Химия Инфо

Магний, кальций и жёсткость воды

Магний и кальций находятся в одной группе периодической системы и часто образуют соединения сходного состава. Их ионы встречаются в природной воде. Но реакция металла с водой, растворимость его гидроксида и поведение растворённых солей — три разных вопроса.

Магний и кальций как металлы

Mg и Ca относятся к группе 2. В обычных соединениях их степень окисления равна +II. При образовании катиона нейтральный атом отдаёт два электрона; поэтому формулы хлоридов — MgCl2 и CaCl2, оксидов — MgO и CaO.

Оба простых вещества имеют металлическую связь и проявляют восстановительные свойства. Магний применяют в лёгких сплавах. Кальций вследствие активности широко встречается в природе в соединениях, например в карбонатах и сульфатах. Элемент кальций в минерале — не свободный металлический кальций.

Кальций реагирует с водой с образованием малорастворимого гидроксида и водорода:

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑.

Для магния при комнатной температуре реакция с водой сильно затруднена поверхностной плёнкой. С горячей водой взаимодействие ускоряется; со специально нагретым водяным паром школьная схема даёт оксид:

Mg + H2O(г) → MgO + H2↑.

Условие нагревания здесь существенно. Нельзя приписывать магнию ту же наблюдаемую реакцию с холодной водой, что кальцию. С разбавленной соляной кислотой магний реагирует по уравнению:

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2↑.

Оксиды, гидроксиды и карбонаты

MgO и CaO — основные оксиды. Они взаимодействуют с подходящими кислотами с образованием соли и воды. Гидроксид магния Mg(OH)2 плохо растворим; гидроксид кальция тоже ограниченно растворим, однако его раствор имеет щелочную среду.

Негашёная известь CaO превращается с водой в гашёную известь:

CaO + H2O → Ca(OH)2.

Это экзотермическое превращение.

Карбонат кальция реагирует с соляной кислотой:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O.

При наличии воды и растворённого CO2 карбонат может переходить в растворённые гидрокарбонаты. Так взаимодействие пород с природной водой изменяет её ионный состав.

Что называют жёсткостью воды

В школьном курсе жёсткость воды связывают прежде всего с содержанием растворённых ионов Ca2+ и Mg2+. Общая минерализация и жёсткость — разные характеристики.

Раствор NaCl может содержать много соли, но не приобретает от одного хлорида натрия кальциево-магниевую жёсткость. Точно так же взвесь мела и прозрачный раствор солей — разные системы: для жёсткости важны растворённые ионы.

Ионы кальция и магния образуют с анионами обычного мыла малорастворимые соединения. Поэтому часть мыла расходуется до образования устойчивой пены. Этот признак помогает объяснить бытовое наблюдение, но не заменяет количественного анализа воды.

Временная и постоянная жёсткость

ВидШкольная модель составаДействие кипячения
Временная, карбонатнаяГидрокарбонаты кальция и магнияУменьшается при разложении гидрокарбонатов и образовании осадка
Постоянная, некарбонатнаяНапример, хлориды и сульфаты Ca и MgНе устраняется обычным кипячением

Для кальциевого гидрокарбоната при нагревании записывают:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O.

Образование карбонатного осадка связано с накипью. Превращения магниевых гидрокарбонатов могут включать дальнейший гидролиз и образование гидроксида, поэтому переносить одну кальциевую схему на все примеси не следует.

Кипячение уменьшает временную жёсткость, но не превращает любую жёсткую воду в полностью обессоленную. Постоянная жёсткость требует других способов удаления ионов.

Другие способы умягчения

В промышленной обработке применяют осаждение, ионный обмен и мембранные процессы. Например, карбонат-ионы способны осаждать кальций:

Ca2+ + CO32− → CaCO3↓.

При ионном обмене Ca2+ и Mg2+ удерживаются материалом и заменяются другими ионами, например Na+. Общая масса растворённых веществ при этом не обязана исчезнуть. Дистилляция отделяет воду от большинства нелетучих солей, но умягчение и полная очистка от всех возможных загрязнений также не тождественны.

Три разобранных примера

1. Составить формулу соли

Катион Ca2+ и гидрокарбонат-ион HCO3− должны дать нейтральную формулу. Нужны два однозарядных аниона: Ca(HCO3)2. Скобки относятся ко всему гидрокарбонат-иону, а не только к кислороду.

2. Рассчитать массу осадка

В модели при нагревании полностью разлагается 0,020 моль Ca(HCO3)2. По уравнению образуется столько же CaCO3. Примем M(CaCO3) = 100 г/моль:

m(CaCO3) = 0,020 · 100 = 2,0 г.

Масса осадка — не масса всей воды и не обязательное содержание накипи в реальном приборе: здесь заданы полное превращение и конкретная соль.

3. Определить, что останется после кипячения

Вода содержит Ca(HCO3)2 и MgCl2. Первая соль связана с временной жёсткостью. Хлорид магния даёт постоянную составляющую, которая обычным кипячением не устраняется. Значит, исчезновение части кальциевых ионов не доказывает полного умягчения.

Типичные ошибки

  • Объяснять жёсткость любой растворённой солью, включая NaCl.
  • Считать осадок и растворённые ионы одним и тем же.
  • Утверждать, что кипячение удаляет все соли и все загрязнения.
  • Забывать условия реакции магния с водой или паром.

Проверьте себя

  1. Почему формула хлорида магния — MgCl2?
  2. Какая вода имеет временную жёсткость: с Ca(HCO3)2 или только с CaCl2?
  3. Как изменяется кальциевая временная жёсткость при кипячении?
  4. Сколько CaCO3 образуется из 0,050 моль Ca(HCO3)2 в идеальной модели?
  5. Исчезает ли вся минерализация при замене Ca2+ на Na+ ионным обменом?

Ответы и объяснения

  1. Заряд Mg2+ компенсируют два Cl−; суммарный заряд равен нулю.
  2. В первой воде: гидрокарбонат связан с карбонатной составляющей. Хлорид кальция даёт постоянную жёсткость.
  3. Уменьшается: часть кальция переходит в карбонатный осадок, а CO2 удаляется.

  4. m(CaCO3) = 0,050 · 100 = 5,0 г.

    Соотношение солей по уравнению 1 : 1.

  5. Нет: растворённые ионы заменяются другими; уменьшение жёсткости не равно удалению всех солей.

Связанные темы и источники

Повторите натрий и калий, свойства металлов и соли.

Источники: RSC: временная и постоянная жёсткость; RSC: способы умягчения.