Компоненты и виды жёсткости

Природная пресная вода, которая широко используется в технологических процессах, в качестве питьевой воды и для хозяйственно-бытовых нужд, находится в непрерывном взаимодействии с окружающей средой. Она реагирует с компонентами атмосферы, почвы, растений, с минералами и различными породами, растворяя различные органические и неорганические соединения. Состав природных вод является результатом этих взаимодействий.

В наибольшем количестве в природной воде содержатся:

— катионы: ионы металлов натрия Na⁺, калия K⁺, кальция Ca²⁺ и магния Mg²⁺;

— анионы: карбонат-ионы CO₃^2–, гидрокарбонат-ионы HCO₃^–, сульфат-ионы SO₄^2–, хлорид-ионы Cl^–;

— растворенные газы атмосферного воздуха — углекислый газ CO₂ и кислород O₂.

Практически все соли натрия и калия хорошо растворимы в воде, в т.ч. и те, которые натрий и калий образуют в сочетании с вышеперечисленными анионами. Изменение температуры воды, её солевого состава, величины pH, концентрации CO₂ в атмосфере не приводят к каким-либо химическим процессам, связанным с присутствием ионов натрия и калия.

Напротив, многие соли кальция и магния ограниченно растворимы, и в результате изменения температуры, pH, давления CO₂, внесения реагентов растворенные до того ионы кальция и магния могут образовывать осадок. Поэтому наличие ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ является одной из важнейших характеристик природной воды. Присутствие указанных ионов в воде принято обозначать термином жёсткость воды. Соответственно, вода, которая не содержит соли кальция и магния или содержит в очень незначительных количествах, характеризуется как мягкая вода.

Ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ появляются в природных водах в результате взаимодействия их с известняками (CaCO₃), доломитами (CaCO₃∙MgCO₃), гипсом CaSO₄. В отличие от случая взаимодействия воды с гипсом, переход кальция и магния в раствор из карбонатных пород (известняков и доломитов) является результатом не простого растворения солей, а химического процесса при участии углекислого газа, которым насыщена вода водоемов (CO₂ из атмосферы) и почва (CO₂ появляется в ходе разложения органических компонентов). При этом малорастворимые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты по реакциям:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂;

MgCO₃ + CO₂ + H₂O = Mg(HCO₃)₂.

Суммарное содержание ионов кальция и магния определяет общую жёсткость воды. Поскольку каждый из этих ионов входит в состав разных солей, то в суммарной величине общей жёсткости различают различные виды жёсткости. Деление можно провести по трем критериям:

1. По катиону

— кальциевая жёсткость, связанная с присутствием солей Ca;

— магниевая жёсткость, связанная с присутствием солей Mg.

2. По анионам, образующим соли, придающие воде жёсткость:

— карбонатная жёсткость; обусловлена содержанием в воде карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния CaCO₃, MgCO₃, Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂;

— некарбонатная жёсткость; обусловлена содержанием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния CaSO₄, MgSO₄, CaCl, MgCl, т.е. растворимых солей сильных кислот.

3. По способу устранения жёсткости

— временная жёсткость — часть общей жёсткости, удаляемая кипячением воды при атмосферном давлении в течение 1 часа. Эта жёсткость может быть названа также гидрокарбонатной, поскольку обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция
и магния, которые при кипячении переходят в малорастворимые

карбонаты кальция и магния согласно уравнениям реакций:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O;

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O*.

При этом бо́льшая часть кальция и магния, содержавшаяся в гидрокарбонатах, уходит из раствора в виде осадков, но небольшая часть кальция и магния остается в растворе, так как осажденные карбонаты обладают некоторой растворимостью в воде (CaCO₃ — 13 мг/л; MgCO₃ — 110 мг/л), хотя и намного меньшей, чем гидрокарбонаты, из которых они образовались. Та часть карбонатной жёсткости, которая остается после кипячения воды и удаления тем самым гидрокарбонатной жёсткости, называется остаточной карбонатной жёсткостью.

— постоянная жёсткость — часть общей жёсткости, остающаяся после кипячения воды; эта жёсткость обусловлена присутствием карбонатов, сульфатов и хлоридов кальция и магния. Таким образом, постоянная жёсткость равна разности между общей и временной. С другой стороны, постоянная жёсткость равна сумме некарбонатной жёсткости и остаточной карбонатной.