كد ساعت

سختي آب را بر حسب ppm كربنات كلسيم ( ميلي گرم كربنات كلسيم در 1 ليتر آب ) گزارش مي دهند.

تعیین سختي كل آب

وسایل :
پيپت حجم سنجي ، ارلن ، استوانه مدرج ، بشر ، بورت ، قيف ، پايه ، گيره ، پي ست ، كاغذ صافي
مواد :
بافر 10، معرف اريو كروم بلاك T ، محلول 0.1مولار EDTA ، سود 50% معرف مور اكسيد ،يك نمونه از آب شهر
مقدمه و تئوري:
سختي آب : ناشي از املاح كلسيم و منيزيم و به ميزان كمتر ناشي از املاح آلومينيم ، روي ، منگنز، آهن و .. است.
آب طبیعی به علت خاصیت حل کنندگی خوبی که دارد معمولا دارای حجم بالایی از نمکهای محلول در آب می‌شود. CO2 هوا به خاطر انحلال در آب و تولید اسید کربنیک ضعیف ، خاصیت خورندگی آب را بهبود می‌بخشد. بنابراین آب هنگام عبور از محیط‌های گوناگون مخصوصا محیط‌های آهکی مقداری از کربناتها را در خود حل می‌کند که این کربناتها همراه یونهایی مثل کلسیم ، منیزیم و … باعث ایجاد سختی موقت می‌شود که با جوشاندن از بین می‌رود. البته یونهای منیزیم و کلسیم و سایر یونهای فلزی با سولفات و نیترات و کلرو ایجاد سختی دائم می‌کنند. سختی آب باعث رسوب کردن صابون در آب می‌شود (خاصیت کف کنندگی صابون را از بین می‌برد). اثرات زيانبخش ناخالصيهاي آب در صنعتآب در شیمی یکی از مهمترین حلالها می‌باشد و معمولا از آن به عنوان حلال عمومی نام می‌برند و بنابراین کاربرد اساسی در صنعت دارد که برخی از کاربردهای مهم به این شرح می‌باشد:۱- به عنوان حلال ۲- به عنوان ماده اولیه برای شرکت در واکنشهای شیمیایی تهیه محصول ۳- به عنوان ماده واسطه برای خارج کردن مواد ناخواسته ۴- به عنوان بستر یا محیط واکنش
وجود ناخالصیها در آب باعث ایجاد رسوب در دستگاههای حرارتی و دیگ بخار می‌شود که این عمل باعث کاهش عمر مفید دستگاه می‌گردد. بخاری که از آبهای ناخالص تولید می‌شود دارای کیفیت بسیار پایینی می‌باشد به عنوان مثال سیلیس همراه بخار خارج شده و در اثر سرد شدن روی پره‌های توربین رسوب می‌کند. خوردگی بویلرها و تأسیسات حرارتی و لوله‌ها ، اتلاف مواد شیمیایی و باقی گذاشتن لکه روی محصولات غذایی و نساجی از عوارض دیگر آبهای ناخالص می‌باشد.
