Всё о воде

Что такое жидкость
Жесткость воды
Тяжёлая вода
Минеральная вода
Концентрация растворов
Вода и измерения
Структура воды
Диссоциация воды и pH
Водородная связь
Молекула воды
Физические свойства воды
Химический состав воды
Электролитическая диссоциация
Электропроводность растворов

Жесткость воды

Если заглянуть внутрь чайника, в котором кипятят воду, на стенках можно увидеть жёлто-коричневый шершавый налёт - накипь. Откуда она берётся? В водопроводной воде всегда присутствуют ионы двухвалентных металлов - кальция, магния и других, а также гидрокарбонат-ионы. Когда воду нагревают, между ними происходит реакция:

M2+ + 2HCO3- → MCO3↓ + H2O + CO2

Символом "M" обозначены Ca или Mg. Выпадающий в осадок карбонат - это и есть накипь. Чтобы удалить накипь, достаточно залить чайник на ночь раствором столового уксуса (для экономии его можно разбавить в 2-3 раза, но тогда процесс будет идти дольше). Карбонаты медленно растворяются в уксусе:

CaCO3 + 2CH3COOH = Ca(CH3COO)2 + CO2↑ + H2O

Для ускорения реакции уксус можно прокипятить в чайнике. Карбонаты кальция и магния - бесцветные, а коричневый цвет накипь приобретает за счёт примеси гидроксида железа (Ш), образующегося при окислении карбоната железа(II):

Fe2+ + 2HCO3- → FeCO3↓ + H2O + CO2
4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3↓ + 4CO2

Воду, в которой мыло плохо пенится, называют жёсткой. И здесь опять-таки виноваты ионы кальция и магния - именно они мешают формированию пены. Убедиться в этом поможет простой опыт. Сначала приготовим жёсткую воду. Способов есть множество. Можно, например, развести в стакане водопроводной воды две столовые ложки продаюшегося в аптеках 10-процентного раствора хлорида кальция. Или в таком же количестве воды растворить чайную ложку морской соли - сложной смеси различных солеи, в которой присутствуют соединения магния. А можно использовать и "готовую" жёсткую воду - кальциевую или магниевую минеральную. Растворим в жёсткой воде кусочек хозяйственного мыла размером с 2-3 спичечных головки и для сравнения такой же кусочек - в стакане обычной водопроводной воды. В обоих случаях получится мутный раствор. Теперь через трубочку или соломинку продуем в мыльные растворы воздух. В обычной воде появится пена, а в жёсткой - нет. Причина в том, что ионы двухвалентных металлов реагируют со стеаратом натрия, из которого состоит мыло. При этом образуются нерастворимые стеараты:

2C17H35COONa + MCl2 → (C17H35COO)2M↓ + 2NaCl

С одной стороны, умеренная жёсткость - обязательное качество для питьевой воды, поскольку из неё мы получаем часть кальция, необходимого организму. С другой стороны, жёсткость серьёзно мешает при использовании воды и в домашнем хозяйстве, и в промышленности. Накипь отлагается на внутренних стенках котлов и труб. Из-за неё внутренний диаметр старых отопительных труб оказывается сужен в два-три раза. К тому же, накипь - образование пористое и служит теплоизолятором. В результате трубы центрального отопления перестают отдавать тепло, а стенки котлов - пропускать тепло к воде, которую нужно нагреть. А стоит в слое накипи возникнуть трещине, как горячая вода добирается до стенки трубы. Если это случится зимой, то из-за локального перепада температур труба может лопнуть. Вот почему жёсткость водопроводной воды приходится нормировать. По российским стандартам содержание в ней ионов кальция и магния не должно превышать 3,5 ммоль/л. Если считать, что вся жёсткость обеспечивается гидрокарбонатом кальция Ca(HCO3)2, то это соответствует 0,55 г гидрокарбоната кальция в литре. Когда жёсткость воды в источнике превышает этот показатель, воду пропускают через специальные сложные органические вещества - ионообменные смолы, которые связывают ионы кальция и магния.

Жёсткость, которая обусловлена гидрокарбонатами кальция и магния, устраняется кипячением, и её называют временной. Но есть другие соли кальция и магния (хлориды, сульфаты), в изобилии присутствующие в воде, и кипячение их не удаляет. Вызванная ими жёсткость называется постоянной. В системах отопления и теплообмена она практически не мешает - мешает только временная. Если к воде добавить какую-либо кислоту, она разрушит гидрокарбонаты:

H+ + HCO3- → H2O + CO2

Тем самым временная жёсткость перейдёт в постоянную, и образование накипи будет предотвращено. Однако избыток кислоты может вызвать коррозию труб.

Чтобы соли не мешали образованию мыльной пены, нужно удалять любую жёсткость. Самый старый способ - добавление к воде соды Na2CO3. Она связывает ионы кальция и магния в нерастворимые карбонаты:

Ca2+ + CO2- → CaCO3
2Mg2+ + 3CO2- + 2H2O → (MgOH)2CO3↓ + 2HCO3-

Соду смешивают с мылом и получают простейший стиральный порошок, которому не страшна жёсткая вода. Иногда вместо соды используют фосфат натрия, также образующий с магнием и кальцием нерастворимые соединения. И карбонат, и фосфат натрия - довольно сильные основания, поэтому порошки на их основе лучше применять для стирки тканей из волокон растительного происхождения - льняных и хлопковых; белковые волокна, в первую очередь шерсть и шёлк, от таких порошков быстро разрушаются. Более щадящий, но и более дорогой способ умягчения воды - добавление двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты Na2H2ЭДТА (трилона Б), которая образует с кальцием и магнием прочное комплексное соединение:

2H2ЭДТА2- + Ca2+ = CaЭДТА2- + 2Н+

В моющих средствах для твёрдых поверхностей в качестве умягчителей используют цеолиты. Это алюмосиликаты, в кристаллической решётке которых есть пустоты, куда могут встраиваться ионы кальция и магния. Кроме того, цеолиты очень тверды и оказываются хорошими абразивами, т.е. механически счищают грязь. А ещё они легко адсорбируют многие органические вещества, которые нужно смывать с поверхностей. Поэтому добавление цеолитов в моющие средства "убивает сразу трёх зайцев".

Однако все описанные умягчители весьма ограниченно применимы в средствах для умывания. Сода и фосфат натрия плохи, поскольку, как и любые основания, медленно разрушают кожу; трилон Б - из-за свойства выводить из поверхностных слоев кожи соли кальция; цеолиты сдирают верхний слой кожи, как наждак. В лучших гигиенических средствах (мылах, шампунях, пенах для ванн и т.д.) избегают использования умягчителей. В них мыло заменяют веществами, которые не образуют с кальцием и магнием нерастворимых соединений. Это в первую очередь лаурилсульфат натрия H3C-(CH2)10-O-SO3Na и оксиэтилированные спирты и кислоты, например H3C-(CH2)11-(O-CH2-CH2)n-OH.


Литература
Copyright © 2009-2010 all-about-water.ru