A vízkeménység és a pH érték egymásnak szinonimái, vagy mást (mit) jelent a két fogalom?

Nem tudom más területeken mennyire szokás felosztani, de akvarisztikában szoktunk összkeménységről (Gh) és változó vagy karbonátkeménységről (Kh) beszélni (s ezt mérik nk°-ban). Utóbbinak van köze a pH-hoz is mert Kh méréssel lényegében kémhatást mérünk, magas keménység (főleg ha a Kh magas) lúgos vízre utal, nagyon lágy víz meg általában savas; rendszerint minél alacsonyabb a Kh annál instabilabb a pH és CO2 szint stb-stb.

Néhány témába vágó videó:

[link]

[link]

[link]

[link]

A pH-t a víz sav-bázis tulajdonságainál szokták kémiában tanítani. A víz autoprotolízisre képes, azaz képesek a vízmolekulák egymás között protont cserélni, a vízmolekula protont leadni és felvenni is képes. Az autoprotolízis miatt a vízben kis koncentrációban, de mindig található hidroxidion és oxóniumion. A savasságot az oxóniumionok, a lúgosságot a hidroxidionok okozzák. Amikor a vízmolekula protont ad át, azt egy másik veszi fel, így egyensúlyban pontosan annyi oxóniumion van, mint amennyi hidroxidion, az összkoncentrációt 10^-14 mol/dm^3-nak szokták venni, vagyis 10^-7 mol/dm^3 mind az oxónium-, mind a hidroxionok koncentrációja. Ha valami eltolja a koncentrációt, akkor ez az arány változik, valamerre eltolódik. Például, ha protonleadásra képes savat juttatunk a vízbe, akkor a víz felveszi a leadott protont, és pozitív oxóniumionná válik, az oxóniumion koncentráció nő, a hidroxion koncentráció csökken. Amikor a pH-t jelöljük, akkor csak a hatványt vesszük figyelembe, annak is az abszolút értékét. pH esetén az oxóniumionok arányát vesszük figyelembe, vagyis mondjuk ha az oxóniumionok koncentrációja 10^-1 mol/dm^3, akkor azt mondjuk, hogy a folyadék savas, hiszen ilyenkor a hidroxidionok koncentrációja 10^-13 mol/dm^3, ami jóval kisebb. Ilyenkor azt mondjuk, hogy a 10^-1 mol/dm^3 koncentrációnál csak a hatvány abszolútértékét jelöljük, vagyis a pH = 1. Minél kisebb a koncentráció, annál több az oxóniumionok aránya, vagyis annál lúgosabb a folyadék. Így alakult, ki hogy az alacsony pH savas folyadékot, a 7-es pH semleges folyadékot, a magas pH pedig lúgos folyadékot jelöl. Hiszen 10^-13 mol/dm^3 oxóniumion koncentráció jelentősen kisebb, mint a 10^-1 mol/dm^3 koncentráció, a kisebb koncentráció esetén a hidroxidionok irányába tolódik el az egyensúly a több hidroxidion pedig lúgos kémhatást okoz. A másik dolog, amivel a kémhatást jelöljük, az a pOH, ez ugyanaz, mint a pH csak itt a hidroxidion koncentrációt vesszük figyelembe. Minél kisebb a pOH annál inkább lúgos a folyadék, a 7-es pOH ugyanúgy semleges, majd a pOH növekedésével egyre savasabbá válik a folyadék.

A Brönsted sav-bázis elmélet szerint a savak azok az anyagok, amelyek protonleadásra képesek, a bázisok pedig, amik protonfelvételre. Ha a sav protont ad át a vízmolekuláknak nő az oxóniumionok koncentrációja csökken a pH, ha a bázis (lúg) protont vesz el a víztől, akkor a hidroxidionok koncentrációja nő, nő a pH a folyadék lúgos kémhatású lesz.

A vízkeménységnek két típusa van, a változó és az állandó vízkeménység. A változó vízkeménységet a magnézium és kalciumionok okozzák, főleg a savanyú szénsav sóik. A folyadékban mindig van valamennyi oldott szénsav, ami reakció lép a vízben oldhatatlan magnézium- és kalcium-karbonátokkal, savanyú sókat alkotva. Viszont a szénsav instabil molekula, a savanyú sók is viszonylag könnyen bomlanak. Ha kevesebb a szénsav, a vízben kevesebb lesz az oldott magnézium- és kalcium-hidrogén-karbonát, ami elbomlik az vízkőként csapódik ki. Ez okozza a cseppkő képződését is, mely vízben oldhatatlan karbonátokból áll, amelyek vízből kicsapódó savanyú sókból képződnek. A szénsav kicsapódását okozhatja hő, más anyagok vízbe való oldódása, stb. Gyakorlatilag ezek azok, amik kiforralhatók. Tevenyereggyarto mint mondta az állandó vízkeménységet a kémhatással is lehet vizsgálni, mivel a karbonátok protont vesznek el a vízmolekulától, lúgos kémhatást okoznak.

A másik az állandó vízkeménység, amit az anionok okoznak, ezek főleg a szulfátok, kloridok, melyek a víz forralásával nem távoznak, hanem gyakorlatilag állandó jelleggel a vízben vannak, ezek a szulfátok, kloridok vízben oldott sói okozzák, csak hogy egy példát mondjak a konyhasóban lévő kloridion hozzáad az állandó vízkeménységhez.

A változó és az állandó vízkeménységet szokták összkeménységnek hívni. Az állandó keménységet kisebb standardpotenciálú fémek sóival szokták csökkenteni, mint például nátrium-foszfát (trisó), mivel a kalcium és a magnézium foszfátja kiválik a vízből, oldhatatlan sók. Gyakorlatilag helyet cserél a fenti példában a nátriumionnal a kalcium-, illetve a magnéziumion. Az ipar által használt módszer a vízlágyító gyanta, ahol hasonlóan kisebb standardpotenciálú kationok helyezkednek el a gyantán magnéziumnál és kalciumnál, gyakorlatilag helyet cserélnek az ionok.

Mind a kettőre képes, de ez két különböző reakciótípus. Amiről most beszélünk a protonátadással járó reakciók a sav-bázis reakciók. Az elektronátmenettel járó reakciók azok a redoxireakciók.

És igen, ezek szilárd sók, ahogy egyébként oldatlanul minden só az, ionos jellegű vegyületek. Maga a magnézium, ill. kalcium nem só, hanem fém, de ezek sói önmagukban szilárdak. Egyes sók viszont oldódnak vízben, ilyen a kalcium-klorid, kalcium-hidroxid (köznapi nevén oltott mész, ill. mészhidrát), ill. magnézium-szulfát (keserűsó) vagy magnézium-klorid, stb., míg más sóknak túl nagy a rácsenergiájuk, a víz hidratációs energiája nem tudja megbontani az ionrácsot, így vízben oldhatatlanok, többek között ezek a magnézium-karbonát (magnezit), illetve kalcium-karbonát (mész), a kalcium-szulfát (gipsz), stb.