بهترین آب برای استفاده در صنعت آب بدون یون است اما هزینه تولید آب بدون یون بسیار بالاست. بنابراین در اکثر آزمایشگاهها و واحدهای صنعتی از آب مقطر استفاده می‌کنند همچنین در مناطق کویری و خشک که منابع آب آشامیدنی محدود می‌باشد. از روش تقطیر آب دریا برای تولید آب آشامیدنی استفاده می‌شود
آب سخت
هيچکدام از ما در پاکي تميزي آب باران شک نداريم، آبي که تمام مواد آن محلول و معلق آن طی تشکيل ابر جدا شده حين نزول بصورت باران مقداری از CO2 هوا را در خود حل ميکند و بصورت يک اسيد ضعيف که pH آن از 7 کمتر است در ميآيد.اين آب هنگام عبور از سنگهاي زيرزمينی يونهايي مانند Ca2+، Mg2+ و Fe2+ را در خود حل میکند که باعث آلوده شدن طبيعی آب ميشود
وجود املاح گفته شده در آب باعث ميشود صابون معمولي در آن کف نکند، از اينرو اين آب ها را آب سخت نامگذاری کردند
آب سخت آبی است که حاوی نمك‌هاي معدني از قبيل ترکیبات کربنات‌های هیدروژنی و کلسیم ومنیزیم و ... استعناصر ایجاد کننده سختی آب صابون عمدتا توسط کلسیم و منیزیم قابل ترسیب است، ولی به غیر از آنها فلزات دیگری نظیر آلومینیوم ، آهن ، منگنز ، استرانسیم و روی نیز در ایجاد سختی آب شرکت می‌کنند، ولی از این نظر که دو عنصر اولی در مقادیر زیاد در آبهای طبیعی وجود دارند، لذا سختی آب بطور عمده بر اساس این دو سنجیده می‌شود. ولی با وجود این ، اگر مقادیر فلزات دیگر قابل توجه باشد، باید آنها را نیز محسوب داشت.تغییرات سختی آببر حسب آنکه آب در موقع نفوذ در زمین از قشرهای آهکی و منیزیمی و گچی گذشته و یا نگذشته باشد سختی آب کم یا زیاد می‌شود. آبهای نواحی آهکی سختی زیادتری تا آبهای نواحی گرانیتی و یا شنی دارند. سختی آب در عرض سال هم ممکن است تغییر نماید. معمولاً سختی آبها در فصل باران کم و در فصل خشکی زیاد می‌شود. و بعضی مواقع هم در فصول پر باران و مرطوب مثل غار ها ایجاد شود.
اهمیت سختی آب
مقدار سختی آب ، علاوه بر اینکه در آبهای صنعتی اهمیت وافر دارد، از نظر بهداشت عمومی نیز اهمیت خاصی دارد. کلسیم که یکی از عوامل سختی آب است، در رشد استخوان و حفظ تعادل بدن دخالت داشته، ولی به همان اندازه ، سولفات کلسیم به علت کمی قابلیت هضم ، ناراحتی هایی در دستگاه هاضمه بوجود می‌آورد.
گاهی توصیه می‌شود که جهت تامین بهداشت و سلامت مصرف کنندگان ، آهک به آب آشامیدنی افزوده شود. بعضی دانشمندان معتقدند، بهتر است کلسیم و منیزیم لازم بدن توسط غذا تامین شود و حتی‌الامکان از آبهای سبک برای شرب استفاده شود. باید توجه داشت که بدن نسبت به سنگینی موجود در آب مورد مصرف خود حساسیت دارد، چنانچه این نوشیدنی تغییر یابد، ممکن است در دستگاه گوارش ایجاد اخلال نماید و این موضوع را به اصطلاح آب به آب شدن می‌گویند.
فواید آب سخت
آب سخت برای انسان مضر نیست بلکه مفید است و معمولاً شکستگی استخوانهای آنهایی که آب سخت می‌آشامند زودتر بهبودی حاصل می‌کند و بیماری راشیتیسم کمتر در این اشخاص دیده می‌شود.
زيانهای سختی آب:
1- ایجاد سوء هاضمه.
2- کدر کردن آب جوش.
3- گوارایی آب را کم میکند.
4- دیر شدن پخت و پز به ویژه در مورد حبوبات و سبزیجات.
5- سختی آب در واکنش با صابون، رسوبهایی ایجاد میکند که در منافذ پوست باقی می‌ مانند و باعث زبری پوست میشوند
6- ایجاد رسوب و اتلاف انرژی در لوله و دستگاههایی که آب گرم دارند.
7- مصرف پاک کننده بیشتر برای شستشو.
