Tvrdá voda

Teória o tvrdej vode. 

Vodu, ktorá obsahuje väčšie množstvo rozpustených solí vápnika a horčíka, nazývame tvrdá voda. Podľa obsahu aniónov kyselín rozlišujeme prechodnú (uhličitanovú) a trvalú tvrdosť vody, ktorú spôsobujú najmä sírany. 

Prechodnú tvrdosť vody zapríčiňuje rozpustený hydrogénuhličitan vápenatý a horečnatý. Počas zohrievania vody sa  hydrogénuhličitan vápenatý rozkladá na oxid uhličitý a málo rozpustný uhličitan vápenatý: 

Ca(HCO3) ———> CaCO3  + H2O + CO2 

Rozpustnosť oxidu uhličitého vo vode sa s teplotou znižuje a uhličitan vápenatý sa usadzuje ako tzv. vodný kameň, napr. na ohrievacích špirálach, vykurovacom potrubí alebo v hrncoch. Povarením teda možno prechodnú tvrdosť vody odstrániť. 

Prechodná a trvalá tvrdosť vody tvoria spolu celkovú tvrdosť vody.  Tvrdosť vody sa v praxi hodnotí stupnicami tvrdosti vody – mäkká, stredne tvrdá (optimálna), tvrdá, príp. veľmi tvrdá – v ktorých je zahrnutá celková tvrdosť vody. Poznanie stupňa tvrdosti je pre nás dôležité, napr. pri dávkovaní pracích prostriedkov. Na obaloch pracích prostriedkov sa vyjadruje tvrdosť vody obsahom iónov v litri vody alebo slovne. Tvrdosť vody možno bežne znížiť pridaním napr. dekahydrátu uhličitanu sodného (sóda) alebo polyfosforečnanu sodného (napr. Calgon). 

Na území Slovenskej republiky je tvrdosť  vody veľmi rozdielna a závisí od typu pôdy a od ročného obdobia. Voda z prameňov bohatých na zrážky, ktorá pochádza z málo rozpustných vrstiev hornín, je mäkká. Voda v oblastiach chudobných na zrážky je tvrdšia. V oblastiach bohatých na vápenec a sadrovec môže byť voda veľmi tvrdá. 

Tabuľka ukazuje, čo sa stane, keď sa 10 ml každého roztoku v tabuľke zmieša s 1 ml mydlového roztoku: 

Prečo sa tvorí „pena“?

Hlavnou príčinou tvrdosti vody sú Ca 2+   ióny. Mydlo obsahuje soli ako palmitan a stearan sodný. Keď sa tvrdá voda zmieša s mydlom, vápenaté ióny v tvrdej vode reagujú  s palmitanovými a stearanovými iónmi v mydle vytvárajúc nerozpustnú vločkovitú usadeninu stearanu a palmitanu vápenatého. Táto usadenina je pena. 

Ca2+  (aq)  +  2 X-  (aq)   ———->  CaX2 (s) 
v tvrdej vode         v mydle                    pena 

Detergenty, ako roztoky na umývanie riadu, nedávajú penu s tvrdou vodou. Na rozdiel od mydiel totiž neobsahujú ióny, ktoré reagujú s iónmi vápnika z tvrdej vody za vzniku usadeniny.

Ako vzniká tvrdá voda?

Keď prší, dážď reaguje s oxidom uhličitým vo vzduchu za vzniku kyseliny uhličitej 

H2O (l) + CO2 (g)  ————>  H2CO3 (aq) 

Keď tento zriedený roztok kyseliny uhličitej preteká cez vápenec alebo kriedu, reaguje s uhličitanom vápenatým v skalách za vzniku hydrogenuhličitanu vápenatého 

CaCO3 (s) + H2CO3 (aq) ——–>  Ca(HCO3)2 (aq) 
vo vápenci     v dažďovej vo                v tvrdej vode 

Na rozdiel od CaCO3, hydrogenuhličitan je rozpustný vo vode a  Ca2+ ióny robia vodu tvrdou. Uhličitan vápenatý v kriede a vápenci je hlavnou príčinou tvrdosti vody. 
V niektorých oblastiach síran vápenatý, ktorý sa vyskytuje ako sadrovec (CaSO4 . 2 H2O) a anhydrid (CaSO4) taktiež zapríčiňuje tvrdosť. Síran vápenatý je len nepatrne rozpustný vo vode, ale dostatočne sa rozpúšťa na vznik tvrdej vody. 
Vo vápencových oblastiach vznikli jaskyne, keď dažďová voda reagovala s vápencovými skalami.

