Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Жёсткая вода — вода с большим содержанием ионов кальция и магния. Временную жёсткость (гидрокарбонаты) устраняют кипячением или известью, постоянную (хлориды, сульфаты) — содой, которая переводит ионы кальция в осадок:
Подробное объяснение
Загляните в старый чайник: на дне и на нагревателе — белая или рыжеватая корка. Это накипь. А если вымыть руки водой из колодца в известняковой местности, мыло почти не пенится. Обе неприятности вызывает одно и то же — жёсткость воды.
Что такое жёсткая вода
Природная вода проходит через почву и горные породы — известняк, мел, доломит, гипс — и растворяет соли кальция и магния. В воде они распадаются на ионы. Жёсткой называют воду, в которой много катионов \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{Mg^{2+}}\) (иногда к ним добавляются ионы железа). Самая мягкая природная вода — дождевая и талая, в ней солей почти нет.
Почему жёсткая вода вредна
Мыло — натриевая или калиевая соль органической кислоты, её можно записать как \(\mathrm{R{-}COONa}\). Соли натрия растворимы, а соли кальция — нет. Пока все ионы кальция не свяжутся с мылом в осадок, мыло не моет:
Отсюда перерасход мыла и порошка, серый налёт на ткани. Накипь плохо проводит тепло: чайник и бойлер греют дольше, нагреватели перегорают, трубы зарастают. В жёсткой воде хуже развариваются мясо и крупы.
Два вида жёсткости
Временная жёсткость создаётся гидрокарбонатами \(\mathrm{Ca(HCO_3)_2}\) и \(\mathrm{Mg(HCO_3)_2}\). Это кислые соли, они хорошо растворимы. При нагревании они разлагаются, и выпадает нерастворимый карбонат:
Именно так появляется накипь. Раз эта жёсткость уходит при кипячении, её и назвали временной.
Постоянная жёсткость создаётся хлоридами и сульфатами кальция и магния: \(\mathrm{CaCl_2}\), \(\mathrm{CaSO_4}\), \(\mathrm{MgCl_2}\), \(\mathrm{MgSO_4}\). При кипячении они не меняются, поэтому кипячение тут не поможет.
Как устраняют жёсткость
Идея любого способа — убрать из воды ионы \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{Mg^{2+}}\): перевести их в осадок или заменить безвредными ионами.
- Кипячение — только для временной жёсткости.
- Известковое молоко \(\mathrm{Ca(OH)_2}\) — для временной. Кислая соль превращается в среднюю: \(\mathrm{Ca(HCO_3)_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2CaCO_3\downarrow + 2H_2O}\). Известь добавляют строго по расчёту: избыток сам внесёт ионы кальция.
- Сода \(\mathrm{Na_2CO_3}\) — для любой жёсткости: \(\mathrm{CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl}\). Ионы натрия, которые остаются в воде, жёсткости не дают.
- Ионообменные фильтры — смола забирает \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{Mg^{2+}}\), отдавая взамен \(\mathrm{Na^+}\). Так работают бытовые фильтры-умягчители.
Полностью очищенная от солей вода — дистиллированная, её получают перегонкой. А природную воду, в которой солей больше 1 г/л, называют минеральной.
Как решать задачи
- Запишите уравнение реакции умягчения (с содой или известью).
- Найдите массу соли или ионов во всём объёме: концентрация (мг/л) × объём (л), переведите в граммы.
- Найдите количество вещества \(n = m/M\).
- По коэффициентам найдите количество реагента (с содой и известью обычно 1 : 1).
- Найдите массу реагента. Если дан кристаллогидрат, например \(\mathrm{Na_2CO_3 \cdot 10H_2O}\), берите его молярную массу вместе с водой (286 г/моль).
Разобранные примеры
Откуда накипь
Вода в чайнике содержит гидрокарбонат магния. Какую жёсткость он создаёт и что произойдёт при кипячении? Запишите уравнение.
Гидрокарбонаты создают временную жёсткость. При нагревании гидрокарбонат магния разлагается, и в осадок выпадает соединение магния (в школьном курсе записывают карбонат):
Осадок оседает на стенках — образуется накипь, а вода становится мягче.
