Tvrdost vody

Tvrdost vody není úplně jasný pojem - rozumí se jím buď obsah Ca2+, Mg2+, Ba2+ a Sr2+ (případně i dalších dvou - a vícemocných kationtů), nebo častěji jen množství rozpuštěného vápníku a hořčíku, tj. součet Ca2+ a Mg2+. Ve většině vod také tyto prvky naprosto dominují, takže ostatní můžeme zanedbat a na definici až tak nezáleží. Na tvrdosti vody se podílí větší měrou vápník (poměr Ca:Mg je ve většině přirozených vod 2:1 až 4:1).

Do vody se vápník a hořčík dostávají rozpouštěním některých minerálů, nejčastěji vápence (CaCO3), dolomitu (CaCO3·MgCO3), magnezitu, sádrovce a mnoha dalších. Tyto minerály jsou ve vodě prakticky nerozpustné, rozpouští je však kyselina uhličitá, která vzniká ve vodě reakcí s CO2. Tady je příklad rozpouštění vápence:

CaCO3 + H20 + CO2 → Ca(HCO3)2

Hydrogenuhličitan vápenatý je dobře rozpustný a ve vodě disociuje, takže můžeme reakci zapsat i takto:

CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2HCO3-

Při reakci se do vody dostávají samozřejmě nejen kationty Ca2+, ale také anionty (v tomto případě vznikne HCO3-). Většina tvrdosti je v přirozených vodách způsobena uhličitany, v menší míře sírany, příp. dalšími látkami - důležité ale je, že pojem "tvrdost" se týká právě jen kationtů, bez ohledu na to, z jaké sloučeniny pocházejí.

Podle množství CO2, které závisí na pH, na teplotě a tlaku nebo na vnějším zdroji, dochází buď k rozpouštění vápníku, nebo k jeho zpětnému vysrážení. Toho můžeme být svědky i v akváriu při tzv. biogenním odvápnění.

Jednotky, v kterých se tvrdost udává, se liší jak v různých zemích, tak v různých odvětvích. V akvaristice se u nás a ve střední Evropě nejčastěji používají tzv. německé stupně (v češtině někdy °n, N, jinak běžněji dGH nebo také dgH, °GH, °dH či °DH = deutsche Härte), jinde zase stupně americké (DH = Degrees of Hardness!), francouzské nebo anglické (Clarkovy). Často se také používají jako jednotky ppm (parts per milion, odpovídá množství vyjádřenému v mg/l), zejména v USA. Odborná literatura zase vyjadřuje často tvrdost v mval/l a čím dál tím častěji se objevuje např. v akvaristických kruzích volání po nutnosti sjednocení terminologie a hlavně ujasnění si pojmů - mval/l je prosazováno jako nejlepší vyjádření.

Celá záležitost je komplikovaná i tím, že jediným údajem vyjadřujeme sumu dvou kationtů, přičemž se obvykle Mg2+ převádějí na ekvivalentní množství Ca2+ a německá stupnice je pak dokonce sestrojena na základě množství CaO (1 dGH odpovídá 10 mg CaO/l). Jiné stupnice zase kalkulují s ekvivalenty CaCO3.

Význam tvrdosti vody

V přírodě najdeme vodu jak velmi měkkou, tak velmi tvrdou - vše záleží na tom, s jakými minerály přišla voda do styku. Vodovodní voda bývá jen zřídka velmi měkká, spíše je středně až velmi tvrdá. Vápník i hořčík jsou prvky velmi důležité pro živé organismy, jak pro živočichy, tak pro rostliny. Významně ovlivňují metabolismus organismů, nesprávné množství Ca2+ a Mg2+ může narušit činnost vnitřních orgánů. Tvrdost je třeba brát v potaz i při podávání některých léčiv, protože jejich účinek na ní může záviset.

Výsledek (v německých stupních a v ppm CaCO3) interpretujeme takto:

0-4 dGH 0-70 ppm velmi měkká voda

4-8 dGH 70-140 ppm měkká voda

8-12 dGH 140-210 ppm středně tvrdá (polotvrdá) voda

12-18 dGH 210-320 ppm tvrdá voda

18-30 dGH 320-530 ppm velmi tvrdá voda

Z výsledku běžných testů není možné určit, jaký podíl tvrdosti připadá na Ca2+ a jaký na Mg2+, stanovuje se suma obou kationtů.

Tvrdost vody je stabilní parametr, který nekolísá během dne, i když určitou závislost na množství CO2 ve vodě má. Je tedy jedno, v kterou denní dobu měříme. Většinou se významně neliší tvrdost naměřená ve vstupní vodě a např. v akváriu. Pozor ale, pokud neměníme pravidelně vodu, ale jen doléváme za vodu odpařenou. Výparem se voda např. v akváriu relativně obohacuje o rozpuštěné látky, takže časem se může voda stávat tvrdší. Protiváhou této kumulaci látek je činnost rostlin, které zase prvky odčerpávají. Množství spotřebovaného Ca2+ a Mg2+ je ale obvykle zanedbatelné.