Zmäkčovanie tvrdej vody

Tvrdá voda zvyčajne chutí lepšie ako mäkká voda. Rozpustené látky v tvrdej vode pomáhajú taktiež produkovať tvrdé zuby a kosti, ktoré obsahujú uhličitan a fosforečnan vápenatý. Ale tvrdá voda má niekoľko nevýhod v porovnaní s mäkkou vodou :
– používa viac mydla ako mäkká voda 
– produkuje penu, ktorá vyzerá nevzhľadne (vločkovitá biela zrazenina) 
– zapríčiňuje vznik „šupín“ vo vodných trubiciach a kanviciach, ktoré môžu upchať trubice a redukujú výkonnosť kanvíc 
– je nutné odstraňovať tvrdosť vody v niektorých oblastiach, čo je príčinou extra výdavkov

Keď sa tvrdá voda vyvarí alebo povrie, hydrogenuhličitan vápenatý v nej sa rozkladá na uhličitan vápenatý, vodu a oxid uhličitý :

Ca(HCO3)2 (aq)  ———-> CaCO3 (s)  +  H2O (l)  +  CO2 (g) 

Uhličitan vápenatý je nerozpustný a tvorí nánosy vnútri kanvice, či trubíc. Táto reakcia je reverzibilná k tej, ktorou vzniká tvrdá voda. Reakcia taktiež objasňuje tvorbu stalagmitov a stalaktitov vo vápencových jaskyniach. Teplota vnútri jaskýň je práve vhodná na rozklad niektorej tvrdej vody a necháva nepatrné vrstvy CaCO3. Viac vody kvapká dolu a nánosy sa zväčšujú. Nánosy takto vznikajú, kde kvapky zasahujú podlahu. Po stovkách rokov  nánosy rastú do obrovských stalagmitov a stalaktitov.

Ako sa zmäkčuje tvrdá voda?

V niektorých oblastiach látky, ktoré zapríčiňujú tvrdosť vody musia byť odstránené. To sa nazýva zmäkčovanie vody. Za účelom zmäkčovania vody musíme odstrániť vápenaté ióny. Možno to urobiť viacerými spôsobmi :

Varením :  sa rozkladá Ca(HCO3)2  vytvorením nerozpustného CaCO3. (Pozri vyššie.) Toto odstráni tvrdosť zapríčinenú hydrogenuhličitanom vápenatým, ale povarenie neodstráni tvrdosť zapríčinenú síranom vápenatým.  Kvôli tomu tvrdosť spôsobená CaSO4 sa nazýva trvalá tvrdosť vody, na rozdiel od prechodnej  tvrdosti vyvolanej Ca(HCO3)2 

Destiláciou : vzniká čistá voda, odstraňujú sa obe, prechodná i trvalá tvrdosť. 

Pridaním umývacej sódy : umývacia sóda a kúpeľná soľ obsahujú uhličitan sodný. Pridaním tohto k tvrdej vode sa odstránia všetky vápenaté ióny ako zrazenina uhličitanu vápenatého:

Ca2+ (aq)  +  CO32- (aq)  —————>  CaCO3 (s) 
v tvrdej vode                                   v umývacej sóde

Výmenou iónov : najpohodlnejšou možnosťou  zmäkčovania vody je používanie iónomeničov. Voda prechádza cez stĺpec obsahujúci špeciálnu látku. Táto látka obsahuje sodné ióny, ktoré nahradia vápenaté ióny, keď tvrdá voda preteká stĺpcom. Sodné ióny nespôsobujú tvrdosť, takže voda je teraz mäkká:

Ca2+ (aq)  +  2 Na+ (s)  —————->  Ca2+ (s)  +  2 Na+ (aq) 
v tvrdej vode   v iónomeniči             v iónomeniči   v tvrdej vode