Ćwiczenie nr 10

Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
ĆWICZENIE 7
WSPÓŁOZNACZANIE WAPNIA I MAGNEZU
I OBLICZANIE TWARDOŚCI WODY
DZIAŁ: Kompleksometria
ZAGADNIENIA
Stała trwałości i nietrwałości kompleksów.
Rodzaje kompleksów i przykłady
EDTA
Wskaźniki w kompleksometrii
Twardość wody, rodzaje twardości wody, sposoby wyrażania twardości wody, usuwanie twardości wody,
oznaczanie twardosci wody.
Oznaczanie wapnia i magnezu za pomocą miareczkowania kompleksometrycznego
LITERATURA
[1] A. Cygański, Chemiczne metody analizy ilościowej, WNT W-wa1999.
[2] J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna 2 Chemiczne metody analizy ilościowej,
Wyd. Naukowe PWN W-wa 2004.
I. WSTĘP I CEL ĆWICZENIA
Metoda
polega na przeprowadzeniu dwóch miareczkowań próbki wody mianowanym
roztworem EDTA wobec dwóch wskaźników.
1) Czerń eriochromowa T (czerń kwasu chromowego ET) – jest to sol sodowa 1(1hydroksy-2-naftylazo)-6-nitro-2-naftolo-4-sulfonowego, w skrócie H2F-.
Czerń eriochromowa zachowuje się jak wskaźnik alkacymetryczny, mający dwa przejścia
barwne odpowiadające dwustopniowej dysocjacji protonów z grup hydroksylowych.
pH 6,3
-
H2F
rozowy
pH 11,5
2-
HF
niebieski
F3pomaranczowy
Oznaczanie wykonuje się najczęściej w roztworach o pH 10, przy którym następuje
wyraźna zmiana barwy. Czerń eriochromowa tworzy z niektórymi kationami kompleksy o
barwie czerwonej (Mg 2+, Zn2+, Cd2+, Al3+)
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 1
Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
2) Mureksyd – to sol amonowa kwasu purpurowego w skrócie H4Ind-; Ind-anion
mureksydu
pH 11
pH 9
-
H3Ind2-
H4Ind
czerwonofioletowy
H2Ind3niebieskofioletowy
fioletowy
Reakcje zachodzące podczas oznaczania magnezu:
a)
reakcja ze wskaźnikiem
Mg2+ + HF2-
MgF- + H+
niebieski
b)
winnoczerwony
reakcja podczas miareczkowania EDTA
MgY 2bezbarwny
MgF- + H2Y2winnoczerwony
+
HF2-
+
H
+
niebieski
Podczas oznaczania wapnia zachodza reakcje:
c)
a) reakcja ze wskaźnikiem
Ca2+ + H2Ind3-
CaH2Indczerwony
d)
reakcja podczas miareczkowania EDTA
CaH2Ind-
2+
+ H2Y
+ 2OH-
czerwony
CaY2+ + H2Ind3- + 2H2O
niebieskofioletowy
Dany kation np. Ca2+ nie tworzy tylko jednego kompleksu ze wskaźnikiem, lecz istnieją w
równowadze trzy różniące się zabarwieniem kompleksy:
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 2
Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
CaH4Ind+
CaH3Ind
zoltopomaranczowy
czerwonopomaranczowy
CaH2Indczerwony
Równowaga ta zależy od pH i jest przesunięta w jedna lub druga stronę.
Miareczkowanie podstawione – polega na miareczkowaniu kationu wypartego z kompleksu.
Wiele kationów tworzy z EDTA kompleksy bardziej trwale niż kompleksy magnezu. Jeżeli do
roztworu takiego doda się wesnianu magnezu to zachodzi reakcja wypierania:
M2+ + MgY2- → MY2- + Mg2+
Uwolniony Mg2+ w ilości równoważnej do oznaczanego kationu M2+miareczkuje się
bezpośrednio mianowanym roztworem EDTA, a interesujący nas kation zostaje oznaczony
pośrednio.
Metodę te stosuje się przede wszystkim do oznaczania jonów Ca2+
wobec czerni
eriochromowej T. Wapń tworzy z czernią kompleks zbyt mało trwały, aby można było
miareczkować go bezpośrednio wobec tego wskaźnika.
Pierwsze miareczkowanie przeprowadza się w środowisku buforu amoniakalnego /pH=10/
wobec czerni eriochromowej T jako wskaźnika. Objętość titranta odpowiada sumie zawartości
jonów wapnia i magnezu. Wobec czerni eriochromowej T jako wskaźnika oznaczamy
sumę Ca
2+
i Mg
2+
zużyliśmy V1 …. ml EDTA, obserwujemy zmianę zabarwienia
roztworu z różowofiołkowej na niebieską.
Drugie miareczkowanie przeprowadza się w środowisku zasadowym /pH=12-13/ wobec
mureksydu, oznaczamy jony wapnia i obserwujemy zmianę zabarwienia roztworu z
różowej na fiołkową. Objętość użytego titranta V2 zależy od ilości wapnia. Ilość magnezu
obecnego w próbce oblicza się z różnicy między tymi objętościami. Objętość EDTA jaka
zużyto na zmiareczkowanie magnezu to: V = V1 –V2
WZÓR STRUKTURALNY
EDTA – kwas etylenodiaminotetraoctowy, kwas wersenowy
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 3
Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
HOOCH2C
CH2COOH
N- CH2 - CH2 - N
HOOCH2C
CH2COOH
Twardością wody nazywa się właściwość wody wynikająca z obecności w wodzie jonów
wapnia i magnezu oraz innych jonów metali wielowartościowych (np. niezdolność wody
do wytwarzania piany, mimo dodania do niej określonych ilości mydła). Twardość wody
określa się w stopniach twardości.
Twardość wody podaje się w milimolach jonów wapnia i magnezu w 1 dm3 wody lub w
stopniach twardości (niemieckich, francuskich , angielskich).
1 mmol jest równy 5,61on lub 10oF
1 stopień niemiecki (1on) = 10 mg CaO (lub 7,19 mg MgO) w 1 dm3wody,
1 stopień francuski (1oF) = 10 mg CaCO3w 1 dm3wody,
1 mmol = 40,08 mg Ca2+(lub 24,32 mg Mg2+) w 1 dm3wody,
1ºn = 0,356 mval/dm3.
W Polsce w najszerszym użyciu są tzw. niemieckie stopnie twardości wody.
Jeden niemiecki stopień twardości wody odpowiada zawartości 10 mg CaO lub
równoważnej ilości, tj. 7,19 mg MgO, w 1 litrze wody.
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 4
Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
Oznaczanie twardości całkowitej w stopniach niemieckich
Twardość całkowitą wody w stopniach niemieckich obliczamy wg wzoru:
N = ( V1  c  56,08/10 )  10
o
gdzie: V1 - objętość (ml) roztworu EDTA wobec czerni eriochromowej w buforze
amaonowym c – miano roztworu EDTA wyrażone w molach, 56,08mg ( mmol CaO),
56,08/10 – ponieważ 1oN odpow. 10 mg CaO. Całość mnożymy przez 10 aby wynik
odnosił się do całej próbki 100 ml analizowanej wody.
Do oznaczania twardości stosuje się najczęściej metody:
 obliczeniową (w oparciu o wyniki oznaczeń zawartości wapnia i magnezu w
wodzie),
 wersenianową.
Tabela 1. Kryterium twardości wody
Stopnie twardości
Mg CaCO3/dm3
Skala twardości wody
0–5
0 – 90
Bardzo miękka
5 – 10
90 – 180
Miękka
10 – 15
180 – 270
Średniej twardości
15 – 20
270 – 360
Znacznej twardości
20 – 30
360 – 450
Twarda
Powyżej 30
Powyżej 450
Bardzo twarda
II. SPRZĘT I ODCZYNNIKI:
-
bufor amoniakalny pH 10
1M NaOH
0,01M EDTA
czerń eriochromowa T
mureksyd
- pipeta poj. 10 ml
- pipeta poj. 10 ml jednomiarowa
- pipeta poj. 5ml wielomiarowa
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 5
Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
-
kolbka miarowa poj. 100 ml
biureta poj.50ml ze statywem
lejek
tryskawka
łopatka metalowa
III. METODYKA:
Otrzymany w kolbce miarowej roztwór dopełnić wodą destylowaną do kreski. Pobrać
pipetą 10 ml badanego roztworu, dodać 5 ml buforu amonowego i szczyptę czerni
eriochromowej T. Próbkę miareczkować roztworem EDTA do zmiany zabarwienia roztworu z
różowofiołkowego (przed miareczkowaniem po dodaniu czerni eriochromowej T) na niebieskie
po miareczkowaniu.
WOBEC CZERNI ERIOCHROMOWEJ T oznaczamy sumę jonów Ca2+ i Mg2+ i obserwujemy
zmianę barwy roztworów:
Roztwór barwy różowofiołkowy
(przed miareczkowaniem
po dodaniu czerni eriochromowej T)
Po miareczkowaniu roztwór
barwy niebieskiej
Do takiej samej objętości badanego roztworu dodać 10 ml 1 molowego roztworu wodorotlenku
sodu i szczyptę mureksydu, miareczkować roztworem EDTA do zmiany zabarwienia z
różowego na fiołkowe.
WOBEC MUREKSYDU oznaczamy Ca2+ i obserwujemy zmianę barwy roztworów:
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 6
Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
Roztwór barwy różowej
(przed miareczkowaniem
po dodaniu mureksydu)
Po miareczkowaniu roztwór
barwy fiołkowej
W celu prawidłowego uchwycenia punktu końcowego miareczkowania należy przeprowadzić
miareczkowanie wobec „ świadka”.
Każde miareczkowanie przeprowadzić trzy razy.
ZESTAWIENIE WYNIKÓW ANALIZY:
Wobec czerni eriochromowej T (odmiareczkowanie sumy jonów Ca2+ +Mg2+) zużyto
objętość titrant EDTA:
Miareczkowanie I V1= …….. ml
Miareczkowanie II V1= …….. ml
Miareczkowanie III V1= …….. ml
Średnia wartość miareczkowania zużytego EDTA V1śr = …….. ml
Wobec mureksydu (odmiareczkowanie jonów Ca2+ ) zużyto objętość titrant EDTA:
Miareczkowanie I V2= …….. ml
Miareczkowanie II V2= …….. ml
Miareczkowanie III V2= …….. ml
Średnia wartość miareczkowania zużytego EDTA V2śr = …….. ml
Objętość titrantu EDTA V jaka zużyto na zmiareczkowanie magnezu Mg2+ to:
V = Vsr1 –Vsr2
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 7
Instytut Ochrony Środowiska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. H. Cegielskiego w Gnieźnie
Ilości oznaczanych jonów obliczyć:
1). stechiometrycznie (proporcjami)
2). ze wzorów:
Xca2+ = v2  cEDTA  0,04008  10
XMg2+ = (v1 - v2 )  cEDTA  0,02432  10
v1 - objętość EDTA użyta podczas miareczkowania wobec czerni eriochromowej T[ml];
v2 - objętość EDTA użyta podczas miareczkowania wobec mureksydu [ml]; cEDTA - stężenie
EDTA [mmol/ml]; 0,040008 – masa milimola Ca2+ +[g/mmol]; 0,02432 – masa molimola
Mg2+[g/mmol]
Twardość całkowitą wody w stopniach niemieckich obliczyć wg wzoru:
N = ( V1  c  56,08/10 )  10
o
IV. WNIOSKI
Podać zawartość jonów wapnia, jonów magnezu w analizowanej wodzie. Jaka jest
wartość stopnia twardości wody w stopniach niemieckich i określ skalę twardości
zbadanej wody.
Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka
Strona 8