Магний, кальций и жёсткость воды

Магний и кальций находятся в одной группе периодической системы и часто образуют соединения сходного состава. Их ионы встречаются в природной воде. Но реакция металла с водой, растворимость его гидроксида и поведение растворённых солей — три разных вопроса.

Магний и кальций как металлы

Mg и Ca относятся к группе 2. В обычных соединениях их степень окисления равна +II. При образовании катиона нейтральный атом отдаёт два электрона; поэтому формулы хлоридов — MgCl₂ и CaCl₂, оксидов — MgO и CaO.

Оба простых вещества имеют металлическую связь и проявляют восстановительные свойства. Магний применяют в лёгких сплавах. Кальций вследствие активности широко встречается в природе в соединениях, например в карбонатах и сульфатах. Элемент кальций в минерале — не свободный металлический кальций.

Кальций реагирует с водой с образованием малорастворимого гидроксида и водорода:

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑.

Для магния при комнатной температуре реакция с водой сильно затруднена поверхностной плёнкой. С горячей водой взаимодействие ускоряется; со специально нагретым водяным паром школьная схема даёт оксид:

Mg + H₂O(г) → MgO + H₂↑.

Условие нагревания здесь существенно. Нельзя приписывать магнию ту же наблюдаемую реакцию с холодной водой, что кальцию. С разбавленной соляной кислотой магний реагирует по уравнению:

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑.

Оксиды, гидроксиды и карбонаты

MgO и CaO — основные оксиды. Они взаимодействуют с подходящими кислотами с образованием соли и воды. Гидроксид магния Mg(OH)₂ плохо растворим; гидроксид кальция тоже ограниченно растворим, однако его раствор имеет щелочную среду.

Негашёная известь CaO превращается с водой в гашёную известь:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂.

Это экзотермическое превращение.

Карбонат кальция реагирует с соляной кислотой:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.

При наличии воды и растворённого CO₂ карбонат может переходить в растворённые гидрокарбонаты. Так взаимодействие пород с природной водой изменяет её ионный состав.

Что называют жёсткостью воды

В школьном курсе жёсткость воды связывают прежде всего с содержанием растворённых ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Общая минерализация и жёсткость — разные характеристики.

Раствор NaCl может содержать много соли, но не приобретает от одного хлорида натрия кальциево-магниевую жёсткость. Точно так же взвесь мела и прозрачный раствор солей — разные системы: для жёсткости важны растворённые ионы.

Ионы кальция и магния образуют с анионами обычного мыла малорастворимые соединения. Поэтому часть мыла расходуется до образования устойчивой пены. Этот признак помогает объяснить бытовое наблюдение, но не заменяет количественного анализа воды.

Временная и постоянная жёсткость

Для кальциевого гидрокарбоната при нагревании записывают:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O.

Образование карбонатного осадка связано с накипью. Превращения магниевых гидрокарбонатов могут включать дальнейший гидролиз и образование гидроксида, поэтому переносить одну кальциевую схему на все примеси не следует.

Кипячение уменьшает временную жёсткость, но не превращает любую жёсткую воду в полностью обессоленную. Постоянная жёсткость требует других способов удаления ионов.

Другие способы умягчения

В промышленной обработке применяют осаждение, ионный обмен и мембранные процессы. Например, карбонат-ионы способны осаждать кальций:

Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓.

При ионном обмене Ca²⁺ и Mg²⁺ удерживаются материалом и заменяются другими ионами, например Na⁺. Общая масса растворённых веществ при этом не обязана исчезнуть. Дистилляция отделяет воду от большинства нелетучих солей, но умягчение и полная очистка от всех возможных загрязнений также не тождественны.

Три разобранных примера

1. Составить формулу соли

Катион Ca²⁺ и гидрокарбонат-ион HCO₃⁻ должны дать нейтральную формулу. Нужны два однозарядных аниона: Ca(HCO₃)₂. Скобки относятся ко всему гидрокарбонат-иону, а не только к кислороду.

2. Рассчитать массу осадка

В модели при нагревании полностью разлагается 0,020 моль Ca(HCO₃)₂. По уравнению образуется столько же CaCO₃. Примем M(CaCO₃) = 100 г/моль:

m(CaCO₃) = 0,020 · 100 = 2,0 г.

Масса осадка — не масса всей воды и не обязательное содержание накипи в реальном приборе: здесь заданы полное превращение и конкретная соль.

3. Определить, что останется после кипячения

Вода содержит Ca(HCO₃)₂ и MgCl₂. Первая соль связана с временной жёсткостью. Хлорид магния даёт постоянную составляющую, которая обычным кипячением не устраняется. Значит, исчезновение части кальциевых ионов не доказывает полного умягчения.

Типичные ошибки

• Объяснять жёсткость любой растворённой солью, включая NaCl.
• Считать осадок и растворённые ионы одним и тем же.
• Утверждать, что кипячение удаляет все соли и все загрязнения.
• Забывать условия реакции магния с водой или паром.

Проверьте себя

1. Почему формула хлорида магния — MgCl₂?
2. Какая вода имеет временную жёсткость: с Ca(HCO₃)₂ или только с CaCl₂?
3. Как изменяется кальциевая временная жёсткость при кипячении?
4. Сколько CaCO₃ образуется из 0,050 моль Ca(HCO₃)₂ в идеальной модели?
5. Исчезает ли вся минерализация при замене Ca²⁺ на Na⁺ ионным обменом?

Ответы и объяснения

1. Заряд Mg²⁺ компенсируют два Cl⁻; суммарный заряд равен нулю.
2. В первой воде: гидрокарбонат связан с карбонатной составляющей. Хлорид кальция даёт постоянную жёсткость.
3. Уменьшается: часть кальция переходит в карбонатный осадок, а CO₂ удаляется.

4. m(CaCO₃) = 0,050 · 100 = 5,0 г.

   Соотношение солей по уравнению 1 : 1.

5. Нет: растворённые ионы заменяются другими; уменьшение жёсткости не равно удалению всех солей.

Гипс, полугидрат и твердение: куда уходит вода

Основной курс 8–9. Для этого дополнения нужны формулы солей, количество вещества и понятие кристаллогидрата. Гипс — минерал состава CaSO₄·2H₂O. В его кристаллическую структуру входит вода; это не просто влажный порошок безводного CaSO₄. Ангидрит CaSO₄, полугидрат CaSO₄·½H₂O и дигидрат CaSO₄·2H₂O различаются составом и структурой.

При подходящем частичном обезвоживании гипса получают полугидрат, служащий основой многих гипсовых вяжущих. Число ½ означает один H₂O на два CaSO₄ в общем составе кристалла. Оно не требует существования половинки молекулы воды. Для целочисленного баланса удобно записать:

2(CaSO₄·2H₂O) → 2(CaSO₄·½H₂O) + 3H₂O (частичное обезвоживание).

При дальнейшем нагревании возможны другие состояния сульфата кальция; не любое прокаливание даёт один и тот же полугидрат. Названия готовой смеси и её торговой марки не заменяют указание фаз и добавок. В школьной строительной терминологии полугидрат часто называют алебастром; природное и торговое употребление этого слова неоднозначно, поэтому в расчёте надёжнее пользоваться заданной формулой.

Гипсовое вяжущее твердеет вследствие химического превращения полугидрата в дигидрат и образования связанной системы кристаллов. Испарение избытка воды и гидратация — разные процессы.

2(CaSO₄·½H₂O) + 3H₂O → 2(CaSO₄·2H₂O).

В водной среде исходные частицы частично растворяются, а кристаллы гипса зарождаются и растут, соединяясь в твёрдую массу. Это объясняет, почему затвердевание нельзя описать словами «вся вода высохла». Часть добавленной воды входит в состав нового кристаллогидрата, другая остаётся в порах и позднее может испаряться. Реальная структура зависит также от примесей и условий; один стехиометрический баланс не предсказывает прочность изделия.

Разбор: химически связанная и оставшаяся вода

В учебной модели 14,5 г чистого CaSO₄·½H₂O полностью превратились в дигидрат после добавления 12,0 г воды. Испарения и других реакций нет. Используем M(CaSO₄·½H₂O) = 145 г/моль, M(H₂O) = 18 г/моль и M(CaSO₄·2H₂O) = 172 г/моль. Сколько воды присоединилось и какова масса всей влажной системы?

n(полугидрата) = 14,5 / 145 = 0,100 моль; n(добавочно связанной H₂O) = 1,5 · 0,100 = 0,150 моль.

m(связанной добавленной воды) = 0,150 · 18 = 2,70 г; m(дигидрата) = 0,100 · 172 = 17,2 г.

В порах по условиям модели остаётся 12,0 − 2,70 = 9,30 г воды. Вся влажная система имеет массу 14,5 + 12,0 = 26,5 г, а не 17,2 г. Последнее число относится только к полученному дигидрату. В его составе есть также 0,900 г воды, уже входившей в исходный полугидрат: общая вода кристаллогидрата составляет 3,60 г. Эти разные способы учёта согласуются с законом сохранения массы.

Сравни это с известковым раствором: Ca(OH)₂ может связывать CO₂ воздуха с образованием CaCO₃. У гипса в приведённом балансе углекислый газ не нужен. О цементе и бетоне важно говорить отдельно: у них другой состав и более сложная гидратация.

Горение магния: почему воздух нельзя заменить кислородом

Основной курс; расчёт смеси — дополнительно. Уравнение образования MgO правильно описывает реакцию магния с кислородом. Но воздух содержит и азот. При горении магния может образовываться также нитрид Mg₃N₂:

2Mg + O₂ → 2MgO;   3Mg + N₂ → Mg₃N₂ (при горении и нагревании).

В обоих продуктах Mg имеет степень окисления +II; у N в нитриде она −III. Соотношение продуктов зависит от условий и по одному слову «воздух» не вычисляется. Поэтому утверждение «весь прирост массы — кислород» требует отдельного условия, что продуктом является только MgO. Здесь рассматривается химическая модель, а не инструкция по самостоятельному сжиганию металла.

Разбор: заданные доли двух направлений

Из 3,60 г Mg по условию 80,0% атомов перешли в MgO, остальные 20,0% — в Mg₃N₂. Металл израсходован полностью, иных продуктов и потерь нет. Примем M(Mg) = 24, M(MgO) = 40, M(Mg₃N₂) = 100 г/моль.

n(Mg) = 3,60 / 24 = 0,150 моль; n(MgO) = 0,800 · 0,150 = 0,120 моль.

n(Mg₃N₂) = 0,200 · 0,150 / 3 = 0,0100 моль.

m(продуктов) = 0,120 · 40 + 0,0100 · 100 = 4,80 + 1,00 = 5,80 г.

Деление на три необходимо: в одной формульной единице нитрида три Mg. Присоединилось 1,92 г кислорода и 0,280 г азота, вместе 2,20 г. Проверка: 3,60 + 2,20 = 5,80 г. Если бы по другому условию весь металл превратился только в MgO, получилось бы 6,00 г. Доля 20,0% задана для задачи и не объявляется универсальным экспериментальным выходом.

Самопроверка по гипсу и продуктам горения

1. Почему запись CaSO₄·½H₂O не означает существования половины молекулы воды?
2. В той же чистой модели 29,0 г полугидрата полностью превратились в дигидрат. Сколько дополнительной воды связано и сколько дигидрата получено?
3. К 29,0 г полугидрата добавили 20,0 г воды; испарения нет. Равно ли 20,0 г массе воды, вновь включённой в кристаллы? Найди массу оставшейся воды и всей системы.
4. Требуется ли CO₂ для приведённого превращения полугидрата в гипс? Сравни с карбонизацией Ca(OH)₂.
5. Почему после горения Mg на воздухе нельзя без дополнительных данных считать весь твёрдый остаток чистым MgO?
6. В условиях второго разбора найди расход O₂ и N₂ в молях. Почему один моль Mg₃N₂ содержит три моля атомов Mg, но требует только один моль N₂?

Объяснения к самопроверке

1. Формула задаёт соотношение в немолекулярной структуре: на два CaSO₄ приходится один H₂O. Дробь относится к нормировке состава, а не к разрезанию молекулы.
2. 29,0 / 145 = 0,200 моль полугидрата. Нужны 0,300 моль воды, то есть 5,40 г; дигидрата получается 0,200 · 172 = 34,4 г.
3. Нет: химически присоединяются 5,40 г. Оставшаяся вода имеет массу 20,0 − 5,40 = 14,6 г; вся система — 49,0 г. Это сумма 34,4 г дигидрата и 14,6 г воды.
4. Нет, в балансе гипса участвует вода. Для карбонизации извести нужен CO₂: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. Это другое превращение, хотя оба могут сопровождать твердение материалов.
5. Азот воздуха тоже способен связываться с Mg, образуя Mg₃N₂. Нужны сведения о продуктах, их долях и полноте превращения; белый цвет сам по себе не доказывает чистоту остатка.
6. Для 0,120 моль MgO нужны 0,0600 моль O₂. Для 0,0100 моль нитрида нужны 0,0100 моль N₂. Формула Mg₃N₂ содержит три Mg и два N; два N как раз приходят из одной молекулы N₂.

Сверка дополнения: МГУ: магний, кальций и гипс, University of Sheffield: реакции Mg и исследование превращения полугидрата в гипс. Условия, решения и схема разработаны для этого сайта.

Связанные темы и источники

Повторите натрий и калий, свойства металлов и соли.

Источники: RSC: временная и постоянная жёсткость; RSC: способы умягчения.

Выбрать другой маршрут курса