آب سخت چیست؟ – به زبان ساده

آب سخت چیست ؟

یون‌های موجود در آب

فیلم آموزش مقایسه چگالی یخ و آب در فرادرس

کلیک کنید

انواع آب سخت

• اگر $$(gpg)$$ کمتر‌ از ۳-۰ باشد، نرم (Soft Water) است.
• اگر $$(gpg)$$ بین ۷-۳٫۵ باشد، کمی سخت و ایده‌ال است.
• اگر $$(gpg)$$ بالای ۷٫۵ باشد، سخت و بهتر است با روش‌های موجود سختی آن را از بین ببرند یا کاهش دهند.

به طور کلی دو نوع آب سخت وجود دارد.

• آب سخت موقت (Temporary Hardness)
• آب سخت دائم (Permanent Hardness)

در ادامه هر دوی این موارد را به تفضیل بررسی خواهیم کرد.

سختی کل آب

آب سخت خود به دو دسته آب سخت موقت و آب سخت دائم طبقه‌بندی می‌شود. اما معنای هر کدام چیست؟

• سختی موقت: به آبی که یون‌‌های آن در اثر جوشاندن، از آب حذف می‌شوند سختی موقت می‌گوییم.
• سختی دائم: سختی دائم وجود یون‌هایی در آب است که با جوشاندن، اتفاقی برایشان نمی‌افتد و در آب باقی می‌مانند.

به مجموع سختی موقت و سختی دائم، سختی کل گفته می‌شود، یعنی سختی کل شامل تمام یون‌های داخل آن است، چه آن‌هایی که با جوشیدن از بین می‌روند چه آن‌ها که باقی می‌مانند.

آب سخت موقت چیست ؟

$$CaCO_{3 \; (s)} + CO_{2 \; (aq)} + H_2O_{(l)} \rightleftharpoons Ca^{2+}_{(aq)} + 2HCO^-_{3 \; (aq)}$$

$$CaCO_{3 \; (s)} \rightleftharpoons Ca^{2+}_{(aq)} + CO^{2-}_{3 \; (aq)}$$

$$K_{(sp)} = 2.8 \times 10^{-9}$$

آب سخت دائم چیست ؟

آب سخت دائم از غلظت‌های بالای آنیون‌هایی مانند سولفات $$SO_4^{2-}$$ تشکیل شده است. از‌ آنجا که این آب سخت، برخلاف آب سخت موقت تنها با افزایش دما و تشکیل رسوب مواد معدنی قابل سختی‌زدایی نیست، به آن آب سخت دائم می‌گوییم. با این حال سختی آن را می‌توان از روش‌های دیگری از بین برد، به همین دلیل نام آب سخت دائم ممکن است کمی گمراه‌کننده باشد.

رسوب‌های حاصل از آب سخت دائم مانند نوع موقت آن می‌تواند باعث ایجاد انسداد در لوله‌های انتقال آب شود. همان‌طور که پیشتر اشاره کردیم آب سخت حاوی کاتیون کلسیم و منیزیم است. این کاتیون‌ها با صابون وارد واکنش شده و ترکیبات نامحلولی را به وجود می‌آورند که به صورت لکه و رسوب در سینک باقی می‌ماند. به علاوه واکنش این کاتیو‌ن‌ها با صابون باعث می‌شود که صابون کف خوبی تولید نکند. در واقع کارایی آن را به شدت کاهش می‌دهد. در واکنش زیر نمونه‌ای از این مورد را می‌بینید که در آن منیزیم موجود در آب سخت با یکی از اجزای صابون، در این مورد استئارات $$(C_{18}H_{35}O_2)^{2-})$$،‌ وارد واکنش شده است. تشکیل منیزیم استئارات نامحلول $$(Mg(C_{18}H_{35}O_2)_{2} )$$، مسئول ناکارمد بودن صابون است. این واکنش به صورت زیر نشان داده می‌شود.

$$2(C_{18}H_{35}O_2)^{2-}_{(aq)} + Mg^{2+}_{(aq)} \longrightarrow Mg(C_{18}H_{35}O_2)_{2 \; (s)}$$

نحوه نرم کردن آب سخت

نرم کردن آب فرایندی است که به روش‌های متنوع و با هدف‌های وسیعی صورت می‌گیرد. در زیر به برخی از مهم‌ترین این اهداف در کاربردهای صنعتی و خانگی اشاره می‌کنیم.

فیلم آموزش علوم‌تجربی پایه هفتم در فرادرس

کلیک کنید

• عدم کف کردن صابون: همان‌طور که گفتیم صابون در آب سخت به‌خوبی کف نمی‌کند و نه تنها باعث اتلاف وقت و انرژی می‌شود بلکه ممکن است باعث ضربه به اقتصاد برخی صنایع شود. مثلا کارواش‌ها و آرایشگاه‌ها برای جلوگیری از اصراف شوینده می‌خواهند که سختی آب خود را از بین ببرند.
• عدم تخریب لوله‌ها: ایجاد رسوب حاصل از آب سخت علاوه بر ناخوشایند بودن، می‌تواند باعث مسدود شدن لوله‌های انتقال شود. برای رفع این مشکل ممکن است بخواهیم سختی را از بین ببریم.
• عدم تشکیل رسوب: تشکیل رسوب‌های سفید مایل به زرد روی سینک و شیرآلات منظره نامطلوبی را در خانه به وجود می‌آورد.
• حس ناخوشایند آب سخت بر پوست: گفتیم که آب سخت بیشتر و سریع‌تر از‌آب نرم باعث خشک شدن پوست می‌شود. برخی افراد به همین دلیل ترجیح می‌دهند از آب سخت استفاده نکنند.

تبادل یون

برای انجام این کار آب را از ستون حاوی رزین یا زئولیت عبور می‌دهند. در این فرایند یون‌های نامطلوب به رزین متصل می‌شوند و جای‌ خود را به کاتیون‌های دیگری می‌دهند. یون‌های آب سخت به دلیل اتصال به رزین تبدیل به یون ثابت می‌شوند. به یون‌های جایگزین شده از ستون، یون مخالف می‌گویند. تصویر زیر نحوه انجام این فرایند را به‌خوبی نشان می‌دهد.

استفاده از‌‌ آهک در فرایند کلارک

واکنش‌های استفاده از آهک برای گرفتن سختی آب را می‌توان به صورت زیر نمایش داد. ابتدا با افزودن کلسیم هیدروکسید یون‌های کلسیم به صورت کلسیم کربنات در می‌آیند.

$$Ca^{2+} + 2 HCO_3^- + Ca(OH)_{2(s)} \rightarrow 2 CaCO_{3(s)} + 2 H_2O$$

افزودن مقادیر بیشتری از کلسیم هیدروکسید، باعث افزایش $$pH$$ آن می‌شود و یون‌های منیزیم نیز به این صورت حذف خواهند شد.

$$Mg^{2+} + Ca(OH)_{2(s)} \rightarrow Mg(OH)_{2(s)} + Ca^{2+}$$

در ادامه با افزودن مقداری سدیم کربنات، یون‌های کلسیم بیشتری از محیط خارج می‌شوند.

$$Na_2CO_3 \rightarrow 2 Na^+ + CO_3^{2-}$$

$$Ca^{2+} + CO_3^{2-} + \rightarrow CaCO_{3(s)}$$

$$Mg(OH)_{2 \; (s)} \rightleftharpoons Mg^{2+}_{(aq)} + 2OH^-_{(aq)}$$

$$K_{(sp)} = 1.8 \times 10^{-11}$$

روش تیتراسیون تشکیل کی‌لیت

روشی دیگر برای گرفتن سختی استفاده از عوامل کی‌لیت‌ساز (Chelate) است. کی‌لیت‌های چند دندانه (Polydentate)، مانند کی‌لیت پنج دندانه اتیلن دی‌آمین تترااستیک اسید $$(EDTA)$$ به یون‌های ناخواسته متصل می‌شوند. بنابراین با افزودن این ماده به آب سخت می‌توان دو یون منیزیم و کلسیم را از آن جدا کرد.

این عوامل کی‌لیت‌ساز حلقه بسیار پایداری با این کاتیون‌های فلزی تشکیل می‌دهد، به‌طوری که دیگر با هیچ ماده افزودنی دیگری، مثلا صابون، وارد واکنش نمی‌شوند. به این صورت عوامل کی‌لیت‌ساز تاثیرات منفی این یون‌ها را کاهش می‌دهند. ساختار شیمیایی اتیلن دی‌‌آمین تترااستیک اسید را در زیر مشاهده می‌کنید.

در ادامه واکنش بین عامل کی‌لیت‌ساز اتیلن دی‌آمین تترااستیک اسید با کاتیون کلسیم نشان داده شده است. مقدار ثابت تشکیل این واکنش $$(K_f)$$ نشان‌دهنده تمایل بالای واکنش برای پیش‌روی در مسیر خود است.

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

$$K_f = 4.9 \times 10^{10}$$

سوالی که اینجا به ذهن می‌آید این است که عامل کی‌لیت‌ساز اتیلن دی‌امین تترااستیک اسید با کدام فلزها تشکیل پیچیده (Complex) پایدار می‌دهد. همان‌طور که در بالا گفتیم این عامل با کاتیون‌های دو عنصر فلزی منیزیم و کلسیم به خوبی همراه می‌شود. در برخی موارد با کاتیون آلومینیوم $$(Al^{3+})$$ و آهن $$(Fe^{3+} و \: Fe^{2+})$$ نیز می‌تواند همراه شود.

• ثابت انحلال‌پذیری آلومینیوم