Bài học

Nước cứng — phân loại, tác hại và cách làm mềm

Mục tiêu và kiến thức nền

Sau bài học, em phân loại được nước cứng tạm thời và vĩnh cửu, giải thích được tác hại của nước cứng, đề xuất được phương pháp làm mềm phù hợp với từng loại, và viết đúng phương trình các phản ứng liên quan.

Bài học dùng trực tiếp kiến thức bài trước: $Ca(HCO_3)_2$ chính là chất gây ra nước cứng tạm thời. Em cũng cần nhớ lại Course 1: xà phòng (muối natri của acid béo) hoạt động kém hiệu quả trong nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ — đây là một trong những tác hại quan trọng nhất của nước cứng trong đời sống hằng ngày.

Bài học dùng trực tiếp kiến thức bài trước: $Ca(HCO_3)_2$ chính là chất gây ra nước cứng tạm thời. Em cũng cần nhớ lại Course 1: xà phòng (muối natri của acid béo) hoạt động kém hiệu quả trong nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ — đây là một trong những tác hại quan trọng nhất của nước cứng trong đời sống hằng ngày.

Khởi động

Vì sao ấm đun nước dùng lâu ngày thường có một lớp cặn trắng cứng bám ở đáy, dù nước máy trông trong suốt và sạch sẽ? Lớp cặn đó là gì, và nó có gây hại không?

Khái niệm và phân loại nước cứng

Nước cứng là nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ hòa tan. Nước không chứa hoặc chứa rất ít hai ion này gọi là nước mềm. Dựa vào loại muối hòa tan, nước cứng được chia làm ba loại. Nước cứng tạm thời chứa các muối hydrocarbonate tan $Ca(HCO_3)_2$ , $Mg(HCO_3)_2$ — gọi là "tạm thời" vì tính cứng mất đi khi đun sôi, do muối bị nhiệt phân thành kết tủa không tan: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$ . Nước cứng vĩnh cửu chứa các muối chloride, sulfate tan $CaCl_2$ , $CaSO_4$ , $MgCl_2$ , $MgSO_4$ — những muối này bền nhiệt, đun sôi không làm chúng kết tủa, nên tính cứng vẫn còn nguyên. Nước cứng toàn phần là nước chứa đồng thời cả hai loại ion trên, tức vừa có gốc $HCO_3^-$ vừa có gốc $Cl^-$ / $SO_4^{2-}$ đi kèm $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ .

Nước cứng là nước chứa nhiều ion $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ hòa tan. Nước không chứa hoặc chứa rất ít hai ion này gọi là nước mềm. Dựa vào loại muối hòa tan, nước cứng được chia làm ba loại. Nước cứng tạm thời chứa các muối hydrocarbonate tan $Ca(HCO_3)_2$, $Mg(HCO_3)_2$ — gọi là "tạm thời" vì tính cứng mất đi khi đun sôi, do muối bị nhiệt phân thành kết tủa không tan: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$. Nước cứng vĩnh cửu chứa các muối chloride, sulfate tan $CaCl_2$, $CaSO_4$, $MgCl_2$, $MgSO_4$ — những muối này bền nhiệt, đun sôi không làm chúng kết tủa, nên tính cứng vẫn còn nguyên. Nước cứng toàn phần là nước chứa đồng thời cả hai loại ion trên, tức vừa có gốc $HCO_3^-$ vừa có gốc $Cl^-$/$SO_4^{2-}$ đi kèm $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$.

Nước cứng tạm thời mất tính cứng khi đun sôi; nước cứng vĩnh cửu thì không.

Tác hại của nước cứng

Nước cứng gây ba nhóm tác hại rõ rệt trong đời sống và sản xuất. Trong sinh hoạt, nước cứng làm xà phòng khó tạo bọt — gốc $-COO^-$ của xà phòng kết hợp với $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ tạo kết tủa không tan, vừa lãng phí xà phòng vừa để lại vết bẩn khó giặt sạch trên vải (liên hệ Course 1, bài Xà phòng và chất giặt rửa tổng hợp). Trong đun nấu, cặn $CaCO_3$ bám vào đáy ấm, nồi hơi công nghiệp, làm giảm khả năng truyền nhiệt, tốn nhiên liệu, và trong trường hợp nồi hơi áp suất cao còn tiềm ẩn nguy cơ nổ do lớp cặn cản trở thoát nhiệt. Trong công nghiệp, nước cứng làm giảm chất lượng sản phẩm ở những ngành cần nước tinh khiết như dệt nhuộm, thực phẩm, dược phẩm.

Nước cứng gây ba nhóm tác hại rõ rệt trong đời sống và sản xuất. Trong sinh hoạt, nước cứng làm xà phòng khó tạo bọt — gốc $-COO^-$ của xà phòng kết hợp với $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ tạo kết tủa không tan, vừa lãng phí xà phòng vừa để lại vết bẩn khó giặt sạch trên vải (liên hệ Course 1, bài Xà phòng và chất giặt rửa tổng hợp). Trong đun nấu, cặn $CaCO_3$ bám vào đáy ấm, nồi hơi công nghiệp, làm giảm khả năng truyền nhiệt, tốn nhiên liệu, và trong trường hợp nồi hơi áp suất cao còn tiềm ẩn nguy cơ nổ do lớp cặn cản trở thoát nhiệt. Trong công nghiệp, nước cứng làm giảm chất lượng sản phẩm ở những ngành cần nước tinh khiết như dệt nhuộm, thực phẩm, dược phẩm.

Nguyên tắc và các phương pháp làm mềm nước

Làm mềm nước nghĩa là giảm nồng độ ion $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ trong nước, bằng cách chuyển chúng thành hợp chất kết tủa không tan hoặc tách chúng ra khỏi dung dịch. Có ba hướng chính. Đun sôi chỉ loại được nước cứng tạm thời, vì chỉ có $Ca(HCO_3)_2$ , $Mg(HCO_3)_2$ mới bị nhiệt phân thành kết tủa; phương pháp này không tác dụng với nước cứng vĩnh cửu. Dùng hóa chất kết tủa — cho dung dịch $Na_2CO_3$ (hoặc $Na_3PO_4$ ) vào nước cứng, ion $CO_3^{2-}$ kết hợp với $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ tạo kết tủa: $Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3\downarrow$ — phương pháp này làm mềm được cả nước cứng tạm thời lẫn vĩnh cửu, vì tác động trực tiếp lên ion $Ca^{2+}$ / $Mg^{2+}$ chứ không phụ thuộc gốc acid đi kèm. Trao đổi ion — cho nước cứng đi qua lớp nhựa trao đổi ion, ion $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ trong nước được giữ lại và thay bằng ion $Na^+$ hoặc $H^+$ ; đây là công nghệ hiện đại, dùng phổ biến trong máy lọc nước gia đình.

Làm mềm nước nghĩa là giảm nồng độ ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ trong nước, bằng cách chuyển chúng thành hợp chất kết tủa không tan hoặc tách chúng ra khỏi dung dịch. Có ba hướng chính. Đun sôi chỉ loại được nước cứng tạm thời, vì chỉ có $Ca(HCO_3)_2$, $Mg(HCO_3)_2$ mới bị nhiệt phân thành kết tủa; phương pháp này không tác dụng với nước cứng vĩnh cửu. Dùng hóa chất kết tủa — cho dung dịch $Na_2CO_3$ (hoặc $Na_3PO_4$) vào nước cứng, ion $CO_3^{2-}$ kết hợp với $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ tạo kết tủa: $Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3\downarrow$ — phương pháp này làm mềm được cả nước cứng tạm thời lẫn vĩnh cửu, vì tác động trực tiếp lên ion $Ca^{2+}$/$Mg^{2+}$ chứ không phụ thuộc gốc acid đi kèm. Trao đổi ion — cho nước cứng đi qua lớp nhựa trao đổi ion, ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ trong nước được giữ lại và thay bằng ion $Na^+$ hoặc $H^+$; đây là công nghệ hiện đại, dùng phổ biến trong máy lọc nước gia đình.

Ví dụ

Viết phương trình đun sôi làm mất tính cứng tạm thời

1
Viết phương trình phản ứng xảy ra khi đun sôi nước cứng tạm thời chứa $Ca(HCO_3)_2$ và $Mg(HCO_3)_2$ .
Viết phương trình phản ứng xảy ra khi đun sôi nước cứng tạm thời chứa $Ca(HCO_3)_2$ và $Mg(HCO_3)_2$.
2
Khi đun nóng, muối hydrocarbonate tan kém bền nhiệt, bị phân hủy thành muối carbonate không tan, giải phóng khí $CO_2$ và nước.
Khi đun nóng, muối hydrocarbonate tan kém bền nhiệt, bị phân hủy thành muối carbonate không tan, giải phóng khí $CO_2$ và nước.
3
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$ và $Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} MgCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$ .
$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$ và $Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} MgCO_3\downarrow + CO_2\uparrow + H_2O$.
4
Vậy sau khi đun sôi, ion $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ đã chuyển thành kết tủa $CaCO_3$ , $MgCO_3$ tách khỏi dung dịch — đây chính là lớp cặn trắng thường thấy ở đáy ấm đun nước.
Vậy sau khi đun sôi, ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ đã chuyển thành kết tủa $CaCO_3$, $MgCO_3$ tách khỏi dung dịch — đây chính là lớp cặn trắng thường thấy ở đáy ấm đun nước.

Ví dụ

Tính khối lượng Na2CO3 cần dùng để làm mềm nước (dạng thi)

1
Một mẫu nước cứng chứa 0,02 mol $Ca(HCO_3)_2$ và 0,01 mol $MgCl_2$ . Tính khối lượng $Na_2CO_3$ cần dùng để làm mềm hoàn toàn mẫu nước này.
Một mẫu nước cứng chứa 0,02 mol $Ca(HCO_3)_2$ và 0,01 mol $MgCl_2$. Tính khối lượng $Na_2CO_3$ cần dùng để làm mềm hoàn toàn mẫu nước này.
2
$Na_2CO_3$ làm mềm nước bằng cách kết tủa cả $Ca^{2+}$ lẫn $Mg^{2+}$ , bất kể gốc acid đi kèm là $HCO_3^-$ hay $Cl^-$ : $Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3\downarrow$ và $Mg^{2+} + CO_3^{2-} \to MgCO_3\downarrow$ .
$Na_2CO_3$ làm mềm nước bằng cách kết tủa cả $Ca^{2+}$ lẫn $Mg^{2+}$, bất kể gốc acid đi kèm là $HCO_3^-$ hay $Cl^-$: $Ca^{2+} + CO_3^{2-} \to CaCO_3\downarrow$ và $Mg^{2+} + CO_3^{2-} \to MgCO_3\downarrow$.
3
Mỗi ion $Ca^{2+}$ hoặc $Mg^{2+}$ cần đúng 1 mol $CO_3^{2-}$ để kết tủa hết, mà $n_{Ca^{2+}} = n_{Ca(HCO_3)_2} = 0{,}02$ mol và $n_{Mg^{2+}} = n_{MgCl_2} = 0{,}01$ mol, nên $n_{Na_2CO_3} = 0{,}02 + 0{,}01 = 0{,}03$ mol.
Mỗi ion $Ca^{2+}$ hoặc $Mg^{2+}$ cần đúng 1 mol $CO_3^{2-}$ để kết tủa hết, mà $n_{Ca^{2+}} = n_{Ca(HCO_3)_2} = 0{,}02$ mol và $n_{Mg^{2+}} = n_{MgCl_2} = 0{,}01$ mol, nên $n_{Na_2CO_3} = 0{,}02 + 0{,}01 = 0{,}03$ mol.
4
$m_{Na_2CO_3} = 0{,}03 \times 106 = 3{,}18$ gam. Vậy cần dùng 3,18 gam $Na_2CO_3$ để làm mềm hoàn toàn mẫu nước này.
$m_{Na_2CO_3} = 0{,}03 \times 106 = 3{,}18$ gam. Vậy cần dùng 3,18 gam $Na_2CO_3$ để làm mềm hoàn toàn mẫu nước này.

Ví dụ

Giải thích vì sao đun sôi không làm mềm được nước cứng vĩnh cửu

1
Giải thích vì sao phương pháp đun sôi làm mềm được nước cứng tạm thời nhưng không có tác dụng với nước cứng vĩnh cửu.
2
Đun sôi chỉ làm mềm nước bằng cách nhiệt phân gốc $HCO_3^-$ thành kết tủa carbonate — phản ứng này chỉ xảy ra với muối hydrocarbonate.
Đun sôi chỉ làm mềm nước bằng cách nhiệt phân gốc $HCO_3^-$ thành kết tủa carbonate — phản ứng này chỉ xảy ra với muối hydrocarbonate.
3
Nước cứng vĩnh cửu chứa $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ đi kèm gốc $Cl^-$ hoặc $SO_4^{2-}$ — hai gốc acid này bền nhiệt, không bị phân hủy khi đun sôi, nên $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ vẫn ở dạng ion hòa tan trong nước.
Nước cứng vĩnh cửu chứa $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ đi kèm gốc $Cl^-$ hoặc $SO_4^{2-}$ — hai gốc acid này bền nhiệt, không bị phân hủy khi đun sôi, nên $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ vẫn ở dạng ion hòa tan trong nước.
4
Vậy đun sôi không tác động được đến ion $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ trong nước cứng vĩnh cửu, vì không có phản ứng nào xảy ra để kết tủa chúng — muốn làm mềm loại nước này bắt buộc phải dùng hóa chất (Na2CO3, Na3PO4) hoặc phương pháp trao đổi ion.
Vậy đun sôi không tác động được đến ion $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$ trong nước cứng vĩnh cửu, vì không có phản ứng nào xảy ra để kết tủa chúng — muốn làm mềm loại nước này bắt buộc phải dùng hóa chất (Na2CO3, Na3PO4) hoặc phương pháp trao đổi ion.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh hiểu nhầm "nước cứng toàn phần" là loại nước cứng nặng nhất hay độc hại nhất — thực ra đó chỉ là tên gọi cho nước chứa đồng thời cả hai loại ion gây cứng tạm thời và vĩnh cửu, không phải một mức độ nguy hiểm riêng. Sai lầm khác là cho rằng đun sôi làm mềm được mọi loại nước cứng — đun sôi chỉ hiệu quả với nước cứng tạm thời.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Nước cứng chứa nhiều $Ca^{2+}$ , $Mg^{2+}$ , chia thành tạm thời (muối hydrocarbonate, mất tính cứng khi đun sôi), vĩnh cửu (muối chloride/sulfate, bền nhiệt) và toàn phần (cả hai). Tác hại chính: giảm hiệu quả xà phòng, đóng cặn nồi hơi, giảm chất lượng sản xuất. Làm mềm bằng đun sôi (chỉ với tạm thời), dùng $Na_2CO_3$ / $Na_3PO_4$ (cả hai loại), hoặc trao đổi ion (công nghệ hiện đại).

Nước cứng chứa nhiều $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, chia thành tạm thời (muối hydrocarbonate, mất tính cứng khi đun sôi), vĩnh cửu (muối chloride/sulfate, bền nhiệt) và toàn phần (cả hai). Tác hại chính: giảm hiệu quả xà phòng, đóng cặn nồi hơi, giảm chất lượng sản xuất. Làm mềm bằng đun sôi (chỉ với tạm thời), dùng $Na_2CO_3$/$Na_3PO_4$ (cả hai loại), hoặc trao đổi ion (công nghệ hiện đại).

Cầu nối

Chương tiếp theo chuyển sang một kim loại khác hẳn về tính chất vật lí — nhôm — dù vẫn giữ tính khử mạnh và cũng chỉ điều chế được bằng điện phân nóng chảy, giống kim loại kiềm và kiềm thổ.