Природна вода обов'язково містить розчинені солі і гази (кисень, азот та ін.) Присутність у воді іонів Mg 2 + і Са 2 + та деяких інших, здатних утворювати тверді опади при взаємодії з аніонами життєвих органічних кислот, що входять до складу різних мив (наприклад, зі стеарат-іоном З 17 Н 35 СОО 2 -), зумовлює так звану жорсткість води.
У всіх переглянутих нами наукових джерелах, поняття жорсткості води зазвичай пов'язано з катіонами кальцію (Са 2 +) і в меншій мірі магнію (Mg 2 +). У дійсності, всі двовалентні катіони в тій чи іншій мірі впливають на жорсткість. Вони взаємодіють з аніонами, утворюючи сполуки (солі жорсткості) здатні випадати в осад. Одновалентні катіони (наприклад, натрій Na +) такою властивістю не володіють.
У даній таблиці наведено основні катіони металів, що викликають жорсткість, і головні аніони, з якими вони асоціюються:
| Катіони | Аніони |
| Кальцій (Са 2 +) | Гідрокарбонат (HCO 3 -) |
| Магній (Mg 2 +) | Сульфат (SO 4 2 -) |
| Стронцій (Sr 2 +) | Хлорид (Cl -) |
| Залізо (Fe 2 +) |
| Нітрат (NO 3 -) | |
| Марганець (Mn 2 +) | Силікат (SiO 3 2 -) |
На практиці стронцій, залізо і марганець надають на жорсткість настільки невеликий вплив, що ними, як правило, нехтують. Алюміній (Al 3 +) і тривалентне залізо (Fe 3 +) також впливають на жорсткість, але при рівнях рН, що зустрічаються в природних водах, їх розчинність і,відповідно, "внесок" у жорсткість мізерно малі. Аналогічно, не враховується і незначний вплив барію (Ва 2 +).
Чим вище концентрація зазначених двухзарядових катіонів Mg 2 + і Са 2 + у воді, тим вода жорсткіше. Наявність у воді цих катіонів призводить до того, що при використанні, наприклад при пранні, звичайного мила (але не синтетичного миючого засобу) частина його витрачається на освіту з цими катіонами нерозчинних у воді сполук так званих жирних кислот (мило є сумішшю натрієвих і калієвих солей цих кислот):
2С 17 Н 35 СОО - + Са 2 + = (З 17 Н 35 СОО) 2 Са ↓
2С 17 Н 35 СОО - + М g 2 + = (З 17 Н 35 СОО) 2 Mg ↓
і піна утворюється лише після повного осадження іонів.
Мила - це натрієві (іноді калієві) солі органічних кислот, та їх склад можна умовно виразити формулою NaR або KR, де R - кислотний залишок. Аніони R утворюють з катіонами кальцію і магнію нерозчинні солі CaR 2 і MgR 2. На освіту цих нерозчинних солей і витрачається марно мило. Таким чином, за допомогою мильного розчину ми можемо оцінити загальну жорсткість води, загальний вміст у ній іонів кальцію і магнію.
Іони кальцію (Ca 2 +) і магнію (Mg 2 +), а також інших лужноземельних металів, які обумовлюють жорсткість, присутні у всіх мінералізованих водах. Їх джерелом є природні поклади вапняків, гіпсу та доломіту. Іони кальцію і магнію надходять у воду в результаті взаємодії розчиненого діоксиду вуглецю з мінералами і при інших процесах розчинення і хімічного вивітрювання гірських порід. Джерелом цих іонів можуть служити також мікробіологічні процеси, що протікають у грунтах на площі водозбору, в донних відкладах, а також стічні води різних підприємств. У маломінералізованих водах найбільше іонів кальцію. Зі збільшенням ступеня мінералізації вміст іонів кальцію швидко падає і рідко перевищує 1 г / л. Зміст же іонів магнію у мінералізованих водах може досягати декількох грамів, а в солоних водах кількох десятків грамів.
