Общая жесткость воды, кальций и магний

Жесткость воды — одно из важнейших свойств, имеющее большое значение при водопользовании. Если в воде находятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые соли жирных кислот, то в такой воде затрудняется образование пены при стирке белья или мытье рук, в результате чего возникает ощущение жесткости. Жесткость воды пагубно сказывается  на  трубопроводах тепловых сетей, приводя  к  образованию накипи. По этой причине в воду приходится добавлять специальные «смягчающие» химикаты. Жесткость воды обусловлена присутствием растворимых и малорастворимых солей-минералов, главным образом кальция (Са2+) и магния (Mg2+). Кроме указанных, к солям  жесткости относят также соли  стронция (Sr2+),  цинка (Zn2+) и др., однако в поверхностных и грунтовых природных водах из перечисленных катионов в заметных концентрациях присутствуют  только кальций и магний. Величина жесткости воды может варьироваться в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года, погодных условий. Общая жесткость воды в озерах и реках тундры, например, составляет 0,1-0,2 мг-экв/л, а в морях, океанах, подземных водах достигает 80-100 мг-экв/л и даже больше (Мертвое море).

Из всех солей, относящихся к солям жесткости, выделяют гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало. Жесткость, придаваемая воде гидрокарбонатами, называется  гидрокарбонатной,  или  временной,  т.к.  гидрокарбонаты  при  кипячении  воды (точнее,  при температуре более 60 °С) разлагаются с  образованием малорастворимых карбонатов. Mg(HC03)2 в природных водах встречается реже, чем Са(НСОз)2, т.к. магнезитовые породы мало распространены. Поэтому в пресных водах преобладает, так называемая,  кальциевая жесткость. В природе протекают следующие обратимые химические реакции:

CaCO3 + H2O + CO2   =    Са(НСОз)2

MgCO 3+ H2O + CO2 =  Mg(НСОз)2

Эти уравнения имеют важное значение в природе и технике.  Прямая реакция характеризует растворимость  карбонатных  пород,  следовательно, формирование  химического  состава воды  и  эрозию земной поверхности. В  присутствии растворенного в воде углекислого газа  происходит растворение, или вымывание, карбонатных пород в природе.  В технике это обуславливает коррозию строительных материалов.  Обратная реакция – выпадение нерастворимых карбонатов кальция и магния, т.е. образование осадочных пород, имеет огромное значение  в геохимии.  При выходе на поверхность подземных (грунтовых)  вод,  обладающих значительной  временной жесткостью, равновесие сдвигается в сторону образования СО2, который удаляется в атмосферу. Этот процесс приводит к разложению гидрокарбонатов и выпадению в осадок СаСОз и MgCO3. Таким путем образуются разновидности карбонатных пород, называемые известковыми туфами.

В технике протекание данной реакция приводит к выпадению карбонатной накипи на теплопередающей поверхности теплообменников, что обуславливает множество проблем. Жесткость, обусловленная хлоридами или сульфатами, называется постоянной, так как эти соли устойчивы при нагревании и кипячении воды. Суммарная жесткость воды, то есть общее содержание растворимых солей кальция и магния, получила название «общей жесткости». Ввиду того, что солями жесткости являются соли разных катионов, имеющие разную молекулярную массу, концентрация солей жесткости, или жесткость воды, измеряется в единицах эквивалентной концентрации — количеством г-экв/л или мг-экв/л.  При жесткости до 4 мг-экв/л вода считается мягкой; от 4 до 8 мг-экв/л — средней жесткости; от 8 до 12 мг-экв/л — жесткой; более 12 мг-экв/л — очень жесткой (встречается и другая классификация воды по степеням жесткости).

Допустимая  величина  общей  жесткости  для  питьевой  воды  и  источников централизованного водоснабжения составляет не более 7 мг-экв/л (в отдельных случаях  до 10 мг-экв/л).  Лимитирующий показатель вредности — органолептический. Поиск  причинно-следственных  связей  между  жесткостью  воды  и  сердечно-сосудистой  патологией  был  результативным.  В ряде  исследований установлена  статистически  достоверная,  хотя  и  не  тесная,  обратная  корреляционная  связь  между жесткостью воды и частотой  инфаркта миокарда.  Поскольку в других,  не менее тщательно выполненных исследованиях,  такой связи не было установлено, считается, что патогенетическим агентом могли быть не сами соли жесткости, а коррелирующие с ними  какие-либо  другие  микроэлементы.  Что  касается  других  проявлений  вредного влияния  жестких  вод,  то  статистическими  исследованиями  установлено  и  экспериментально подтверждено их влияние на частоту возникновения мочекаменной болезни. В этом случае не идет речи о прямой детерминированности степени жесткости воды и заболеваний мочекаменной болезнью. Решающую роль играют другие сопутствующие факторы, в  частности  состояние  минерального  обмена  конкретного  человека,  потребляющего жесткую воду. Высокое содержание в питьевой воде солей кальция и магния является фактором риска мочекаменной болезни.