1. Жесткая вода

Если про­ве­сти хи­ми­че­ский ана­лиз жест­кой воды, то можно уви­деть, что в ней со­дер­жат­ся зна­чи­тель­ные ко­ли­че­ства рас­тво­ри­мых солей каль­ция и маг­ния. Имен­но при­сут­ствие этих солей и обу­слав­ли­ва­ет жест­кость воды. Мыло в жест­кой воде плохо пе­нит­ся, т.к. ка­ти­о­ны каль­ция и маг­ния об­ра­зу­ют с мылом нерас­тво­ри­мые в воде со­еди­не­ния, и пена не об­ра­зу­ет­ся.

Но как ка­ти­о­ны каль­ция и маг­ния по­па­да­ют в воду? Дож­де­вые осад­ки, по­па­дая на по­верх­ность и про­те­кая в нед­рах Земли, со­при­ка­са­ют­ся с ми­не­ра­ла­ми каль­ция и маг­ния (это в ос­нов­ном кар­бо­на­ты), вы­мы­ва­ют из них мел­кие ча­стич­ки. В воде, на­сы­щен­ной уг­ле­кис­ло­той (вы зна­е­те, что уг­ле­кис­лый газ хо­ро­шо рас­тво­ря­ет­ся в воде), нерас­тво­ри­мые кар­бо­на­ты каль­ция и маг­ния пре­вра­ща­ют­ся в рас­тво­ри­мые гид­ро­кар­бо­на­ты (кис­лые соли):

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂

MgСО₃ + СО₂ + Н₂О = Mg(НСО₃)₂

 2. Временная жесткость

В таком рас­тво­ри­мом виде гид­ро­кар­бо­на­ты ме­тал­лов оста­ют­ся в воде и обу­слав­ли­ва­ют ее вре­мен­ную (или кар­бо­нат­ную) жест­кость. При ки­пя­че­нии воды гид­ро­кар­бо­на­ты раз­ла­га­ют­ся и вы­па­да­ют в оса­док. Этому пре­вра­ще­нию со­от­вет­ству­ют об­рат­ные тем ре­ак­ци­ям, ко­то­рые при­ве­ли к их по­яв­ле­нию в воде:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ ↓+ СО₂ + Н₂О

Mg(НСО₃)₂ = MgСО₃ ↓+ СО₂ + Н₂О

При тер­ми­че­ском раз­ло­же­нии кар­бо­на­тов каль­ция и маг­ния об­ра­зу­ют­ся нерас­тво­ри­мые в воде кар­бо­на­ты этих ме­тал­лов, уг­ле­кис­лый газ и вода. Уда­лить их можно с по­мо­щью от­ста­и­ва­ния или филь­тро­ва­ния.

Вы­па­да­ю­щие в оса­док кар­бо­на­ты и есть на­кипь на стен­ках во­до­на­гре­ва­тель­ных при­бо­ров и охла­ди­тель­ных си­стем. На­кипь плохо про­во­дит теп­ло­ту, по­это­му воз­мо­жен пе­ре­грев мо­то­ров и па­ро­вых кот­лов, кроме того уско­ря­ет­ся их из­на­ши­ва­ние.

Из-за на­ки­пи внут­рен­ний диа­метр ста­рых во­до­про­вод­ных труб бы­ва­ет сужен в 2-3 раза. Стоит в корке на­ки­пи воз­ник­нуть тре­щине, как го­ря­чая вода до­би­ра­ет­ся до стен­ки трубы. Если это слу­чит­ся зимой, то из-за ло­каль­но­го пе­ре­па­да тем­пе­ра­тур труба может лоп­нуть.

Из воды вре­мен­ную жест­кость можно уда­лить не толь­ко с по­мо­щью ки­пя­че­ния, но и до­бав­ле­ни­ем из­вест­ко­вой воды – рас­тво­ра гид­рок­си­да каль­ция.

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂= 2СаСО₃↓ + 2Н₂О

3. Постоянная жесткость

Кроме вре­мен­ной, су­ще­ству­ет еще так на­зы­ва­е­мая по­сто­ян­ная (или некар­бо­нат­ная) жест­кость, обу­слов­лен­ная при­сут­стви­ем в при­род­ной воде хло­ри­дов, суль­фа­тов  или дру­гих рас­тво­ри­мых солей каль­ция и маг­ния. А вме­сте вре­мен­ная и по­сто­ян­ная жест­кость со­став­ля­ют общую жест­кость воды.

Рис. 1. Виды жест­ко­сти воды

По­сто­ян­ную жест­кость нель­зя устра­нить ки­пя­че­ни­ем. Для умяг­че­ния воды в этом слу­чае ис­поль­зу­ют соду – кар­бо­нат на­трия. В ре­зуль­та­те ре­ак­ций об­ме­на в оса­док будут вы­па­дать нерас­тво­ри­мые кар­бо­на­ты каль­ция и маг­ния:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓+ Na₂SO₄

Ино­гда вме­сто соды ис­поль­зу­ют фос­фат на­трия, ко­то­рый с ка­ти­о­на­ми каль­ция и маг­ния тоже об­ра­зу­ет нерас­тво­ри­мые со­еди­не­ния.

Осво­бож­да­ют­ся от жест­ко­сти и с по­мо­щью спе­ци­аль­ных ре­а­ген­тов – ионо­об­мен­ных смол (иони­тов). При этом ионы каль­ция и маг­ния пе­ре­хо­дят в со­став смолы, а из смолы в рас­твор пе­ре­хо­дят ка­ти­о­ны во­до­ро­да и на­трия. В ре­зуль­та­те воды умяг­ча­ет­ся. 

Рис. 2. Прин­цип дей­ствия ионо­об­мен­ной смолы при умяг­че­нии воды

Есть и дру­гие спо­со­бы умяг­че­ния воды, на­при­мер, до­бав­ле­ние три­ло­на Б (дву­на­три­е­вой соли эти­лен­ди­амин­тет­ра­ук­сус­ной кис­ло­ты), или цео­ли­тов – алю­мо­си­ли­ка­тов, в кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ке ко­то­рых есть пу­сто­ты, в ко­то­рые могут встра­и­вать­ся ионы каль­ция или маг­ния.

Но нель­зя за­бы­вать, что уме­рен­ная жест­кость – обя­за­тель­ное ка­че­ство для пи­тье­вой воды, по­сколь­ку из нее мы по­лу­ча­ем зна­чи­тель­ную часть каль­ция, необ­хо­ди­мо­го ор­га­низ­му.