Если провести химический анализ жесткой воды, то можно увидеть, что в ней содержатся значительные количества растворимых солей кальция и магния. Именно присутствие этих солей и обуславливает жесткость воды. Мыло в жесткой воде плохо пенится, т.к. катионы кальция и магния образуют с мылом нерастворимые в воде соединения, и пена не образуется.

Но как катионы кальция и магния попадают в воду? Дождевые осадки, попадая на поверхность и протекая в недрах Земли, соприкасаются с минералами кальция и магния (это в основном карбонаты), вымывают из них мелкие частички. В воде, насыщенной углекислотой (вы знаете, что углекислый газ хорошо растворяется в воде), нерастворимые карбонаты кальция и магния превращаются в растворимые гидрокарбонаты (кислые соли):

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂

MgСО₃ + СО₂ + Н₂О = Mg(НСО₃)₂

В таком растворимом виде гидрокарбонаты металлов остаются в воде и обуславливают ее временную (или карбонатную) жесткость. При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются и выпадают в осадок. Этому превращению соответствуют обратные тем реакциям, которые привели к их появлению в воде:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ ↓+ СО₂ + Н₂О

Mg(НСО₃)₂ = MgСО₃ ↓+ СО₂ + Н₂О

При термическом разложении карбонатов кальция и магния образуются нерастворимые в воде карбонаты этих металлов, углекислый газ и вода. Удалить их можно с помощью отстаивания или фильтрования.

Выпадающие в осадок карбонаты и есть накипь на стенках водонагревательных приборов и охладительных систем. Накипь плохо проводит теплоту, поэтому возможен перегрев моторов и паровых котлов, кроме того ускоряется их изнашивание.

Из-за накипи внутренний диаметр старых водопроводных труб бывает сужен в 2-3 раза. Стоит в корке накипи возникнуть трещине, как горячая вода добирается до стенки трубы. Если это случится зимой, то из-за локального перепада температур труба может лопнуть.

Из воды временную жесткость можно удалить не только с помощью кипячения, но и добавлением известковой воды – раствора гидроксида кальция.

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂= 2СаСО₃↓ + 2Н₂О

Рис. 1. Виды жесткости воды

Постоянную жесткость нельзя устранить кипячением. Для умягчения воды в этом случае используют соду – карбонат натрия. В результате реакций обмена в осадок будут выпадать нерастворимые карбонаты кальция и магния:

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃↓ + 2NaCl

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓+ Na₂SO₄

Иногда вместо соды используют фосфат натрия, который с катионами кальция и магния тоже образует нерастворимые соединения.

Освобождаются от жесткости и с помощью специальных реагентов – ионообменных смол (ионитов). При этом ионы кальция и магния переходят в состав смолы, а из смолы в раствор переходят катионы водорода и натрия. В результате воды умягчается. 

Рис. 2. Принцип действия ионообменной смолы при умягчении воды

Есть и другие способы умягчения воды, например, добавление трилона Б (двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты), или цеолитов – алюмосиликатов, в кристаллической решетке которых есть пустоты, в которые могут встраиваться ионы кальция или магния.

Но нельзя забывать, что умеренная жесткость – обязательное качество для питьевой воды, поскольку из нее мы получаем значительную часть кальция, необходимого организму.