 علیرغم فواید آب سخت برای بدن سختی بیش از حد آب نیز مضراتی دارد که مهمترین آن تشدید پدیده تولید سنگ کلیه به دلیل رسوب بونهای معلق در کلیه میشود. آب سخت برای رختشویی و مصرف در کارخانجات مناسب نیست. آب سخت موجب از دست دادن طعم و مزه خوب چایی و قهوه می‌شود. پخته نشدن حبوبات با آب سخت ضرر رساندن به جداره دیگهای بخار و ایجاد قشر آهکی بر روی جداره دیگ خوب کف نکردن صابون و موجب افزایش مصرف صابون مزاحمت در هنگام شستن نسوج و دستها رفع سختی آب در تجارت تعداد زیادی مواد شیمیایی برای رفع سختی آب به فروش می‌رسد که دارای کربنات سدیم هستند. این مواد را قبل از ورود آب در دیگها سختی آنرا می‌گیرند و یا در دیگ بر اثر افزودن این مواد آهک و گچ را رسوب می‌دهند و دیگر این رسوب محکم به جدار دیگ نمی‌چسبد بطوری که می‌توان آنرا به آسانی پاک نمود .
اگر اسید به طور آهسته به آب اضافه شده و ph آب برای هربار افزودن یادداشت شود ، منحنی تیتراسیون به دست می آید .
تغییر انحناهای این منحنی که تقریباً درphهای 3/8 و 5/4 اتفاق می افتد از اهمیت خاصی برخوردار است . تبدیل کربنات به بی کربنات در ph برابر 3/8 تقریباً کامل است . در عین حال ، به دلیل اینکه بیکربنات نیز نوعی از قلیائیت است برای خنثی کردن کامل باید مقدار مساوی اسید اضافه شود . بنابراین خنثائی کربنات در ph برابر 3/8 فقط نیمه کامل است . به علت اینکه تبدیل هیدروکسید به آب در ph برابر 3/8 کامل است ، تمام هیدروکسید و یک دوم کربنات در phبرابر 3/8 اندازه گرفته شده است . در ph برابر 5/4 تمام کربنات به اسید کربنیک تبدیل شده است . که شامل بی کربنات ناشی از واکنش اسید و کربنات نیز می شود . بدین طریق ، مقدار اسید لازم برای تیتراسیون نمونه آب تا pH برابر 5/4  معادل قلیائیت کل آب است . این نکته در مثال زیر شرح داده شده است .
منابع
یونهای فلزی چند ظرفیتی که به حد وفور در آب طبیعی یافت می شوند کلسیم و منیزیم می باشند . از دیگر یونها ، آهن و منگنز در حالت احیا ، استرانسیوم و آلومینیوم را می توان نام برد . دو یون آخری معمولاً در مقادیر بسیار کمتری از کلسیم و منیزیم یافت می شود و در عمل سختی به صورت جمع یونهای کلسیم و منیزیم نمایش داده می شود .
اثرات
مصرف صابون به وسیله آبهای سخت دارای زیان اقتصادی برای مصرف کننده آب است . صابونهای سدیمی با کاتیونهای چند ظرفیتی فلزی ، واکنش کرده و تولید رسوب می کند ، و بدین طریق خاصیت کشش سطحی اش را از دست می دهد .
تنها بعد از رسوب همه یونهای سختی است که کف کردن (Lathering) صابون اتفاق می افتد ، و در این زمان گفته می شود که آب به وسیله صابون « نرم » شده است . رسوب متشکل از سختی و صابون به دیواره وان حمام ، دستشویی و ماشین ظرفشویی چسبیده و ممکن است لباسها ، ظروف و دیگر اقلام را لکه دار کند . باقیمانده های رسوب سختی و صابون ممکن است در منافذ باقی بماند و حالت خشن نامساعد بر پوست باقی بگذارد . در سالهای اخیر ، این مشکلات با پیدایش صابونها و شوینده هایی که با سختی واکنش نمی کند تا حد زیادی رفع شده است .
جرم گرفتن دیگ بخار در نتیجه رسوب سختی کربنات ممکن است موجب زیان اقتصادی قابل توجهی از طریق گرفتگی آبگرمکن ها و لوله های آب داغ شود . تغییرات ph در شبکه های آبرسانی نیز ممکن است باعث ایجاد رسوب شود . بیکربناتها در pH بالای 9 شروع به تبدیل شدن به کربناتها (که قابلیت حل شوندگی کمتری دارد ) می کند . سختی منیزیم ، خصوصاً سختی مربوط به یون سولفات ، برای کسانی که به آن عادت ندارند اثر مسهلی دارد . غلظت منیزیم کمتر از mg/L 50 در آبهای آشامیدنی مطلوب است ، اگرچه بسیاری از منابع آبی همگانی از این مقدار تجاوز می کند . سختی کلسیم مشکل سلامتی ایجاد نمی کند . در حقیقت آب سخت ظاهراً برای سیستم گردش خون انسان مفید است .
