Twarda Woda: Chemia, Skład i Wpływ na Codzienne Życie
- Szczegóły
Woda jest substancją chemiczną najbardziej rozpowszechnioną na świecie i stanowi podstawę życia na Ziemi. Aby korzystanie z niej było bezpieczne, szczególnie do celów spożywczych, parametry charakteryzujące jakość wody muszą mieścić się w określonych kryteriach. Jednym z takich parametrów jest twardość wody.
Twardość wody jest zjawiskiem powszechnym, mającym istotny wpływ na funkcjonowanie naszego organizmu oraz sprzętu domowego. Dlatego odpowiednie przepisy określają jej normy, a każde przedsiębiorstwo zajmujące się dostarczaniem wody publikuje dane na ten temat.
Co to jest twarda woda?
Twarda woda to zjawisko, które jest spowodowane obecnością kationów metali w wodzie, głównie wapnia i magnezu. W mniejszych ilościach występują również inne, np. żelazo i mangan. Skład wody jest zależny od skał, z którymi miała kontakt.
Twardość wody jest określana przez zawartą w niej liczbę miligramów jonów Ca2+ i Mg2+. Ponadto pośrednio na wartość tego wskaźnika wpływ mają jony żelaza i manganu. Im wyższa jest zawartość jonów wapnia i magnezu w wodzie, tym większą twardością się ona charakteryzuje.
Woda staje się twarda, ponieważ w trakcie swojego obiegu ma kontakt z wieloma czynnikami, np. skałami czy glebą, z których trafiają do wody jony pierwiastków, w różnych stężeniach. Naturalnie występujące wody zwykle zawierają do 10 mg Mg/l. Rzadko zawartość jonów magnezu przekracza 100 mg na litr.
Przeczytaj także: Jak rozpoznać twardą wodę?
Skład chemiczny twardej wody
Twarda woda zawiera dużą ilość rozpuszczonych minerałów, przede wszystkim CaO (tlenek wapnia) i MgO (tlenek magnezu). W jej skład wchodzą również rozpuszczone chlorki, sulfidy, krzemiany i azotany. Twarda woda zawiera także wodorowęglan wapnia.
Rodzaje twardości wody
Twardość wody dzielimy na dwie podstawowe kategorie:
- Twardość węglanowa (przemijająca, nietrwała) - dotyczy jonów związanych z anionami CO32- i HCO3- i tworzących z nimi sole i wodorosole, np. Ca(HCO3)2, MgCO3. Ponieważ można zniwelować to zjawisko poprzez gotowanie, dlatego twardość ta często jest nazywana przemijającą. Pod wpływem wysokiej temperatury rozpuszczalne wodorowęglany przechodzą w nierozpuszczalne węglany zgodnie z reakcją: Ca(HCO3)2 -> CaCO3 ↓ + CO2 + H2O. (Podobnie reaguje wodorowęglan magnezu). Osadzający się węglan wapnia i magnezu możemy obserwować jako tzw. kamień kotłowy.
- Twardość niewęglanowa (nieprzemijająca, trwała) - dotyczy soli wapnia i magnezu z innymi anionami, np. chlorkowym, siarczanowym, azotanowym itp.), np. CaSO4, CaCl2. Podczas, gdy za twardość węglanową odpowiadają sole nietrwałego kwasu węglowego, to w przypadku twardości niewęglanowej są to sole innych kwasów, np. siarkowego (VI), chlorowodorowego czy azotowego (V).
Wpływ twardej wody
Twarda woda wywiera wpływ zarówno na nasze zdrowie, jak i trwałość urządzeń gospodarstwa domowego czy instalacji wodno-kanalizacyjnych.
Aspekt zdrowotny
Kationy wapnia i magnezu są bardzo istotne z punktu widzenia zachowania homeostazy organizmu - odpowiadają m. in. za właściwe funkcjonowanie mięśni czy układu nerwowego. Woda jest ich bardzo ważnym źródłem.
Wpływ na instalacje i urządzenia
Obecność twardej wody w instalacjach zawsze jest przyczyną licznych problemów. Do najczęstszych należy występowanie osadów wapnia, czyli tak zwanego „kamienia kotłowego”. Kamień kotłowy poprzez osiadanie powoduje znaczne obniżenie efektywności pracy pieca oraz systematyczne zarastanie instalacji, powoduje znaczne zwiększenie kosztów eksploatacji oraz obniżenie czasu ich żywotności.
Przeczytaj także: Poradnik: Lokalizacja i wymiana filtra powietrza Dacia 1.4
Typowym zjawiskiem twardej wody jest biały osad-szron najczęściej widoczny na kabinie prysznicowej na kranach, wapienny nalot pojawia się również wewnątrz instalacji wewnętrznych wodnych oraz grzewczych w postaci - „kamienia kotłowego”. Można go zaobserwować w postaci białej, szarej lub brązowej powłoki.
Tworzy on brązową, białą lub szarą powłokę (niekiedy warstwę) na powierzchniach wodnych technologii, powodując zarastanie wymienników ciepła, instalacji, zaworów oraz rurociągów. Wówczas skraca się okres funkcjonalności wymienionych elementów instalacji.
Wiązanie jonów m.in. wapnia i magnezu w dłuższej perspektywie powoduje zatkanie się rur (średnica staje się coraz mniejsza, aż w końcu następuje całkowita blokada przepływu), a złogi kamienia stanowią idealne środowisko rozwoju dla różnych bakterii. Może to doprowadzić do kumulowania się osadów w zbiornikach i przewodach myjni, powodując ich zapchanie, jak również nieestetyczne naloty na widocznych elementach urządzeń.
