Metale alcalino-teroase si duritatea apelor (water hardness)

Metale alcalino-teroase si duritatea apelor (water hardness)

Metalele alcalino-teroase si in special Ca si Mg joaca un rol deosebit in apele potabile si in apele industriale.

In majoritatea apelor de alimentatie, in apele curgatoare Ca este constituentul cationic predominant. El poate proveni in ape prin dizolvarea gipsurilor si in mai mica masura a silicatilor de Ca. Majoritatea Ca si Mg provin in apa prin dizolvarea calcarelor si dolomitelor sub actiunea acidului carbonic H₂CO₃.

Dupa elementele organogene O, C, H si N, Ca este elementul chimic cel mai important in compozitia corpului omenesc: 4,8% in S.U.

Necesitatea de Ca in corpul omenesc este de ~ 1g/zi.

Inafara de consumul de produse lactate, cantitatea de de Ca necesara organismului provine din apa potabila.

Un continut ridicat de Ca in apa potabila este favorabil starii de sanatate a populatiei. De exemplu, in Anglia 40% din populatie consuma apa care contine intre 200-300 mg CaCO₃/l (carbonat de calciu).

Mg se gaseste in cantitati mici in apele alimentare, dar importanta sa biologica nu este redusa. Are rol deosebit in constitutia oaselor, intervine in sisteme enzimatice (proteine cu rol de catalizare a unor reactanti) si biogeneza unor hormoni.

Necesitatea de Mg pt. un adult este de 200-300 mg/zi. Cand continutul de Mg in apa creste, gustul devine amar, apa are proprietati laxative.

Sarurile de Ca si Mg determina duritatea apei. Apele cu continut ridicat in aceste saruri sunt ape dure. Acestea nu sunt bune de baut pt. ca au un gust neplacut, fierb greu legumele, nu fac spuma cu sapunul si deci nu spala bine; ele nu pot fi folosite in industrie deoarece la fierbere depun o crusta pe peretii cazanelor (piatra de cazan) care diminueaza transmiterea caldurii, necesitand un consum mai mare de combustibil. Afara de asta, prin efectul izolator al stratului de piatra, creste temperatura peretelui metalic care se inroseste, ceea ce duce - sub actiunea presiunii din cazan - la deformari sau chiar perforari.

In contact cu sapunul sodic sau potasic din cauza reactiei de dublu schimb rezulta stearati, palmitati si oleati de Ca si Mg insolubili.

In functie de concentratia de Ca, apele se clasifica in dulci, cu duritate slaba, cu duritate moderata si foarte dure.

Pt. determinarea duritatii apelor si metalelor alcalino-teroase (Ca, Mg, Strontiu si Bariu - sunt in cant. reduse in apa si prezinta interes limitat) se aplica metode gravimetrice, titrimetrice, calorimetrice (Ca se precipita la pH 4-5 si excesul de reactiv se masoara fotocalorimetric), fotometrice in flacara (pt. det. unor cant. mici de Ca < 1 ppm din ape, 1ppm=10^-6 mg).

Duritatea apei

Prin duritate se intelege suma concentratiei cationilor metalici (Ca²⁺, Mg²⁺) existenti in apa cu exceptia ionului de H⁺, si cei ai metalelor alcaline (Na⁺, K⁺).

Duritatea se constata prin faptul ca o apa dura, adica bogata in saruri metalice si in special in saruri ale metalelor alcalino-teroase, nu fac spuma cu sapunul.

Stearat de sodiu (solubil) + Clorura de calciu (CaCl₂) Stearat de calciu (insolubil)

Duritatea apei poate fi cauzata de prezenta acidului carbonic liber (H₂CO₃) care elibereaza acizii grasi insolubili din sapun.

In functie de natura sarurilor pe care le contine apa, duritatea poate fi temporara sau permanenta. Continutul unei ape in carbonati acizi de Ca si Mg reprezinta duritatea temporara (d_t). Prin fierberea apei carbonatii acizi se descompun, trecand in carbonati neutri.

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ + H₂O + CO₂

carbonati acizi carbonati neutri

Celelalte saruri de Ca si Mg continute in apa (sulfati, cloruri, silicati, etc.) reprezinta duritatea permanentau (d_p). Prin evaporarea apei concentratia de saruri creste, produsul concentratiei ionilor respectivi atinge valoarea produsului de solubilitate, sarurile incep sa se depuna sub forma de piatra.

P_S = produsul de solubilitate, astfel

[Ca²⁺] x [CO₃^2-] = P_S (ioni de calciu x ioni de carbonat)

[Ca²⁺] x [SO₄^2-] = P_S (ioni de calciu x ioni de sulfat)

Suma celor doua duritati ne dau duritatea totala, d = d_t + d_p

Duritatea apei se exprima in grade de duritate. La noi este standardizat gradul geman de duritate care reprezinta un continut de 10 mg CaO/litru de apa, si se noteaza °d. Celelalte saruri continute in apa se exprima tot in CaO.

Tabel 1

Conversia unitatilor de masura pt. duritate

Tabel 2

Caracterizarea apei in functie de duritate

Tabel 3

Caracterizarea apei functie de provenienta

Transformari (funct. greutatea moleculara)

1 mg MgO = 1,39 mg CaO

1 mval Cao = 28,04 mg CaO = 20,13 mg MgO

^odH = 0,357 mval CaO/l = 1,25°e = 1,79°f = 17,9 ppm

1 mval CaO/l = 2,8 ^odH = 3,5°e = 5,0°f = 50 ppm

Tabel 4

Aplicatie practica: Analiza duritatii apelor

Dedurizarea apelor industriale

Daca se folosesc apele brute direct pt. alimentarea cazanelor cu abur se produc depuneri de piatra si namol pe circuitul apei de alimentare, in tevile cazanelor, in retelele de alimentare cu apa calda, se depun saruri in supraincalzitorii de apa si in turbinele de abur. Dedurizarea apelor este necesara inainte de intrarea lor in circuitul termic.