Twarda Woda: Przyczyny, Skutki i Równania Reakcji
- Szczegóły
Czy wiesz, czym jest kamień kotłowy? To charakterystyczny osad składający się z węglanów wapnia i magnezu, gromadzący się na aparaturze przeznaczonej do podgrzewania wody. Jest to osad znany wszystkim użytkownikom domowej instalacji wodnej, ale nie każda osoba wie, jak przebiega proces jego powstawania. Aby to dokładnie wytłumaczyć, musimy odnieść się do kilku podstawowych zagadnień z dziedziny chemii.
Z chemicznego punktu widzenia kamień kotłowy to węglan wapnia (CaCO3). Jest to biała substancja krystaliczna, trudno rozpuszczalna w wodzie. Wytwarza się jednak w wodzie nasyconej tlenkiem węgla(IV) (przechodząc w wodorowęglan wapnia Ca(HCO3)2, co jest możliwe, gdyż dwutlenek węgla CO2 reaguje z wodą H2O tworząc kwas węglowy H2CO3) lub w roztworze chlorku amonu (przechodząc w chlorek wapnia). W wysokich temperaturach, a także pod wpływem kwasów ulega on rozkładowi z wydzieleniem dwutlenku węgla.
Rodzaje Twardości Wody
Twarda woda zawiera jony wapnia (Ca2+), magnezu (Mg2+), a czasem żelaza (Fe2+) czy manganu (Mn2+). Dostały się one do wody na skutek rozpuszczenia zawartych w glebie soli przez wody opadowe.
Istnieją trzy rodzaje twardości wody:
- twardość węglanowa (Tw),
- twardość niewęglanowa (Ts),
- twardość ogólna (To).
Jak sama nazwa wskazuje, twardość węglanowa to twardość wywołana obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2), analogicznie twardość niewęglanowa jest spowodowana zawartością w wodzie głównie siarczanów(VI) i chlorków magnezu i wapnia (w mniejszym stopniu azotanów, krzemianów oraz innych rozpuszczalnych soli wapnia, magnezu, a także innych metali). Natomiast twardość ogólna jest sumą twardości węglanowej i niewęglanowej.
Przeczytaj także: Poradnik: konserwacja nawilżacza powietrza
Twardość Węglanowa
Twardość węglanowa powstaje na skutek tworzenia się wodorowęglanów wapnia i magnezu. Reakcja powstawania rozpuszczalnych wodorowęglanów wapnia wygląda następująco:
CaCO3 + H2O + CO2 ⇄ Ca(HCO3)2
Poniższe równanie przedstawia proces rozpuszczania w wodzie wodorowęglanów, które dysocjują na jony:
Ca(HCO3)2 ⇄ Ca2+ + 2 HCO3-
Twardość węglanową inaczej nazywamy twardością przemijającą, ponieważ można ją usunąć zagotowując taką wodę, dzięki czemu otrzymamy praktycznie nierozpuszczalny węglan wapnia. Zapis przebiegu tej reakcji można zapisać poniższym równaniem reakcji.
Przeczytaj także: Odwrócona osmoza: Zalety i wady
Ca2+ + 2 HCO3- →temperatura CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Twardość Niewęglanowa
W przeciwieństwie do twardości węglanowej, twardość niewęglanowa jest nazywana twardością trwałą, czyli nie przemija po zagotowaniu wody, ponieważ obecne w niej sole są dobrze rozpuszczalne w wodzie i po zagotowaniu nie zmieniają swojej postaci. Sposobem na pozbycie się tej twardości wody są metody chemiczne, np. reakcja opisana poniższym równaniem:
CaCl2 + Na2CO3 ⇄ CaCO3↓ + 2 NaCl
Jednostki Twardości Wody
Podobnie jak wiele innych wielkości, twardość wody również posiada odpowiednią jednostkę. W Polsce stosuje się głównie niemieckie stopnie (°n) twardości wody, ale znane są również francuskie (°f ), angielskie (°e) lub milivale (miligramorównoważniki) jonów wapnia i magnezu w 1 dm3 wody. Tę wielkość należy rozumieć tak, jak podano poniżej:
1°n = 10,00 mg CaO / 1 dm3 H2O
Przeczytaj także: Woda butelkowana: produkcja krok po kroku
Czyli:
1 mval/dm3 = 2,8 twardości wody (°n)
Twardość wód naturalnych mieści się w granicach od 8 do 30°n. Najczęstsza twardość wody użytkowej, która występuje w kranach, wynosi ok. 10°n. Według norm polskich, twardość wody pitnej powinna wynosić od 60-500 mg CaCO3 /dm3 wody (od 3,36°n do 28°n) . Ich niedobór może prowadzić do licznych chorób. Niezaprzeczalnie uzupełnić je można poprzez picie wody bogatej w minerały. Czy jednak taka woda jest korzystna dla sprzętów w gospodarstwie domowym i w przemyśle? Nie, ponieważ powoduje niszczenie sprzętów gospodarstwa domowego (np. czajników lub grzałek w pralkach), na skutek odkładania się kamienia. W przemyśle jest szczególnie uciążliwa, ponieważ w wyniku wytrącania się kamienia kotłowego powoduje niszczenie instalacji przemysłowych, np. kotłów cieplnych. Jej destrukcyjne działanie polega na pogarszaniu przewodnictwa cieplnego tych kotłów, generowaniu strat energetycznych i stwarzaniu niebezpieczeństwa wybuchu.
Ponadto twarda woda powoduje twardnienie skórki owoców i warzyw podczas gotowania. Na powierzchni owoców i warzyw występują pektyny, które mogą tworzyć nierozpuszczalne sole (pektyny wapnia) z jonami wapnia. To właśnie ich nadmiar znajduje się w twardej wodzie. Co więcej, taka woda wymaga zwiększonego zużycia środków chemii gospodarczej (mydła, płynu do mycia naczyń, proszku do prania, szamponu).
Usuwanie Kamienia Kotłowego
Najprostszym domowym sposobem na pozbycie się kamienia kotłowego z czajnika jest zagotowanie w nim wody z pewną ilością kwasu spożywczego (np. kwasu octowego, cytrynowego). Wówczas następuje reakcja roztwarzania tego kamienia w kwasie, co prezentują poniższe równania reakcji chemicznych:
CaCO3↓ + 2 CH3COOH → (CH3COO)2Ca + H2O + CO2↑
CaCO3↓ + 2 H3O+ → Ca2+ + H2O + CO2↑
Fizyczne Oczyszczanie Wody
Fizyczne oczyszczanie wody jest przedmiotem badań wielu uczonych od ponad 20 lat. Podczas tego czasu udowodniono jego skuteczność. Czasami jednak jest ona kwestionowana i odrzucana. Istnieje wiele informacji dotyczących wysokiej skuteczności tego typu oczyszczania wody pochodzących od uznanych instytucji m. in. Instytut Fizjologii Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium. W tej instytucji, wymiana laserów rurowych spowodowana odkładaniem się kamienia kotłowego podczas chłodzenia okazała się być do uniknięcia dzięki zastosowaniu urządzenia do fizycznego oczyszczania wody.
Uzyskane wyniki potwierdzają skuteczność wyżej wymienionej metody, jednakże kwestia braku spodziewanych efektów także bywa podnoszona. W większości przypadków zwykli użytkownicy nie znają nawet producenta urządzenia (wielokrotnie mówią o tym, że urządzenie było tanie i kupione w markecie). Można wysnuć wniosek, że urządzenia te pracują w takich warunkach, że nie mogą osiągnąć swojej najwyższej skuteczności. Celem stosowania tego typu oczyszczania jest usuniecie kamienia kotłowego.
Można to osiągnąć tylko wtedy, jeśli krystalizacja nastąpi zanim woda będzie miała kontakt ze ścianami rur, urządzeniami i zakończeniami sieci. Doświadczenia pokazały, że wprowadzenie pola magnetycznego lub elektrycznego do wody pozwala na uzyskanie wymaganych rezultatów, choć z różnym skutkiem. W tej pracy uwaga została skupiona jedynie na wpływie pola elektrycznego.
