1.1.2. Действие жёсткости

Соли, обусловливающие жёсткость воды, не являются вредными для здоровья. Жёсткость не ухудшает вкус питьевой воды, жесткая вода вкуснее мягкой. Однако жёсткость воды — нежелательное явление в ряде случаев:

1. При использовании жёсткой воды в отопительных системах, других системах приготовления и подачи горячей воды вследствие разложения гидрокарбонатов образуется накипь на внутренней поверхности кипятильного сосуда — от парового котла до чайника. Слой плотного осадка ухудшает условия передачи тепла через стенку котла, поскольку теплопроводность накипи в десятки раз меньше теплопроводности стали. Это приводит к перерасходу топлива. Кроме того, металл под накипью перегревается и размягчается, образуются вздутия и трещины, что может привести к разрыву котлов. Также внутреннее пространство труб, по которым подается горячая вода, постепенно забивается выпадающими в осадок солями.

2. Присутствие в воде солей MgSO₄ и MgCl₂ приводит к коррозии, поскольку гидроксид магния — весьма слабое основание и гидролиз солей сильных кислот магния приводит к образованию кислой среды.

Например, в ходе гидролиза образуются слабое основание и сильная кислота:

MgCl₂+ H₂O = Mg(OH)₂ + 2HCl.

Затем ионы водорода взаимодействуют с железом:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑,

а в присутствии кислорода процесс окисления железа идет далее до образования трехвалентных ионов:

4FeCl₂ + 4HCl + O₂ = 4FeCl₃ + 2H₂O.

Последующая обменная реакция с накопившимся гидроксидом магния приводит к образованию ржавчины:

2FeCl₃ + 3Mg(OH)₂ = 2Fe(OH)₃ + 3MgCl₂.

3. При использовании в качестве моющего средства обычного мыла, которое представляет собой натриевые соли органических карбоновых кислот (так называемых жирных кислот — пальмитиновой СН₃(СН₂)₁₄СООН и стеариновой СН₃(СН₂)₁₆СООН) в жёсткой воде происходит выпадение осадка нерастворимых кальциевых солей этих кислот:

2СН₃(СН₂)₁₄СООNa + Ca²⁺ = (СН₃(СН₂)₁₄СОО)₂Ca↓ + 2Na⁺.

Это приводит, во-первых, к непроизводительному расходу мыла, поскольку сначала оно частично расходуется на связывание солей жёсткости, а только затем может проявить свои моющие свойства (в мягкой воде, наоборот, возникает ощущение, что мыло с трудом смывается с рук). Во-вторых, если использовать мыло в жёсткой воде для стирки, волокна тканей адсорбируют кальциевые и магниевые мыла, что делает ткани хрупкими и ломкими, ведет к потере прочности и преждевременному износу.

4. В жёсткой воде овощи и мясо плохо развариваются, так как соли кальция с белками пищевых продуктов образуют нерастворимые соединения, которые делают мякоть и кожицу плодов твердыми.

5. Чай в жёсткой воде плохо заваривается, поскольку наличие солей ухудшает условия экстракции (так называется переход веществ в воду из контактирующего с ней твердого вещества или несмешивающейся жидкости).

1.1.3. Единицы измерения жёсткости

Единой международной единицы измерения жёсткости не существует. В отечественной нормативной документации в качестве единицы измерения жёсткости используют ммоль экв/л (число миллимоль эквивалента иона кальция или магния, содержащихся в 1 литре воды)^. Молярная масса кальция составляет 40,08 г/моль. Молярная масса моля эквивалента кальция вдвое меньше (20,04 г/моль), так как заряд иона кальция равен +2 (о понятии химического эквивалента см. далее в разделе «1.4.1. Титриметрический метод анализа»). Соответственно, масса одного миллимоля эквивалента кальция равна 20,04 мг. Аналогичный расчет можно провести для двухвалентного иона магния (M_Mg2+ = 24,32 г/моль). Таким образом, величина жёсткости 1 ммоль экв/л соответствует содержанию 20,04 мг/л иона Ca²⁺ или 12,16 мг/л иона Mg²⁺.

Если содержание ионов кальция и магния было найдено другими методами, общую жёсткость воды Ж_общ (ммоль экв/л) можно вычислить по формуле:

.

Различные страны используют свои условные единицы жёсткости. За рубежом в литературе и технической документации для характеристики содержания ионов кальция или магния используют так называемые «градусы жёсткости», пересчет которых в моль экв/л здесь мы не рассматриваем.

Жёсткость природной воды колеблется в широких пределах: она различна в разных водах, а в одном и том же водоисточнике её величина изменяется по временам года.

По величине общей жёсткости воду делят на 5 групп:

Характеристика воды	Общая жёсткость, ммоль экв/л
Очень мягкая	до 1,5
Мягкая	1,5…3,0
Средней жёсткости	3,0…5,4
Жесткая	5, 4…10,7
Очень жесткая	более 10,7

Наиболее мягкой является вода атмосферных осадков (0,07…0,10 ммоль экв/л). В качестве примера пресных вод с очень высокой жёсткостью приводят воды Донбасса, формирующиеся в окружении меловых и доломитных пород (18…20 ммоль экв/л). Еще выше жёсткость океанской воды — 130 ммоль экв/л. Жёсткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 ммоль экв/л.

Процесс, приводящий к снижению жёсткости, т.е. к уменьшению концентрации ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в воде, называется умягчением. Различают следующие методы умягчения:

— методы осаждения;

— методы ионного обмена.