oznaczanie właściwości buforowych wód powierzchniowych

OZNACZANIE WŁAŚCIWOŚCI BUFOROWYCH WÓD
POWIERZCHNIOWYCH
WPROWADZENIE
Właściwości chemiczne wód występujących w przyrodzie odznaczają się dużym
zróżnicowaniem. Zależą one między innymi od budowy geologicznej podłoża, warunków
klimatycznych,
czy aktywności
powierzchniowych
jest
więc
biologicznej
uwarunkowany
organizmów żywych.
szeregiem
Skład wód
procesów
fizycznych,
chemicznych i biochemicznych, przy czym wśród procesów chemicznych szczególne
znaczenie odgrywają reakcje typu kwas – zasada, ultenianie-redukcja, kompleksowanie,
czy procesy adsorpcji, desorpcji, wytrącania i rozpuszczania ciał stałych. Jednym z
układów kwas-zasada w wodach jest układ buforowy, składający się z ditlenku węgla,
kwasu węglowego, wodorowęglanów i węglanów. Względne proporcje ww. składowych
zależą od pH wody, przy czym przy pH poniżej 4 obecne są przede wszystkim CO2 i
H2CO3, zaś przy pH powyżej 11 dominuje forma CO32-. Przy pośrednich wartościach pH
(7 - 10) dominują wodorowęglany.
Większość wód powierzchniowych wykazuje odczyn pH w zakresie 4 – 9
(rysunek 1) i zależy on m.in. od charakteru podłoża glebowego, zawartości CO2, HCO3-,
CO32-, opadów atmosferycznych oraz dopływu ścieków.
Rysunek 1. Zakresy wartości pH dla różnych rodzajów wód
1
Kwasowość wody to zdolność do zobojętniania mocnych zasad mineralnych lub
węglanów wobec umownych wskaźników. Jest ona wywołana obecnością ditlenku
węgla, kwasów organicznych (kwasów humusowych) oraz produktów hydrolizy soli
żelaza i glinu. Wyróżnia się kwasowość mineralną, która jest ilościowym wskaźnikiem
zawartości mocnych kwasów oraz kwasowość ogólną (rysunek 2), która mówi o
zawartości mocnych kwasów oraz soli mocnych kwasów i słabych zasad. Kwasowość
mineralną oznacza się przez miareczkowanie próby wody mianowanym roztworem
zasady sodowej do pH=4,6, używając oranżu metylowego jako wskaźnika, natomiast w
przypadku oznaczania kwasowości ogólnej, miareczkuje się próbkę zasadą do pH=8,3
wobec fenoloftaleiny. Podczas oznaczania kwasowości zachodzą następujące reakcje:
H+ + OHHCO3- + OH-
H2O
CO32- + H2O
Woda wykazująca kwasowość mineralną cechuje się korozyjnym charakterem wobec
metali i betonu. Ten rodzaj kwasowości bardzo rzadko występuje w czystych wodach
powierzchniowych.
zasadowość ogólna
zasadowość mineralna
pH
4.6
8.3
kwasowość mineralna
kwasowość ogólna
Rysunek 2. Zakresy występowania kwasowości i zasadowości w wodach
powierzchniowych
Zasadowość wody to zdolność do zobojętniania mocnych kwasów mineralnych
wobec umownych wskaźników. Jest ona wywołana przez obecność węglanów,
wodorowęglanów, wodorotlenków, krzemianów, boranów, fosforanów, zasadowych
związków organicznych, amoniaku oraz związków hydrolizujących zasadowo. Wyróżnia
się zasadowość mineralną, która jest ilościowym wskaźnikiem zawartości jonów
węglanowych i wodorotlenkowych oraz zasadowość ogólną (rysunek 2), która mówi o
zawartości jonów węglanowych, wodorowęglanowych, wodorotlenkowych i produktów
dysocjacji związków słabych kwasów z mocnymi zasadami. Zasadowość mineralną
oznacza się poprzez miareczkowanie próbki wody mianowanym roztworem mocnego
kwasu do pH=8,3 używając fenoloftaleiny jako wskaźnika, natomiast w przypadku
2
oznaczania zasadowości ogólnej, miareczkuje się próbkę kwasem do pH=4,6 wobec
oranżu metylowego. Podczas oznaczania zasadowości zachodzą następujące reakcje:
OH- + H+
CO32- + H+
HCO3- + H+
H2O
HCO3CO2 + H2O
Wody naturalne mogą wykazywać równocześnie zasadowość i kwasowość
w zależności od swego odczynu. Oczywiste jest, że woda wykazująca kwasowość
mineralną nie będzie wykazywała zasadowości, a woda o zasadowości mineralnej
nie będzie miała kwasowości, natomiast w przedziale pH 4,6 – 8,3 w wodzie
naturalnej może występować jednocześnie zasadowość i kwasowość. Taki stan
dotyczy zwłaszcza wód o wysokiej twardości węglanowej i dużym stężeniu
ditlenku węgla.
