Lisää tietoa Veden kovuudesta
Veden kovuuden määrittely
Kokonaiskovuus jaetaan ohimenevään ja pysyvään kovuuteen.
Karbonaattikovuus kertoo vedessä olevien karbonaatti- ja vetykarbonaatti-ionien määrän. Karbonaattikovuuteen liittyy käsite kokonaisalkaliniteetti, jolla tarkoitetaan vedessä olevien vetykarbonaatti-, karbonaatti- ja hydroksidi-ionien yhteismäärää.3 Kokonaisalkaliniteetti vastaa veden CaCO3-pitoisuutta yksikössä mg/l.3 Veden kovuus –ominaisuutta apuna käyttäen voidaan tarkastella monia muitakin veden ominaisuuksia, kuten korroosio-ominaisuuksia ja tätä kautta edelleen sähkökemiaan liittyviä hapettumis- ja pelkistymisreaktioita.
Veden kovuuden yksikkönä käytetään sekä mmol/l että °dH, joka on saksalainen kovuusyksikkö.4
Jos tarkastellaan veden kovuutta pyykinpesuveden ominaisuuksien näkökulmasta, veden kovuudella on suuri merkitys veden vaahtoavuudessa. Esimerkiksi mäntysuovalla pestäessä vaahtoa ei muodostu lainkaan kovassa vedessä, kun taas pehmeässä sitä muodostuu runsaasti. Vaahtoavuus –demonstraatio esittää, miten mäntysuopa vaahtoaa erilaisen kovuuden omaavissa vesissä.
Pesuveden pesuominaisuuksiin vaikuttavat monet muutkin veden ominaisuudet, kuten happamuus, pintajännitys, suolapitoisuus ja lianirrotuskyky. Kovuus on tekemisissä myös näiden muiden ominaisuuksien kanssa. Esimerkiksi veden kovuuden kasvaessa pintajännitys alenee.
Mikä sitten on vaahtoavuuden merkitys pesutuloksen kannalta? On tavallista käyttää runsaasti vaahtoavia pesuaineita esimerkiksi astioiden pesussa, koska se antaa mielikuvan pesuaineen tehokkuudesta. Kuitenkin mattopyykillä monesti käytetään mäntysuopaa, joka ei vaahtoa vesijohtovedessä lainkaan. Johtuisiko mäntysuovan käyttö mattopyykillä siitä, että pesuaine toimii kuitenkin tehokkaammin ilman runsasta vaahtoamista, on mielenkiintoinen kysymys.
Veden kovuuteen vaikuttaminen
Veden kokonaiskovuutta voidaan mitata esimerkiksi EDTA- titrauksella.9 EDTA on etyleenidiamiinitetraetikkahapon natriumsuola, jonka kemiallinen kaava on seuraava: (NaOOCH2C)2NCH2CH2N(CH2COONa). Kovuutta aiheuttavat ionit sitoutuvat EDTA:n kanssa kompleksiyhdisteiksi. Kovuuden selvittämiseen titrauksen avulla pääset tutustumaan titraus –demonstraatiossa.
Veden kovuus –ominaisuutta voidaan myös havainnollistaa valmistamalla kovaa vettä ja poistamalla kovuus.9 Ensin valmistetaan kalkkiliuos eli kalsiumhydroksidin vesiliuos. Sitten poistetaan liuoksesta kovuuden aiheuttaja, joka on nyt kalsiumioneina, joko johtamalla hiilidioksidia liuokseen, puhaltamalla uloshengitysilmaa liuokseen tai lisäämällä suolahappoa tai rikkihappoa, jolloin saadaan hiilidioksidi vapautettua kalkkiliuoksesta. Jos liuokseen johdettaisiin hiilidioksidia tai siihen puhallettaisiin, tapahtuisi seuraava reaktio:
Ca(OH)2(aq) + CO2(g) 
CaCO3(s) + H2O(l)
Jos liuokseen taas laitettaisiin suolahappoa eli HCl:ää tai rikkihappoa eli H2SO4:a, tapahtuisivat seuraavat reaktiot:
Ca(OH)2(aq) + 2 HCl(aq) CaCl2(s) + 2 H2O(l)
Ca(OH)2(aq) + H2SO4(aq) CaSO4(s) + 2 H2O(l)
Veden kovuutta voidaan säädellä pesutulosta parantavaksi vedenpehmentimien avulla. Esimerkiksi fosfaatteja on käytetty vedenpehmentiminä, mutta myöhemmin niiden on huomattu aiheuttavan vesistöjen rehevöitymistä. Fosfaatit tosin ovat Suomen luonnossa minimitekijä, mikä usein tarkoittaa sitä, että fosfori rajoittaa kasvien kasvua eli sitä on paljon vähemmän kuin muita ravinteita. Metsien ja peltojen lannoittaminen fosforilla on tärkeää, mutta kuitenkaan sitä ei saisi kulkeutua vesistöihin, mikä onkin ristiriitaista.
Myös zeoliitteja on käytetty vedenpehmentiminä. Kehitystyön tuloksena pehmentävinä kemikaaleina käytetään biologisesti hajoavien karboksyylihappojen reaktioissa muodostuneita yhdisteitä. Biologisen hajoamisen tarkoitus on säästää luontoa ja pesukoneita. Pesuaineiden kehittelyssä keskeisenä onkin löytää sopivia vedenpehmentimiä sekä ympäristön että pesukoneiden kannalta.
Kahvin- ja vedenkeittimien puhdistuksessa otetaan huomioon veden kovuutta aiheuttavat metalli-ionit, sillä keittimet voidaan puhdistaa etikalla tai sitruunahapolla saostuneista karbonaateista. Etikan kemiallinen kaava on CH3CH2COOH. Sitruunahappo taas on kolmenarvoinen orgaaninen happo, jonka kemiallinen kaava on CH2(COOH)·COH(COOH)·CH2(COOH).1 Kun nämä hapot reagoivat kahvin- ja veden-keittimiin saostuneiden karbonaattien, kuten CaCO3:n ja MgCO3:n, kanssa, muodostuu vesiliukoisia kompleksiyhdisteitä.
Veden kovuuden ja veden muiden ominaisuuksien välinen yhteys
Jo se, että kova vesi on seos, vaikuttaa siihen, että kovan veden ominaisuudet poikkeavat kemiallisesti puhtaan veden ominaisuuksista. Muun muassa veden kovuuden aiheuttamat aineet on luokiteltavissa kemiallisesti puhtaassa vedessä oleviksi epäpuhtauksiksi, jotka vaikuttavat veden kiehumis- ja sulamispisteeseen.
Jos tarkastellaan laboratoriossa käytettävän tislatun veden ominaisuuksia, huomataan, että kovuus on siinä vähäinen eli tislattu vesi on pehmeää. Tislattu vesi on käyttökelpoisempaa useissa kemiallisissa määrityksissä, koska tavallisen veden metalli-ionit haittaisivat määritystä. Tislatun ja vesijohtoveden välillä on myös muita ominaisuuksia, jotka vaihtelevat, kuten happamuus, sillä se on alhaisempi vesijohtovedessä. Tämä johtuu karbonaattikovuudesta eli veden sisältämistä karbonaatti- ja vetykarbonaatti-ioneista. Tässä tarkoitetaan vesijohtovettä, johon ei ole lisätty emäksistä kalkkivettä putkistojen säilymiseksi hyvässä kunnossa.
Käyttäjän näkökulmasta katsottuna eri käyttötarkoituksiin sopivan veden ominaisuudet vaihtelevat. Esimerkiksi juomavedessä tärkeitä ominaisuuksia ovat happamuus, suolapitoisuus, kovuus ja veden puhtaus eli erilaisten yhdisteiden määrä vedessä, kuten humus luonnonvesissä.
Veden kovuuden ja pintajännityksen välille löytyy yhteys ainakin fosfaatteihin liittyen, sillä ne vähentävät veden kovuutta ja alentavat pintajännitystä. Toinen yhteys voisi olla vetysidokset, sillä pintajännityksessä niillä on suuri merkitys ja jos kovuus vaikuttaa vetysidosten määrään, vaikuttaa se pintajännitykseenkin. Tähän aiheeseen ei tässä tutkimuksessa paneuduta tarkemmin.
Veden kovuus vähentää veden liuotinominaisuuksia, josta hyvä esimerkki on pesutapahtumassa muodostuva kalkkisaippua. Kuten jo aikaisemmin tässä tekstissä on todettu, pesuveden kovuus vaikuttaa vaahtoavuuteen, sillä kova vesi haittaa pyykinpesua muodostaen saippuan kanssa veteen liukenematonta kalkkisaippuaa. Kalkkisaippuan muodostumisesta seuraa veden sameneminen ja se, että pesuainevesi vaahtoaa vähemmän kuin pehmeä vesi. Karbonaattikovuus vaikuttaa veden happamuutta alentavasti, joka taas voi vaikuttaa veden muihin ominaisuuksiin, esimerkiksi puskurointikykyyn. Tämän tutkimuksen Kalkkivesi –demonstraatiossa tarkastellaan sitä, miten kokonaiskovuutta aiheuttavat ionit reagoivat hiilidioksidin kanssa. Keskeiset reaktiot, joilla demonstraatiossa esitettyä tilannetta voidaan jäsentää, ovat seuraavat:
Ca(OH)2(aq) + CO2(g) CaCO3(s) + H2O(l)
Jos demonstraatiossa olisi puhallettu Mg(OH)2 –liuokseen, olisi tapahtunut vastaavanlainen reaktio:
Mg(OH)2(aq) + CO2(g) MgCO3(s) + H2O(l)
Näiden reaktioiden lisäksi kokeessa tapahtuu paljon muitakin reaktioita, joista kerrotaan enemmän kokeen yhteydessä.
Teollisuuden sovellutus veden happamuuden säätöön on emäksisen kalkkiveden lisäys vesijohtoveteen. Tämä on tarkoituksenmukaista, koska putkistot kestävät paremmin heikosti emäksistä vettä kuin hapanta vettä.
Kovuus vaikuttaa veden sähkönjohtokykyyn. Puhdas, ionivaihdettu vesi ei johda sähköä, mutta kun vedessä on suoloja, esimerkiksi kovuutta aiheuttavia kalsium- ja magnesiumsuoloja, sähkönjohtokyky paranee. Puhtaassa vedessä tapahtuu autoprotolyysi, jota kuvaa reaktioyhtälö 2 H2O 
H3O+ + OH-. Kovuutta aiheuttavat ionit pysyvät ioneina vedessä, jos ei veteen lisätä ainetta, jonka kanssa ionit reagoisivat.
Lähteet
1 http://fi.wikipedia.org/wiki/Sitruunahappo, luettu 13.2.2006
2 http://www.biocenter. helsinki.fi/ml/farml/chemistry/opetus/, luettu 7.12.2005
3 http://www.edu.fi/oppimateriaalit/ymparistokemia/vesilaatu.html, luettu 28.11.2005
4 http://www.jenergia.fi/Resource.phx/jenergia/yritykset/vesi/palvelut/index.htx, luettu 9.1.2006
5 http://www.keminmaa.fi/kunta/tekninen/vesihuol/vedenkovuus.htm, luettu 11.2.2006
6 http://www.minirisk.fi/peseoikein, luettu 13.3.2006
7 http://www.student.oulu.fi/~mirjak/yo/yo01k.html, luettu 13.2.2006
8 http://www.student.oulu.fi/~mirjak/yo/yo96s.html, luettu 13.2.2006
9 Vedestä vettä. Opettajan opas.Veden kovuus -työohjeita, luettu 25.10.2005
10 Zeoliiteista, luettu 13.2.2006