Proces Elektryzowania Dielektryka
Na kolejnym rysunku przedstawiono podstawę procesu elektryzowania dielektryka na przykładzie kondensatora. Jest to element elektryczny (elektroniczny), zbudowany z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem. Gdy do okładek kondensatora zostanie przyłożone napięcie, w izolatorze (dielektryku) nastąpi rozdzielenie i przyciągnięcie ładunków przeciwnych do przyłożonych do okładek. Innym przykładem elektryzowania ciał przez indukcję jest wprowadzenie dwóch połączonych ze sobą powierzchni przewodnika prostopadle do pola elektrycznego: jedna z powierzchni oddaje wtedy elektrony drugiej.
Na rysunku 6. pokazano jak działa pole elektryczne w rurze metalowej (przewodzącej prąd) i rurze niemetalowej (będącej izolatorem). Jeśli cyklicznie będzie dokonywać się zmiany bieguny zwojów (naprzemiennie) lub będzie przykładany biegun i rozładowywane uzwojenie (pulsacyjnie), to wytworzony zostanie tzw. prąd przesunięcia między uzwojeniem a ścianą rury. W ten sposób zostanie wywołany prąd płynący od/z ziemi do ścian rury, gdzie przewodnikiem będzie woda. Takie naprzemienne lub pulsacyjne przykładanie napięcia do uzwojenia wywołuje naprzemienne lub pulsacyjne pole elektryczne wzdłuż rury wraz z wirowym polem magnetycznym centrycznie wokół rury.
Ważnym aspektem staje się rozpuszczony w wodzie kamień kotłowy (rysunek 7). Rozpuszczony kamień - wodorowęglan wapnia - dysocjuje do jednego, dodatnio naładowanego jonu Ca2+ i dwóch jonów wodorowęglanowych HCO3-. Każdy z jonów otoczony jest „klatką” cząsteczek wody: cząsteczki wody otaczają jon wapniowy w ten sposób, że atomy tlenu są skierowane w stronę jonu wapniowego, natomiast wodoru skierowane są na zewnątrz. Jon wodorowęglanowy jest otoczony cząsteczkami wody w ten sam sposób, z tym, że atomy tlenu są skierowane na zewnątrz. Te „klatki” wodne powinny być postrzegane jako sfery o średnicy 1-2 nm z ok. 100-200 cząsteczkami wody otaczającymi jon. Masa każdej z grup (zarówno Ca2+ jak i HCO3-) wynosi 30-60 x 10-22 g. Jest to bardzo interesujące z punktu widzenia oczyszczania wody.
Wyindukowane zmienne pole elektryczne oddziałuje na jony i na grupy zawarte w wodzie powodując poruszanie się ich w rurze we wszystkich kierunkach. Oscylacje pola elektrycznego powodują oscylacje materii, które rozprzestrzeniają się osiowo (wzdłuż rury). Z fizycznego punktu widzenia jest to podłużna fala mechaniczna. Obszary zwiększonego ciśnienia i ciśnienia ujemnego przeplatają się, co powoduje lokalną adsorpcję CO2. Jeśli częstotliwość oscylacji jest odpowiednia, wtedy „klatki” wodne wokół jonów ulegają rozpadowi co powoduje lokalny spadek stężenia CO2.
Równowaga węglanowo - wapniowa jest miejscami zaburzana. W tym samym czasie poszczególne jony rozpuszczonego węglanu wapnia są uwalniane z „klatek” wodnych. Wówczas mogą się ze sobą połączyć i tworzyć cząsteczki węglanu wapnia, które następnie służą jako jądra krystalizacji. Kolejne cząsteczki są pochłaniane przez takie jądro i rozpoczyna się na nich krystalizacja węglanu wapnia. Kryształy węglanu wapnia są elektrycznie obojętne i już nie reagują w wodzie. Ponadto, kryształy te nie odkładają się na istniejących złogach na ściankach rur.
Aby opisany powyżej proces mógł zajść, musi być wywołane zmienne pole elektryczne w określonym przedziale częstotliwości, który powoduje drgania rezonansowe „klatek” wodnych. Ponieważ wody wodociągowe spełniające polskie wymagania są różne pod względem ilości rozpuszczonych minerałów, pH i przewodności, różne są też warunki powstawania zmiennego pola elektrycznego w rurze. Parametry techniczne testowanego urządzenia jak i efekt końcowy procesu są znane, zatem sensownym jest, na podstawie tych informacji określenie teoretycznej i praktycznej efektywności urządzenia.tags: #w #wyniku #tego #procesu #powstaje #twarda