Умягчаем воду с гипсом
Жёсткость воды вызвана сульфатом кальция. Поможет ли кипячение? Запишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения умягчения содой.
\(\mathrm{CaSO_4}\) при кипячении не разлагается — это постоянная жёсткость, кипячение не поможет. Добавляем соду:
Ионы \(\mathrm{Na^+}\) и \(\mathrm{SO_4^{2-}}\) остаются в растворе, но жёсткости не создают.
Сколько соды на бак воды
В баке 200 л воды, в 1 л которой 80 мг ионов \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и 24 мг ионов \(\mathrm{Mg^{2+}}\). Какая масса безводной соды нужна для полного умягчения?
- \(c(\mathrm{Ca^{2+}}) = 80\) мг/л
- \(c(\mathrm{Mg^{2+}}) = 24\) мг/л
- \(V = 200\) л
- \(m(\mathrm{Na_2CO_3})\)
\(m(\mathrm{Ca^{2+}}) = 80 \cdot 200 = 16\,000\) мг \(= 16\) г, \(n = \dfrac{16}{40} = 0{,}4\) моль.
\(m(\mathrm{Mg^{2+}}) = 24 \cdot 200 = 4800\) мг \(= 4{,}8\) г, \(n = \dfrac{4{,}8}{24} = 0{,}2\) моль.
Каждый ион связывает один карбонат-ион: \(n(\mathrm{Na_2CO_3}) = 0{,}4 + 0{,}2 = 0{,}6\) моль.
\(m = 0{,}6 \cdot 106 = 63{,}6\) г.
Типичные ошибки
При кипячении разлагаются только гидрокарбонаты. Хлориды и сульфаты кальция и магния остаются в растворе, а когда часть воды выкипает, их концентрация даже растёт.
Кипячение устраняет только временную жёсткость. Постоянную убирают содой или ионообменным фильтром.
Известь \(\mathrm{Ca(OH)_2}\) сама содержит ионы кальция. Она полезна только против гидрокарбонатов, а хлорид кальция с ней не реагирует. Избыток извести снова делает воду жёсткой.
Против любой жёсткости — сода \(\mathrm{Na_2CO_3}\). Известь — только против временной и только в рассчитанном количестве.
Если в задаче дана кристаллическая сода \(\mathrm{Na_2CO_3 \cdot 10H_2O}\), а массу считают по \(M = 106\) г/моль, ответ получается почти втрое меньше нужного.
Количество вещества кристаллогидрата равно количеству \(\mathrm{Na_2CO_3}\), а массу считают по \(M(\mathrm{Na_2CO_3 \cdot 10H_2O}) = 286\) г/моль.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какая соль создаёт временную жёсткость воды?
Показать ответ
Ответ: В) Ca(HCO₃)₂
Временную жёсткость дают гидрокарбонаты кальция и магния — они разлагаются при кипячении.
-
Какими способами можно устранить постоянную жёсткость воды?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: Б) Добавлением соды Na₂CO₃; В) Ионообменным фильтром
Хлориды и сульфаты при кипячении не разлагаются; ионы \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{Mg^{2+}}\) осаждает карбонат-ион или забирает ионообменная смола.
-
Какие ионы обусловливают жёсткость воды?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Ca²⁺; В) Mg²⁺
Жёсткость определяют катионы кальция и магния, соли натрия жёсткости не дают.
-
Из какого вещества в основном состоит накипь в чайнике?
Показать ответ
Ответ: Б) Карбонат кальция
При кипячении \(\mathrm{Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow}\) — нерастворимый карбонат кальция оседает на стенках.
-
Сколько моль карбоната натрия нужно, чтобы осадить ионы кальция из 0,5 моль хлорида кальция?
Показать ответ
Ответ: 0,5
Вещества реагируют 1 : 1, \(\mathrm{CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl}\).
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Почему в чайнике образуется накипь? Запишите уравнение реакции для гидрокарбоната кальция.
Подсказка
Какие соли кальция разлагаются при нагревании?
