Nước Cứng – Wikipedia Tiếng Việt

 

Độ cứng của nước được xác định bằng nồng độ những cation đa hóa trị tồn tại trong nước. Cation đa hóa trị là những hợp chất phức kim loại có điện tích lớn hơn 1+ (nghĩa là có hóa trị II trở lên). Những cation thường gặp trong nước cứng là ion Ca2+ và Mg2+. Khi nước thẩm thấu qua các lớp đá khoáng trong tầng ngậm nước, những ion này sẽ hòa tan vào nước.[6] Loại đá khoáng chứa ion calci và magnesi chủ yếu là dolomit (CaMg(CO3)2).[7] Nước mưa và nước cất được xem là "nước mềm" vì chứa rất ít ion kim loại.[6]

Nước mưa, vốn chứa ít ion kim loại, khi rơi xuống đất sẽ trở thành nước mặt, kéo theo các tạp chất như bụi bẩn, chất rắn hòa tan, huyền phù, đồng thời khí cacbon dioxide (CO2) có trong không khí. Khí CO2 trong các quá trình sinh học, như phân hủy sinh vật, sẽ tiếp tục được hấp thu vào nước mặt và các tầng nước ngầm. Cacbon dioxide khi hòa tan trong nước sẽ tạo dung dịch axit cacbonic (H2CO3). Axit cacbonic sẽ hòa tan những loại đá khoáng như dolomit (chứa calci cacbonat và magie cacbonat) hoặc đá vôi (chứa calci cacbonat) theo phản ứng hóa học sau:[8]

H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO−3 H2CO3 + MgCO3 → Mg2+ + 2HCO−3

Các quá trình hấp thụ CO2 vào nước và phản ứng hòa tan các đá khoáng cacbonat sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được dung dịch loãng chứa muối hydro cacbonat (bicacbonat) của calci và magnesi. Quá trình cân bằng hóa học được thể hiện bằng phương trình tổng quát như sau (với calci cacbonat đại diện cho độ cứng của nước):

CaCO3 + CO2 + H2O ⇌ Ca2+ + 2HCO−3

 

Phản ứng trên có tính thuận nghịch. Nước mưa chứa CO2 sẽ phản ứng với calci cacbonat và hòa tan ion calci vào nước, đồng thời tạo ion hydro cacbonat. Ngược lại, khi cacbon dioxide bị bay hơi khỏi dung dịch (ví dụ, do nhiệt độ tăng lên), cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về bên trái theo nguyên lý Le Chatelier, tạo thành kết tủa calci cacbonat dạng rắn, dưới dạng đá calcit, thạch nhũ, hoặc măng đá.

Độ cứng tạm thời

sửa Bài chi tiết: Độ cứng cacbonat

Độ cứng tạm thời, hay còn gọi là "độ cứng cacbonat", là độ cứng tương đương với hàm lượng cacbonat và hydro cacbonat trong nước của ion calci và magnesi.[9][10] Nước cứng tạm thời chứa hai cation calci và magnesi (Ca2+, Mg2+) cùng hai anion cacbonat và hydro cacbonat (CO2−3, HCO−3). Hàm lượng cation Ca2+, Mg2+ liên quan đến độ cứng của nước. Tuy nhiên, khác với độ cứng vĩnh cửu, độ cứng tạm thời có thể được xử lý bằng phương pháp dùng nhiệt độ. Khi đun sôi nước, ion hydro cacbonat sẽ tạo thành cacbonat, phương trình cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, tạo thành calci cacbonat kết tủa khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt trở thành "nước mềm". Phản ứng hóa học được biểu diễn như sau:[10]

Ca(HCO3)2 + ΔH → CaCO3↓ + H2O + CO2↑

Với ΔH là nhiệt được cung cấp.

Độ cứng vĩnh cửu

sửa

Độ cứng vĩnh cửu, hay còn gọi là độ cứng phi cacbonat, gây ra do sự có mặt của các muối chloride và sulfat như CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4. Những muối này không kết tủa khi đun sôi nước do các ion chloride và sulfat không bị phân hủy do nhiệt như ion hydro cacbonat trong nước cứng tạm thời. Do vậy, loại độ cứng này không thể xử lý được bằng phương pháp nhiệt.[11] Khi một mẫu dung dịch nước được đun sôi, các ion hydro cacbonat (HCO−3) sẽ phân hủy thành CO2−3 và khí CO2; các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ kết hợp với CO2−3 tạo kết tủa. Phản ứng này sẽ dừng lại khi toàn bộ lượng ion cacbonat đã được kết tủa hết. Lượng ion Ca2+ và Mg2+ còn lại trong dung dịch chính là độ cứng vĩnh cửu.[12] Độ cứng vĩnh cửu có thể được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, khi sử dụng vôi tôi (Ca(OH)2), sođa (Na2CO3), hoặc natri aluminat (NaAlO2).[13]

Độ cứng toàn phần

sửa

Độ cứng toàn phần, hay còn gọi là "độ cứng tổng", bằng tổng hàm lượng toàn bộ các ion calci và magnesi có trong dung dịch, được thể hiện dưới hàm lượng tương đương của CaCO3.[9][14] Nói cách khác, độ cứng toàn phần bằng giá trị độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu cộng lại. Độ cứng tạm thời được tính dựa trên hàm lượng ion hydro cacbonat, còn độ cứng toàn phần được tính dựa trên hàm lượng ion calci và magnesi. Nếu độ cứng tạm thời lớn hơn hoặc bằng độ cứng toàn phần, có thể suy ra giá trị độ cứng vĩnh cửu bằng 0 và độ cứng tạm thời chính là giá trị độ cứng của dung dịch.[14]