TWARDOŚĆ WODY (PN-71/C-04554)
Jest to właściwość wody polegająca na zużywaniu pewnych ilości mydła bez wytworzenia piany. Wynika to z obecności w wodzie jonów Ca, Mg, Mn, Al, Zn, które tworzą z mydłem dodawanym do wody nierozpuszczalne sole. Pienienie się roztworu następuje dopiero po ich strąceniu. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec tego twardość wody naturalnej zależy głównie od obecności jonów Ca2+ i Mg2+. Sole wapnia i magnezu występują w wodach naturalnych przeważnie w postaci wodorowęglanów Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, albo jako siarczany, chlorki, azotany i inne związki.
W wodach naturalnych zawartość Ca jest większa od Mg, przy czym rozpuszczalność MgCO3 jest większa od CaCO3, co oznacza, że MgCO3 jest obecny w wodzie, natomiast CaCO3 praktycznie nie istnieje w formie rozpuszczonej. Twardość wody surowej nazywa się twardością ogólną i jest sumą twardości węglanowej (TwW) i twardości niewęglanowej (TwN):
węglanowa: (TwWCa, TwWMg) wywołana przez wodorowęglany, węglany i wodorotlenki wapnia i magnezu: Ca(HCO3)2, CaCO3, Ca(OH)2, Mg(HCO3)2, MgCO3Mg(OH)2,
niewęglanowa (TwNCa, TwNMg) wywołana przez inne związki wapnia i magnezu CaSO4, CaCl2, Ca(NO3)2, MgSO4, MgCl2, Mg(NO3)2.
Twardość węglanowa w czasie gotowania wody ulega zmniejszeniu w wyniku rozkładu wodorowęglanów i hydrolizie powstających węglanów
Me(HCO3)2 → MeCO3 + H2O + CO2↑
MeCO3 + H2O → Me(OH)2 + CO2↑
Me - jon Ca lub Mg
Twardość wody można wyrażać w różnych jednostkach. Najbardziej rozpowszechnione jest stosowanie stopni twardości. W celu ujednolicenia oznaczania twardości przyjęto wyrażać twardość w uniwersalnych jednostkach chemicznych w milimolach jonów Ca i Mg zawartych w 1dm3(mmol/dm3) .
Inne jednostki i ich przeliczniki:
1 mval/dm3 odpowiada 2,8 0 n (niemiecki stopień twardości)
1 mval/dm3 → 50 mg CaCO3/dm3
1 mval/dm3 → 0,5 mmol/dm3
1 mval/dm3 → 28 mg CaO/dm3
1 mmol/dm3 → 5,6 0 n
1 mmol/dm3 → 100 mg CaCO3/dm3
1 mmol/dm3 → 2 mval/dm3
1 mmol/dm3 → 56 mg CaO/dm3
10 n → 0,357 mval/dm3
10 n → 0,179 mmol/dm3
10 n → 10 mg CaO/dm3
10 n → 1,79 mg CaCO3/dm3
Twardość wody wyraża się w 6-stopniowej skali.
Skala twardości wody:
| Woda | stopnie twardości | mg CaO/dm3 |
|---|---|---|
Bardzo miękka Miękka O średniej twardości O znacznej twardości Twarda Bardzo twarda |
0-5 5-10 10-15 15-20 20-30 powyżej 30 |
0-50 50-100 100-150 150-200 200-300 powyżej 300 |
Wody opadowe są miękkie (°tw≈0), wody mineralne i morskie są natomiast bardzo twarde gdyż zawierają duże ilości Mg (350÷450°tw). Wody powierzchniowe zwłaszcza te z potoków górskich są na ogół miękkie. Większą twardość wykazują wody podziemne. Twardość naturalna wód słodkich wynosi 1÷60°tw. Wody twarde i bardzo miękkie mogą być używane do picia bez szkody dla zdrowia, niekiedy mogą mieć jedynie gorzki lub mdły smak. Szkodliwa jest duża zawartość chlorku i siarczanu magnezu, które to mogą powodować biegunki. Twarda woda jest niepożądana:
pogarsza wartości odżywcze gotowanego mięsa i jarzyn,
powoduje duże zużycie mydła w trakcie mycia,
może powodować podrażnienie skóry,
nie nadaje się do produkcji piwa, barwników, wyrobów tekstylnych,
taką woda nie można zasilać kotłów – powstaje kamień kotłowy ,który utrudnia wymianę ciepła.
Dopuszczalna twardość wody przeznaczonej do spożycia wynosi: 60*) – 500 mg CaCO3/dm3 (*)wartość zalecana ze względów zdrowotnych).
Zasada oznaczenia twardości ogólnej metoda wersenianową.
Oznacza się ją kompleksometrycznie wobec czerni erichromowej T jako wskaźnika. Jony Ca i Mg w roztworze wodnym o pH około 10 zmieniają niebieskie zabarwienie czerni tworząc z nią związek kompleksowy o czerwonym zabarwieniu. Kompleks ten jest mniej trwały niż z wersanianem dwusodowym. Przy miareczkowaniu po związaniu wszystkich jonów Ca i Mg przez wersenian, wskaźnik zostaje uwolniony i barwa roztworu zmienia się z czerwonej na niebieską. Zmiana zabarwienia miareczkowanego roztworu jest wyraźna jedynie w obecności dostatecznej ilości jonów magnezowych.