ocena czystości wody na podstawie pomiarów przewodnictwa

OCENA CZYSTOŚCI WODY NA PODSTAWIE POMIARÓW
PRZEWODNICTWA.
OZNACZANIE STĘŻENIA WODOROTLENKU SODU
METODĄ MIARECZKOWANIA
KONDUKTOMETRYCZNEGO
Instrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego.
1. Wprowadzenie
1.1. Przewodnictwo elektrolitów
Według prawa Ohma, opór (R) przewodnika zależy od jego długości (l), przekroju (s) i
rodzaju materiału, z którego wykonano przewodnik:
l
s
R
gdzie:
[ ]
(1)
jest tzw. oporem właściwym, charakteryzującym dany materiał. Jest to opór, jaki
stawia prądowi przewodnik o długości l = 1 cm i przekroju s = 1 cm2.
R
s
l
[ · cm]
(2)
W przypadku elektrolitów korzystamy nie z oporu, a z przewodnictwa elektrycznego
G, które jest odwrotnością oporu:
G
1
R
(3)
-1
Jednostką przewodnictwa jest simens ( 1S = 1
].
Przewodnictwem właściwym ( ) nazywamy odwrotność oporu właściwego:
1
1 l
R s
[S· cm-1]
(4)
Jest to przewodnictwo słupa elektrolitu o długości l = 1 cm i przekroju s = 1 cm2.
Przewodnictwo właściwe elektrolitu w danej temperaturze jest funkcją stężenia. W
roztworach rozcieńczonych wartość
zwiększa się niemal liniowo ze wzrostem stężenia (Rys.
1). Obserwowany zawsze w obszarze małych stężeń wzrost przewodnictwa właściwego jest
wynikiem zwiększania się liczby jonów przypadających na jednostkę objętości roztworu.
1
Rys. 1. Zależność przewodnictwa
właściwego od stężenia w rozcieńczonych
wodnych roztworach elektrolitów
1 - CO2 ;
2 - Na2SO4
3 - NaCl;
4 - MgCl2
5 - KOH;
6 - NaOH
7 - NH3
(t = 18 C)
Kohlrausch (1898) wprowadził pojęcie przewodnictwa równoważnikowego, które umożliwia
porównywanie przewodnictwa różnych elektrolitów:
1000
c
(5)
gdzie c jest stężeniem substancji w gramorównoważnikach na litr roztworu.
Przewodnictwo równoważnikowe zmienia się nieco ze zmianą stężenia roztworu, np. dla
wszystkich elektrolitów przewodnictwo równoważnikowe zwiększa się podczas rozcieńczania
wskutek wzrostu dysocjacji i osiąga wartość maksymalną dla całkowitej dysocjacji, tzn. dla
roztworów
nieskończenie
rozcieńczonych.
Dla
roztworów
takich
przewodnictwo
równoważnikowe osiąga pewną wartość graniczną, którą określamy jako graniczne
przewodnictwo równoważnikowe i oznaczamy symbolem
Graniczne
przewodnictwo
równoważnikowe
xo
.
jest
równe
sumie
granicznych
przewodnictw jonowych kationu i anionu w rozcieńczeniu nieskończenie wielkim:
xo
KA
xo
K
xo
A
1.2. Metoda oznaczania
Ciała rozpuszczone w wodzie można oznaczać bardzo szybko przez pomiar
przewodnictwa właściwego wody. Dla wód słabo zmineralizowanych przewodnictwo wody
jest proporcjonalne do zawartości substancji rozpuszczonych (elektrolitów) w wodzie.
Związki organiczne i koloidowa krzemionka nie biorą udziału w przewodzeniu prądu.
2
Natomiast dwutlenek węgla i amoniak rozpuszczone w wodzie powodują wzrost
przewodnictwa.
Ćwiczenie ma na celu ilościowe oznaczenie wodorotlenku sodu w roztworze oraz
porównanie czystości różnych próbek wody z wartością obliczoną teoretycznie na podstawie
prawa Kohlrauscha. Wartość przewodnictwa właściwego najczystszej wody obliczona
teoretycznie wynosi 5,49x10-8 S· cm-1 (w temp. 20°C), a znaleziona doświadczalnie 5,50x10-8
S· cm-1.
Ilościowe oznaczenie wodorotlenku sodu prowadzi się metodą miareczkowania
konduktometrycznego stosując, jako odczynnik miareczkujący, mianowany roztwór kwasu
solnego.
2. Odczynniki i aparatura
- roztwór kwasu solnego o stężeniu 0,1 mol/dm3
- konduktometr HACH model 44600
3. Budowa i obsługa aparatu
3.1. Opis regulatorów pracy przyrządu (Rys. 2)
3
1 - wyświetlacz - wskazuje wartości pomiaru; odczyt może być w mS/cm, S/cm dla
pomiaru przewodnictwa; w g/l i mg/l całkowitej zawartości rozpuszczonych substancji
stałych (stężenie roztworu) lub w °C dla pomiaru temperatury zależnie od wybranej funkcji
i zakresu. Na wyświetlaczu ukazuje się wskaźnik LO BAT, kiedy wymagana jest wymiana
baterii
2 - przycisk o zakresie 20 - zakres przewodnictwa 20 mS/cm lub stężenia rozpuszczonych
substancji stałych 20 g/l
3 - przycisk 2 - zakres 2 mS/cm lub 2 g/l
4 - przycisk 200 - zakres 200 S/cm lub 200 mg/l
5 - przycisk TDS - wybiera pomiar całkowitego stężenia substancji rozpuszczonych
6 - przycisk CND - wybiera pomiar przewodnictwa właściwego
7 - przycisk °C - pomiar temperatury
8 - przycisk zasilania - włączenie (I) i wyłączenie (O) aparatu
9 - CAL - używany do kalibracji stałej, nastawiania kompensacji wahań charakterystyki
sondy.
3.2. Obsługa aparatu
1. Naciśnij przycisk POWER I i przycisk CND. Sprawdź czy nie pojawia się LO BAT.
2. Wybierz odpowiedni zakres. Jeżeli jest on nieznany zacznij od największego.
3. Umieść sondę w roztworze próbki. Zanurz końcówkę do (lub nad) otworu i mieszaj
pionowo, aby się upewnić, że nie ma pęcherzyków powietrza wewnątrz sondy. Poczekaj
chwilę dla sprawdzenia stabilizacji. Jeśli odczyt zmniejsza się wybierz niższy zakres.
4. Po każdym pomiarze (przy zmianie roztworu) spłukaj sondę wodą destylowaną.
4. Wykonanie ćwiczenia
1. Z otrzymanego do analizy roztworu pobrać 50 ml i przenieść do naczynia
konduktometrycznego o objętości 100 ml.
2. Umieścić w naczyniu konduktometrycznym mieszadełko elektromagnetyczne i uruchomić,
regulując szybkość mieszania roztworu.
3. Zanurzyć w badanym roztworze elektrodę i odczytać wartość przewodnictwa
przy
wyłączonym mieszaniu).
4. Dodawać z biurety po 0,5 ml kwasu solnego o stężeniu 0,1 mol/l, mieszając roztwór po
dodaniu każdej porcji przez 0,5 min.
4
5. Odczytać wartość przewodnictwa
po dodaniu każdej porcji kwasu solnego (przy
wyłączonym mieszaniu) i wyniki miareczkowania umieścić w tabeli, ujmującej liczbę ml
HCl i odpowiadającą jej wartość przewodnictwa.
6. Miareczkowanie prowadzić do 4-5 punktów po przekroczeniu punktu końcowego.
Wykonać 4 próby miareczkowania.
VHCl
[ml]
przewodnictwo
odczytane
poprawka (p)
poprawiona wartość
przewodnictwa
7. Zmierzyć przewodnictwo właściwe : a) wody dejonizowanej, b) wody destylowanej, c)
wody wodociągowej, d) kwasu solnego o stężeniu 0,1 mol/l.
5. Opracowanie wyników
1. Obliczyć poprawki zgodnie z wzorem:
p
V1 V2
V1
gdzie: p - poprawka na zmianę objętości;
V1 - objętość roztworu pobranego do miareczkowania
V2 - objętość dodanego odczynnika miareczkującego
2. Wykreślić krzywe miareczkowania konduktometrycznego, dla każdego miareczkowania, w
układzie χ’ = f (VHCl). Poprawioną wartość przewodnictwa (χ’) obliczyć ze wzoru:
χ’ = χ * p
3. Znaleźć punkt końcowy miareczkowania na każdym z wykresów.
5. Obliczyć stężenie wodorotlenku sodowego dla każdego pomiaru (w mol/l oraz w mg/l),
wyliczyć średnią.
6. Zinterpretować przebieg krzywej miareczkowania, uwzględniając reakcje zachodzące w
roztworze.
7. Porównać i zinterpretować zmierzone wartości przewodnictwa właściwego wody (o różnej
czystości), HCl o stężeniu 0,1 mol/l i NaOH (o stężeniu oznaczonym w ćwiczeniu).
Literatura
Cygański A.:”Metody elektroanalityczne”, Wyd. 2. Warszawa, WNT 1995, rozdz. 2.1, 2.2,
2.3, 2.6.
5