oznaczanie twardości ogólnej wody za pomocą wersenianu sodu

oznaczanie twardości ogólnej wody za pomocą wersenianu sodu

OZNACZANIE TWARDOŚCI OGÓLNEJ WODY
ZA POMOCĄ WERSENIANU SODU
Instrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego.
1. Wprowadzenie
1.1. Twardość wody
Twardość wody jest to właściwość polegająca na zużywaniu pewnych ilości mydła
bez wytworzenia piany podczas wytrząsania próby wody. Właściwość tę nadają naturalnej
wodzie jony wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku oraz innych ciężkich
kationów, które tworzą z mydłem dodawanym do wody nierozpuszczalne mydła wapniowe,
magnezowe i inne nie tworzące piany podczas wytrząsania. Piana zaczyna się wytwarzać
dopiero wówczas, gdy nastąpi całkowite ich strącenie. Ilość zużytego przez wodę mydła do
chwili pojawienia się piany charakteryzuje stopień twardości wody. Ponieważ w wodach
naturalnych dominują przeważnie sole wapnia oraz magnezu, natomiast inne kationy metali
ciężkich występują w znikomych ilościach, więc twardość wody naturalnej zależy głównie
od zawartości jonów Ca2+ i Mg2+ w badanej wodzie. Jeżeli jednak któryś ze wspomnianych
jonów występuje w większych ilościach, to należy go podczas określania twardości
uwzględnić. Twardość wody surowej nazywa się twardością ogólną (Tw).
Twardość wywołana przez wodorowęglany, węglany i wodorotlenki wapnia
i magnezu nazywa się twardością węglanową (Tww). Twardość wywołana przez inne
związki wapnia i magnezu nazywa się twardością niewęglanową (TwN). Twardość
węglanowa i niewęglanowa stanowią w sumie twardość ogólną wody (TwO). Co
przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Rodzaje twardości.
Twardość ogólna TwO
Podział według kationów
Podział według anionów
Twardość
Twardość
Symbol
Rodzaj twardości
Tww
TwN
węglanowa
niewęglanowa
Ca(HCO3)2
CaSO4
TwCa
wapniowa
TwWCa Ca(OH)2
TwNCa CaCl2
CaCO3
Ca(NO3)2
Mg(HCO3)2
MgSO4
1
TwWCa
magnezowa
TwWMg
Mg(OH)2
TwNMg MgCl2
MgCO3
Mg(NO3)2
Według starszej nomenklatury twardość ogólną wody dzielono na twardość
przemijającą, gdyż twardość ta maleje znacznie po przegotowaniu wody i twardość stałą,
która pozostaje po przegotowaniu wody. Twardość węglanową często utożsamia się z
twardością przemijającą, co jest niezupełnie słuszne, gdyż węglany i wodorotlenki
pozostają w wodzie po przegotowaniu i w ten sposób twardość węglanowa jest większa od
twardości przemijającej.
Rozkład termiczny twardości węglanowej wiąże się z reakcją rozkładu
wodorowęglanu wapniowego i magnezowego oraz z hydrolizą powstałego węglanu
magnezowego w myśl równania:
Ca(HCO3)2
CaCO3 + H2O + CO2
(1)
Mg(HCO3)2
MgCO3 + H2O + CO2
(2)
Mg(OH)2 + CO2
(3)
MgCO3 + H2O
Podczas ogrzewania wody rozpuszczalność dwutlenku węgla zmniejsza się
i wydziela się on do atmosfery. Prowadzi to do naruszenia równowagi węglanowo wapniowej i z wody wytrąca się trudno rozpuszczalny węglan (IV) wapnia (CaCO3),
tworząc kamień kotłowy. Natomiast węglan (IV) magnezu reaguje z wodą dając trudno
rozpuszczalny osad wodorotlenku magnezu Mg(OH)2. Rozpuszczalność węglanu (IV)
wapnia w 1dm3 wody destylowanej w temperaturze pokojowej wynosi 14 mg CaCO3/dm3,
a wodorotlenku magnezu około 8 mg Mg(OH)2/dm3.
Twardość wody podaje się w tzw. stopniach twardości wody (niemieckich,
francuskich, angielskich i innych) lub w milivalach (miligramorównoważnikach) jonów
wapnia i magnezu w 1dm3 wody. W Polsce rozpowszechnione jest wyrażanie twardości
wody w stopniach ogólnoeuropejskich lub w milivalach składnika na 1dm3 wody. Z
przyjętej konwencji wynika, iż 1 stopień twardości odpowiada 10 mg/dm3 CaO, a w takim
razie 1 mval/dm3 = 2.8 tw. Z zależności tej często korzysta się podczas przeliczania
twardości wody z milivali na stopnie twardości i odwrotnie.
Twardość wody nie ma znaczenia zdrowotnego. W gospodarstwie domowym woda
twarda jest niepożądana, gdyż powoduje m.in. duże zużycie mydła, twardnienie jarzyn
podczas gotowania. Wiele różnych gałęzi przemysłu wymaga wody miękkiej, szczególnie
2
woda do zasilania kotłów nie powinna być twarda, gdyż powstający kamień kotłowy
zwiększa znacznie straty ciepła i stwarza niebezpieczeństwo wybuchu. Wymagany stopień
zmiękczania wzrasta z ciśnieniem panującym w kotle. Sposób zmiękczania wody należy
rozpatrywać w każdym przypadku indywidualnie (w zależności od twardości wody surowej
i wymaganego stopnia zmiękczania). W tabeli 2 podano skalę przyjętą do oceny twardości.
Tabela 2. Skala twardości wody.
Twardość ogólna
(w stopniach twardości)
0-5
5 - 10
10 - 20
20 - 30
powyżej 30
Skala twardości
bardzo miękka
miękka
o średniej twardości
twarda
bardzo twarda
1.2. Metoda oznaczania
Celem ćwiczenia jest oznaczenie twardości ogólnej (TwO) wody wodociągowej za
pomocą miareczkowania wersenianem sodu.
Metoda pozwala na szybkie i dokładne oznaczenie twardości ogólnej wody. Polega
ona
na
tworzeniu
się
związków
kompleksowych
soli
dwusodowej
kwasu
etylenodwuaminoczterooctowego, zwanego kwasem wersenowym, z jonami wapnia
i magnezu. Jako wskaźnika używa się czerni eriochromowej T, która przy pH około 10
tworzy z jonami magnezowymi czerwono zabarwiony związek kompleksowy.
Ponieważ wersenian sodowy tworzy bardziej trwałe kompleksy z jonami Ca2+
i Mg2+ niż kompleksy tych metali z czernią eriochromową T, w czasie miareczkowania
wersenianem sodowym rozkładają się kompleksy z czernią eriochromową T, przy czym
wapń tworzy kompleks mniej zdysocjowany i zostaje związany przed magnezem. Koniec
miareczkowania obserwuje się, gdy czerwone zabarwienie w obecności nadmiaru
wersenianu sodowego zmienia się na niebieskie, gdyż magnez tworzy wtedy barwny
związek kompleksowy z wersenianem.
2. Odczynniki
3
bufor amonowy o pH = 10,
0.05 mol/l wersenian sodowy,
nasycony roztwór czerni eriochromowej T w alkoholu etylowym,
0.1 mol/l kwas solny,
oranż metylowy.
3. Wykonanie oznaczenia
3.1. Oznaczanie twardości wody wodociągowej
Do kolbki stożkowej odmierzyć 200 ml wody wodociągowej dodać 5 kropli oranżu
metylowego i miareczkować 0.1 - molowym kwasem solnym do zmiany zabarwienia
oranżu metylowego z pomarańczowego na lekko różowy. Następnie dodać 2 ml roztworu
buforu amonowego oraz 8 kropli czerni eriochromowej T i zaraz miareczkować
wersenianem sodu, aż do zmiany zabarwienia na zielone. Zmiana zabarwienia z
czerwonego na zielone świadczy o końcu miareczkowania. Pożądane jest posługiwanie się
przy miareczkowaniu roztworem porównawczym zawierającym wodę destylowaną
zawierającą takie same ilości oranżu metylowego kwasu i czerni eriochromowej T.
Miareczkowanie wykonać dla 5 próbek wody wodociągowej, 5 próbek cieku
wodnego, 5 próbek wody wodociągowej po przegotowaniu.
4. Opracowanie wyników
1. Wstęp teoretyczny.
2. Obliczyć twardość wody ze wzoru:
TWO
a C 56 100
V
(stopni niemieckich)
a - objętość zużytego roztworu wersenianu [ml]
C - molowość wersenianu [mol/dm3]
V - objętość próbki wziętej do oznaczania [ml].
3. Przeprowadzić dyskusję wyników:
4
a) średnią arytmetyczną ( x )
xi
x
n
gdzie: xi - poszczególny wynik pomiaru
n - liczba wyników
b) wariancję (V)
( x i x )2
V
n 1
c) odchylenie standardowe pojedynczego wyniku (średni błąd kwadratowy) (s)
( x i x )2
s
n 1
d) odchylenie standardowe średniej arytmetycznej ( s x )
s
n
sx
lub
sx
( x i x )2
n( n 1)
e) względne odchylenie standardowe (sr)
sr
s
x
f) porównać uzyskane wyniku dla twardości wody i wyjaśnić przyczynę różnicy uzyskanych
wyników dla poszczególnych wód.
g) interpretacja wyników.
Literatura:
Szmal Z.S., Lipiec T. ,,Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej”,
Wyd. VI, Warszawa, PZWL 1988 (rozdz. 6.2.1.1., 6.2.3.)
5