Úprava tvrdosti vody

Úprava tvrdosti patří mezi ty snadnější - v tom smyslu, že na rozdíl od pH nebo alkality nedochází ke kolísání tvrdosti při pouhém styku vody se vzduchem nad hladinou. Ca2+ a Mg2+ nám do vzduchu nevyprchají. Ale pozor, množství rozpuštěného a vysráženého vápníku a hořčíku závisí na množství CO2obsaženého ve vodě, takže při poklesu množství CO2 se mohou kationty Ca2+ a Mg2+ vysrážet, čímž tvrdost klesne. Při úpravě tvrdosti mějme tedy na paměti, že může dojít i k ovlivnění alkality nebo pH, a naopak při úpravě těchto parametrů je často změněna i tvrdost vody.

Opět platí, že nejlepší možnou cestou dosáhnutí optimální tvrdosti např. pro naše ryby a rostliny je prostě zvolit si takové druhy, kterým vyhovuje naše vodovodní voda. Jakékoliv úpravy znamenají nutnost testování a neustálého monitorování parametrů a také dělají složitějším tak základní a jednoduchý úkon údržby akvária, jakým je pravidelná výměna vody.

Snižování tvrdosti musí předcházet ujištění, že štěrk a kameny použité v akváriu neobsahují vápník nebo hořčík. To je častou příčinnou nezdaru v jakýchkoliv pokusech o snížení tvrdosti. Stačí na vzorek kápnout trochu octu, pokud zašumí, musíme štěrk (kámen) vyměnit.

Samotné snížení tvrdosti můžeme provést těmito způsoby:

1) ředěním vstupní vody s vodou demineralizovanou, destilovanou nebo jinak technicky připravovanou. Pozor na běžné domácí změkčovače vody - většinou fungují tak, že Ca2+ a Mg2+ nahrazují dvěma kationty Na+. To nás sice zbaví tvrdosti, ale vzroste celková mineralizace a vodivost, což např. rybám vyžadujícím měkkou vodu rozhodně neprospěje. Proti vodnímu kameni sice tyto změkčovače zabírají, ale potřebujeme-li připravit vodu do akvária, sodík není řešením!!! Ředěním samozřejmě měníme i veškeré další parametry vody.

2) ředěním s vodou dešťovou, příp. s rozpuštěným sněhem: obdoba předchozího, tento způsob je méně spolehlivý (kolísající parametry dešťové vody, riziko obsahu škodlivin), zato levnější. Eventuálně je možné nechat částečně zmrznout vodu v láhvi a použít roztopený led (zbylou ještě nezmrzlou vodu vylít) - efekt může být ale slabý.

3) s použitím rašeliny: tahle metoda v sobě zahrnuje i snížení pH a alkality. V menší míře okyselují vodu i výluhy z kořenů nebo z tlejícího listí.

4) tvrdost mohou odčerpávat i rostliny (a také plži na stavbu ulit), ale měníme-li často vodu, je tento vliv většinou zanedbatelný.

5) převaření, které má odstranit část tvrdosti způsobenou uhličitany (označovanou jako přechodná), moc dobře nefunguje. Dojde při něm k vyprchání CO2 z vody, tím pádem se vysráží CaCO3. Testem tak zjistíme nižší tvrdost, ale pozor, vysrážené uhličitany jsou pořád ve vodě a pokud je nějak neodfiltrujeme, po zpětném obohacení vody o CO2 (po vychladnutí v průběhu cca 48 hodin) se zase znovu rozpustí. Nicméně část CaCO3 se usadí na stěnách nádoby (vodní kámen), takže stačí vodu slít a nechat vychladnout jinde. K účinnému vysrážení je potřeba alespoň několikaminutový var.

Zvyšování tvrdosti je možné přidáním některých sloučenin, které uvolňují kationty Ca2+ a Mg2+. Jsou to buď:

1) různé minerály - jednoduše vložíme do akvária kus vápence nebo dolomitu (stejně tak poslouží různé ulity, škeble nebo drcený korál, které tvoří z velké části CaCO3) - ale je nutné počítat s tím, že čím vyšší pH, tím hůře se vápenec bude rozpouštět

2) čisté chemikálie: MgSO4·7H20, CaCl2, práškový CaCO3, přípravky pro mořskou akvaristiku atd.

Vždy je třeba vzít do úvahy, že kromě kationtů (=tvrdosti) se voda obohacuje i o anionty, které mohou různým způsobem ovlivňovat alkalitu, pH a další vlastnosti vody - podle tohoto kritéria pak vybíráme, jakou látku použít.

Při zvyšování tvrdosti samozřejmě zvyšujeme i vodivost, resp. celkovou mineralizaci vody.

Tvrdost vody se udává se ve špatně představitelných jednotkách, několika způsoby a pokaždé jinak.

Jedna z definic se odvolává na koncentraci vícemocných kationtů (hořčíku, vápníku a pár dalších ...), jiná považuje tvrdost za ekvivalent CaCO3, ještě jiná stanovuje tvrdost jako součet obsahu hořčíku a vápníku. Ta platí i v Čechách.

Shrneme-li to, tvrdost vody souvisí s mineralizací vody, ale není to totéž. Většinou ji určují jen některé z rozpuštěných minerálů, takže se výjimečně může stát, že mineralizovanější voda bude měkčí než méně mineralizovaná (příklad: první voda má 150 mg/l, z toho 100 mg/l je Ca a Mg, druhá voda má 450 mg/l, z toho 50 mg je Ca a Mg - tvrdší je ta první).

Horší vstřebávání hořčíku a vápníku z vody než vázaných v organických látkách či v mléčných výrobcích není zatím plně podloženo. Představa, že se tělo tvrdou vodou zanáší podobně jako trubky vodním kamenem je neprokázaná (ukládání minerálů ve tkáních probíhá jiným mechanismem a důležitý je nedostatek čisté vody pro vylučování). Vyšší obsah vápníku má pravděpodobně ochranný účinek proti některým neurologickým poruchám, výšce krevního tlaku, diskutuje se o rakovině tlustého střeva; hořčík proti kardiovaskulárním chorobám. Je možné, že důležitý je i jejich vzájemný poměr.

Tvrdá voda není významným faktorem pro výskyt močových kamenů, snad jen při extrémních zátěžích - např. 10,5 mmol/l, tedy 370 mg Ca na litr. Celková mineralizace nerovná se tvrdost; mineralizované vody mohou obsahovat faktory, které naruší metabolismus prvků mnohem více, než nadbytek hořčíku a vápníku.

Když se mluví o tvrdé vodě, jsme podle jedné ze stupnic na hodnotách 2,51 - 3,75 mmol/l, což je ekvivalentní 88 - 132 mg Ca na litr, kdežto středně mineralizované minerální vody mají více než 500 mg/l a silně mineralizované více než 1500 mg/l a to už je skutečně podstatný rozdíl. Tvorbu kamenů může ovlivňovat koncentrace aniontů (šťavelanů, urátů ...).

Jak se tvrdá voda projevuje

Např. na čaji se udělá povlak. Mýdlo např. nepění. Od určitého množství tvrdost (Ca, Mg) mění chuť vody. Na nádobí a dlaždicích zůstávají bělavé stopy po uschlých kapkách. A ve varné konvici se tvoří vodní kámen, tedy veličina nejčastěji udávající koncentraci kationtů vápníku a hořčíku ve vodě. Definice tvrdosti vody je však nejednotná, někdy se tak označuje koncentrace dvojmocných kationtů vápníku, hořčíku, stroncia a barya, nebo všech kationtů s nábojem větším než jedna. Vzhledem k této nejednotnosti se moderní hydrochemie termínu tvrdost vody snaží vyhýbat. V praxi mnoha oborů, např. akvaristiky, se však pojem tvrdost vody stále často užívá.

Celkovou tvrdost můžeme rozdělit na přechodnou, tj. uhličitanovou a na stálou. Přechodnou (karbonátovou) tvrdost vody způsobují rozpustné hydrogenuhličitany a to především hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO3)2 a hydrogenuhličitan hořečnatý Mg(HCO3)2; tuto tvrdost vody lze odstranit převařením - dekarbonizací:

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2

Mg(HCO3)2 → MgCO3 + H2O + CO2

Vařením se však nezbavíme tvrdosti trvalé (nekarbonátové), za kterou jsou odpovědné především sírany, a to síran vápenatý CaSO4 a síran hořečnatý MgSO4. K jejich odstranění používáme srážení působením hydroxidu vápenatého Ca(OH)2 a uhličitanu sodného Na2CO3:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + MgCO3 + 2H2O

MgSO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + Mg(OH)2

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4

Tím pádem se rozpustné hydrogenuhličitany a sírany převedou na méně rozpustné normální uhličitany, a to uhličitan vápenatý a uhličitan hořečnatý, resp. hydroxid hořečnatý.

Hodnotu tvrdosti vody uvádíme v mmol/l nebo tzv. německých stupních tvrdosti (dGH). Jeden německý stupeň odpovídá 10 mg CaO v jednom litru vody. Současná (2007) česká norma stanovuje tvrdost vody podle koncentrace Ca a Mg (mmol/l). Mezi uvedenými jednotkami je možno přibližně převádět podle vztahu 1 mmol/l = 5,61 °dGH.

Z celkové tvrdosti vody jsou odvozeny tyto údaje: tvrdost od 1 do 10° značí vodu měkkou, z toho do 5° jde o vodu zvláště měkkou. 10-20° značí střední tvrdost, 20-30° značí vodu tvrdou a přes 30° zvláště tvrdou.