1. Zarys teorii.

Zasadowość wody jest to zdolność do zobojętniania mocnych kwasów wobec umownych wskaźników. Zasadowość wody dzieli się na zasadowość F i M. Zasadowość M (ogólna) oznacza sumę wszystkich związków reagujących zasadowo wobec metyloranżu, zasadowość F oznacza sumę wszystkich związków reagujących zasadowo wobec fenoloftaleiny.

Twardość wody jest to właściwość wody wynikająca z obecności w wodzie składników mineralnych, głównie węglanów, wodorowęglanów, chlorków, siarczanów(VI) oraz krzemianów wapnia i magnezu.

Ze względu na ilość i jakość znajdujących się w wodzie jonów rozróżnia się twardość wody:

– przemijającą (węglanową) – pochodzącą przede wszystkim od węglanów i wodorowęglanów wapnia i magnezu, które podczas gotowania są wytrącane w postaci osadu

– nieprzemijającą (niewęglanową) – spowodowaną obecnością siarczanów(VI), chlorków, azotanów(V) i innych rozpuszczalnych soli głównie wapnia i magnezu, które pozostają w wodzie po jej przegotowaniu.

Ponadto wyróżniamy:

– twardość wapniową – wywołaną rozpuszczalnymi solami wapnia,

– twardość magnezową – wywołaną solami magnezu,

– twardość ogólną – stanowiącą sumę twardości węglanowej i niewęglanowej.

Twardość wody wyrażana jest najczęściej w:

– milimolach jonów wapnia i magnezu (1 mmol=40,08 mg Ca²⁺ na dm³ wody),

– miligramorównoważnikach (mval) substancji wywołującej twardość wody na dm3 (1 mval=20,04 mg Ca²⁺ w 1 dm³ wody)

– stopniach niemieckich (1° niemiecki = 10 mg CaO na dm³ wody = 0,357 mval CaO na dm³ wody),

– angielskich (1° niemiecki = 1,25° angielskiego)

– francuskich (1° niemiecki = 1,79° francuskiego).

Woda o twardości poniżej 15° niemieckich nosi nazwę miękkiej, średniej między 15-20° niemieckich powyżej tej wartości – twardej.

Zmiękczanie wody twardej polega na usunięciu z niej jonów wapnia i magnezu w postaci nierozpuszczalnych osadów. Można wyróżnić następujące metody usuwania twardości wody:

– termiczna – polega na gotowaniu wody w rezultacie czego wytrąca się tzw. kamień kotłowy,

– sodowo-wapienna – do wody dodaje się dokładnie określoną ilość wodorotlenku wapnia i sody,

– fosforanowa – twardość usuwana jest przy pomocy ortofosforanu(V) sodu,

– jonitowa – polega na zastosowaniu jonitów (kationitów i anionitów)

– przy pomocy kalgonu.

Woda twarda utrudnia pienienie się środków piorących, powoduje powstawanie kamienia kotłowego, korozję kotłów parowych oraz podrażnienia skóry.

Metoda Mohra to sposób na oznaczanie chlorku w nieznanych roztworach wodnych. Metoda ta polega na bezpośrednim miareczkowaniu obojętnego roztworu chlorku mianowanym roztworem AgNO3 w obecności K2CrO4 jako wskaźnika.

W czasie miareczkowania wytrąca się trudno rozpuszczalny osad AgCl:

Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl

Gdy cała ilość jonów Cl− zostanie wytrącona, nadmiar roztworu AgNO3 wytrąca chromian srebra, którego brunatnoczerwone zabarwienie wskazuje na koniec miareczkowania:

2Ag⁺ + CrO₄²⁻ → Ag₂CrO₄

Odczyn badanego roztworu powinien mieścić się w granicach 7 < pH < 10,5, ponieważ w roztworach kwaśnych (pH<7), jony wodorowe łączą się z jonami CrO₄²⁻:

2CrO₄²⁻ + 2H⁺ → Cr₂O₇²⁻ + H₂O

Natomiast w roztworach zasadowych (pH>10,5) następuje wytrącenie osadu Ag₂O:

2Ag⁺ + 2OH⁻ → Ag₂O + H₂O

Innymi jonami przeszkadzającymi są:

• Br⁻, J⁻, PO₄³⁻, CO₃²⁻

• Ba²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺, Fe²⁺

1. Obliczenia.

Próbka nr 1

Temperatura wody:22°C, pH = 7,81

1. Zasadowość.

$$\mathrm{"m"} = \frac{V_{2} \times 0,1 \times 10^{3}}{100}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V₂ = 4,0ml

2. V₂ = 3,8ml

$$\mathrm{"m"} = \frac{3,9 \times 0,1 \times 10^{3}}{100} = 3,9\frac{\text{\ mval}}{\text{dm}^{3}} \times 61\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$\mathrm{"m"} = 237,9\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie twardości całkowitej metodą wersenianowi.

$$t_{0} = \frac{V_{\text{wer}} \times n_{\text{wer}} \times 10^{3}}{100 \times 28}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V_wer = 28ml

2. V_wer = 28ml

n_wer = 0,56mgCa/cm³

$$t_{0} = \frac{28 \times 0,56 \times 10^{3}}{100 \times 28} = 5,6\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie twardości wapniowej metodą wersenianową.

$$t_{\text{Ca}} = \frac{V_{\text{wer}} \times n_{\text{wer}} \times 10^{3}}{100 \times 28}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V_wer = 20,8ml

2. V_wer = 21,2ml

n_wer = 0,56mgCa/cm³

$$t_{\text{Ca}} = \frac{21 \times 0,56 \times 10^{3}}{100 \times 28} = 4,2\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 20\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$t_{\text{Ca}} = 84\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie twardości magnezowej.

$$t_{\text{Mg}} = t_{0} - t_{\text{Ca}}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$t_{\text{Mg}} = 5,6 - 4,2 = 1,4\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 12,15\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$t_{\text{Mg}} = 17,0\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie zawartości kationów.

$$K_{m} = \frac{V \times 0,1 \times 10^{3}}{100}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V = 2,6ml

2. V = 2,5ml

$$K_{m} = \frac{2,55 \times 0,1 \times 10^{3}}{100} = 2,55\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}}$$

$$KAT = AN = K_{m} + "m"\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$KAT = AN = 2,55 + 3,9 = 6,45\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie chlorków metodą Mohra.

$$x = \frac{V \times 0,1 \times 10^{3}}{100}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V = 9,85ml

2. V = 9,90ml

$$x = \frac{9,875 \times 0,1 \times 10^{3}}{100} = 0,99\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 35,5\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$x = 35,15\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie ilości jonów sodowych.

$$\text{Na}^{+} = KAT - \left( \text{Ca}^{2 +} + \text{Mg}^{2 +} \right) = KAT - t_{0}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$\text{Na}^{+} = 6,45 - 5,6 = 0,85\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 23\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$\text{Na}^{+} = 19,6\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie ilości jonów siarczanowych.

$$\text{SO}_{4}^{2 -} = AN - \left( \text{HCO}_{3}^{-} + \text{Cl}^{-} \right)\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$\text{SO}_{4}^{2 -} = 6,45 - \left( 3,9 + 0,99 \right) = 1,56\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 45\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$\text{SO}_{4}^{2 -} = 70,2\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie indeksu nasycenia.

pH_s = pCa + pAlk + C

Sucha pozostałość 463,9mg/dm³

pCa = 3,2

pAlk = 2,85

C = 2,27

pH_s = 3, 2 + 2, 85 + 2, 27 = 8, 32

I_s = pH − pH_s

I_s = 7, 81 − 8, 32 = −0, 51

1. Oznaczenie indeksu Ryznara.

IR = 2 × pH_s − pH

IR = 2 × 8, 32 − 7, 81 = 8, 83

Próbka nr 2

Temperatura wody:22,3°C, pH = 6,85

1. Zasadowość.

$$\mathrm{"m"} = \frac{V_{2} \times 0,1 \times 10^{3}}{100}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V₂ = 3,7ml

2. V₂ = 3,7ml

$$\mathrm{"m"} = \frac{3,7 \times 0,1 \times 10^{3}}{100} = 3,7\frac{\text{\ mval}}{\text{dm}^{3}} \times 61\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$\mathrm{"m"} = 225,7\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie twardości całkowitej metodą wersenianowi.

$$t_{0} = \frac{V_{\text{wer}} \times n_{\text{wer}} \times 10^{3}}{100 \times 28}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V_wer = 26,5ml

2. V_wer = 26,4ml

n_wer = 0,56mgCa/cm³

$$t_{0} = \frac{26,4 \times 0,56 \times 10^{3}}{100 \times 28} = 5,28\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie twardości wapniowej metodą wersenianową.

$$t_{\text{Ca}} = \frac{V_{\text{wer}} \times n_{\text{wer}} \times 10^{3}}{100 \times 28}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V_wer = 21,1ml

2. V_wer = 21,1ml

n_wer = 0,56mgCa/cm³

$$t_{\text{Ca}} = \frac{21,1 \times 0,56 \times 10^{3}}{100 \times 28} = 4,22\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 20\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$t_{\text{Ca}} = 84,4\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie twardości magnezowej.

$$t_{\text{Mg}} = t_{0} - t_{\text{Ca}}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$t_{\text{Mg}} = 5,28 - 4,22 = 1,06\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 12,15\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$t_{\text{Mg}} = 12,9\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie zawartości kationów.

$$K_{m} = \frac{V \times 0,1 \times 10^{3}}{100}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V = 3,3ml

2. V = 3,3ml

$$K_{m} = \frac{3,3 \times 0,1 \times 10^{3}}{100} = 3,3\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}}$$

$$KAT = AN = K_{m} + "m"\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$KAT = AN = 3,3 + 3,7 = 7,0\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie chlorków metodą Mohra..

$$x = \frac{V \times 0,1 \times 10^{3}}{100}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

1. V = 19,0ml

2. V = 19,2ml

$$x = \frac{19,1 \times 0,1 \times 10^{3}}{100} = 1,91\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 35,5\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$x = 67,8\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie ilości jonów sodowych.

$$\text{Na}^{+} = KAT - \left( \text{Ca}^{2 +} + \text{Mg}^{2 +} \right) = KAT - t_{0}\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$\text{Na}^{+} = 7,0 - 5,28 = 1,72\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 23\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$\text{Na}^{+} = 39,6\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie ilości jonów siarczanowych.

$$\text{SO}_{4}^{2 -} = AN - \left( \text{HCO}_{3}^{-} + \text{Cl}^{-} \right)\ \left\lbrack \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

$$\text{SO}_{4}^{2 -} = 7,0 - \left( 3,7 + 1,91 \right) = 5,21\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}} \times 45\frac{\text{mg}}{\text{mval}}$$

$$\text{SO}_{4}^{2 -} = 234,5\frac{\text{mg}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Oznaczenie indeksu nasycenia.

pH_s = pCa + pAlk + C

Sucha pozostałość 664,9mg/dm³

pCa = 3,15

pAlk = 2,80

C = 2,3

pH_s = 3, 15 + 2, 8 + 2, 3 = 8, 25

I_s = pH − pH_s

I_s = 6, 85 − 8, 25 = −1, 4

1. Oznaczenie indeksu Ryznara.

IR = 2 × pH_s − pH

IR = 2 × 8, 25 − 6, 85 = 9, 65

1. Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i dokonanych obliczeń stwierdzono:

• po wyznaczeniu indeksu I_S, że I_S < 0 więc obie próbki posiadają zdolność rozpuszczania CaCO₃,

• po wyznaczeniu indeksu Ryznara stwierdzono, że woda w obydwu próbkach jest bardzo korozyjna.