Способы определения жесткости воды

Проблема определения жесткости воды обозначилась особенно остро в связи с широчайшим распространением сложной бытовой техники, работоспособность которой нередко напрямую связана со свойствами используемой воды. Однако это вовсе не означает, что до наступления века электричества такой проблемы не существовало. Качественный и количественный состав солей в воде определяет ее вкус, степень расхода моющих средств, используемых для стирки или уборки, воздействие на кожу при гигиенических процедурах, на состояние пищеварительной и выводящей систем при употреблении воды и продуктов, в ней приготовленных.

Первыми, еще в XIX веке, подошли к решению вопроса определения жесткости среды аквариумисты, так как часто именно несоответствие этого показателя становилось препятствием к разведению некоторых экзотических рыб или растений. В XX веке развитие коммунального хозяйства стало толчком ко всестороннему изучению свойств воды, поступающей в водопроводные системы.

Для количественного измерения любых наблюдаемых природных процессов придуманы особые единицы, не исключение и жесткость воды. Так как способов ее лабораторного определения несколько, соответственно, в науке закрепились различные единицы измерения.

В России с 2014 года для измерения жесткости воды принята особая единица – градус жесткости (°Ж), именно она внесена в ГОСТ. Градус жесткости связан с единицей измерения, принятой для измерения количества вещества в химии, – моль. В 1°Ж содержится 0,5 миллимоль ионов металла на литр. А также для измерения жесткости воды применяют особую единицу миллиграмм-эквивалент на литр (мг-экв/л). Российский градус жесткости равняется 1 мг-экв/л. Градусы жесткости в разных странах чаще всего не совпадают, по этой причине, чтобы перевести градус жесткости, принятый в какой-либо стране, в российские градусы жесткости приходится использовать специальные рассчитанные профессионалами таблицы.

Например, американский градус жесткости примерно равняется 0,02°Ж, немецкий – 0,35°Ж, английский – 0,28°Ж, французский – 0,19°Ж. Учет разницы единиц измерения может быть актуален в случае приобретения импортной бытовой техники или моющих средств непосредственно в стране-изготовителе.

Химически жесткость обусловлена присутствием в воде ионов металлов и некоторых анионов, возникающих при диссоциации растворимых солей. Поступают такие вещества в воду из горных пород. Именно минеральный состав грунта определяет наличие солей в растворах. Концентрация солей может изменяться сезонно. Наибольшая концентрация отмечается для начала весны, так как в это время на фоне полного отсутствия притока чистой воды из атмосферных осадков: талой от снега и дождевой, практически лишенных растворенных солей, уровень воды в грунте существенно уменьшается.

При этом некоторые ионы из раствора удаляются кипячением, в результате жесткость может быть снижена. Это так называемая временная или карбонатная жесткость. Повышение температуры вызывает ускоренную реакцию гидрокарбонатного аниона (HCO 3-) с находящимися в воде катионами Ca 2+, в результате которой образуется малорастворимый осадок карбоната кальция СаСО3, покрывающий поверхность посуды или нагревательный элемент тем, что принято называть «накипь». Вместе с паром в воздух уходит некоторое количество образовавшегося в ходе реакции углекислого газа СО2, также в результате реакции образуются молекулы воды (Н2О).

Постоянная жесткость воды обусловлена прежде всего наличием в растворе ионов Са2+ и Mg2+, а также некоторых других катионов. Главными их источниками являются растворимые осадочные горные породы, через слои которых проходит вода: известняки, доломиты, гипс и некоторые другие. Ионы железа могут поступать и при взаимодействии воды со стенками трубопроводов – особенно это заметно, если сроки эксплуатации систем накопления и распределения воды значительно превышены. Связать в нерастворимые соли эти ионы кипячением не получится, а если в воде мало или отсутствуют гидрокарбонатные анионы, не свяжется и кальций.

Общая жесткость складывается из показателей постоянной и временной жесткости, так как для некипяченой «сырой» воды, характерной для природного источника (например, скважины), или поступающей из водопровода определяться лабораторно будет именно она. Эта жесткость и измеряется по ГОСТу в°Ж.

В России мягкой считается вода, имеющая не более 2°Ж, высокую жесткость имеет раствор с 10°Ж и более. От 2°Ж, до 10°Ж имеет жидкость со средним показателем этого параметра.

В домашних условиях точно определить градус жесткости питьевой воды, в том числе и той, что течет из крана, практически невозможно, однако можно попробовать определить относительную жесткость. Для этого исстари использовалось мыло. Известно, что в мягкой воде его эффективность несколько выше, а вот жесткая снижает пенообразование и моющий эффект мыла. Пену, образованную в очень мягкой воде будет трудно смыть после намыливания. Народные эксперименты с этим моющим средством выработали недорогую, но действенную методику определения интересующего нас показателя.

Косвенно о жесткости воды может сказать слой пены, образующейся при вспенивании мыла. Так, в воде, имеющей 1°Ж, этот слой может достигать 10 см, в воде, у которой жесткость близка к 15°Ж, не получится взбить пену более 1 см. Можно примерно вычислить среднюю жесткость: при слое пены в 5 см это будет 7-8°Ж.

Для более точных замеров при помощи мыла понадобится самый простой набор лабораторного оборудования: цилиндрический прозрачный стакан, линейка, весы. Так же, как и для настоящего лабораторного опыта, потребуются некоторые вещества: дистиллированная вода и хозяйственное мыло.

Надо подготовить и измельчить 1 г мыла (для этого и потребуются точные весы). Растертое в порошок мыло поместить в стакан, добавить теплую, но не кипящую дистиллированную воду, и тщательно перемешать до полного растворения мыла. Если мыло 60%, надо долить дистиллированной воды до высоты 6 см, если 72%, то, соответственно, до 7,2 см (можно около 7 см).

К приготовленному раствору необходимо долить 0,5 литра воды, жесткость которой требуется определить. Затем полученный раствор перелить в более удобный прозрачный сосуд и, перемешивая, добиться образования пены. При этом часть ионов металлов будет связана в пене, и общий уровень раствора станет меньше, для замера его вновь надо перелить в мерный стакан. Уменьшение уровня на 1 см покажет жесткость в 2°Ж, соответственно, если после образования пены уровень раствора понизился на 4 см, это означает, что жесткость воды близка к 8°Ж.

Описанные выше методики определения жесткости воды при помощи мыла все же дают приблизительные результаты, и для более точных замеров не подойдут. В некоторых случаях потребуются более надежные методики.

Реагенты для такого анализа можно приобрести в зоомагазинах в отделах аквариумистики. Часто аквариумистам требуется проверить жесткость воды, на предмет ее пригодности для содержания водных обитателей.

Если добавлять к дистиллированной воде соляную кислоту с известной концентрацией, в химии этот способ называется титрованием, можно получить несколько образцов раствора с установленной жесткостью. Обмакнув в раствор, мягкость которого известна, индикаторную бумажку (их также можно купить в отделе аквариумистики), сравнивают ее цвет с тем, что получился при анализе воды.

Понять, к какой категории жесткости относится вода (жесткая она или мягкая), можно и по другим признакам. Дома, с большой долей вероятности, можно использовать старинный метод – проверка жесткости на вкус. Вода с большим содержанием ионов жесткости может иметь металлический привкус. Мягкая вода, наоборот, может показаться безвкусной, излишне пресной.

Способы, применяемые в лаборатории, например, комплексонометрический, основанный на использовании специальных растворов для выявления количества ионов кальция и магния, весьма точны, но в быту обычно недоступны.

Отличить жесткую воду от мягкой по внешним признакам также довольно просто. Чай или кофе в жесткой воде плохо завариваются, да и не в полной мере раскрывают свой вкус.

А также можно использовать стекло или зеркало. На его поверхность помещается капля жидкости, жесткость которой необходимо определить. Дождавшись ее испарения, можно увидеть оставшийся осадок. Количество осадка подскажет, много ли солей в образце.

Научно-техническая революция позволила распространить некоторые лабораторные методы и в быту.

Так, разработанные для удобства проведения опытов в лаборатории индикаторы, в том числе и известная со школьной скамьи лакмусовая бумага, стали доступны не только научным работникам, но и простому обывателю. Одним из наиболее надежных способов определения жесткости в домашних условиях остается использование тест-полоски, это то же самое, что и индикаторные полоски. Измерить жесткость полоской очень просто, опустив такую полоску в воду, ее нужно сразу же вынуть. Ионы солей, растворенные в воде, вступают в реакцию с нанесенным на полоску индикатором, и цвет будет изменяться. Вместе с такими полосками обязательно необходимо использовать цветовую шкалу, которая, как правило, продается в наборе полосок. Приложив смоченную в воде полоску к шкале, надо подобрать соответствующий цвет. Он и покажет жесткость. Чем выше этот показатель, тем ярче будет цвет полоски.

Иногда для определения общей жесткости используют особый прибор – измеритель электропроводности (TDS-метр), этот показатель напрямую зависит от содержания ионов в растворе. У метода есть существенный недостаток, этот прибор – определитель электропроводности, а это совершенно иная характеристика раствора. Вместе с ионами жесткости (кальцием и магнием) он реагирует на содержание, вообще, всех ионов, даже и тех, которые никоим образом не влияют на уровень жесткости воды. Таким образом, можно получить искаженные сведения.

Использование специальных приборов и реактивов сопряжено с рядом опасных факторов. Приборы, подключаемые к электрической сети, ввиду применения электродов, опускаемых в жидкость, требуют особого внимания к соблюдению норм техники безопасности. Важно помнить, что руки желательно держать сухими, не лишними будут и резиновые перчатки. Место, где проводятся замеры, должно быть удобным, лучше это делать на столе, и ни в коем случае не в ванной комнате, где влажность всегда повышенная.

Некоторые методики требуют специальных реактивов, особую опасность представляют кислоты. Для проведения таких замеров лучше иметь специальную посуду, использовать спецодежду (например, белый лабораторный халат) и резиновые перчатки.

Для проведения опытов с жидкостями также могут быть не лишними специальные защитные очки для глаз.

Присутствие маленьких детей в помещении, где проводится анализ образцов жидкости с помощью реактивов или электрических приборов, недопустимо.

Ну и, конечно, надо вспомнить элементарные правила проведения опытов из школьного курса химии.