Жесткость воды обусловлена наличием ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Чем выше концентрация Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде тем больше ее жесткость. Природная вода, вытекающая из первичных или мало выветренных горных пород, обычно такая же мягкая как дождевая вода и промышленный конденсат (дистиллированная вода).

Степень жесткости воды. Количественно жесткость воды характеризуют через суммарное содержание ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, выраженное в ммоль/дм³ (1 моль = 1000 ммоль; 1 ммоль = 0,001 моль; 1 ммоль это 1/1000 часть моль). По жесткости все природные воды делятся:

1. Мягкие – общая жесткость менее 2 ммоль/дм³;
2. Жесткие – общая жесткость 2-10 ммоль/дм³;
3. Высоко жесткие – общая жесткость более 10 ммоль/дм³.

Для различных типов воды существуют нормы жесткости. Например, для водопроводной воды общая жесткость не должна превышать 6,5 ммоль/дм³ (в отдельных случаях до 10 ммоль/дм³); Вода колодцев и родниковых источников – до 10 ммоль/дм³; Вода фасованная из пунктов разлива и с питьевых бюветов – 7 ммоль/дм³.

Виды жесткости воды. Различают общую жесткость, которая складывается из временной жесткости и постоянной жесткости.

Временная жесткость воды (карбонатная жесткость, устранимая жесткость) – это жесткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ и количественно равна концентрации ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, которая соответствует удвоенной концентрации гидрокарбонат ионов HCO₃^2-. Устраняется кипячением воды.

Постоянная жесткость (некарбонатная жесткость, неустранимая жесткость, сульфатная жесткость) – это жесткость количественно равна концентрации ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ за вычетом временной жесткости. Т.е. постоянная жесткость определяется количеством ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ которые не связаны с гидрокарбонат ионами HCO₃^2-. В качестве анионов можно условно выбрать ионы SO₄^2-, хотя в воде также могут находиться и хлориды, нитраты, различные силикаты и фосфаты магния и кальция. Обычно постоянную жесткость характеризуют содержанием CaSO₄ и MgSO₄, поэтому постоянную жесткость еще называют сульфатной жесткостью воды. Постоянная жесткость не устраняется кипячением воды.

Признаки жесткости воды. На внутренних стенках паровых котлов, трубопроводов, водонагревательных бойлеров из жесткой воды осаждаются твердые соли, в основном карбонат и сульфат кальция – накипь. Накипь имеет плохую теплопроводность, поэтому может вызывать местный перегрев стенок котла либо нагревательных тенов и как результат – коррозию материала. Случайное отслоение накипи от раскаленной стенки котла может вызвать быстрое испарение воды и даже взрыв котла.

Например, чтобы снизить образование накипи на стенках и тенах домашнего водонагревательного бойлера, достаточно уменьшить температуру нагрева воды до комфортных 50-55*С. В этом случае водонагревательный бойлер прослужит намного дольше.

При стирке белья в жесткой воде увеличивается расход мыла, что обусловлено образованием нерастворимых органических солей кальция и магния, например:

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

Кроме перерасхода мыла, при стирке в жесткой воде на ткани осаждаются кальциево магниевые соли, которые ухудшают ее свойства, появляется желтизна на ткани, снижается прочность ткани, появляется затхлый запах. Поэтому для стирки мылом в жесткой воде требуется предварительное умягчение воды (устранение жесткости воды). Синтетические моющие средства обеспечивают эффективный и экономичный процесс стирки в мягкой и жесткой воде, т.к. они не образуют нерастворимых солей кальция и магния.

Жесткая вода негативно влияет на качество приготовления пищи. Например в жесткой воде плохо развариваются стручковые овощи, поскольку пектин образует на стенках клеток нерастворимые соединения с ионами кальция и магния.

Устранение жесткости воды (умягчение воды). Устранение жесткости воды заключается в удалении из нее ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Кипячением воды устраняется только временная жесткость; гидрокарбонаты кальция или магния переходят в малорастворимые карбонаты и таким образом выводятся из воды:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂

При введении в воду некоторых реагентов (карбоната натрия, гидроксида кальция, ортофосфата натрия, тетрабората натрия и др.) устраняется вся жесткость, например:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = 2CaCO₃↓ + 2H₂O

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + Na₂SO₄

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

Ортофосфаты менее растворимы, чем карбонаты, поэтому лучшее устранение жесткости воды достигается с помощью реагента Na₃PO₄.

Современный способ устранения жесткости воды основан на использовании ионообменных смол – ионитов (катионитов и анионитов). Через трубчатый обменник, заполненный гранулами смолы в Na⁺-форме, пропускаю жесткую воду, при этом ионы Mg²⁺ и Ca²⁺ эквивалентно замещают иона Na⁺ в смоле. Ионит периодически регенерируют, промывая его концентрированным раствором хлорида натрия. Умягчение воды при стирке проводят с помощью комплексообразующих ионитов – полифосфатов натрия, метафосфатов натрия. Ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ связываются в устойчивые комплексы и становятся инертными по отношению к мылу.

Полное обессоливание воды. Для получения воды пригодной для паровых котлов, питьевой воды из морской воды и для выделения промышленно полезных, а также экологически опасных солей из промывных вод проводят полное обессоливание воды. Для этого воду подвергают перегонке – дистилляции. Другой способ обессоливания – последовательная обработка воды с помощью катионита и анионита. При пропускании воды через катионный фильтр ионы металлов в растворе заменяются на ионы H⁺, а при пропускании воды через анионитный фильтр анионы кислот и растворе заменяются на ионы OH^–. Таким образом, в целом из воды удаляются соли, а перешедшие в воду ионы H⁺ и OH^– взаимно нейтрализуются (H⁺ + OH^– = H₂O). Периодически иониты промывают разбавленным раствором серной кислоты и гидроксида натрия.

---