Woda twarda jak kamień

Doświadczenie 1

Do doświadczenia wykorzystaj komercyjne testy akwarystyczne – możesz użyć paskowych albo kropelkowych. Postępuj zgodnie z instrukcją i zmierz po dobie twardość odstawionej deszczówki (lub wody ze stopionego śniegu), wody kranowej i przegotowanej. Opcjonalnie zbadaj także skuteczność dzbanka filtrującego.

Wyjaśnienie: Twardość wody ma znaczenie w prawidłowym rozwoju fauny i flory akwariowej, a jej nagłe wahania są źle tolerowane przez ryby, stąd obecność na rynku testów mierzących jej twardość ogólną (GH) i węglanową (KH). W testach paskowych GH wykorzystuje się związki chelatujące, które po związaniu z jonami wapnia czy magnezu zmieniają barwę. Zmiana barwy będzie tym wyraźniejsza, im twardsza woda. Testy kropelkowe są prostym miareczkowaniem kolorymetrycznym. Miareczkowanie polega na dodawaniu określonej objętości odczynnika do badanego roztworu, tak aby ilościowo przereagował z badaną substancją. Postęp reakcji śledzi się, oceniając kolor roztworu – gdy wszystkie cząsteczki przereagują, roztwór skokowo zmienia barwę. W przypadku testów GH każda dodana kropla zawiera mieszaninę dwóch chelatorów – czerni eriochromowej T i EDTA. Pierwszy łączy się z Ca²⁺ i Mg²⁺ nietrwale, lecz widowiskowo barwi się przy tym na czerwono. Każda kropla wprowadza także porcję EDTA, który łapie i trwale więzi Ca²⁺ i Mg²⁺. Gdy EDTA będzie więcej niż wolnych jonów, chelator ten ukradnie i uwięzi także te związane dotychczas z barwnikiem, który bez jonów zmieni kolor na niebieski. Testy KH zawierają kwas oraz wskaźnik pH – wodorowęglany są trwałe tylko w środowisku zasadowym – w naturze skały węglanowe są buforem, czyli zapobiegają zakwaszeniu wód. Kwas reaguje z węglanami, uwalniając porcję dwutlenku węgla i sól o odczynie obojętnym. Gdy cała pula węglanów przereaguje, kolejna porcja kwasu gwałtownie obniży pH, a wskaźnik skokowo zmieni barwę. Twardość wody wyraża się w mmolach, mg/l równoważnika CaCO₃ (bo nie wiemy, jakie rozpuszczone sole powodują twardość wody, ale możemy policzyć, ile należałoby dodać do wody CaCO₃, aby po przeprowadzeniu w wodorowęglan uzyskać taką samą wartość w teście) lub w stopniach (niemieckich ˚n lub francuskich ˚d). Zazwyczaj GH jest wyższe niż KH. Najniższą wartość obserwujemy w wodzie opadowej (ale uwaga – świeżo zebrana jest także kwaśna, gdyż nasycona CO₂, co może zaburzać pomiary) – będzie ona wodą miękką. Z kolei woda przegotowana (lub filtrowana) będzie mieć niższą twardość (zwłaszcza KH) niż woda z kranu. Zgodnie z tabelami w instrukcji lub znalezionymi w internecie można sprawdzić twardość kranówki i zastanowić się, jak wpływa to na użytkowanie np. pralki lub czajnika.

Doświadczenie 2

Do szklanki i metalowego garnuszka wlej po 200 ml gazowanej wody mineralnej. Wodę w garnuszku doprowadź do wrzenia, a potem gotuj jeszcze 10 min. Ostrożnie przelej zawartość garnuszka do drugiej szklanki. Porównaj obie wody.

Wyjaśnienie: Woda mineralna jest bogata w wodorowęglany wapnia i magnezu. Podczas gotowania następuje ich rozkład na wodę, dwutlenek węgla oraz węglany wapnia i magnezu, które wytrącają się w postaci białego osadu – w przegotowanej wodzie mineralnej jest go zaskakująco dużo.

Doświadczenie 3

Odczekaj, aż przegotowana woda mineralna z doświadczenia 2. zupełnie ostygnie, a osad opadnie na dno (najlepiej pobierz strzykawką górną warstwę wody i przelej ją przez filtr do kawy). Zbadaj twardość wody mineralnej przed gotowaniem i po nim. Jeśli badasz roztwory, to gdy dojdziesz do 30˚n, miareczkując je odczynnikiem z butelki, zmień strategię. Użyj np. pięciokrotnie niższej objętości wody niż zalecana, a końcowy wynik zużytych kropli pomnóż przez pięć.

Wyjaśnienie: Woda mineralna jest wodą bardzo twardą – jej twardość może sięgać 60˚n. Po przegotowaniu obserwujemy znaczny spadek jej twardości – zwłaszcza węglanowej, ale nadal jest to woda twarda, gdyż niecała pula wodorowęglanów wytrąciła się w trakcie gotowania. Naukowcy badający takie procesy gotują wodę godzinę lub dłużej.

Doświadczenie 4

Do plastikowej butelki wlej ok. 100 ml wody mineralnej. Dodaj kilkanaście granulek udrożniacza do rur (bez aktywatora) zawierającego NaOH. Zakręć, rozmieszaj i obserwuj, co się dzieje.

Wyjaśnienie: Twardość wody można zmieniać za pomocą odczynników chemicznych – wodorowęglany usunie dodatek kwasu, ale także zasady, jak NaOH będący składnikiem udrożniacza do rur lub sody kaustycznej. W butelce zachodzi m.in. reakcja: Ca(HCO₃)₂ + 2NaOH ® Na₂CO₃ + H₂O + CaCO₃.

Ten ostatni widzimy w postaci białego osadu powodującego nagłe zmętnienie roztworu. Nie pojawiają się natomiast bąbelki gazu CO₂ (jak w kontakcie z kwasem).

Doświadczenie 5

Po kartce rozprowadź kilka kropli płynu do pomiaru KH lub GH. Pozostaw do wyschnięcia. Wytnij cienkie paski. Zanurz zabarwioną część paska w wodzie mineralnej.

Wyjaśnienie: Naniesienie odczynników na kartkę pozwala przekształcić test kropelkowy w test paskowy – chociaż umożliwia jedynie zgrubną ocenę, czy woda jest twarda. Po zanurzeniu w wodzie mineralnej test zaczyna działać i barwa kartki się zmienia.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

test akwarystyczny (najlepiej kropelkowy) do pomiaru GH– KH; strzykawka, udrożniacz do rur z NaOH, gazowana woda mineralna, kartka

Niewliczone w cenę: 2 szklanki, garnuszek do gotowania, kuchenka, dzbanek filtrujący wodę, papierowy filtr do kawy, nożyczki, rękawiczki i okulary ochronne

Czas przygotowania: 2 godz.

Koszt: 57 zł

***

Uwaga!

NaOH jest żrący! Unikaj kontaktu ze skórą i oczami, używaj rękawiczek i okularów ochronnych.

***

Wiedza w pigułce

Obecność soli mineralnych w tzw. twardej wodzie bywa kłopotliwa – jony metali dwuwartościowych (najczęściej wapnia i magnezu) reagują z mydłem (rozcieńczając pulę jego aktywnych cząstek), a wytrącające się w tej reakcji sole nie tylko nie spierają brudu, lecz powodują uciążliwe szarzenie i szorstkość ubrań. Obecnie stosuje się detergenty skuteczniej niwelujące tego typu reakcje, a proszki do prania zawierają chelatory, czyli chemiczne pułapki, które więżą niesforne jony. Twarda woda to problem nie tylko z praniem – sole mineralne zmieniają jej smak. Im więcej związków wapnia, tym woda ma silniejszy gorzkawy posmak, wyczuwalny w potrawach czy uwarzonym piwie. A nieestetyczne brązowe osady na kubku po herbacie to wynik reakcji tanin i związków wapnia z twardej wody.

Odpowiednie stężenie soli mineralnych w środowisku ma znaczenie dla niektórych zwierząt. Na przykład skorupiaki i mięczaki wymagają wody zasobnej w jony wapnia, z których budują muszle i pancerze. Z kolei pewne gatunki ryb słodkowodnych (np. zamieszkujące Amazonkę neony) są pobudzane do rozrodu przez intensywne opady deszczu, czyli dodatkowe ilości wody miękkiej (o niskiej zawartości soli mineralnych).

Rozpuszczone w wodzie sole mogą ponownie się wytrącać na powierzchniach w postaci osadu, który niszczy czajniki, zatyka rury czy obrasta grzałki pralek i bojlerów, utrudniając ich działanie. A to głównie z powodu węglanów. Woda bogata w dwutlenek węgla może reagować ze składnikami skał – szczególnie węglanem wapnia (CaCO₃) – tworząc rozpuszczalny w wodzie kwaśny węglan wapnia – Ca(HCO₃)₂. Jest on jednak nietrwały – rozpada się z wydzieleniem CO₂ i CaCO₃ wskutek odparowania wody (procesy te są w naturze przyczyną zjawisk krasowych), a także w podwyższonej temperaturze, czyli już w 61–70˚C! W naszych czajnikach powstaje wtedy tzw. kamień kotłowy, a twardość wody pozbawionej węglanów się obniża – stąd rozróżnienie na twardość ogólną (zależną od różnych jonów) i twardość węglanową (usuwaną choćby poprzez gotowanie). Do zmiękczania wody stosuje się np. odczynniki chemiczne, wytrącające osady soli w kontrolowany sposób.