає у послідовній обробці води катіонітом і аніонітом. При пропусканні води через катіонітний фільтр іони металів в розчині замінюються на іони H⁺, а при пропусканні води через аніонітний фільтр аніони кислот в розчині замінюються на іони OH^–. Таким чином, в цілому з води видаляються солі, а іони H⁺ і OH^–, які перейшли у воду, взаємно нейтралізуються (H⁺ + OH^– = H₂O). Періодично іоніти промивають розведеним розчином сульфатної кислоти і натрій гідроксиду.

---