شیمی, علوم پایه 239 بازدید

آب سخت به آبی می‌گویند که محتوای مواد معدنی آن زیاد باشد. آب سخت به هنگام عبور آب‌ها از رسوبات آهک،‌ گچ و ژیپس بوجود می‌آید چراکه این مواد از کلسیم، منیزیم کربنات، بی‌کربنات‌ها و سولفات‌ها تشکیل شده‌اند. در حقیقت، وجود یون‌های فلزی همچون کلسیم و منیزیم عامل بوجود آمدن سختی آب به شمار می‌آید. سختی آب مشکلات زیادی را در مسیر انتقال آب و مخازن نگهداری آن بوجود می‌آورد. آب سخت را می‌توان از طعم آن (طعم فلز) و حس خشکی به جای مانده بر روی پوست، تشخیص داد. دلیل تشکیل رسوبات در کف حمام و همچنین کف نکردن صابون را باید در آب سخت جستجو کرد.

انواع آب سخت و عناصر موجود در آن

همانطور که گفته شد، به آبی که حاوی مقادیر زیادی از یون‌های معدنی باشد، آب سخت می‌گویند. معمول‌ترین یون‌های یافت شده در آب سخت یافت عبارتند از:

فلزات ذکر شده همگی در آب، محلول هستند. غلظت‌های بالا از این یون‌ها در آب می‌توانند سبب اشباع محلول و به دنبال آن جابجایی تعادل به طرف چپ شوند. به عبارت دیگر، این یون‌ها با رسوب کردن، از محلول خارج خواهند شد. رسوبات آهکی که در شیرهای آب و حمام می‌بینیم، به طور معمول ناشی از این رسوب کلسیم کربنات یا منیزیم کربنات است. همچنین، آب سخت ممکن است با سایر مواد محلول در آب واکنش دهد که از میان آن‌ها می‌توان به صابون اشاره کرد. دو نوع آب سخت موقت و دائم داریم که در ادامه به توضیح آن‌ها می‌پردازیم.

آب سخت موقت

آب سخت موقت به آبی می‌گویند که شامل یون‌های کلسیم $$(Ca ^ {2+})$$ و بی‌کربنات $$H CO _ 3 ^ -$$ باشد. با افزایش حرارت، یون‌های بی‌کربنات به کربنات $$( CO _ 3 ^{2 -})$$، دی اکسید کربن و آب تبدیل می‌شوند. در ادامه، یون‌های کربنات با سایر یون‌ها در محلول واکنش و ترکیبات نامحلول همچون $$CaCO_3$$ و $$MgCO_3$$ را تشکیل می‌دهند.

برهم‌کنش یون‌های کربنات در محلول سبب تشکیل رسوباتی می‌شود که آن‌ها را به وفور در سماورهای آب می‌بینیم. افزایش دما در آب سخت موقت و تجزیه یون‌های بی‌کربنات، جابجایی در تعادل شیمیایی را نشان می‌دهد. در حقیقت، این افزایش دما سبب جابجایی تعادل به طرف چپ می‌شود که در اثر این اتفاق، رسوب تشکیل خواهد شد.

$$C a C O _{3 \; (s)} + C O_{2 \; (a q)} + H _2 O_{(l)} \rightleftharpoons Ca ^{2+}_ {(a q)} + 2 H C O ^-_{3 \; (a q)}$$

این تغییر تعادل سبب پیدایش رسوبات ذکر شده در بالا می‌شود. علاوه بر این، تشکیل این رسوبات در خطوط لوله، کارایی آن‌‌ها را کاهش و در مواردی، سبب ترکیدگی در لوله‌ها می‌شود. توجه داشته باشید که با سرد کردن آب، این رسوبات دوباره به طور کامل در آب حل نخواهند شد چراکه انحلال‌پذیری پایینی دارند. به همین دلیل، این نوع از آب سخت، موسوم به «آب سخت موقت» (Temporary Hard Water) است زیرا با جوشاندن آن، این سختی از بین می‌رود. وااکنش تعادلی رسوب کلسیم کربنات،‌ در زیر آورده شده است:

$$C a C O_{3 \; (s)} \rightleftharpoons C a^{2+}_ {(a q)} + C O^{2-}_{3 \; (aq)} $$

$$K _{(s p)} = 2.8 \times 10^{-9}$$

hard water
رسوبات تشکیل شده در لوله‌ها به دلیل سختی آب

با توجه به اهمیت درک مباحث پایه علم شیمی در دبیرستان و دانشگاه، فرادرس اقدام به انتشار فیلم آموزش شیمی عمومی کرده که لینک آن در ادامه آورده شده است:

آب سخت دائم

آب سخت دائم حاوی غلظت‌های بالایی از آنیون‌هایی همچون سولفات $$(S O _4 ^ {2-})$$ است. یون‌های موجود در این نوع آب را نمی‌توان با جوشاندن، به صورت رسوب از آن خارج کرد. البته این نوع از آب‌های سخت را می‌توان به شکل‌های دیگری «نرم» کرد. آب سخت دائمی نیز رسوباتی همانند قبل در لوله‌ها و مخازن نگهداری آب ایجاد می‌کند. همانطور که گفته شد، این آب‌ها حاوی کاتیون‌های کلسیم و منیزیم هستند که با صابون واکنش می‌دهند و ترکیباتی نامحلول در حمام به صورت رسوب ایجاد می‌کنند.

آب سخت و صابون

علاوه بر موارد بالا، واکنش این کاتیون‌ها با صابون، سبب کف نکردن آن در آب می‌شود. معادله زیر، مثالی از واکنش یون منیزیم با جزئی از یک صابون را نشان می‌دهد. در این معادله، $$\mathrm{C}_{18} \mathrm{H}_{35} \mathrm{O}_{2}^{2-} $$ با یون منیزیم واکنش می‌دهد تا ترکیب منیزیم استئارات را تشکیل دهد.

$$2 (C_ {18} H _{35}O _2) ^{2-}_ {(aq)} + M g^{2+}_{ ( a q)} \longrightarrow Mg (C_{18} H_ {35}O _2)_ {2 \; (s)}$$

تاثیر آب سخت بر بدن

با وجود اینکه آب سخت،‌ طعم نامناسبی دارد اما در مواردی ممکن است اثرات مثبتی بر روی سلامت داشته باشد. دو نوع از مواد معدنی اصلی در آب سخت، کلسیم و منیزیم است که هر دو به عنوان مواد مغذی ضروری بدن شناخته می‌شوند و باید در رژیم غذایی گنجانده شوند.

کلسیم از اجزای حیاتی برای استخوان‌ها به شمار می‌آید و تاثیرات مثبتی بر روی بدن دارد که از مهم‌ترین آن می‌توان به پوکی استخوان اشاره کرد. البته این ماده معدنی را می‌توان از منابع دیگری نیز تامین کرد. منیزیم نیز اثرات مثبتی دارد. مقادیر ناکافی از این ماده، خطر افزایش فشار خون، مشکلات قلبی و دیابت را به همراه دارد.

مطالعات نشان داده‌اند افرادی که آب‌هایی با سختی کم می‌نوشند، مشکلات قلبی بیشتری دارند و احتمال ابتلای آن‌ها به فشار خون بیشتر است و همچنین، کلسترول و تپش قلب بالاتری نسبت به افرادی دارند که در رژیم غذایی خود، آب سخت مصرف می‌کنند. علاوه بر این، آب سخت، خاصیت خورندگی دارد و ممکن است سبب ایجاد موادی سمی در لوله‌ها و ایجاد آلودگی در آب شود.

رسوبات ناشی از آب سخت

حذف سختی آب

با حذف سختی آب می‌توان از مشکلات آزاردهنده و مخرب آن کم کرد. کف نکردن صابون در آب سخت نه تنها آزاردهنده است بلکه به لحاظ اقتصادی نیز اثرات زیان‌باری دارد. به طور مثال، کارواش‌ها یا مراکز ارائه دهنده خدمات شستشو، برای کم کردن مصرف صابون نیاز دارند تا سختی آن را کم کنند. به طور مشابه نیز، برای جلوگیری از تشکیل رسوبات در لوله‌های انتقال آب و کاهش کارایی آن‌ها باید تا حد ممکن از سختی آب را در لوله‌ها کم کرد.

علاوه بر این، تشکیل رسوبات حاصل از آب سخت، ظاهری ناخوشایند در حمام‌ها، استخرها و سایر مکان‌های مشابه ایجاد می‌کند و به همین دلیل، با حذف سختی آب می‌توان از بروز این مشکلات، جلوگیری کرد. به همین دلیل، در ادامه متن به راه‌های حذف سختی آب یا به اصطلاح «نرم کردن» آن اشاره خواهیم کرد.

تبادل یونی

یکی از راه‌های حذف سختی آب، فرآیندی موسوم به «تبادل یونی» (Ion Exchange) است. در طول فرآیند تبادل یونی، یون‌های ناخواسته، با یون‌های دیگری جابجا (تبادل) می‌شوند. در بسیاری از موارد، یو‌ن‌های آب سخت یعنی یون‌های کلسیم و منیزیم با یون‌هایی همچون سدیم، جایگزین می‌شوند.

برای انجام این کار، آب سخت را از میان ستونی حاوی زئولیت یا رزین عبور می‌دهند که یون‌های ناخواسته را به سطح خود جذب و یون‌های جایگزین را آزاد می‌کند. در این فرآیند، یون‌های آب سخت به دلیل اتصال به رزین، در محل خود ثابت می‌شوند. یون‌های سدیم نیز در ادامه، جایگزین این یون‌ها می‌شوند. فرآیند تبادل یونی در تصویر زیر نشان داده شده است. البته متاسفانه این فرآیند سبب افزایش مقادیر سدیم در آب خواهد شد که برای سلامتی بسیاری از افراد، مضر است.

حذف سختی آب

فرآیند کلارک

«فرآیند کلارک» (Clark’s Process)، یا «Lime Softening» از جمله روش‌های کاهش سختی آب به شمار می‌آید. در این فرآیند، کلسیم هیدروکسید $$(Ca (OH)_2)$$ به آب سخت اضافه می‌شود که در اثر این اتفاق، pH آب افزایش پیدا می‌کند و منیزیم و کلسیم، رسوبات $$CaCo_3$$ و $$Mg (OH)_2$$ را تشکیل می‌دهند. این رسوبات در آب،‌ نامحلول هستند و به کمک روش‌های مختلف جداسازی،‌ از آب جدا می‌شوند. بعد از جداسازی این رسوبات، به آب، اسید اضافه می‌کنند تا به طور مجدد، میزان pH به حالت قبل بازگردد.

$$M g (O H ) _ {2 \; (s)} \rightleftharpoons Mg ^{2+}_ {(a q)} + 2 O H ^- _{(a q)}$$

کلات سازی

«کلات‌سازی»‌ (Chelation) یا کی‌لیت شدن (کلاته کردن) نیز از روش‌های دیگری برای حذف سختی آب به شمار می‌آید. لیگاندهای «چند‌دندانه‌ای» (Polydentate) همچون «EDTA»، با یون‌های ناخواسته در آب سخت پیوند تشکیل می‌دهند. این لیگاندها خاصه برای پیوند با کاتیون‌های منیزیم و کلسیم مفید هستند. عوامل کلاته کننده، کمپلکس‌های حلقوی بسیار پایداری را با کاتیون‌های فلزی تشکیل می‌دهند و از انجام واکنش با مواد دیگر در آب، جلوگیری می‌کنند که از جمله این مواد می‌توان به صابون اشاره کرد.

در این روش، عوامل کلاته کننده می‌توانند اثرات منفی آب سخت را کاهش دهند. در زیر، واکنش کاتیون کلسیم با لیگاند EDTA نشان داده شده است. مقدار بزرگ «ثابت تشکیل» (Formation Constant) تمایل انجام واکنش به طرف راست را نشان می‌دهند.

$$Ca ^ {2+} + EDTA^ {4-} \longrightarrow [Ca (EDTA)] ^{2-}$$

$$K _f = 4.9 \times 10^{10}$$

اسمز معکوس

روش آخری برای حذف سختی آب، «اسمز معکوس» (Reverse Osomis) نام دارد. این روش، از فشارهای زیاد برای عبور آب از میان یک غشای نیمه‌تراوا استفاده می‌کند. این غشای نیمه‌تراوا، مانع عبور یون‌های بزرگتر ایجاد کننده سختی آب می‌شود و به این ترتیب، سختی آب کاهش پیدا می‌کند. در طول این فرآیند، آب سخت همراه با کاتیون‌های فلزی محلول و ترکیبات مشابه، از طریق یک غشای نیمه‌تراوا، با اعمال فشار به بخش دیگر منتقل خواهد شد که با عبور از غشا،‌ غلظت این کاتیون‌ها کاهش پیدا می‌کند و آب، تصفیه خواهد شد.

البته این روش در مقایسه با سایر روش‌های تصفیه آب، در تصفیه فاضلاب‌ها کاربردی ندارد. فرآیند اسمز معکوس در تصویر زیر نشان داده شده که البته در این تصویر، نمک‌زدایی از آب شور نمایش داده شده است اما حذف سختی آب نیز به همین شکل صورت می‌گیرد.

اسمز معکوس

اندازه‌گیری سختی آب

سختی آب را به روش‌های مختلفی می‌توان اندازه‌گیری کرد و امروزه، کیت‌های مختلفی برای اندازه‌گیری سختی آب وجود دارند اما در ادامه، نحوه اندازه گیری سختی آب را به کمک تیتراسیون یاد می‌گیریم. به عبارت دیگر، مقدار کلسیم موجود در نمونه‌ را به کمک روش تیتراسیون، اندازه‌گیری می‌کنیم.

در این روش، به کمک لوازم آزمایشگاهی،‌ نمونه‌ای از آب را مورد بررسی قرار می‌دهیم و مقدار کلسیم موجود در آن را اندازه‌گیری می‌کنیم. اگر با نحوه کار تیتراسیون آشنا نیستید، می‌توانید انواع مطالب مربوط به تیتراسیون را در «مجله فرادرس» مطالعه کنید که از میان آن‌ها می‌توان به تیتراسیون رسوبی، اکسایش کاهش و تیتراسیون اسید باز اشاره کرد.

در اینجا، محلول EDTA به عنوان تیترانت شناخته می‌شود که در واکنش با یون‌های کلسیم موجود در آب، ‌کلات‌سازی انجام می‌شود. واکنش EDTA با یون کلسیم در تصویر زیر نشان داده شده است.

واکنش بالا تنها در مقادیر بالای pH رخ می‌دهد، بنابراین، محلول بافر با pH برابر با ۱۰، به نمونه اضافه می‌شود. همچون واکنش‌های اسید و باز، از یک معرف برای تعیین نقطه پایانی استفاده می‌کنیم. معرف مورد استفاده در این آزمایش، «اریوکروم بلک‌تی» (Erichrome Black T) نام دارد.

اریوکروم بلک‌تی

«معرف یون فلزی» (Metal Ion Indicator) به ترکیبی می‌گویند که رنگ آن به هنگام تشکیل پیوند با یون فلزی، تغییر کند. برای این‌که چنین معرفی در تیتراسیون با EDTA مفید باشد، باید یون فلزی خود را به EDTA بدهد. معرف در حالت آزاد (بدون پیوند) به رنگ آبی است. مقادیر کمی از معرف به محلول حاوی یون کلسیم اضافه می‌شود و کمپلکسی قرمز‌رنگ تشکیل می‌شود. اگر معرف را با «$$In ^ {2-}$$» نشان دهیم، واکنش آن، به صورت زیر خواهد بود:

$$\begin {equation} \mathrm {Ca}^{2+}+ \mathrm {In}^{2-} \longrightarrow \mathrm {Ca In} \end {equation}$$

در طرف چپ واکنش، رنگ $$In ^ {2-}$$ به رنگ آبی و ترکیب سمت راست، به رنگ قرمز است. در این آزمایش، زمانیکه محلول قرمزرنگ به آبی تبدیل شود، به نقطه پایانی می‌رسیم که نشان می‌دهد EDTA به طور کامل با تمامی یون‌های کلسیم در نمونه آب، واکنش داده است.

$$\begin {equation}\text { CaIn }+ \quad \mathrm {EDTA}^{4} \rightarrow \mathrm {CaEDTA}^ {2-}+ \mathrm{In }^ {2-} \end {equation}$$

در پایان نیز باید مقدار یون‌های کلسیم موجود را محاسبه کنیم. برای بیان غلظت نیز از «ppm» استفاده می‌شود. در این آزمایش نیز غلظت کلسیم کربنات را بر اساس ppm محاسبه می‌کنیم. با داشتن حجم نمونه آب و حجم EDTA مصرفی، می‌توان میزان سختی آب را محاسبه کرد.

 1000 × حجم EDTA مصرفی در تیتراسیون (میلی‌لیتر) / حجم نمونه آب = غلظت کلسیم کربنات (بر حسب ppm)

بعد از انجام محاسبات، به کمک جدول زیر، میزان سختی آب را تعیین کنید.

غلظت (ppm) سختی آب
کمتر از ۶۱ آب با سختی کم (آب نرم)
۱۲۰-۶۱ سختی متوسط
۱۸۰-۱۲۱ آب سخت
بیشتر از ۱۸۰ آب بسیار سخت

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سهیل بحر کاظمی (+)

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه دارد و در زمینه‌ متون شیمی به تولید محتوا می‌پردازد.

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *