CHEM:Analiza wody

1

CHEM:Analiza wody

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/dm

3

lub mg/dm

3

.

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(HCO

3

)

2

→ CaCO

3

↓ + CO

2

↑ + H

2

O

Mg(HCO

3

)

2

→ MgCO

3

↓ + CO

2

↑ + H

2

O

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.

CHEM:Analiza wody

2

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(HCO

3

)

2

+ HCl → MeCl

2

+ 2CO

2

↑ + H

2

O

(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 MnO

4

¯ przez obecne w wodzie substancje

organiczne. Niektóre jony nieorganiczne (Fe

2+

czy NO

2

¯) są także utleniane przez nadmanganian. Wyniki

oznaczenia zależą od sposobu przeprowadzenia reakcji. Badaną próbkę wody ogrzewa się ze znaną ilością

mianowanego roztworu KMnO

4

w środowisku kwaśnym. Część jonów MnO

4

¯ 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 dm

3

. 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).

CHEM:Analiza wody

3

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.

CHEM:Analiza wody

4

Odczynniki

• Woda zawierająca jony Fe3+ oraz wodorowęglany Ca

2+

i Mg

2+

(np. woda z kranu).

• 0.2 M roztwór HCl i H

2

SO

4

, 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 rozcieńczenie roztworu podstawowego o stężeniu 0.1 mol/dm

3

.

Rozcieńczenia wykonać przy pomocy 0,01 molowego roztworu H

2

SO

4

. 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 H

2

SO4, 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

Źródła i autorzy artykułu

5

Źródła i autorzy artykułu

CHEM:Analiza wody  Źródło: https://brain.fuw.edu.pl/edu-wiki/index.php5?oldid=13784  Autorzy: Asia

Źródła, licencje i autorzy grafik

Plik:Skala stopni twardości wód.png  Źródło: https://brain.fuw.edu.pl/edu-wiki/index.php5?title=Plik:Skala_stopni_twardości_wód.png  Licencja: nieznany  Autorzy: -

Plik:nds_w_wodzie_pitnej.png  Źródło: https://brain.fuw.edu.pl/edu-wiki/index.php5?title=Plik:Nds_w_wodzie_pitnej.png  Licencja: nieznany  Autorzy: -

Licencja

Attribution-Share Alike 3.0 PL
http:/

/

creativecommons.

org/

licenses/

by-sa/

3.

0/

pl