اندازه گیری
سختی را می توان به وسیله روشهای اسپروکتروفتومتری یا تیتراسیون شیمیایی برای تعیین مقادیر یونهای کلسیم و منیزیم در یک نمونه اندازه گیری کرد .
همچنین می توان مستقیماً با تیتراسیون کردن به وسیله EDTA (ethylenediamine tetraacetic acid ) و استفاده از EBT ( eriochrome black T ) به عنوان معرف اندازه گیری کرد .EBT با کاتیونهای فلزی دو ظرفیتی واکنش کرده و کمپلکسی را که به رنگ قرمز است تشکیل می دهد . EDTA جایگزین EBT در این کمپلکس می شود و وقتی که این جایگزینی کامل شد ، محلول از قرمز به آبی تغییر رنگ می دهد . اگر EDTA    ۰.۰۱M استفاده شود ، ۱.۰mL از تیتر کننده ، یک میلیگرم سختی بر حسب CaCO۳ را اندازه گیری می کند .
فلوراید
فلوراید در طبیعت به طور کلی درچند نوع سنگ های رسوبی یا آتشفشانی یافت می شود و به ندرت در مقادیر زیاد در آبهای سطحی پیدا شده و فقط در چند نقطه جغرافیایی در آبهای زیرزمینی مشاهده می شود و مقدار زیاد فلوراید برای انسانها و  حیوانات سمی است ، در صورتی که غلظتهای کم می تواند مفید باشد . غلظتهای حدود ۱ mg/L در آب آشامیدنی به جلوگیری از پوسیدگی دندانها در اطفال کمک می کند . به هنگام تشکیل دندانهای دائمی ، فلوراید با مینای دندان به طریق شیمیایی ترکیب شده و باعث ایجاد دندان سخت تر و قویتری می شود که در برابر فساد مقاوم است . اگر به طور طبیعی فلوراید در آب جهت تشکیل دندانهای سالم وجود نداشته باشد این ماده به منابع آب اضافه می شود .
مصرف بیش از حد فلوراید منجر به بی رنگ شدن دندان می شود . بیرنگی قابل توجهی موسوم به خالدارشدن (Mottling ) در مواقعی که غلظت فلوراید در آب آشامیدنی بیش از ۲mg/L است ، به طور نسبی معمول است ، ولی در غلظتهای کمتر از ۱.۵mg/L نادر است . دندانهای بزرگسالان از اثر فلوراید مصون است ، اگرچه اثرات مفید و مضر فلوراید در سالهای تشکیل دندانها تا بزرگسالی ادامه پیدا می کند . میزان فلوراید بیش از حد می تواند باعث ایجاد اختلالاتی در استخوانها نیز گردد . غلظت کمتر از ۵mg/L مشکلی ایجاد نمی کند و غلظتهای بالاتر از این مقدار نیز بجز بروز لکه های سیاه (خال زدگی) عارضه ای ایجاد نمی نماید . به فرض مصرف آب بیشتر در مناطق گرمسیری ، استانداردهای EPA براساس دماهای معمولی وضع شده است .
 فلزات
همه فلزات تا حدی قابل حل در آب هستند . اگرچه مقدار زیادی هر فلزی ممکن است سلامتی را به خطر اندازد ، ولی فقط آنهایی که در مقادیر نسبتاً کم ، مضر هستند سمی قلمداد شده اند و دیگر فلزات در رده غیر سمی قرار می گیرند . منابع فلزات در آبهای طبیعی شامل انحلال از رسوبات طبیعی و تخلیه های فاضلاب شهری ، صنعتی یا کشاورزی می باشد . اندازه گیری فلزات درآب معمولاً به وسیله نورسنجی اتمی صورت می گیرد .
