Reakcja Strącania w Kontekście Twardej Wody i Chemii
- Szczegóły
Twarda woda to woda, która zawiera wysokie stężenia kationów, takich jak wapń (Ca2+) i magnez (Mg2+). Woda jest uznawana za twardą, gdy zawiera od 350 do 550 mg CaCO3 na litr, a bardzo twarda, gdy ta wartość przekracza 550 mg. W Polsce normy dotyczące twardości wody pitnej wskazują, że powinno się ona mieścić w przedziale od 60 do 500 mg CaCO3 na litr.
Woda wodociągowa ma różny stopień twardości, zależnie od regionu/wodociągów. Woda mineralna należy do wód twardych. Wyróżnić można również wodę miękką, czyli taką, która zawiera mało lub bardzo mało rozpuszczonych soli (wtedy jest to woda bardzo miękka).
Rodzaje twardości wody
Wyróżnia się dwa główne rodzaje twardości wody: twardość węglanową (przemijającą) i twardość trwałą (niewęglanową).
Twardość węglanowa (Tw)
Twardość węglanowa (Tw) powodowana jest głównie przez obecność jonów wapnia i magnezu, które znalazły się w wodzie w wyniku dysocjacji elektrolitycznej wodorowęglanów wapnia i magnezu (sole te są w wodzie dobrze rozpuszczalne). Zatem w wodzie, która charakteryzuje się twardością węglanową, obecne są również aniony wodorowęglanowe HCO3-. Głównym źródłem wodorowęglanów wapnia i magnezu w wodzie, są procesy chemicznego wietrzenia skał wapiennych.
Woda nasycona tlenkiem węgla(IV), reaguje z praktycznie nierozpuszczalnym w wodzie węglanem wapnia, będącym głównym składnikiem skały wapiennej. W wyniku zachodzącej reakcji powstaje dobrze rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan wapnia, a sama skała ulega roztworzeniu. Równanie opisanej reakcji chemicznej ma postać:
Przeczytaj także: Proces Zmiękczania Wody
CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2
W podobny sposób możemy zapisać równanie reakcji dla węglanu magnezu (sól ta jest głównym składnikiem minerału o nazwie magnezyt, który często towarzyszy pokładom kalcytu, stanowiącego z kolei główny składnik wspomnianych już skał wapiennych):
MgCO3 + H2O + CO2 → Mg(HCO3)2
Jak już wspomniano, uzyskane w wyniku chemicznego wietrzenia skał wodorowęglany, ulegają w wodzie dysocjacji elektrolitycznej. Procesy te można opisać równaniami:
Ca(HCO3)2 →H2O Ca2+ + 2 HCO3-
Przeczytaj także: Eksperymenty z Wodą Gazowaną i Solą
Mg(HCO3)2 →H2O Mg2+ + 2 HCO3-
Twardość wywołana obecnością w wodzie wodorowęglanów różnych metali nazywamy twardością węglanową, a czasem również twardością przemijającą lub nietrwałą. Można ją usunąć m.in. poprzez zagotowanie wody, w efekcie czego otrzymujemy kamień kotłowy, który składa się głównie ze strąconych węglanów wapnia i magnezu oraz wodorotlenku magnezu, osadzających się na dnie i ścianach naczynia lub zbiornika. Równania reakcji usuwania twardości przemijającej wody poprzez jej gotowanie, przedstawiono poniżej:
Ca(HCO3)2 →T CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Ca2+ + 2 HCO3- →T CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Mg(HCO3)2 →T Mg(OH)2↓ + 2 CO2↑
Przeczytaj także: Pij Wapno i Zyskaj
Mg2+ + 2 HCO3- →T Mg(OH)2↓ + 2 CO2↑
Mg(HCO3)2 →T MgCO3↓ + H2O + CO2↑
Mg2+ + 2 HCO3- →T MgCO3↓ + H2O + CO2↑
Produktami procesu usuwania przemijającej twardości wody są CaCO3, MgCO3 i Mg(OH)2, które razem tworzą tzw. kamień kotłowy. Jest on odpowiedzialny za niszczenie wszelkich urządzeń, w których podgrzewa się wodę, jak np. czajniki czy pralki.
Twardość niewęglanowa (Ts)
Twardość niewęglanowa (Ts) jest spowodowana zawartością w wodzie siarczanów(VI) i chlorków (głównie magnezu i wapnia), ale również w mniejszym stopniu azotanów(V) i innych rozpuszczalnych soli wapnia, magnezu i innych metali. Jest to inaczej twardość trwała, której nie można usunąć poprzez ogrzewanie wody, tylko przy zastosowaniu metod chemicznych.
Aby pozbyć się z wody soli odpowiedzialnych za twardość trwałą, wykorzystuje się metody strąceniowe. W tym celu do wody dodaje się środki zmiękczające, najczęściej fosforany(V) lub węglany.
Przeanalizuj poniższe równania reakcji pozwalających na usunięcie nieprzemijającej twardości wody.
Równania reakcji strącania węglanu wapnia:
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2 NaCl
Ca2+ + CO32- → CaCO3↓
Równania reakcji strącania fosforanu(V) wapnia:
3 CaCl2 + 2 Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6 NaCl
3 Ca2+ + 2 PO43- → Ca3(PO4)2↓
Równania reakcji strącania węglanu magnezu:
MgCl2 + Na2CO3 → MgCO3↓ + 2 NaCl
Mg2+ + CO32- → MgCO3↓
Równania reakcji strącania fosforanu(V) magnezu:
3 MgCl2 + 2 Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 6 NaCl
3 Mg2+ + 2 PO43- → Mg3(PO4)2↓
Twardość ogólna (To)
Twardość ogólna (To) jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej.
To = Tw + Ts
Twardość wody podawana jest w różnych skalach. Najbardziej popularną skalą są stopnie niemieckie, oznaczane jako °n, °d, °dH lub dGH. 1 °n oznacza, że w 1 dm3 wody znajduje się 10,00 mg CaO, czyli 17,86 mg CaCO3.
Inną skalą są stopnie francuskie (°f), w których 1 °f to 10,00 mg CaCO3 w 1 dm3 wody.
Według polskich norm, twardość wody pitnej powinna wynosić od 60 do 500 mg CaCO3/dm3, czyli 3,4-28,1°n. Zgodnie ze stopniami twardości, wodę klasyfikujemy wg tabeli:
| Twardość wody (n°) | Rodzaj wody |
|---|---|
| 0 do 5,6 | Bardzo miękka |
| 5,6 do 11,2 | Miękka |
| 11,2 do 19,6 | Średnio twarda |
| 19,6 do 30,8 | Twarda |
| ponad 30,8 | Bardzo twarda |
Znaczenie twardości wody
Twarda woda może mieć różne skutki zdrowotne, które warto znać. Wiele osób zauważa, że po dłuższym korzystaniu z twardej wody ich skóra staje się sucha, a włosy tracą blask. Co więcej, twarda woda może wpływać na osoby z wrażliwą skórą, prowadząc do podrażnień i alergii. Skutki twardej wody mogą być uciążliwe, zwłaszcza dla dzieci oraz osób z problemami dermatologicznymi.
Twarda woda może prowadzić do poważnych problemów z urządzeniami domowymi. Osady kamienne, które powstają w wyniku wysokiej twardości wody, mogą zatykać rury i prowadzić do uszkodzeń sprzętu AGD, takiego jak pralki, zmywarki czy czajniki. Na przykład, osady mogą gromadzić się w grzałkach, co obniża ich efektywność i zwiększa zużycie energii. W dłuższej perspektywie, naprawy tych urządzeń mogą generować znaczne koszty. Twarda woda może powodować korozję rur, co prowadzi do wycieków i konieczności ich wymiany.
Jednak twarda woda, niezależnie od tego, czy zawiera wodorowęglany, czy też chlorki i siarczany(VI), utrudnia też, takie procesy jak pranie czy mycie. Jest to związane z reakcją strącania soli wyższych kwasów tłuszczowych. Mydła, czyli sole sodowe, potasowe i amoniowe wyższych kwasów tłuszczowych są związkami rozpuszczalnymi w wodzie, które reagują z obecnymi w niej jonami, tworząc nierozpuszczalne sole wapnia czy magnezu, które nie mają właściwości myjących.
Ca2+ + 2 HCO3- + 2 Na+ + 2 C15H31COO- → Ca(C15H31COO)2↓ + 2 Na+ + 2 HCO3-
Usuwanie twardości wody
Aby zminimalizować skutki twardej wody, warto rozważyć kilka rozwiązań. Można zainstalować filtry wody, które usuwają nadmiar kationów wapnia i magnezu, co skutkuje zmniejszeniem twardości wody. Innym rozwiązaniem jest zmiękczacz wody, który wykorzystuje proces wymiany jonowej, aby zredukować twardość. Regularne czyszczenie urządzeń AGD i instalacji hydraulicznych również pomoże w utrzymaniu ich w dobrym stanie.
Metody zmiękczania twardej wody:
- Zmiękczacze wody: skutecznie usuwają kationy wapnia i magnezu.
- Filtry wody: eliminują minerały odpowiedzialne za twardość.
- Środki chemiczne do prania: pomagają w redukcji twardości.
- Destylacja: uzyskanie czystej wody bez zanieczyszczeń.
- Metody naturalne: dodawanie octu do prania.
Twardość wody a zjawiska krasowe
Ta sama reakcja chemiczna, w której powstają sole wapnia i magnezu, odpowiadają zarówno za twardość wody, jak również za zjawiska krasowe. Do zajścia procesu krasowienia węglanowego konieczna jest obecność rozpuszczonego w wodzie tlenku węgla(IV), a także odpowiednie warunki, tj. temperatura oraz ciśnienie. Woda nasycona tlenkiem węgla(IV) reaguje z węglanem wapnia budującym skały, w wyniku czego powstaje wodorowęglan wapnia Ca(HCO3)2.
Proces ten zachodzi zgodnie z równaniem reakcji:
CaCO3 + H2O + CO2 → Ca(HCO3)2
W ten sposób wodorowęglany trafiają do wód powierzchniowych, czego wynikiem jest twarda woda. Dzięki nim powstają przepiękne formacje skalne oraz jaskinie. Do negatywnych skutków należy zaliczyć powstawanie zapadlisk, które niszczą drogi i budynki mieszkalne. Innym aspektem krasu jest tworzenie nisz ekologicznych. Istnieją gatunki żyjące w specyficznym środowisku, jakim są jaskinie.
tags: #reakcja #stracania #twarda #woda #chemia
