Жорсткість води та способи її усунення
~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Хімія — повний курс.
Розрізняй тимчасову, постійну й загальну жорсткість води за йонами Ca²⁺ і Mg²⁺. Складай рівняння реакцій усунення жорсткості кип'ятінням, гашеним вапном, содою та натрій ортофосфатом.
Жорсткість води — це сукупність властивостей води, зумовлених наявністю в ній розчинених солей Кальцію й Магнію, тобто йонів Ca²⁺ і Mg²⁺. Чим більша концентрація цих йонів, тим вода жорсткіша. М'яка вода, як-от дощова або дистильована, містить їх дуже мало.
Види жорсткості
Розрізняють три види жорсткості:
Тимчасова (карбонатна) жорсткість — зумовлена гідрогенкарбонатами: Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂.
Постійна (некарбонатна) жорсткість — зумовлена сульфатами й хлоридами: CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂.
Загальна жорсткість — сума тимчасової й постійної.
Походження жорсткості
Тимчасова жорсткість виникає, коли вода, насичена вуглекислим газом, проходить крізь вапняки. Вуглекислий газ у воді утворює карбонатну кислоту, яка реагує з нерозчинним кальцій карбонатом:
CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇄ Ca(HCO₃)₂
Цей процес є оборотним. Пряма реакція (розчинення вапняку) формує карстові печери, а зворотна — утворює сталактити й сталагміти. Постійну жорсткість дає розчинення гіпсу (CaSO₄·2H₂O), а також солей Магнію (MgSO₄, MgCl₂) у підземних водах.
Шкода жорсткої води
Під час нагрівання жорсткої води гідрогенкарбонати розкладаються, і утворюється накип — твердий осад CaCO₃ та малорозчинних сполук Магнію. Накип погано проводить тепло, тому для нагрівання води в чайнику, бойлері чи промисловому котлі потрібно більше енергії. Крім того, шар накипу звужує труби й спричиняє перегрів і поломку нагрівальних елементів.
У жорсткій воді мило піниться гірше, тому що йони Ca²⁺ реагують із милом, утворюючи нерозчинні солі (кальцієві солі жирних кислот). Це змушує витрачати більше мила, а на білизні й посуді залишається сірий наліт.
Накип у домашніх умовах безпечно знімають оцтовою або лимонною кислотою — вони реагують із CaCO₃, перетворюючи його на розчинні солі.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Тимчасова жорсткість, зумовлена гідрогенкарбонатами Кальцію й Магнію, усувається кількома способами. Найпростіший — кип'ятіння.
Кип'ятіння
Під час кип'ятіння гідрогенкарбонати розкладаються з утворенням нерозчинних карбонатів, вуглекислого газу й води:
Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Для магній гідрогенкарбонату в шкільній програмі використовують спрощену схему:
Mg(HCO₃)₂ → MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
У реальних умовах склад магнієвого накипу складніший — він може містити основні карбонати й Mg(OH)₂. У шкільних завданнях зазвичай використовують наведену спрощену схему; знай також, що за тривалого кип'ятіння в накипі може утворюватися Mg(OH)₂.
Гашене вапно
Додавання гашеного вапна Ca(OH)₂ в розрахованій кількості також усуває тимчасову жорсткість:
Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Важливо не перевищувати потрібну кількість вапна: надлишок Ca(OH)₂ сам додає у воду йони Ca²⁺, тобто знову підвищує жорсткість.
Сода
Кальцинована сода Na₂CO₃ теж усуває тимчасову жорсткість, осаджуючи йони Ca²⁺ у вигляді CaCO₃:
Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaHCO₃
Зверни увагу: кип'ятіння не діє на сульфати й хлориди Кальцію та Магнію. Якщо вода містить CaSO₄ або CaCl₂, після кип'ятіння постійна жорсткість залишається.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Постійну жорсткість, зумовлену сульфатами й хлоридами Кальцію та Магнію, не можна усунути кип'ятінням. Для цього потрібні реагенти, які зв'язують йони Ca²⁺ і Mg²⁺ в нерозчинні сполуки.
Усунення содою (Na₂CO₃)
Кальцинована сода Na₂CO₃ осаджує йони Кальцію й Магнію у вигляді карбонатів (CaCO₃ нерозчинний, MgCO₃ малорозчинний):
CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄
MgCl₂ + Na₂CO₃ → MgCO₃↓ + 2NaCl
Скорочене йонне рівняння для Кальцію:
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓
Сода усуває як постійну, так і тимчасову жорсткість, тобто усуває загальну жорсткість.
Усунення натрій ортофосфатом (Na₃PO₄)
Натрій ортофосфат утворює з йонами Ca²⁺ і Mg²⁺ ще менш розчинні фосфати:
3CaCl₂ + 2Na₃PO₄ → Ca₃(PO₄)₂↓ + 6NaCl
Скорочене йонне рівняння для Магнію:
3Mg²⁺ + 2PO₄³⁻ → Mg₃(PO₄)₂↓
Як і сода, натрій ортофосфат усуває загальну жорсткість, оскільки осаджує йони з будь-яких солей.
Інші методи пом'якшення води
Йонообмінні смоли (катіоніти) у фільтрах заміняють йони Ca²⁺ і Mg²⁺ на йони Na⁺. Такий метод широко застосовують у промислових і побутових фільтрах.
Дистиляція дає практично м'яку воду, але це енергетично дорогий спосіб, тому для пом'якшення великих об'ємів води її не використовують; дистильована вода потрібна переважно в лабораторіях, медицині й техніці.
Що НЕ усуває жорсткість
Деякі речовини не здатні пом'якшувати воду, бо не зв'язують йони Ca²⁺ і Mg²⁺ в осад. До них належать:
натрій хлорид NaCl (кухонна сіль);
калій нітрат KNO₃;
хлоридна кислота HCl.
Ці речовини не утворюють нерозчинних сполук з Ca²⁺ і Mg²⁺, тому жорсткість води після їх додавання не змінюється.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Вибір реагенту для усунення постійної жорсткості
Завдання. Вода містить розчинений кальцій сульфат CaSO₄. Який реагент потрібно додати, щоб усунути жорсткість?
Розв'язання. CaSO₄ зумовлює постійну жорсткість. Кип'ятіння не діє на сульфати. Потрібен реагент, який осадить йони Ca²⁺. Кальцинована сода Na₂CO₃ дає нерозчинний CaCO₃: CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄. NaCl, HCl і KNO₃ не утворюють осаду з Ca²⁺.
Відповідь: Na₂CO₃.
Чому інші варіанти неправильні: NaCl — не утворює осаду з Ca²⁺; HCl — не зв'язує Ca²⁺ в осад; KNO₃ — усі нітрати й солі Калію розчинні, тому осаду з Ca²⁺ не буде.
Приклад 2. Логічні пари: процес → продукти
Завдання. Установи відповідність між процесом (1–3) і продуктами реакції (А–Д).
1 Кип'ятіння води з Ca(HCO₃)₂
2 CaSO₄ + Na₂CO₃
3 MgCl₂ + Na₃PO₄
А CaCO₃, CO₂ і H₂O
Б CaCO₃ і Na₂SO₄
В Mg₃(PO₄)₂ і NaCl
Г CaO і CO₂
Д MgCO₃ і NaCl
Розв'язання. Для 1: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O — відповідає А. Для 2: CaSO₄ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + Na₂SO₄ — відповідає Б. Для 3: 3MgCl₂ + 2Na₃PO₄ → Mg₃(PO₄)₂↓ + 6NaCl — відповідає В. Варіанти Г і Д зайві.
Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.
Приклад 3. Усунення загальної жорсткості
Завдання. Вода містить Ca(HCO₃)₂ і MgSO₄. Яка обробка усуне загальну жорсткість?
Розв'язання. Ca(HCO₃)₂ — тимчасова жорсткість, MgSO₄ — постійна. Лише кип'ятіння усуне тільки Ca(HCO₃)₂, а MgSO₄ залишиться. NaCl не діє. Фільтрування не змінює хімічний склад. Сода Na₂CO₃ осаджує Ca²⁺ і Mg²⁺ з обох солей: Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaHCO₃ і MgSO₄ + Na₂CO₃ → MgCO₃↓ + Na₂SO₄.
Відповідь: додавання соди.
Чому інші варіанти неправильні: лише кип'ятіння — не усуває MgSO₄; додавання NaCl — не утворює осаду; фільтрування — не змінює йонний склад.
Приклад 4. Поява накипу в чайнику
Завдання. Яке рівняння пояснює появу накипу в чайнику під час кип'ятіння водопровідної води?
Розв'язання. Накип — це CaCO₃, який утворюється під час розкладу Ca(HCO₃)₂: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O. Інші варіанти: CaCO₃ → CaO + CO₂ — це розклад вапняку за високої температури, не в чайнику; CaSO₄ → CaO + SO₃ — сульфати не розкладаються під час кип'ятіння; CaCl₂ + H₂O → CaO + 2HCl — хлориди не реагують з водою так.
Відповідь: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Вважають, що кип'ятіння усуває постійну (сульфатну, хлоридну) жорсткість. Насправді кип'ятіння розкладає лише гідрогенкарбонати (тимчасова жорсткість). Сульфати й хлориди Ca²⁺ і Mg²⁺ під час кип'ятіння не змінюються.
Називають причиною жорсткості йони Na⁺, K⁺ чи Cl⁻, а не Ca²⁺ і Mg²⁺. Жорсткість зумовлюють саме йони Кальцію й Магнію. Йони Натрію, Калію чи хлорид-йони не утворюють нерозчинних сполук з милом і не дають накипу.
Вважають причиною тимчасової жорсткості нерозчинний CaCO₃, а не розчинний Ca(HCO₃)₂. Кальцій карбонат не розчиняється у воді, тому він не може зумовлювати жорсткість. Тимчасову жорсткість дають саме гідрогенкарбонати, які добре розчинні.
Пропонують кухонну сіль чи кислоту для пом'якшення води. NaCl і HCl не утворюють осаду з Ca²⁺ і Mg²⁺, тому жорсткість не зникає.
Додають гашене вапно в надлишку, хоча воно саме збільшує вміст Ca²⁺. Надлишок Ca(OH)₂ не вступає в реакцію і залишається у воді, підвищуючи концентрацію йонів Ca²⁺.
Записують розклад Ca(HCO₃)₂ без CO₂ чи з утворенням CaO. Правильне рівняння: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O. CaO утворюється лише за прожарювання CaCO₃ за високої температури (понад 800 °C), а не під час кип'ятіння.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Жорсткість води входить до теми 2.2.4 «Солі» програми НМТ з хімії. Програма вимагає називати види жорсткості, складати рівняння її усунення й доводити вплив жорсткої води на побутові прилади й комунікації.
У демонстраційному варіанті НМТ 2026 окремого завдання про жорсткість води немає. Тему 2.2.4 «Солі» представляють завдання № 11 і 12 — це завдання вибору однієї відповіді з чотирьох, кожне оцінюється в 1 бал.
Форми завдань, у яких може трапитися жорсткість води:
Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–18) — наприклад, реагент, що усуває постійну жорсткість, або рівняння, що пояснює появу накипу.
Логічні пари (завдання 19–20: 1–3 → А–Д, до 3 балів) — установлення відповідності «процес → продукти».
Корисна довідка: за таблицею розчинності CaCO₃ і Ca₃(PO₄)₂ нерозчинні («Н»), а MgCO₃ і Mg₃(PO₄)₂ малорозчинні («М»). Саме тому сода й натрій ортофосфат зв'язують йони жорсткості в осад.
Стратегія розв'язання: спершу визнач аніон солі — HCO₃⁻ (тимчасова жорсткість) чи SO₄²⁻, Cl⁻ (постійна жорсткість) — і лише потім обирай спосіб усунення. Для тимчасової жорсткості підходять кип'ятіння або гашене вапно. Для постійної — сода або натрій ортофосфат. Для загальної — сода або натрій ортофосфат.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому після кип'ятіння в чайнику з'являється накип?
Накип — це нерозчинний кальцій карбонат CaCO₃. Він утворюється, коли під час кип'ятіння розкладається кальцій гідрогенкарбонат Ca(HCO₃)₂, який міститься у водопровідній воді. Рівняння реакції: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O. CaCO₃ випадає в осад і накопичується на стінках чайника.
Чому кип'ятіння не допомагає, якщо у воді є CaSO₄?
CaSO₄ — це сіль, яка зумовлює постійну жорсткість. Кип'ятіння не розкладає сульфати, тому CaSO₄ залишається у воді в розчиненому вигляді. Для усунення постійної жорсткості потрібно додати реагент, який осадить йони Ca²⁺, наприклад соду Na₂CO₃ або натрій ортофосфат Na₃PO₄.
Чим безпечно зняти накип у чайнику?
Накип (CaCO₃) безпечно знімають оцтовою або лимонною кислотою. Кислота реагує з CaCO₃, перетворюючи його на розчинний кальцій цитрат або ацетат, який легко змивається водою. Не використовуй сильні мінеральні кислоти — вони можуть пошкодити поверхню чайника.
Чому в жорсткій воді мило погано піниться?
Йони Ca²⁺ і Mg²⁺, які містяться в жорсткій воді, реагують з милом (натрієвими солями жирних кислот) і утворюють нерозчинні кальцієві та магнієві солі жирних кислот. Ці солі не піняться й випадають у вигляді сірого осаду. Тому мила потрібно більше, щоб отримати піну.
Чи усуває сода тимчасову жорсткість?
Так, усуває. Сода Na₂CO₃ реагує з Ca(HCO₃)₂, утворюючи нерозчинний CaCO₃: Ca(HCO₃)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaHCO₃. При цьому у воді залишається натрій гідрогенкарбонат (харчова сода), який не зумовлює жорсткості. Сода усуває і тимчасову, і постійну жорсткість, тобто загальну.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Жорсткість води зумовлюють розчинені солі Кальцію й Магнію, тобто йони Ca²⁺ і Mg²⁺.
Тимчасова жорсткість — це гідрогенкарбонати Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂; постійна — сульфати й хлориди CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂; загальна — їхня сума.
Тимчасову жорсткість усувають кип'ятінням (Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O) або гашеним вапном (Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O).
Сода Na₂CO₃ і натрій ортофосфат Na₃PO₄ осаджують йони Ca²⁺ і Mg²⁺ у вигляді нерозчинних сполук, усуваючи загальну жорсткість.
Жорстка вода утворює накип на нагрівальних приладах, спричиняє перевитрату мила й звужує труби.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. Вода містить Mg(HCO₃)₂ (тимчасова жорсткість) та MgCl₂ (постійна жорсткість). Яка обробка усуне загальну жорсткість?
2. Яке рівняння описує усунення тимчасової жорсткості кип'ятінням води, що містить кальцій гідрогенкарбонат?
3. Які йони зумовлюють жорсткість води?
4. Чому кип'ятіння НЕ усуває постійну жорсткість, зумовлену кальцій сульфатом CaSO₄?
5. Яка сіль зумовлює тимчасову (карбонатну) жорсткість води?
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 10 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест