Общие сведения

Вода – самое распространенное на Земле соединение. Она имеет высокую теплоемкость (4,2 кДж/кг·К) и широко используется в качестве теплоносителя в различных системах нагревания и охлаждения. Присутствие растворимых в воде соединений, способных легко переходить в нерастворимое состояние, может вызвать образование отложений на стенках котлов, труб. Это приводит к нарушению режимов циркуляции и теплообмена.

Жесткость воды – это совокупность свойств, обусловленная содержанием в воде преимущественно катионов Са²⁺ и Mg²⁺. Присутствие в воде этих катионов приводит к образованию накипи, отложений, ухудшению качества тканей, изготовляемых и стираемых в жесткой воде за счет осаждения солей кальция и магния между волокнами ткани, увеличению расхода моющих средств.¹

В жесткой воде плохо мылится мыло, которое представляет собой натриевые соли высших карбоновых кислот, например, стеарат натрия C₁₇H₃₅COONa. При растворении мыла в жесткой воде образуются плохо растворимые в ней стеараты кальция и магния.²

Происходит ухудшение органолептических свойств воды. Значительное содержание солей магния (более 100 мг/л) придает воде горький неприятный вкус. В жесткой воде плохо развариваются продукты питания, так как катионы кальция Са²⁺ с белками пищи образуют нерастворимые соединения. В такой воде плохо заваривается чай, кофе. Следовательно, жесткость воды приводит к общему снижению качества пищи.

Постоянное употребление жесткой воды может привести к расслаблению желудка и отложению солей в организме человека. В случае некоторых заболеваний, таких как почечнокаменная болезнь, употребление жесткой воды может вызвать обострение.

Различают временную (карбонатную) жесткость воды, обусловленную наличием в воде гидрокарбонатов кальция Са(НСО₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂ и постоянную жесткость, обусловленную наличием в воде сульфатов кальция и магния CaSO₄, MgSO₄, хлоридов кальция и магния CaCl₂, MgCl₂. Солей железа, алюминия и цинка в природных водах мало, поэтому их вклад в жесткость воды незначителен.

(Ж_о) (Ж_в) (Ж_п)

Одним из возможных источников возникновения жесткости воды являются горные породы: известняки, мел, мрамор – природные формы карбоната кальция, доломит – MgCO₃, карналлит – KCl·MgCl₂·6H₂O и т.д.

Природная вода на своем пути обязательно встречает соединения кальция и магния, растворяет их и несет в себе.

Карбонаты кальция и магния, взаимодействуя с углекислым газом, находящимся в воде, переходят в растворимые гидрокарбонаты:

CaCO_3(т) + CO₂ + H₂O ↔ Ca(HCO₃)₂ ↔ Ca²⁺ + 2HCO₃^-

MgCO_3(т) + CO₂ + H₂O ↔ Mg(HCO₃)₂↔ Mg²⁺ + 2HCO₃^-

Жесткость воды определяется молярной концентрацией эквивалента ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в миллимоль на литр [ммоль/л] воды. Одной единице жесткости (1ммоль/л) соответствует содержание 20,04 мг/л Ca²⁺ или 12,16 мг/л Mg²⁺. Для расчета можно пользоваться округленными значениями для катионов Ca²⁺ - 20 мг/л, для Mg²⁺ - 12 мг/л.

Жесткость воды рассчитывается по формуле:

(1)

где m(Ca²⁺) и m(Mg²⁺) –масса Са²⁺ и Mg²⁺ , мг

V(воды) – объём воды, л

Пример: Рассчитаем жесткость воды в реке Волга вблизи г. Саратова, содержащей 40 мг/л Са²⁺ и 24 мг/л Mg²⁺.

Составляем соотношение:

1 ммоль/л составляет 20 мг/л Са²⁺

х ммоль/л – 40 мг/л Са²⁺

Следовательно, жесткость воды, обусловленная присутствием соли кальция, равна 2.

Аналогичным образом рассчитаем жесткость воды по магнию:

1 ммоль/л – 12 мг/л Mg²⁺

х ммоль/л – 24 мг/л Mg²⁺

Следовательно, общая жесткость данной воды составит:

2,0 + 2,0= 4,0 ммоль/л

Если вместо содержания ионов кальция и магния в воде приводятся данные по содержанию их солей, то расчет жесткости следует производить по формуле:

(2)

где m – масса соли кальция и магния (мг);

М_Э –молярная масса миллиэквивалента соли, (мг/ммоль);

- объем воды, в котором находится соли кальция и магния, л

Пример: Рассчитаем жесткость воды, содержащей 2,22 г хлорида кальция CaCl₂ в 1 л воды.

Молярная масса эквивалента соли (М_Эсоли) рассчитывается по формуле:

, (3)

где М – молярная масса соли, г/моль;

n – число атомов металла;

В – валентность металла.

По формуле (3) находим

Масса 1 ммоль СаCl₂ равна 55,5 мг, по формуле (2) находим жесткость воды:

Жесткость природных вод варьируется в широких пределах: от 0,1 до 10 ммоль/л в реках и озерах, до 60-130 ммоль/л в морях и океанах и зависит от времени года. По жесткости воду условно делят:

Таблица 1

Характеристика воды по жесткости	Жводы ммоль/л
Очень мягкая вода	Не более 1,5
Мягкая вода	От 1,5 до 4,0
Вода средней жесткости	От 4,0 до 8,0
Жесткая вода	От 8,0 до 12,0
Очень жесткая вода	Свыше 12,0

Согласно ГОСТам жесткость воды хозяйственно-питьевого назначения не должна превышать 7 ммоль/л, а вода, используемая для прямоточных парогенераторов, должна иметь жесткость менее 0,2 ммоль/л.

Для выполнения этих требований воду необходимо умягчать, то есть снижать концентрацию ионов кальция и магния.