Жесткостью называют свойство воды, обусловленное наличием в ней растворимых солей кальция и магния.
Химия жесткости
Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са²⁺) и в меньшей степени магния (Mg²⁺). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na⁺) таким свойством не обладают. В данной таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.
Если таблица не помещается, прокрутите её по горизонтали ↔
| Катионы | Анионы |
|---|---|
| Кальций (Ca²⁺) | Гидрокарбонат (HCO₃⁻) |
| Магний (Mg²⁺) | Сульфат (SO₄²⁻) |
| Стронций (Sr²⁺) | Хлорид (Cl⁻) |
| Железо (Fe²⁺) | Нитрат (NO₃⁻) |
| Марганец (Mn²⁺) | Силикат (SiO₃²⁻) |
На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al³⁺) и трехвалентное железо (Fe³⁺) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва²⁺).
Виды жесткости.
Различают следующие виды жесткости.
Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.
Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).
Единицы измерения.
В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м³). Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция (1/2 Ca²⁺) 20.04 г/м³и ионов магния (1/2Mg²⁺) 12.153 г/м³. Числовое значение жесткости, выраженное в молях на кубический метр равно числовому значению жесткости, выраженному в миллиграмм-эквивалентах на литр (или кубический дециметр), т.е.
1моль/м³=1ммоль/л=1мг-экв/л=1мг-экв/дм³.
Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm CaCO₃. Соотношение этих единиц жесткости представлено в следующей таблице:
Если таблица не помещается, прокрутите её по горизонтали ↔
| Единицы жесткости воды | ||||
|---|---|---|---|---|
| Моль/м3 (мг-экв/л) | Немецкий градус, do | Французский градус, fo | Американский градус | ppm (мг/дм³)СаСО₃ |
| 1.000 | 2.804 | 5.005 | 50.050 | 50.050 |
Примечание:
Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм³ СаО или 17.86 мг/дм³ СаСО3 в воде.
Один французский градус соответствует 10 мг/дм³ СаСО₃ в воде.
Один американский градус соответствует 1 мг/дм³ СаСО₃ в воде.
Происхождение жесткости
Ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. Жесткость воды колеблется в широких пределах и существует множество типов классификаций воды по степени ее жесткости. Ниже в таблице приведены целых четыре примера классификации. Две классификации из российских источников - из справочника "Гидрохимические показатели состояния окружающей среды" и учебника для вузов "Водоподготовка" . A две - из зарубежных: нормы жесткости немецкого института стандартизации (DIN 19643) и классификация, принятая совместно Международной Ассоциацией Качества Воды (Water Quality Associacion - WQA) и Американским Обществом Сельскохозяйственных Инженеров (American Society of Agricultural Engineers - ASAE). Таблица наглядно иллюстрирует гораздо более "жесткий" подход к проблеме жесткости "у них".
Если таблица не помещается, прокрутите её по горизонтали ↔
| Жесткость, мг-экв/дм3 | Справочник по гидрохимии | "Водоподготовка" | Классификация А | Классификация В |
|---|---|---|---|---|
| 0,0-1,0 | Мягкая | Очень мягкая | Мягкая | Мягкая |
| 1,0-1,5 | Мягкая | Очень мягкая | Умеренно мягкая | Мягкая |
| 1,5-2,0 | Мягкая | Мягкая | Умеренно мягкая | Умеренно жесткая |
| 2,0-3,0 | Мягкая | Мягкая | Слегка жесткая | Умеренно жесткая |
| 3,0-4,0 | Мягкая | Умеренно жесткая | Умеренно жесткая | Жесткая |
| 4,0-5,0 | Средней жесткости | Умеренно жесткая | Умеренно жесткая | Жесткая |
| 5,0-6,0 | Средней жесткости | Умеренно жесткая | Жесткая | Жесткая |
| 6,0-7,0 | Средней жесткости | Жесткая | Жесткая | Очень жесткая |
| 7,0-8,0 | Средней жесткости | Жесткая | Жесткая | Очень жесткая |
| 8,0-9,0 | Жесткая | Жесткая | Жесткая | Очень жесткая |
| 9,0-12,0 | Жесткая | Очень жесткая | Жесткая | Очень жесткая |
| >12.0 | Очень жесткая | Очень жесткая | Жесткая | Очень жесткая |
Тому есть причины, о которых - ниже.
Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са²⁺) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg²⁺) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах - десятков граммов на один литр воды. В целом, жесткость поверхностных вод, как правило, меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм³).
Влияние жесткости на качество воды.
С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения. Всемирная Организация Здравоохранения не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека. Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л). Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жестких" волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие хитрости для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила матушка Природа. Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.