Жесткость воды, по сути, является мерой концентрации двухвалентных катионов (в основном Ca²⁺ и Mg²⁺, а также небольших количеств Sr²⁺, Ba²⁺ и Fe²⁺).
В водной химии и инженерной очистке жесткость подразделяют на временную и постоянную. Временная жесткость — это концентрация ионов кальция и магния, связанных с бикарбонатами (HCO₃⁻) и карбонатами (CO₃²⁻) в воде. Поскольку pH природной воды обычно ниже 8,3, она существует преимущественно в виде бикарбонатов (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂).
При нагревании воды выше 60-70 градусов происходит реакция термического разложения с выпадением в осадок карбонатов:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (промежуточный продукт, далее гидролизуется до Mg(OH)₂)
Его теоретическое максимальное значение ограничено общей щелочностью воды (в основном HCO₃⁻). Когда общая жесткость > общей щелочности, карбонатная жесткость=общая щелочность. Это основа расчета водного баланса.
Постоянная жесткость представляет собой соль, образованную комбинацией анионов кальция, магния и сильных кислот, таких как сульфат (SO₄²⁻), хлорид (Cl⁻) и нитрат (NO₃⁻) (например, CaSO₄, MgCl₂).
Эти соли имеют высокую растворимость (например, растворимость CaSO₄ составляет примерно 2,1 г/л при 25 градусах) и не образуют карбонатных осадков после кипячения, отсюда и термин «постоянные». Однако при высокой температуре и давлении (например, в котлах) их растворимость меняется на обратную (уменьшается с повышением температуры), образуя твердую, плотную окалину сульфата кальция, которая более вредна.
На международном уровне мг/л CaCO₃ (в пересчете на карбонат кальция) используется в качестве стандартизированной единицы для простоты расчетов и сравнения.
*Руководство ВОЗ по качеству питьевой-воды* не устанавливает обязательный предел жесткости, но указывает, что идеальный диапазон может составлять 60–120 мг/л, и подчеркивает риск коррозии из-за чрезмерно низкой жесткости (<30 mg/L).
Китайские *Стандарты качества питьевой воды* предусматривают предел жесткости 450 мг/л (на основе органолептических показателей и воды-с использованием оборудования).
Большинство компаний по водоснабжению в США рекомендуют жесткость ниже 150–200 мг/л.
Кальциевая жесткость по сравнению с магниевой жесткостью
1 ммоль/л Ca²⁺ дает 100 мг/л в виде CaCO₃, а 1 ммоль/л Mg²⁺ дает 122 мг/л в виде CaCO₃. Это означает, что при одинаковой массовой концентрации ионы магния обеспечивают более высокую молярную твердость.
Накипь карбоната кальция (CaCO₃) плотная и твердая, обычно встречается в трубах с горячей водой. Окалина гидроксида магния (Mg(OH)₂) или силиката магния более рыхлая и скользкая, но более стабильна при высоких температурах.
Magnesium is an essential element for the human body. Studies have shown a negative correlation between magnesium content in drinking water and cardiovascular disease mortality. The World Health Organization recommends that the magnesium content in drinking water should be >10 мг/л (приблизительно 41,5 мг/л по магниевой жесткости CaCO₃).
Исследования показывают, что вода с массовым соотношением, близким к 2:1 (Ca:Mg), может быть более полезной для минерального обмена человека и ближе к соотношению природной минеральной воды высокого-качества.
