Высокая жесткость воды. Показатель жесткости воды

Люди в разных странах очень давно пришли к необходимости её нормировать, ибо высокая жесткость — это плохо: и трубы забиваются, и постирать толком невозможно. Но стали это делать в каждой стране по-своему, кто как, исходя из традиционных единиц измерения и способов определения ионов кальция и магния, ведь единых стандартизированных международных единиц тогда не было.

Известно, что нет ничего хуже вредных привычек — избавиться от них очень трудно! В кофейной литературе (хотя жесткость по сути своей понятие не из области кофе!) разных стран жесткость до сих пор измеряют в градусах, причем в каждой стране в своих собственных, отличных от всех остальных. Идентичны только русские и немецкие градусы жесткости, правда, давным-давно отменные в обеих этих странах, но упорно существующие в определении понятий.

В СССР до 1952 года использовали градусы жёсткости, совпадавшие с немецкими. В России для измерения жёсткости используется нормальная концентрация ионов кальция и магния, выраженная в миллиграммах эквивалента на литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л соответствует содержанию в литре воды 20,04 миллиграмм Ca2+ или 12,16 миллиграмм Mg2+ (атомная масса делённая на валентность).

В других странах принято обозначать жесткость в УСЛОВНЫХ градусах:

Немецкие градусы (dGH)

1° = 1часть оксида кальция — СаО в 100000 частей воды, или 0.719 частей оксида магния — MgO в 100000 частей воды, или 10 мг СаО в 1 л воды, или 7.194 мг MgO в 1 л воды. dGH (dH) и dKH в настоящее время наиболее часто употребляется в аквариумистике как единица измерения жесткости, причем обозначение dGH — относится к общей жесткости, dKH — к карбонатной;

Французские градусы (fh)

1° = 1 часть CaCO 3 в 100000 частей воды, или 10 мг CaCO 3 в 1 л воды;

Американские градусы (usH)

1° = 1 гран (0.0648 г) CaCO 3 в 1 галлоне (американском! 3.785 л) воды. Поделив граммы на литры получаем: 17.12 мг/л СаСО 3 . Однако есть еще одно определение американского градуса: 1 часть CaCO 3 в 1000000 частей воды (в англоязычной литературе выражение концентрации, как 1 часть на 1 000 000 частей называют ppm — part per million (одна часть на миллион), и часто используют. На практике оно идентично 1мг/л). Таким образом этот 1 американский градус = 1мг CaCO 3 в 1 л воды. Именно эта величина американского градуса принята во всех таблицах с переходными коэффициентами для перевода одних единиц измерения жесткости в другие.

Английские градусы (Clark)

1° = 1 гран (0.0648 г) в 1 галлоне (английском! 4.546 л) воды = 14.254 мг/л CaCO 3 .

Чувствуете как все не просто?! Поэтому приведу таблицу, позволяющую сравнивать и переводить одни градусы жесткости в другие:

Таблица 1

Жесткость воды представляет собой традиционную меру способности воды реагировать с мылом: жесткая вода требует для образования пены значительного количества мыла. Отложение накипи в трубах горячего водоснабжения, котлах и других бытовых устройствах вызывается жесткой водой. Жесткость воды обусловливается растворенными ионами поливалентных металлов. В пресной воде основными ионами, вызывающими жесткость, являются кальций и магний; имеют значение также ионы стронция, железа, бария и марганца. Жесткость воды обычно определяется с помощью реакции ионов поливалентных металлов, присутствующих в воде, с хелатирующими агентами, например, ЭДТА, и выражается как эквивалентная концентрация карбоната кальция. Жесткость может оцениваться также путем определения индивидуальных концентраций образующих ее компонентов, сумма которых выражается через эквивалентное количество карбоната кальция. Степень жесткости питьевой воды классифицируется, исходя из эквивалентных концентраций CaCO 3 в ней, следующим образом:

Мягкая - 0-60 мг/л

Средней жесткости - 60-120 мг/л

Жесткая - 120-180 мг/л

Очень жесткая - 180 мг/л и выше.

Жесткость классифицируется также на основе эквивалентных концентраций CaO или Ca (OH) 2 . В системе СИ рекомендуется также выражать жесткость в молях Ca 2+ на м 3 .

Несмотря на то, что жесткость обусловливается катионами, она может рассматриваться также как карбонатная (устранимая) и некарбонатная (постоянная) жесткость. Карбонатная жесткость показывает количество карбонатов и бикарбонатов в растворе, которое может быть удалено или осаждено кипячением. Этот тип жесткости ответствен за отложение накипи в трубопроводах горячего водоснабжения и котлах. Некарбонатная жесткость обуславливается сочетанием ионов, вызывающих жесткость, с сульфатами, хлоридами и нитратами и определяется как "постоянная жесткость", поскольку она не может быть устранена кипячением.

Щелочность, как показатель буферности воды, тесно связана с жесткостью. Щелочность большей частью вызывается анионами или молекулярными формами слабых кислот, главным образом, гидроксидами, бикарбонатами и карбонатами; при наличии в воде других форм, таких как бораты, фосфаты, силикаты и органические кислоты, они также вносят небольшую лепту в показатель щелочности воды. Независимо от того, какие растворенные формы обеспечивают щелочность воды, она всегда выражается в виде эквивалентного количества карбоната кальция.

В случаях, когда щелочность поверхностных вод обусловливается присутствием карбонатов и/или бикарбонатов, ее величина обычно близка к величине жесткости.

Распространение жёсткой воды

Основными природными источниками жесткости воды являются осадочные породы, фильтрация и сток с почвы. Жесткая вода обычно образуется в районах с плотным пахотным слоем и известковыми образованиями. Для подземных вод обычно характерна большая жесткость, чем для поверхностных. Подземные воды богатые карбоновыми кислотами, обычно обладают высокой растворяющей способностью по отношению к почвам и породам, содержащим измеримые количества минералов кальцита, гипса и доломита, вследствие чего уровни жесткости могут достигать нескольких тысяч мг/л.

Основными промышленными источниками жесткости являются стоки предприятий, производящих неорганические химические вещества, и горнодобывающая промышленность. Оксид кальция используется в строительной промышленности в известковом растворе, штукатурке и других материалах. Он находит применение также в производстве бумажной массы и бумаги, рафинировании сахара, очистке нефти, дублении, очистке воды и сточных вод. Магний также используется в различных процессах в текстильной, дубильной и бумажной промышленности. Сплавы магния находят широкое применение в литейном и штамповочном производстве, портативных станках, багажном оборудовании и бытовых продуктах широкого применения. Соли магния используются также в производстве металлического магния, удобрений, керамики, взрывчатых веществ и медикаментов.

Влияние на жёсткой воды на здоровье

Как отмечено в статье про кальций и магний, основными факторами, определяющими жесткость воды, являются ионы кальция и магния. Данные об отрицательном влиянии на здоровье, специфически связываемом с высокими уровнями кальция или магния в питьевой воды, отсутствуют.

Помимо бытовых неудобств в результате использования воды с высокой степенью жесткости, другое возможное неудобство может возникать при связывании магния с сульфат-ионом, в результате чего вода приобретает слабительные свойства.

Порог привкуса для иона кальция в питьевой воде колеблется от присутствующих анионов; для иона магния порог привкуса меньше. С дальнейшими подробностями относительно зависимости между жесткостью воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями можно ознакомиться в части III, где рассматриваются аспекты, касающиеся здоровья, для неорганических компонентов воды. Рекомендуемые величины содержания в воде для кальция и магния не предлагаются, поскольку такая величина предлагается для общей жесткости на основе эстетических соображений.

Другие аспекты

Мягкая вода в большей степени склонна вызывать коррозию труб, и вследствие этого в питьевой воде в распределительной системе могут присутствовать некоторые тяжелые металлы, такие как медь, цинк, свинец и кадмий. Степень такой коррозии и растворения металлов является также функцией значения рН, щелочности и концентрации растворенного кислорода. В некоторых населенных пунктах коррозия настолько сильна, что в системе водоснабжения приходится предпринимать специальные меры предосторожности.

В районах с очень жесткой водой внутридомовые трубы могут забиваться отложившейся окалиной; жесткая вода также образует накипь на кухонной посуде и увеличивает потребление мыла. Таким образом, жесткая вода может быть не только неприятной, но и экономически обременительной для потребителя. Восприятие жесткости воды населением неодинаково в разных населенных пунктах часто оно связано с той жесткостью, к которой потребитель привык на протяжении ряда лет, и во многих населенных пунктах возражения не вызывает вода с жесткостью, более 500 мг/л. Хотя, приемлемое равновесие между коррозией и проблемами накипи обеспечивает уровень жесткости приблизительно 100 мг CaCO 3 /л.

Как вы знаете из школьного курса химии, в обыкновенной воде содержатся ионы кальция и магния. Повышенное содержание ионов Са 2+ и Mg 2+ придаёт воде отрицательное качество, называемое жёсткостью.

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2

MgСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Mg(НСО 3) 2

Этот процесс широко осуществляется в природных условиях, приводя к выносу размываемых известняков в поверхностные воды, а затем – в моря и океаны.

Некарбонатная (постоянная) жесткость обусловлена присутствием в воде сульфатов, хлоридов магния и кальция, а также других солей (MgSO 4 , MgCl 2 , CaCl 2).

Общая жесткость = карбонатная (временная) жесткость + некарбонатная (постоянная) жесткость.

В быту любой человек может столкнуться с задачей измерения жесткости воды в домашних условиях. Жесткость отрицательно влияет на качество различных процессов, в которых используется вода с повышенной жесткостью. Чем ниже в воде процент растворенных солей, тем вода мягче и полезнее. Работа посудомоечной машины, количество стирального порошка, качество воды в аквариуме, необходимость установки умягчителя воды и т.д. В общем, целей много.

В России жесткость измеряют в "градусах жесткости" (1°Ж = 1 мг-экв/л = 1/2 моль/м3). За рубежом приняты другие единицы измерения жесткости воды.

Единицы измерения жесткости

1°Ж = 20,04 мг Ca 2+ или 12,15 Mg 2+ в 1 дм 3 воды;
1°DH = 10 мг CaO в 1 дм 3 воды;
1°Clark = 10 мг CaCO 3 в 0,7 дм 3 воды;
1°F = 10 мг CaCO 3 в 1 дм 3 воды;
1 ppm = 1 мг CaCO 3 в 1 дм 3 воды.

По интенсивности образования накипи в чайнике можно сделать определённые выводы: чем больше налета, тем жёстче вода.

Сравнительный качественный вывод о жесткости воды можно осуществить следующим образом. На предметное стекло нанесите по капле дождевой, кипяченой и некипяченой водопроводной воды. После высыхания по интенсивности образовавшихся осадков вы сможете сделать вывод о жесткости вашей воды. Дождевая вода самая мягкая, т.к. в ней практически отсутствуют соли кальция и магния. Осадок после испарения некипяченой воды позволит сделать вывод об общей жесткости, а кипяченой – о временной жесткости.

Но в домашних условиях можно достаточно точно и количественно оценить жесткость воды. Из курса органической химии вы знаете, что хозяйственное мыло, как и любое другое, трудно мылится в жесткой воде. Этот метод основан на том, что как только мыло свяжет избыток солей кальция и магния, появляется мыльная пена. Для определения жесткости воды нужно взвесить один грамм хозяйственного мыла, измельчить его и аккуратно, чтобы не образовалась пена, растворить в небольшом количестве горячей дистиллированной воды. Дистиллированную воду можно купить в аптеках или в автомагазинах. Она используется для добавления в аккумулятор при повышении концентрации электролита.

Далее мыльный раствор наливаем в цилиндрический стакан и доливаем дистиллированной воды до уровня 6 сантиметров, если мыло 60% или до уровня 7 сантиметров, если мыло 72%. Процент содержания мыла указан на бруске. Теперь в каждом сантиметре уровня мыльного раствора содержится количество мыла, способное связать соли жесткости, количество которых соответствует 1°dH в 1 литре воды. Далее в литровую банку наливаем пол-литра исследуемой воды. И непрерывно помешивая, понемногу прибавляем приготовленный мыльный раствор из стакана в банку с исследуемой водой. Поначалу на поверхности будут только серые хлопья. Затем появятся разноцветные мыльные пузыри. Появление устойчивой белой мыльной пены говорит о том, что все соли жесткости в исследуемой воде связаны. Теперь смотрим на наш стакан и определяем, сколько сантиметров раствора нам пришлось вылить из стакана в исследуемую воду. Каждый сантиметр связал в половине литра воды количество солей, соответствующее 2°dH. Таким образом, если вам пришлось до появления пены вылить в воду 4 сантиметра мыльного раствора, то жесткость исследуемой воды равна 8°dH.

Если вы вылили в воду весь мыльный раствор, а пена так и не появилась, это означает, что жесткость исследуемой воды больше 12°dH. В таком случае исследуемую воду разбавляем дистиллированной водой в два раза. И проводим анализ снова. Теперь полученный результат жесткости нужно будет умножить на два. Полученное значение будет соответствовать жесткости исследуемой воды.

По таблице сможете определите качество исследуемой воды:

С точностью до тысячных долей градуса жесткость определить этим методом не удастся, но оценить резкий уход общей жесткости от нормы с точностью 1-2 °dH вполне возможно. Разброс показаний в 1-2 градуса вполне приемлем. Учитывая простоту и доступность метода, он, безусловно, может быть с успехом применен.

С помощью этого метода можно в полевых условиях оценить жесткость воды из различных водных источников и выполнить интересную проектно-исследовательскую работу.

Источники:

1Рудзитис Г.Е. Химия. Неорганическая химия. Органическая химия. 9 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. носителе (DVD) : базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - М.: Просвещение, 2013. - 224 с.: ил.