Celem ćwiczenia jest oznaczenie kwasowości i zasadowości w badanych
próbach wód.
Odczynniki:
wodorotlenek sodu, roztwór 0,1 mol/L; fenoloftaleina, alkoholowy roztwór 1%; oranż
metylowy, roztwór 1%; sól Seignetta (winian sodowo-potasowy), roztwór 33%; kwas
solny, roztwór 0,1 mol/L;
Sprzęt laboratoryjny i aparatura pomiarowa:
pH-metr; kolby Erlenmayera, 300 mL; cylindry miarowe o poj. 100 mL; biurety;
SPOSÓB WYKONANIA
Wszystkie oznaczenia wykonać dwukrotnie a wyniki uśrednić.
1. Oznaczanie kwasowości
Jeśli badana próba wody wykazuje pH poniżej 4,6 należy oznaczyć kwasowość
mineralną i ogólną, jeśli zaś wykazuje pH powyżej 4,6, należy wykonać tylko oznaczenie
kwasowości ogólnej.
3
Oznaczanie kwasowości mineralnej
Do kolby stożkowej odmierzyć 50 mL badanej wody, dodać kilka kropel roztworu
oranżu metylowego i miareczkować mianowanym roztworem wodorotlenku sodu do
zmiany zabarwienia z czerwonego na łososiowy (żółtoróżowy).
Oznaczanie kwasowości ogólnej
Do kolby stożkowej odmierzyć 50 mL badanej wody, dodać po kilka kropel roztworów
fenoloftaleiny i soli Seignetta, a następnie miareczkować mianowanym roztworem
wodorotlenku sodu do lekko różowego zabarwienia, utrzymującego się przez co
najmniej 3 minuty.
2. Oznaczanie zasadowości
Jeśli badana próba wody wykazuje pH powyżej 8,3, najpierw należy oznaczyć
zasadowość mineralną, a potem zasadowość ogólną. Jeśli zaś próba wody wykazuje pH
7,0, należy wykonać tylko oznaczenie zasadowości ogólnej.
Oznaczanie zasadowości mineralnej
Do kolby stożkowej odmierzyć 50 mL badanej wody, dodać kilka kropel roztworu
fenoloftaleiny i miareczkować mianowanym roztworem kwasu solnego do zaniku
różowego zabarwienia.
Oznaczanie zasadowości ogólnej
Do próby wody zmiareczkowanej wobec fenoloftaleiny dodać kilka kropel roztworu
oranżu metylowego i miareczkować mianowanym roztworem kwasu solnego do
zabarwienia żółtoróżowego.
Dla próbek wody, które wykazują pH w zakresie 4,6 – 8,3 oznaczyć zarówno
kwasowość jak i zasadowość.
Kwasowość mineralną [mmol (H+)/L] obliczyć ze wzoru:
K min =
C NaOH ⋅ VNaOH ⋅1000
,
V
gdzie:
4
CNaOH
–
stężenie
mianowanego
roztworu
wodorotlenku
sodu
użytego
do
miareczkowania [mol/L],
VNaOH - objętość roztworu wodorotlenku sodu zużytego do miareczkowania próbki
wobec oranżu metylowego[L],
V – objętość badanej próbki [L].
Kwasowość ogólną [mmol (H+)/L] obliczyć ze wzoru:
K og =
C NaOH ⋅ VNaOH ⋅1000
,
V
gdzie:
CNaOH
–
stężenie
mianowanego
roztworu
wodorotlenku
sodu
użytego
do
miareczkowania [mol/L],
VNaOH - objętość roztworu wodorotlenku sodu zużytego do miareczkowania próbki
wobec fenoloftaleiny [L],
V – objętość badanej próbki [L].
Zasadowość mineralną [mmol (H+)/L] obliczyć ze wzoru:
Z min =
C HCl ⋅ VHCl ⋅1000
,
V
gdzie:
CHCl – stężenie mianowanego roztworu kwasu solnego użytego do miareczkowania
[mol/L],
VHCl - objętość roztworu kwasu solnego zużytego do miareczkowania próbki wobec
fenoloftaleiny [L],
V – objętość badanej próbki [L].
Zasadowość ogólną [mmol (H+)/L] obliczyć ze wzoru:
Z og =
C HCl ⋅ VHCl ⋅1000
,
V
gdzie:
CHCl – stężenie mianowanego roztworu kwasu solnego użytego do miareczkowania
[mol/L],
5
VHCl - objętość roztworu kwasu solnego zużytego do miareczkowania próbki wobec
oranżu metylowego [L],
V – objętość badanej próbki [L].
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Wyniki przedstawić w formie tabeli.
Nr
próby
pH
próby
VNaOH
VNaOH
VHCl
VHCl
Kmin
Kog
Zmin
Zog
[mL]
[mL]
[mL]
[mL]
Kmin
[mmol(H+)/L]
Kog
[mmol(H+)/L]
Zmin
[mmol(H+)/L]
Zog
[mmol(H+)/L]
2. Na podstawie wartości zasadowości ogólnej i mineralnej oraz podanych poniżej
zależności obliczyć zawartość jonów wodorowęglanowych, węglanowych i
wodorotlenowych. Poniższe zależności są słuszne jeśli woda nie zawiera innych
związków zasadowych prócz OH-, HCO3- oraz CO32-.
a) Zmin =0, woda zawiera tylko jony HCO3- , [HCO3- ] = Zog
b) 2*Zmin < Zog , woda może zawierać HCO3- oraz CO32-, nie zawiera zaś jonów OHZawartość HCO3- oraz CO32-,oblicz się z następujących zależności:
a. Zmin = [CO32-] /2,
b. Zog =[HCO3- ] + [CO32-]
c) 2*Zmin=Zog, woda zawiera węglany, nie zawiera natomiast pozostałych jonów
odpowiedzialnych za zasadowość.
a.
[CO32-] = 2*Zmin = Zog
d) 2*Zmin>Zog, woda zawiera jony wodorotlenowe i węglanowe, nie zawiera zaś
jonów wodorowęglanowych.
a. Zmin=[OH-] + [CO32-] /2,
b. Zog =[OH- ] + [CO32-]
e) Zmin =Zog
,
woda zawiera jony wodorotlenkowe, nie zawiera węglanów i
wodorowęglanów.
[OH-] = Zmin = Zog
Instrukcja opracowana na podstawie: Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków, red. J. Dojlido, Wyd. Arkady,
Warszawa 1999; Chemia wód powierzchniowych, J. Dojlido, Wyd. Ekonomia i Środowisko, Białystok 1995; Ćwiczenia
laboratoryjne z chemii wody, B. i E. Gomółkowie, Of. Wyd. Polit. Wrocł., Wrocław 1998.
Opracowanie: B. Krawczyk, D. Szczukocki, R. Juszczak, R. Dałkowski, E. Miękoś, M. Zieliński
6