Твердість води

Твердість води визначають за кількістю солей кальцію і магнію в ній. Якщо вода містить значні кількості вапнякових солей, то таку воду називають твердою^[2] чи цупкою^[3], а коли цих солей зовсім немає або вони містяться в незначних кількостях — м'якою.

Відрізняють твердість води тимчасову, або карбонатну, і сталу. Тимчасова твердість зумовлюється наявністю кислих карбонатів (гідрокарбонатів) кальцію і магнію: Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂, а стала — наявністю сульфатів і хлоридів кальцію та магнію: CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂ і MgCl₂. Загальна твердість води є сумою тимчасової і сталої твердості.

Тверда вода непридатна майже для всіх галузей виробництва. Наприклад, жорстку воду не можна використовувати для прання білизни, миття шерсті і фарбування тканин, бо в ній мило втрачає свою мийну здатність. Це пояснюється тим, що розчинний у воді стеарат натрію С₁₇Н₃₅COONa, який становить головну складову мила, переходить у нерозчинний стеарат кальцію (або магнію), утворюючи так зване кальцієве (або магнієве) мило:

• 2С₁₇Н₃₅COONa + CaSO₄ = (С₁₇Н₃₅СОО)₂Са↓ + Na₂SO₄

При цьому мильна піна утворюється тільки після повного осадження іонів кальцію і магнію, на що непродуктивно витрачається багато мила. Крім того, утворюваний осад кальцієвого і магнієвого мила міцно осідає на волокнах тканин і забруднює їх, а при фарбуванні утворює плями.

Жорстка вода непридатна і для цілої низки інших виробництв: паперового, шкіряного, крохмального, спиртового тощо. Вона непридатна і для паросилового господарства, бо під час кип'ятіння води утворюється накип, який погано проводить тепло, внаслідок чого збільшується витрата палива. Накип спричиняє інтенсивне руйнування стінок котлів, що може призвести до аварії.

Для приготування їжі жорстку воду теж не вживають, бо в ній погано розварюються м'ясо і овочі. Для пиття вона теж непридатна.

Тимчасова твердість води — компонента загальної твердості води, що може бути усунена кип'ятінням. Пов'язана з наявністю розчинних солей Ca та Mg, зокрема Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂.

Жорсткість води найчастіше визначають титруванням розчином двонатрієвої солі етилендіамінтетраацетатної кислоти (комплексон ІІІ, трилон Б) у лужному середовищі в присутності індикатора хромоген чорний спеціальний або еріохром чорний. Користуючись іншим спеціальним індикатором — мурексидом, визначають кальцієву Т.в.; магнієву Т.в. розраховують за різницею між результатами цих двох визначень. Якщо вміст кальцію та магнію у воді визначено іншими способами, то загальну Т.в. можна вирахувати за формулою: Т=Са²⁺+Mg²⁺, де Т — загальна Т.в., ммоль/дм³; Са²⁺ та Mg²⁺ — концентрація кальцію та магнію, ммоль/дм³.

Воду з жорсткістю, меншою від 4 ммоль/дм³, вважають м'якою, від 4 до 8 ммоль/дм³ — середньої твердості, від 8 до 12 ммоль/дм³ — тверда, понад 12 ммоль/дм³ — дуже тверда.

За О. О. Алекіним:

• дуже м'яка — до 1,5 ммоль/дм³;
• м'яка — 1,5-3,0 ммоль/дм³;
• помірно жорстка — 3,0-6,0 ммоль/дм³;
• жорстка — 6,0-9,0 ммоль/дм³;
• дуже жорстка — понад 9,0 ммоль/дм³.

Для числового вираження жорсткості води вказують концентрацію в ній катіонів кальцію та магнію. Рекомендована одиниця SI для вимірювання концентрації — моль на кубічний метр (моль/м³), але на практиці для вимірювання жорсткості частіше використовують мілімоль на літр (ммоль/л), ммоль/дм³.

У різних країнах використовують різні позасистемні одиниці — градуси жорсткості.

Для усунення твердості води, тобто її пом'якшення, з води потрібно видалити йони Са²⁺ і Mg²⁺ у вигляді нерозчинних солей.

• Тимчасову жорсткість води усувають кип'ятінням:
  • Ca(HCO₃)₂ = СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂↑
  • Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃↓ + Н₂О + СО₂↑

Під час нагрівання іони Са²⁺ і Mg²⁺ виводяться з розчину у вигляді нерозчинних карбонатів. Саме легкість усунення тимчасової жорсткості води під час нагрівання зумовлює назву — «тимчасова».

Іншим способом позбутися тимчасової твердості є додавання кальцій гідроксиду (вапняної води). При цьому розчинні гідрогенкарбонати кальцію та магнію випадають в осад у вигляді нерозчинних карбонатів:

• Ca(HCO₃)₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃↓ + Н₂О

• Постійну жорсткість води, зумовлену сульфатами та хлоридами кальцію і магнію, неможливо усунути кип'ятінням, оскільки ці солі не розкладаються. Назва «постійна жорсткість» походить саме від того, що її не можна усунути простим нагріванням води. Її позбуваються введенням у воду деяких реагентів — натрій карбонату (кальцинована сода), натрій ортофосфату. Водночас усувається і тимчасова, і постійна твердість води, тобто загальна жорсткість води. Наприклад:Гідроксид кальцію
  • Ca(HCO₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃↓ + 2Н₂О
  • MgSO₄ + Na₂СО₃ = MgCO₃↓ + Na₂SO₄
  • Ca(HCO₃)₂ + Na₂СО₃ = СаСО₃↓ + 2NaHCO₃
  • 3CaSO₄ + 2Na₃РО₄ = Са₃(РО₄)₂↓ + 3Na₂SO₄
• Сучасний спосіб пом'якшення води ґрунтується на використанні іонообмінних смол  — катіонітів. Катіоніти — це тверді речовини, нерозчинні у воді, до складу яких входять рухливі катіони Na⁺ у вигляді солей органічних кислот, зафіксованих на поверхні носія. Спрощено їх позначають так: Na₂R. Катіони Na⁺ можуть обмінюватися на катіони навколишнього середовища, наприклад Са²⁺ і Mg²⁺. Під час пропускання жорсткої води крізь колонку з катіонітом іони Са²⁺ і Mg²⁺ затримуються в ньому, а катіони Na⁺ з катіоніту переходять у воду:
  • Na₂R + Са²⁺ = CaR + 2Na⁺

Катіоніт періодично регенерують, промиваючи його концентрованим розчином натрій хлориду.

• Твердість природної води коливається в широких межах; вона неоднакова в різних природних водах, в одному і тому ж водному об'єкті величина її змінюється за порами року. В поверхневих водах їхня твердість сягає найбільших величин наприкінці зими, найменших — у період повені. В поверхневих водах зазвичай переважає карбонатна жорсткість (70-80 % від загальної). Магнієва жорсткість води зрідка перевищує 30 % від загальної, однак у деяких районах (Донбас, Кривий Ріг) сягає 60 % від загальної. Твердість підземних вод, особливо в артезіанських колодязях, менше змінюється протягом року.
• Твердість річкових вод України, як і мінералізація води, зростає з північного заходу на південний схід. У річкових водах Полісся жорсткість становить 2-3 ммоль/дм³, у Дніпрі — 4-5 ммоль/дм³, а в малих і середніх річках Приазов'я — 15-30 ммоль/дм³, що обмежує можливості використання місцевих водних ресурсів^[5].
• Твердість морської води: Чорне море — кальцієва 12,0 ммоль/дм³, магнієва 53,5 ммоль/дм³, загальна 65,5 ммоль/дм³; Каспійське море — кальцієва 36,4 ммоль/дм³, магнієва 30 ммоль/дм³, загальна 66,4 ммоль/дм³; океан — кальцієва 22,5 ммоль/дм³, магнієва 108 ммоль/дм³, загальна 130,5 ммоль/дм³.

В Україні відповідно до Державних санітарних норм та правил «Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною» (ДСанПіН 2.2.4-171-10), затверджених Мінохорони здоров'я України 12.05. 2010 р., які загалом регулюють якість питної води, прийнято такі нормативи показників жорсткості питної води:^[6]

• вода водопровідна — до 6,5 ммоль/дм³ (в окремих випадках з дозволу санітарних служб — до 10 ммоль/дм³);
• вода колодязів і каптажів джерел — до 10 ммоль/дм³;
• вода фасована, з пунктів розливу та з питних бюветів — 7 ммоль/дм³.

Всесвітня організація охорони здоров'я стверджує, що «відсутні переконливі докази того, що твердість води негативно впливає на здоров'я людей»^[7]. Однак Національна дослідна рада (англ. National Research Council, скорочено NRC) США виявила, що тверда вода насправді служить дієтичною добавкою кальцію та магнію^[8].

Деякі дослідження показали слабкий зворотний зв'язок між жорсткістю води та серцево-судинними захворюваннями в чоловіків, до рівня 170 мг карбонату кальцію на літр води. Всесвітня організація охорони здоров'я перевірила обґрунтування та дійшла висновку, що даних було недостатньо, щоб можна було дати рекомендації щодо рівня твердості^[7].

Існують рекомендації щодо максимального та мінімального рівня кальцію (40—80 проміле) та магнію (20—30 ppm) у питній воді, за яких загальна твердість як сума концентрацій кальцію та магнію становить 2—4 ммоль/л^[9].

Інші дослідження засвідчили слабку кореляцію між здоров'ям серцево-судинної системи та жорсткістю води^[10][11][12].

Деякі дослідження співвідносять використання у побуті жорсткої води зі зростанням ризику екземи у дітей^{[13][14][15][16]}.

У 2008 році було проведене багатоцентрове рандомізоване контрольоване дослідження іонообмінних пом'якшувачів для лікування атопічного дерматиту в дітей (англ. Softened-Water Eczema Trial, скорочено SWET). Однак суттєвої різниці в полегшенні симптомів у дітей, які мають доступ до домашнього пом'якшувача води, та тими, хто не має, виявлено не було^[17].

• Деркач Ф. А. Хімія. — Л. 1968
• Хімія: Підручник для 10 кл. загальноосвіт. навч. закл. (профільн. рівень) / Н. М. Буринська, В. М. Депутат, Г. Ф. Сударева, Н. Н. Чайченко — К.: Педагогічна думка, 2010. — 290—292 с. — ISBN 978-966-644-160-0
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2013. — Т. 3 : С — Я. — 644 с.
• Хільчевський В. К., Осадчий В. І., Курило С. М. Основи гідрохімії. — К., 2012. — ISBN 978-966-521-559-2

• Жорсткість води // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 87.
• Твердість води // Термінологічний словник-довідник з будівництва та архітектури / Р. А. Шмиг, В. М. Боярчук, І. М. Добрянський, В. М. Барабаш ; за заг. ред. Р. А. Шмига. — Львів, 2010. — С. 186-187. — ISBN 978-966-7407-83-4.

Це незавершена стаття з хімії. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її.