Решение
В воде растворён гидрокарбонат кальция. При кипячении он разлагается, и образуется нерастворимый карбонат кальция — это и есть накипь:
Ответ
В воде растворены сульфат магния и хлорид кальция. Можно ли умягчить такую воду кипячением? Какая это жёсткость?
Подсказка
Разлагаются ли при нагревании хлориды и сульфаты?
Решение
Хлориды и сульфаты кальция и магния при кипячении не разлагаются и в осадок не переходят. Значит, это постоянная жёсткость, кипячение её не устранит. Нужна сода \(\mathrm{Na_2CO_3}\) или ионообменный фильтр.
Ответ
Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения устранения жёсткости, вызванной хлоридом магния, с помощью соды.
Решение
Ответ
В 1 л воды содержится 222 мг хлорида кальция. Какая масса безводной соды \(\mathrm{Na_2CO_3}\) нужна, чтобы умягчить 50 л такой воды?
Подсказка
Сначала найдите массу и количество вещества CaCl₂ во всём объёме.
Решение
- \(c(\mathrm{CaCl_2}) = 222\) мг/л
- \(V = 50\) л
- \(m(\mathrm{Na_2CO_3})\)
\(m(\mathrm{CaCl_2}) = 222 \cdot 50 = 11\,100\) мг \(= 11{,}1\) г; \(n = \dfrac{11{,}1}{111} = 0{,}1\) моль.
\(n(\mathrm{Na_2CO_3}) = 0{,}1\) моль, \(m = 0{,}1 \cdot 106 = 10{,}6\) г.
Ответ
В 1 м³ воды содержится 162 мг/л гидрокарбоната кальция. Какая масса гидроксида кальция нужна, чтобы устранить временную жёсткость этой воды?
Подсказка
1 м³ = 1000 л. Гидрокарбонат и гидроксид кальция реагируют в отношении 1 : 1.
Решение
- \(c = 162\) мг/л
- \(V = 1000\) л
- \(m(\mathrm{Ca(OH)_2})\)
\(m(\mathrm{Ca(HCO_3)_2}) = 162 \cdot 1000 = 162\,000\) мг \(= 162\) г; \(M = 40 + 2 \cdot (1 + 12 + 48) = 162\) г/моль; \(n = 1\) моль.
\(n(\mathrm{Ca(OH)_2}) = 1\) моль; \(M(\mathrm{Ca(OH)_2}) = 74\) г/моль; \(m = 74\) г. Больше добавлять нельзя: избыток извести снова внесёт в воду ионы \(\mathrm{Ca^{2+}}\).
Ответ
За месяц в чайнике вскипятили 10 л воды, содержащей 324 мг/л гидрокарбоната кальция. Какая масса накипи могла образоваться, если весь гидрокарбонат разложился?
Решение
- \(c = 324\) мг/л
- \(V = 10\) л
- \(m(\mathrm{CaCO_3})\)
\(m(\mathrm{Ca(HCO_3)_2}) = 324 \cdot 10 = 3240\) мг \(= 3{,}24\) г; \(n = \dfrac{3{,}24}{162} = 0{,}02\) моль.
\(n(\mathrm{CaCO_3}) = 0{,}02\) моль; \(m = 0{,}02 \cdot 100 = 2\) г.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Покажите накипь в чайнике и капните на неё уксусом — она зашипит: это карбонат кальция, тот же мел. Объясните: в воде растворён кальций, при кипячении он выпадает в осадок. Потом взбейте мыльную пену в водопроводной и в кипячёной (или бутилированной мягкой) воде — где пены больше, там вода мягче. Вопросы для проверки понимания: 1) Почему накипь появляется именно при кипячении? 2) Чем временная жёсткость отличается от постоянной? 3) Почему сода устраняет любую жёсткость, а кипячение — нет? На что обратить внимание. Ребёнок должен связать жёсткость с ионами \(\mathrm{Ca^{2+}}\) и \(\mathrm{Mg^{2+}}\), а не с «грязью» в воде; уметь записать реакции с содой и известью и в расчётах переводить миллиграммы в граммы.