Zapisz jako PDF

Spis treści
1 Wstęp
1.1 Twardość wody
1.2 Oznaczanie twardości wody
1.3 Oznaczanie utlenialności
1.4 Oznaczanie jonów metali
2 Część doświadczalna
2.1 Cel ćwiczenia
2.2 Zagadnienia do przygotowania
2.3 Odczynniki
2.4 Wykonanie ćwiczenia
3 Literatura
Wstęp
Twardość wody
Analiza wody obejmuje źródła naturalne (rzeki, jeziora, studnie), wodę z sieci wodociągowej oraz
wodę przeznaczona do różnych potrzeb przemysłowych. W zależności od przeznaczenia woda musi
spełniać określone wymagania. Woda używana do celów spożywczych, a także w przemyśle
farmaceutycznym i kosmetycznym musi spełniać określone wymagania sanitarno-epidemiologiczne
oraz posiadać odpowiednie walory smakowe. Powinna być bezbarwna, klarowna, bezwonna, bez
nadmiaru związków żelaza, magnezu, wapnia i manganu, wolna od związków organicznych oraz
bakterii chorobotwórczych. Woda do picia powinna zawierać minimalne ilości mikroelementów
niezbędnych dla organizmu ludzkiego, takich jak jod czy fluor. W wodach przemysłowych istotne
znaczenie ma twardość wody, zawartość glinu, siarczanów, krzemionki i innych substancji
mineralnych powodujących tworzenie się kamienia kotłowego lub korozję.
Pełna analiza wody obejmuje badania jakościowe (barwa, zapach, smak, przezroczystość) oraz
ilościowe (pH, twardość węglanowa i ogólna, utlenialność, zawartość kationów i anionów). Twardość
wody podaje się w stopniach twardości a wyniki oznaczeń kationów i anionów w milimolach/dm3 lub
mg/dm3.
Twardość wody jest wynikiem rozpuszczonych w niej soli wapnia, magnezu oraz innych metali.
Składają się one na tzw. twardość całkowitą (lub ogólną). Wapń i magnez występujące w wodzie w
postaci wodorowęglanów tworzą tzw. twardość węglanową, która stanowi część twardości
całkowitej. Twardość niewęglanową tworzą chlorki, siarczany oraz azotany wapnia i magnezu.
Twardość węglanowa nazywana jest twardością przemijającą, ponieważ w czasie gotowania wody
następuje rozkład wodorowęglanów i strącanie osadów trudno rozpuszczalnych węglanów:
Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O
Mg(HCO3)2 → MgCO3↓ + CO2↑ + H2O
Najprostszy sposób usuwania twardości wody polega na jej gotowaniu. Chemiczne „zmiękczanie”
polega na strącaniu wapnia w postaci węglanu lub fosforanu, a magnezu w postaci wodorotlenku lub
fosforanu. Najskuteczniejszą metodą usuwania twardości wody jest jej dejonizacja na wymieniaczach
jonowych (kationicie i anionicie). Metoda ta jest szeroko stosowana na skalę przemysłową. W
warunkach laboratoryjnych twardość wody można także usunąć przeprowadzając wapń i magnez w
rozpuszczalne, trwałe kompleksy (np. z EDTA).
Skala stopni twardości wód.
Stopień twardości wody określa się na podstawie zawartości CaO lub MgO. Jednemu stopniowi
twardości wody odpowiada 0,1783 milimola tlenku wapnia lub magnezu. Twardość wód naturalnych
na ogół nie przekracza 20 stopni. Twardość węglanowa jest zazwyczaj większa niż twardość
niewęglanowa.
Oznaczanie twardości wody
Twardość węglanową oznacza się najczęściej metodą miareczkowania alkacymetrycznego wobec
oranżu metylowego jako wskaźnika zmiany pH. Miareczkowanie próbki wody za pomocą HCl wobec
oranżu do momentu zmiany jego zabarwienia (z pomarańczowej na żółtą) odpowiada zawartości
jonów wodorowęglanowych:
Me(HCO3)2 + HCl → MeCl2 + 2CO2↑ + H2O
(Me oznacza jon wapnia lub magnezu). Oznaczenie zawartości wodorowęglanów w wodzie pozwala
na określenie stopnia twardości węglanowej.
Twardość całkowitą wody oznacza się przy pomocy miareczkowania kompleksometrycznego
roztworem EDTA wobec czerni eriochromowej T jako wskaźnika. W celu uzyskania wyraźnego
punktu końcowego przed miareczkowaniem należy usunąć z roztworu węglany przez zagotowanie
próbki.
Oznaczanie utlenialności
Utlenialnością wody nazywa się zdolność do redukowania jonów MnO4¯ przez obecne w wodzie
substancje organiczne. Niektóre jony nieorganiczne (Fe2+ czy NO2¯) są także utleniane przez
nadmanganian. Wyniki oznaczenia zależą od sposobu przeprowadzenia reakcji. Badaną próbkę wody
ogrzewa się ze znaną ilością mianowanego roztworu KMnO4 w środowisku kwaśnym. Część jonów
MnO4¯ zostaje zredukowana przez obecne w roztworze związki ulegające utlenieniu. Pozostały
nadmiar nadmanganianu odmiareczkowuje się za pomocą szczawianu sodowego. Metoda oznaczania
utlenialności pozwala określić sumaryczną zawartość związków organicznych, natomiast ich
identyfikacja wymaga dodatkowych analiz.
Oznaczanie jonów metali
Zawartość jonów metali w wodzie jest na ogół bardzo mała, nie przekraczająca kilku miligramów w
dm3. Z tego względu najczęściej wykorzystuje się ich do oznaczania metody spektrofotometryczne
oparte na pomiarze natężenia promieniowania po jego przejściu przez próbkę roztworu
zawierającego badany związek. W analizie nieorganicznej znajduje zastosowanie spektrofotometria
UV/VIS, w zakresie bliskiego nadfioletu i promieniowania widzialnego (200-700 nm). Wielkością
mierzoną w metodzie spektrofotometrycznej jest absorbancja (A) proporcjonalna do liczby
cząsteczek absorbujących promieniowanie, wyrażona za pomocą iloczynu grubości warstwy roztworu
(l) oraz jego stężenia (c). Zależność pomiędzy promieniowaniem padającym na próbkę,
promieniowaniem przechodzącym przez próbkę oraz stężeniem roztworu i grubością warstwy,
określa prawo Lamberta-Beera:
gdzie jest natężeniem promieniowania padającego na próbkę, I — natężeniem promieniowania po
przejściu przez próbkę, c — stężeniem molowym badanego związku, l — grubością warstwy
roztworu, ε — molowym współczynnikiem absorpcji.
Prawo Lamberta-Beera jest podstawą ilościowych oznaczeń wykonywanych metodą spektroskopii
absorpcyjnej w nadfiolecie i zakresie widzialnym. Grubość warstwy jest w pomiarach stała (wynosi
zazwyczaj 10 mm) a molowy współczynnik absorpcji jest wielkością charakterystyczną dla danej
substancji (dla wielu substancji wartość ε można znaleźć w odpowiednich tablicach). Jeśli układ
spełnia prawo Lamberta-Beera, to wykres zależności
jest linią prostą. W praktyce
analitycznej wystarczy, aby roztwór spełniał tę zależność dla stężeń odpowiadających wartościom
absorbancji nie większym niż 1. Odchylenia od prawa Lamberta-Beera są wynikiem reakcji
chemicznych zachodzących w badanych roztworach o różnych stężeniach (np. dysocjacja
kompleksów w miarę rozcieńczania roztworów) lub też efektem nieodpowiednio ustawionych
parametrów pomiarowych (niedostateczna monochromatyzacja promieniowania, nieodpowiednia
szerokość wiązki spektralnej).
Najczęściej stosowaną techniką wykonywania oznaczeń spektrofotometrycznych jest metoda krzywej
wzorcowej. Polega ona na ustaleniu zależności między stężeniem oznaczanej substancji i wartością
absorbancji wyznaczoną spektrofotometrycznie. Z krzywej wzorcowej odczytuje się wartość stężenia
badanej substancji.
Najwyższe dopuszczalne stężenia (NDS) głównych
nieorganicznych zanieczyszczeń w wodzie pitnej
Część doświadczalna
Cel ćwiczenia
Ilościowe oznaczanie twardości węglanowej wody przy pomocy miareczkowania
alkacymetrycznego.
Oznaczanie jonów żelaza w postaci kompleksu rodankowego metodą spektrofotometryczną.
Zagadnienia do przygotowania
Rodzaje twardości wody.
Metody oznaczania i usuwania twardości wody.
Stopień twardości wody.
Miareczkowanie alkacymetryczne.
Prawo Lamberta-Beera.
Spektrofotometryczne oznaczanie kompleksów metali.
Metoda krzywej wzorcowej.
Odczynniki
Woda zawierająca jony Fe3+ oraz wodorowęglany Ca2+ i Mg2+ (np. woda z kranu).
0.2 M roztwór HCl i H2SO4 , oranż metylowy, 0,1 M roztwór żelaza(III) , roztwór KSCN.
Wykonanie ćwiczenia
Oznaczyć twardość węglanową próbki wody metodą miareczkowania alkacymetrycznego. W
tym celu odmierzyć 100 ml wody do kolby stożkowej o pojemności 250 ml, dodać 2-3 krople
0,1% oranżu metylowego i miareczkować 0,2 M roztworem HCl do momentu zmiany barwy
wskaźnika z żółtej na pomarańczową. Zawartość wodorowęglanów w roztworze (w gramach)
obliczyć ze wzoru:
gdzie v oznacza objętość roztworu HCl zużytą na miareczkowanie,
— stężenie roztworu
HCl,
— masę molową wodorowęglanu (61 g/mol).
Napisać w formie jonowej reakcję zachodzącą podczas miareczkowania wodorowęglanów.
Wykonać oznaczenie żelaza(III) metodą spektrofotometryczną, wykorzystując krzywą
wzorcową. W tym celu należy przygotować 5 roztworów wzorcowych żelaza(III) (objętość
każdej próbki 10 ml) o różnych stężeniach, w zakresie
, poprzez
3
rozcieńczenie roztworu podstawowego o stężeniu 0.1 mol/dm . Rozcieńczenia wykonać przy
pomocy 0,01 molowego roztworu H2SO4. Do każdego roztworu wzorcowego dodać 1 ml
roztworu KSCN i wykonać pomiar absorbancji utworzonego kompleksu rodanowego przy
długości fali 480 nm.
Na podstawie pomiarów spektrofotometrycznych wykonać krzywą wzorcową do oznaczania
żelaza(III) w postaci kompleksu rodanowego.
Przygotować próbkę 10 ml wody zawierającą jony żelaza w 0.01 molowym H2SO4, dodać 1 ml
KSCN i wykonać pomiar spektrofotometryczny (odczytać absorbancję w 480 nm).
Na podstawie krzywej wzorcowej oraz wartości absorbancji badanego roztworu określić ilość
zawartego w nim żelaza.
Literatura
J. Minczewski, Z. Marczenko, „Chemia analityczna”, Wydawnictwo Naukowe PWN