§ 47. Металлы IIA-группы периодической системы
Жёсткость воды и способы её уменьшения
Соединения магния и кальция являются основным компонентом горных пород, составляющих верхнюю часть земной коры. Вода, проходя через эти породы, насыщается этими соединениями, становясь «жёсткой». При нагревании жёсткой воды на нагревателях стиральных машин, трубах теплоцентралей, на внутренних стенках котлов ТЭЦ и чайников образуется накипь, состоящая из карбонатов кальция и магния (рис. 112). Накипь обладает низкой теплопроводностью, поэтому вызывает перегрев стенок котлов. Случайное отделение части накипи от раскалённой стенки котла может привести к быстрому испарению воды, повышению давления внутри котла и его взрыву. Жёсткая вода оставляет разводы на посуде, поверхности сантехники. В жёсткой воде повышен расход моющих средств.
Процесс устранения жёсткости воды перед её использованием называется умягчением воды. Любой из его вариантов предполагает удаление из воды ионов кальция и магния. По отношению к процессам умягчения воды различают жёсткость временную и постоянную.
Временная (карбонатная, или устранимая кипячением) жёсткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Она устраняется кипячением, при котором происходит полное разложение гидрокарбонатов. Они переходят в виде карбонатов в нерастворимое состояние:
Са(НСО3)2 СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О;
Mg(НСО3)2 MgСО3↓ + СО2↑ + Н2О.
Именно такие реакции вызывают образование накипи на чайнике.
Постоянная (некарбонатная) жёсткость обусловлена содержанием растворимых солей кальция и магния (сульфатов, хлоридов и др.), которые при кипячении остаются в растворе. В этом случае жёсткость воды может быть устранена введением в раствор реагентов (Nа2CO3, Na3РO4, Са(ОН)2 и др.), образующих с растворёнными солями кальция и магния осадки:
Уменьшить количество растворённых солей в воде можно её вымораживанием. Постепенно замораживая воду, оставляют примерно 10 % жидкости от первоначального количества. При образовании льда растворённые соли накапливаются в жидкой фазе, где их растворимость выше. Оставшуюся воду сливают, а лёд затем расплавляют.
В лаборатории для очистки воды используют метод перегонки, то есть испарение воды с последующей её конденсацией. При этом основная часть солей остаётся в неиспарившейся воде. Конденсированная вода называется дистиллированной.
Современный, более экономичный способ основан на применении ионообменных смол. При пропускании воды через слой ионообменной смолы (ионита) ионы кальция, магния и железа переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят ионы Н+ или Na+:
Ca2+ + Na2R = 2Na+ + CaR,
где Na2R — условное обозначение ионита, синтетической органической смолы, на поверхности которой находятся ионы Na+.