У цілому, жорсткість поверхневих вод, як правило, менше жорсткості вод підземних. Жорсткість поверхневих вод схильна до помітних сезонних коливань, досягаючи зазвичай найбільшого значення в кінці зими і найменшого в період повені, коли рясно розбавляється м'якою дощовою і талою водою.
Жорсткість - це особливі властивості води, багато в чому визначають її споживчі якості і тому мають важливе господарське значення.
Для гасіння пожеж, поливу городу, прибирання вулиць та тротуарів жорсткість води не має принципового значення. Але в ряді випадків жорсткість води може створити проблеми. При прийнятті ванни, миття посуду, прання, миття машини жорстка вода набагато менш ефективна, ніж м'яка. Це обумовлюється деякими фактами:
· При використанні м'якої води витрачається в 2 рази менше миючих засобів;
· Жорстка вода, взаємодіючи з милом, утворює "мильні шлаки", які не змиваються водою і залишають малосимпатичні розлучення на посуді і поверхні сантехніки;
· У багатьох промислових процесах солі жорсткості можуть вступити в хімічну реакцію, утворивши небажані проміжні продукти.
Жорстка вода утворює накип на стінках нагрівальних котлів, батареях, чим суттєво погіршує їх теплотехнічні характеристики. Накип є причиною 90% відмов водогрійного обладнання. Тому до води, що піддається нагріву в котлах, бойлерах і т.п. пред'являються на порядок більш високі вимоги по жорсткості. Тонкий шар накипу на гріючої поверхні зовсім не нешкідливий, так як тривалість нагрівання через шар накипу, що володіє малою теплопровідністю, поступово зростає, дно прогорає все швидше і швидше - адже метал охолоджується з кожним разом все повільніше і повільніше, довго перебуває в прогрітому стані. Врешті-решт, може статися так, що дно посудини не витримає і почне протікати. Цей факт дуже небезпечний у промисловості, де існують парові котли.
Жорстка вода мало придатна для прання. Накип на нагрівачах пральних машин виводить їх з ладу, вона погіршує ще й миючі властивості мила. Катіони Ca 2 + і Mg 2 + реагують з жирними кислотами мила, утворюючи малорозчинні солі, які створюють плівки і опади, в результаті знижуючи якість прання та підвищуючи витрата миючого засобу. А при пранні тканин жорсткою водою утворюються нерозчинні сполуки осідають на поверхні ниток і поступово руйнують волокна.
Розрізняють тимчасову і постійну жорсткість води. Обумовлено це розходження типом аніонів, які присутні в розчині в якості противаги кальцію та магнію.
Тимчасова жорсткість води обумовлена наявністю у воді гідрокарбонатів, наприклад, гідрокарбонату кальцію Ca (HCO 3) 2 і магнію Mg (HCO 3) 2.
При кип'ятінні води гідрокарбонати розкладаються з утворенням осаду середнього або основного карбонату:
Ca (HCO 3) 2 = СаСО 3 ↓ + СО 2 ↑ + Н 2 О,
Mg (HCO 3) 2 = М g 2 (ОН) 2 СО 3 ↓ + 3СО 2 ↑ + Н 2 О,
і жорсткість води знижується. Тому гідрокарбонатну жорсткість називають тимчасовою.
Інша частина жорсткості, що збереглася після кип'ятіння води, називається постійною жорсткістю (або некарбонатних). Вона зумовлена присутністю в ній сульфатів, хлоридів та інших розчинних сполук кальцію і магнію, які добре розчиняються і так просто не видаляються.
Також розрізняють і загальну жорсткість води. Вона визначається сумарною концентрацією іонів кальцію і магнію. Являє собою суму карбонатної (тимчасової) і некарбонатних (постійної) жорсткості.
Жорсткість води вимірюється в міліграмах еквівалент на літр (м-екв / л). Зазвичай, жорсткої вода вважається з жорсткістю 1 м-ЕВК / л і більше.
