T3.6 Hårdt vand
Ikke alt, der er opløst i drikkevandet, er forurening. Hvide skaller i elkedlen, pletter på bruseren og en vaskemaskine, der skal have ekstra vaskepulver, skyldes to ioner, som vandet selv har hentet i undergrunden: calciumioner og magnesiumioner. Er der mange af dem, siger man, at vandet er hårdt.
Siden bygger på indgreb i en ligevægt fra afsnit B2.5 og på fældningsreaktioner fra afsnit 2.4 i bogen til C-niveau.
Vand med kalk i
Drikkevand i Danmark er grundvand. Det er det samme vand, som nitraten i T3.1 siver ned i. Regnvandet har været længe undervejs ned gennem jorden, og mange steder har det passeret tykke lag af kalk. Kalk er calciumcarbonat, CaCO3.
Kalk er tungtopløseligt i rent vand. Men vandet i jorden er ikke rent. Det har optaget carbondioxid fra luften og fra bakterier og planterødder i jorden. Carbondioxid og vand danner kulsyre, og kulsyren kan opløse kalken:
CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) ⇌ Ca2+(aq) + 2 HCO3−(aq)
Grundvandet indeholder derfor calciumioner og hydrogencarbonationer. På samme måde kommer der magnesiumioner fra mineraler med magnesium.
- Hårdt vand indeholder mange calciumioner og magnesiumioner.
- Blødt vand indeholder få.
Vandets hårdhed er den samlede koncentration af de to ioner, [Ca2+] + [Mg2+].
Hårdheden afhænger af undergrunden. I Danmark er vandet blødest i Vestjylland, hvor der er meget sand, og hårdest på Sjælland og øerne, hvor kalken ligger tæt under jordoverfladen.
Kedelsten
Reaktionen ovenfor er en ligevægt. Når vandet varmes op, bliver carbondioxid drevet ud af vandet som gas. Ligevægten forskydes mod venstre, som du lærte i afsnit B2.5, og der dannes fast kalk:
Ca2+(aq) + 2 HCO3−(aq) → CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l)
Kalken sætter sig som et hårdt, hvidt lag, der kaldes kedelsten. Det sker i elkedlen, i kaffemaskinen og på vaskemaskinens varmelegeme. Kedelsten leder varme dårligt. Et apparat med meget kedelsten bruger derfor mere strøm og går hurtigere i stykker.
Midlertidig og permanent hårdhed
Når kalken bliver fældet, forsvinder der calciumioner fra vandet. Vand bliver altså blødere af at blive kogt. Men det er kun en del af hårdheden, der forsvinder.
- Midlertidig hårdhed er den del af hårdheden, der forsvinder, når vandet koges. Den skyldes de calciumioner og magnesiumioner, der har hydrogencarbonat som negativ ion.
- Permanent hårdhed er den del, der bliver tilbage. Den skyldes de calciumioner og magnesiumioner, der har sulfat eller chlorid som negativ ion. De danner ikke bundfald, når vandet koges. Calciumsulfat er ganske vist tungtopløseligt, men i drikkevand er der alt for lidt sulfat til, at det kan fældes.
Den samlede hårdhed er summen af den midlertidige og den permanente hårdhed.
Hårdt vand og sæbe
Sæbe er et salt af en fedtsyre, som du lærte i afsnit B7.6. Et eksempel er natriumstearat, C17H35COONa. I vand er sæbeionerne frie, og de kan holde fedt svævende i vandet.
Calciumioner og sæbeioner danner et tungtopløseligt salt:
Ca2+(aq) + 2 C17H35COO−(aq) → Ca(C17H35COO)2(s)
Bundfaldet kaldes kalksæbe. Det er den grå rand, der sætter sig i håndvasken og badekarret. De sæbeioner, der er blevet til kalksæbe, kan ikke længere vaske. I hårdt vand skal der derfor mere sæbe til, før vandet skummer, og før tøjet bliver rent.
Moderne vaskemidler løser problemet på to måder.
- De vaskeaktive stoffer er lavet, så de ikke danner bundfald med calciumioner.
- Vaskemidlet indeholder blødgørere. Det er stoffer, der binder calciumionerne, så de ikke kan reagere med andet. Citrat og EDTA er eksempler. EDTA møder du igen i T3.7.
Alligevel skal der mere vaskemiddel til i hårdt vand. Derfor står der på pakken, hvor meget der skal bruges til blødt, middelhårdt og hårdt vand.
Hårdhedsgrader
Vandværkerne angiver vandets hårdhed i tyske hårdhedsgrader med enheden °dH.
1 °dH svarer til, at vandet indeholder lige så meget calcium som 10 mg calciumoxid, CaO, i hver liter. Regnet om til koncentration bliver det
\[ 1\ \text{°dH} \quad \text{svarer til} \quad [\mathrm{Ca^{2+}}] + [\mathrm{Mg^{2+}}] = 1{,}78 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M} \]
Hårdheden i °dH findes derfor ved at dividere den samlede koncentration med 1,78 · 10−4 M:
\[ \text{hårdhed i °dH} = \frac{[\mathrm{Ca^{2+}}] + [\mathrm{Mg^{2+}}]}{1{,}78 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M}} \]
Eksempel: fra koncentration til hårdhedsgrader
En analyse af vandet fra et vandværk viser, at [Ca2+] = 2,20 · 10−3 M og [Mg2+] = 0,30 · 10−3 M.
Den samlede koncentration er
\[ [\mathrm{Ca^{2+}}] + [\mathrm{Mg^{2+}}] = 2{,}20 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} + 0{,}30 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} = 2{,}50 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M} \]
\[ \text{hårdhed i °dH} = \frac{2{,}50 \cdot 10^{-3}\ \mathrm{M}}{1{,}78 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{M}} = 14{,}0 \]
Vandets hårdhed er 14,0 °dH. På skalaen er det temmelig hårdt vand.
Kalk i drikkevandet er ikke usundt. Calcium og magnesium er mineraler, som kroppen har brug for. Der er derfor ingen øvre grænse for hårdheden, sådan som der er for nitrat og nitrit.
Sådan fjernes kalk
Kedelsten kan fjernes med en syre, fx eddike. Calciumcarbonat reagerer med ethansyre:
CaCO3(s) + 2 CH3COOH(aq) → Ca2+(aq) + 2 CH3COO−(aq) + CO2(g) + H2O(l)
Det bruser, fordi der dannes carbondioxid. Varm eddike virker hurtigere end kold, for reaktionshastigheden stiger med temperaturen. Det står i afsnit B1.4.
Mange afkalkningsmidler indeholder citronsyre. Citronsyre virker på to måder. Syren opløser kalken, og citrationen binder bagefter calciumionerne, så de bliver i opløsningen.
Sådan gøres vand blødere
- Kogning fjerner den midlertidige hårdhed.
- En ionbytter bytter calciumioner og magnesiumioner ud med natriumioner. Den sidder i opvaskemaskinen og består af små plastkugler med natriumioner på overfladen.
- Blødgørere i vaskemidler binder calciumionerne i vandet.
- Nogle vandværker fjerner en del af kalken, før vandet bliver sendt ud til forbrugerne.
Når alle kuglerne i ionbytteren er fyldt med calciumioner, virker den ikke længere. Derfor skal der fyldes salt på opvaskemaskinen. En stærk opløsning af natriumchlorid skyller calciumionerne af kuglerne igen og sætter natriumioner på i stedet.