Z drugiej strony twardość wody to źródło wyżej wspomnianego kamienia w instalacjach wodnych. Może to stanowić źródło problemów z funkcjonowaniem sprzętu, a nawet prowadzić do jego uszkodzenia. Ponadto kationy wapnia i magnezu powodują pogorszenie właściwości mydeł.
W twardej wodzie większość składników detergentów, szczególnie te które posiadają tzw. anionowe środki powierzchniowo czynne, przyczepia się do minerałów zawartych w wodzie (jonów żelaza, magnezu, cynku itp.), zamiast myć. Oznacza to, że aby uzyskać satysfakcjonujące efekty mycia potrzeba zużyć więcej detergentu i podwyższyć temperaturę, co również może powodować uszkodzenie powierzchni i generować niepotrzebne koszty.
Przeczytaj także: Woda destylowana: charakterystyka
Ponadto, twarda woda nie nadaje się do opłukiwania auta, ponieważ powstające wówczas krople po wyschnięciu powodują nacieki wodne (water spoty), a zmieszanie jej z osuszaczami bądź hydrowoskami zmniejsza ich efektywność, a nawet może spowodować zmętnienie roztworu roboczego.
Kamień kotłowy - powstawanie
Kamień kotłowy to zwykle mieszanina węglanu wapnia (CaCO3) oraz wodorotlenku magnezu - Mg(OH)2. Są to najczęściej spotykane związki chemiczne, powstałe w wyniku procesów biegnących podczas gotowania tzw. twardej wody.
Aby zrozumienie problemu stało się łatwiejsze, najpierw przypomnimy czym jest iloczyn rozpuszczalności Kso. Jest to wielkość opisująca równowagę dynamiczną, jaka ustala się między osadem trudno rozpuszczalnej substancji, a jej nasyconym roztworem. Iloczyn rozpuszczalności ma wartość stałą w danej temperaturze i nie zależy od stężeń.
Podczas przebiegu opisanej przemiany powstaje tlenek węgla(IV). Wiemy, że rozpuszczalność gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury, dlatego powstający CO2 praktycznie natychmiast opuszcza środowisko reakcji. Im więcej wodorowęglanu wapnia ulegnie rozkładowi, oraz im więcej dwutlenku węgla „ucieknie” z roztworu, tym więcej jonów Ca2+ oraz CO32- pojawi się w fazie wodnej.
Z wykonanych obliczeń wynika, że węglan magnezu jest związkiem ponad 23-krotnie lepiej rozpuszczalnym w wodzie niż wodorotlenek magnezu, dlatego to właśnie osad Mg(OH)2 pojawia się w kamieniu kotłowym zamiast osadu MgCO3.
Podsumowując - składnikami kamienia kotłowego będą zatem głównie węglan wapnia CaCO3 oraz wodorotlenek magnezu Mg(OH)2.
Jednostki twardości wody
Stopień twardości wody można wyrazić w różnych jednostkach. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się stopnie niemieckie, stopnie francuskie, stopnie angielskie bądź wyrażenie zawartości soli powodujących twardość wody w milimolach na litr objętości lub w milivalach na litr. W laboratoriach popularne jest podawanie wartości twardości w stopniach niemieckich (°n).
Średnia twardość wody „kranowej“ wynosi ok.
Metody zmiękczania wody
Sposobów na zmiękczanie wody jest kilka:
- Metoda termiczna - Jest skuteczna jedynie w przypadku twardości przemijającej. Termiczna metoda polega na ogrzaniu wody do temperatury około 80°C. W trakcie zwiększania temperatury następuje wytrącanie się wodorowęglanów wapnia i magnezu w postaci nierozpuszczalnego węglanu wapnia i węglanu magnezu. Powstały osad można usunąć np. w procesie filtracji.
- Metoda chemiczna - Polega ona na dodatku do wody specjalnych zmiękczaczy, czyli związków chemicznych, których zadaniem jest wytrącenie odpowiednich osadów lub tworzenie związków kompleksowych. Wytrącające się jony wapnia i magnezu w formie soli, oddziela się metodą filtracji lub dekantacji.
- Zmiękczacze domowe - Doraźnym sposobem zmiękczania wody jest zastosowanie dzbanków filtrujących, które w ostatnich lata zyskały dużą popularność. Woda nalewana do nich jest przepuszczana przez specjalne złoże sorpcyjne, działające na zasadzie wymieniacza jonowego.
- Destylacja - otrzymywanie tzw.
Wpływ twardości wody na odżywianie roślin
Na całym świecie prowadzone są dyskusje, czym dokładnie jest twarda i miękka woda, i jak powinno się uwzględnić tę cechę w odżywianiu roślin. Obecność w wodzie rozpuszczonego dwutlenku węgla (CO2), a także węglanów i wodorowęglanów, może wzmocnić ten efekt.
Zmiękczacze wody działają na zasadzie zastępowania problematycznych jonów - wapnia i magnezu - jonami sodu.
Tabela: Porównanie twardej i miękkiej wody
| Cecha | Twarda woda | Miękka woda |
|---|---|---|
| Zawartość minerałów | Wysoka (głównie wapń i magnez) | Niska |
| Spienianie mydła | Utrudnione | Łatwe |
| Wpływ na urządzenia | Powstawanie kamienia kotłowego | Mniejszy wpływ |
| Źródło | Wody podziemne | Wody powierzchniowe |
tags: #twarda #woda #chemia #skład