فلزات غیر سمی
علاوه بر یونهای سختی ، کلسیم و منیزیم ، دیگر فلزات غیرسمی که معمولاً در آب یافت می شوند شامل سدیم ، آهن ، منگنز ، آلومینیوم ، مس و روی است . سدیم بیشتر از دیگر فلزات غیرسمی در آبهای طبیعی وجود دارد ، در پوسته زمین فراوان است و نسبت به دیگر عناصر خیلی واکنش پذیر است . نمکهای سدیم به مقدار زیاد در آب قابل حل هستند . غلظتهای زیاد باعث ایجاد طعم تلخ در آب شده و سلامتی بیماران قلبی و کلیوی را به خطر می اندازد . سدیم همچنین خاصیت خورندگی (Corrosive ) بر سطح فلزات دارد و در غلظتهای زیاد برای گیاهان سمی می باشد .
آهن و منگنز در اکثر موارد با یکدیگر یافت می شود و در غلظتهای عادی در آبهای طبیعی خطری برای سلامتی ندارد . آهن به مقدار ۰.۳mg/L و منگنز به میزان ۰.۰۵mg/L می تواند باعث ایجاد مشکل رنگ شود . به علاوه ، بعضی از باکتری ها از آهن و منگنز به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند و رشد توده لجن (Slime ) ایجاد شده ممکن است مشکلات طعم و بو بوجود آورد .
مقادیر زیاد آهنی که در بعضی مواقع در سیستم آب طبیعی یافت می شود ، معمولاً از نوع آنیونهای کلرور(FeCl۲ ) ، بیکربنات ۲ (HCO۳ )Fe یا سولفات (SO۴ )Fe و در حالت احیا شده می باشد . در حضور اکسیژن ، یون فروس (Fe۲+ ) به یون فریک (Fe۳+ )اکسید شده و با هیدروکسید یک ترکیب نامحلول { ۳ (OH )Fe }تشکیل می دهد . بدین طریق ، معمولاً مقادیر زیاد آهن فقط در سیستمهایی همچون آبهای زیرزمینی یا در لایه های پایینی دریاچه طبقه بندی شده ، یافت می شوند . همین طور ، یونهای منگنز Mn۲+ و Mn۴+ از نوع کلرور ، نیترات و سولفات حل شونده هستند ، در صورتی که ترکیبات اکسید شده (Mn۳+ و Mn۵+ )تقریباً نامحلول می باشند . در عین حال ممکن است اسیدهای آلی که از گیاهان تجزیه شده مشتق می شوند با آهن و منگنز کی لیت (Chelate )شوند و بدین طریق از اکسید شدن و در نتیجه رسوب آنها در آبهای طبیعی جلوگیری به عمل آید .
دیگر فلزات غیر سمی معمولاً در مقادیر بسیار کمی در سیستم آبهای طبیعی یافت می شوند و اکثر آنها قبل از رسیدن به حد غلظت سمی مشکلات طعم ایجاد می کنند . در عین حال ، مس و روی اثر تشدیدکنندگی دارند و در مواقعی که هر دو موجودند ، حتی در مقادیر کم ، برای بسیاری از گونه های بیولوژیکی سمی هستند
عناصر ایجاد کننده سختی آب :
صابون عمدتا توسط کلسیم و منیزیم قابل ترسیب است، ولی به غیر از آنها فلزات دیگری نظیر آلومینیوم ، آهن ، منگنز ، استرانسیم و روی نیز در ایجاد سختی آب شرکت می‌کنند، ولی از این نظر که دو عنصر اولی در مقادیر زیاد در آبهای طبیعی وجود دارند، لذا سختی آب بطور عمده بر اساس این دو سنجیده می‌شود. ولی با وجود این ، اگر مقادیر فلزات دیگر قابل توجه باشد، باید آنها را نیز محسوب داشت.
مقدار سختی آب ، برحسب اکی‌والانهای کربنات کلسیم آنها محاسبه و بیان می‌شود.

کلسیم کربنات: