miniatura|L'aigua amb elevada duresa provoca incrustacions en conductes i dipòsits. La duresa és una qualitat de l'aigua relacionada amb el contingut en dissolució de cations metàl·lics no alcalins, bàsicament els cations alcalinoterris calci, Ca2+, i magnesi, Mg2+.
La duresa també inclou els efectes d'altres cations divalents com l'estronci, Sr2+, el ferro(2+), Fe2+, i el manganès(2+), Mn2+, i també el trivalent alumini, Al3+. Però aquests cations no es troben habitualment en les aigües superficials o subterrànies, o la seva concentració és negligible comparada amb la dels cations Ca2+ i Mg2+. Els efectes de la duresa de l'aigua s'observa en la precipitació dels sabons impedint que realitzin la seva funció netejadora, i en les incrustacions de carbonat de calci, CaCO₃, que es produeixen dintre dels dipòsits que contenen aigua calenta o dintre els conductes pels quals circula aigua calenta.
La duresa, simbolitzada , en mg CaCO₃/L, s'obté amb la segünt fórmula, on les masses de cada catió presents en un litre d'aigua s'han d'introduir en mg:
Tipus de duresa Hom defineix tres tipus de duresa en funció dels anions als quals es troben associats els cations alcalinoterris: la duresa temporal, la duresa permanent i la duresa total.
Duresa temporal miniatura|L'aigua en evaporar-se a les coves produeix estalagmites, el mateix fenomen que les inscrutacions. La duresa temporal, també anomenada duresa carbònica, és la duresa deguda als cations Ca2+ i Mg2+ associats als anions carbonat, CO₃²¯ i hidrogencarbonat, HCO₃¯. Se simbolitza per . Aquesta duresa és la principal causant de les incrustacions de carbonat de calci, CaCO₃, en els recipients o conductes que contenen o condueixen aigua calenta i en les marques blanquinoses que deixa l'aigua damunt les superfícies quan s'evapora.
Duresa permanent La duresa permanent fa referència al contingut total de cations Ca2+ i Mg2+, essencialment, després d'un temps en estat d'ebullició de l'aigua. Durant aquest procés d'ebullició es desprèn diòxid de carboni, CO₂, i precipiten els carbonats d'aquells cations, restant en dissolució els cations Ca2+ i Mg2+ associats a sulfats, clorurs i silicats. La reacció que té lloc durant l'ebullició és la reacció entre els cations Ca2+ o Mg2+ amb els anions hidrogencarbonat, HCO₃¯, (que estan en equilibri químic amb els anions carbonat, CO₃¯) i que es pot simbolitzar mitjançant l'equació química:
La duresa permanent se simbolitza per .
Duresa total La duresa total és la que considera la concentració total de cations divalents (Ca2+, Mg2+, Sr2+, Fe2+, Mn2+, Zn2+) i dels trivalents Fe3+ i Al3+, en una aigua, i que es redueix generalment als cations Ca2+ i Mg2+. És la causant de la precipitació dels sabons que impedeix la seva acció netejadora. Se simbolitza per i correspon a la suma de les dues anteriors:
Hom pot diferenciar en aquest tipus la duresa càlcica i la duresa magnèsica que es corresponen amb les concentracions totals del catió Ca2+ i del catió Mg2+ respectivament.
Unitats TAULA DE CORRESPONDÈNCIA ENTRE UNITATS Unitats de duresa mg CaCO₃/L mmol CaCO₃/L °f (° francès) °d (° alemany) °e (° anglès) 1 mg CaCO₃/L 1 0,01 0,10 0,056 0,07 1 mmol CaCO₃/L 100 1 10 5,6 7 1 °f 10 0,1 1 0,56 0,702 1 °d 17,9 0,179 1,79 1 1,253 1 °e 14,3 0,143 1,43 0,798 1 Històricament hi ha hagut diferents unitats per expressar la duresa de l'aigua en funció dels diferents països. En totes elles la concentració total de cations s'expressen com si tots els cations fossin Ca2+ i els anions fossin carbonats, CO₃-, és a dir que la duresa estàs produïda per la dissolució exclusiva de carbonat de calci, CaCO₃, excepte el grau anglès que expressa la concentració en funció de l'òxid de calci, CaO. Actualment s'empren les següents: mg CaCO₃/L: La concentració de cations s'expressa en mg CaCO₃ per litre d'aigua. mmol CaCO₃/L: La concentració de cations s'expressa en mmol CaCO₃ per litre d'aigua. Grau hidrotimètric francès, °f o °Hf: Es defineix 1 °f igual a 10 mg CaCO₃/L. Grau hidrotimètric alemany, °d o °Hd: Es defineix 1 °d igual a 10 g de CaO/L, que equival a 17,8 mg CaCO₃/L. Grau hidrotimètric anglès, °e o °He: Es defineix 1 °e igual a 10 mg CaCO₃/701,5 mL.
Classificació de les aigües ESCALA MERCK Tipus d'aigua Molt tova Tova Semidura Dura Molt dura Duresa (mg CaCO₃/L) 0-79 80-149 150-329 330-549 ≥550 Les aigües es poden classificar en funció del seu grau de duresa. Entre les diferents classificacions una de les més emprades és l'escala Merck que estableix cinc tipus d'aigua segons uns intervals de duresa que es mostren a la taula adjunta.
Les aigües habitualment tenen valors entre 10 i 300 mg CaCO₃/L, i poden arribar a 1 000 mg CaCO₃/L i, excepcionalment, a 2 000 mg CaCO₃/L o més. L'aigua de la mar té al voltant de 1 500 mg CaCO₃/L.
Causes miniatura|L'aigua amb CO₂ dissolt descendeix dins d'una roca i dissol el carbonat de calci. La causa de la duresa de l'aigua és, principalment, la dissolució de sals de calci i magnesi durant el procés d'infiltració de l'aigua superficial en el terreny per a formar aigua subterrània. En aquest recorregut de l'aigua aquesta es posa en contacte amb diferents tipus de roques que poden dissoldre les seves sals. Les roques carbonatades, com la calcita i la dolomita, malgrat són insolubles, són les que es dissolen més fàcilment perquè l'aigua duu dissolt diòxid de carboni, CO₂, de l'atmosfera el qual reacciona amb l'aigua donat anions hidrogencarbonat àcids i carbonat segons els equilibris:
La dissolució resultant és lleugerament àcida, la qual cosa permet la dissolució de carbonats de calci i magnesi, que són insolubles, gràcies a la reacció:
Tanmateix la quantitat de diòxid de carboni, CO₂, dissolt en l'aigua no es pot explicar en base només a la dissolució del diòxid de carboni atmosfèric. Cal tenir en compte l'aportació de diòxid de carboni degut a la respiració de microorganismes presents en l'aigua i en el sòl.
Conseqüències miniatura|Estearat de magnesi. L'elevada duresa de l'aigua dona lloc a diferents problemes que es veuen agreujats quan major sigui el seu valor. Aquests són:
Precipitació dels sabons: Els cations calci i magnesi precipiten l'estearat component principal dels sabons en forma d'estearat de calci i el de magnesi. Això provoca la reducció en el rendiment dels sabons, ja que perden capacitat netejadora. Aquest problema es pot solucionar de diferents maneres: En el cas de rentadores addicionant una quantitat suplementari de detergent, així part dels estearats precipitaran però en deixaran una altra en dissolució que podran exercir la seva funció. Incrementa el cost de la neteja degut a la major quantitat de detergent que s'empra. En el cas dels rentaplats s'empra una resina d'intercanvi iònic que permet substituir els cations Ca2+ per cations sodi abans que l'aigua es posi en contacte amb el detergent, reduint així la duresa de l'aigua i evitant la precipitació dels estearats. La resina perd, en aquest procés, cations Na+ que han de ser recuperats per a dur a terme un nou procés, això es fa mitjançant el contacte amb una dissolució altament salina de clorur de sodi, NaCl. La causant d'aquesta precipitació és la duresa total, ja que el fenomen depèn de la concentració de cations i no dels anions. La reacció que té lloc es pot simbolitzar mitjançant la següent equació:
miniatura|Peça d'una rentadora amb incrustacions blanquinoses.
Incrustacions: L'increment de la temperatura d'una aigua fa que es produeixi un despreniment de diòxid de carboni, la qual cosa desplaça l'equilibri cap a la formació de carbonat de calci i el seu dipòsit sobre les superfícies de contacte, interior de tubs de conducció, serpentins, dipòsits, calderes, resistències, etc. Aquest fenomen depèn de la duresa carbònica o temporal, deguda a carbonats. Es produeixen incrustacions de carbonat de calci que creixen amb el pas del temps i obstrueixen els conductes per on circula l'aigua produint una disminució del cabdal, les sortides d'aquests conductes podent obstruir-les com és el cas de planxes i boquilles, i les resistències perden capacitat d'escalfament. Per evitar aquest problema s'ha d'emprar aigua amb poca duresa quan sigui possible.
Problemes sanitaris: Els estudis realitzats indiquen que la duresa de l'aigua no provoca problemes de salut en els consumidors. Les aigües dures aporten cations calci a la dieta els quals són fonamentals per a la calcificació dels ossos. Tanmateix alguns estudis demostren que l'ús d'aigües molt dures en la higiene personal podria augmentar la incidència d'èczemes en els infants.
També, per l'altre costat, la baixa duresa de l'aigua dona lloc a problemes. Les aigües toves produeixen major corrosió dels interiors de conductes i dipòsits metàl·lics. Les incrustacions de carbonat de calci que produeixen les aigües dures protegeixen de la corrosió els interiors de conductes i dipòsits. Per tant, les aigües toves són més corrosives que les dures degut a aquesta manca de protecció.
Mètodes de determinació directa S'empren dos mètodes per a la determinació directa de la duresa:
Valoració complexomètrica La valoració complexomètrica amb àcid etilendiamintetraacètic (EDTA) és la tècnica més habitual per a la determinació de la duresa de l'aigua. Es tracta d'una volumetria on el reactiu valorant és una dissolució 0,01 M d'EDTA que forma un complex de coordinació amb el calci i el magnesi. La determinació s'ha de fer a pH = 10, per la qual cosa s'empra una dissolució amortidora de clorur d'amoni/amoníac i l'indicador és el negre d'eriocrom T, que canvia de vermell vinós a blau.
Mètode de Boutron-Boudet Aquest mètode és el més antic i es basa en la propietat que tenen els cations calci i magnesi de precipitar l'estearat, o palmitat, que forma els sabons. Es prepara una dissolució d'estearat de sodi de concentració coneguda dins d'un flascó hidrotimètric i s'addicionen gotes de l'aigua la qual duresa es vol determinar amb una bureta hidrotimètrica. Es tapa el flascó i s'agita. Si es formen bombolles significa que s'han de seguir addicionant gotes de l'aigua perquè encara no s'ha precipitat tot l'estearat. Quan no es formen bombolles es llegeix el volum addicionat d'aigua i se'n dedueix la duresa.
Mètodes de determinació indirecta Habitualment s'empren dos mètodes de determinació indirecta de la duresa:
Mitjançant la conductivitat elèctrica Experimentalment es comprova que hi ha una relació aproximada entre la duresa d'una aigua i la seva conductivitat elèctrica que permet fer-ne una estimació molt aproximada sempre que no hi hagi salinització marina de l'aigua, ja que l'aigua de la mar aporta anions clorur, Cl—, i cations sodi, Na+, molt conductors, que no estan relacionats amb la duresa.
La relació és:
A partir d'aquesta relació mesurant la conductivitat elèctrica en μS/cm amb un conductímetre és possible obtenir un valor aproximat de la duresa simplement dividint per 2.
Mitjançant les concentracions dels cations dissolts COEFICIENTS PER CALCULAR LA DURESA Catió Ca2+ Mg2+ Sr2+ Fe2+ Al3+ Zn2+ Mn2+ Coeficient 2,497 4,116 4,142 1,792 3,710 1,531 1,822 La duresa es pot calcular exactament a partir dels diferents cations presents en l'aigua, excepte l'oxoni, H₃O+, i els cations alcalins, Li+, Na+ i K+. Així el contingut en mg/L de CaCO₃ equivalent es calcula multiplicant els valors obtinguts, en mg/L, pels coeficients de la taula ajunta i sumar els resultats. Normalment és suficient realitzar el càlcul amb els cations Ca2+ i Mg2+.
Ablaniment Existeixen diferents mètodes per reduir la duresa d'una aigua quan la seva duresa impedeixi el seu ús, la qual cosa s'anomena ablaniment.
Ablaniment amb calç-carbonat miniatura|Planta de tractament d'aigua. En aquest mètode, el més antic, s'empra òxid de calci o calç, CaO, i carbonat de sodi, Na₂CO₃, que s'addicionen a l'aigua que es vol ablanir. En contacte amb l'aigua l'òxid de calci forma hidròxid de calci segons la reacció: