Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
SKRYPT DO LABORATORIUM
Chemia
ĆWICZENIE 11: Demineralizacja wody
autorzy: prof. dr hab. inż. Maria Bocheńska
dr inż. Radosław Pomećko
Gdańsk, 2010
Projekt  Przygotowanie i realizacja kierunku inżynieria biomedyczna  studia międzywydziałowe
współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
1. Wymagania wstępne
1.1.Ustawienia
Wymagania wstępne dotyczące uczestników/osób realizujących ćwiczenie:
Znajomość instrukcji, umiejętność miareczkowania.
Cele ćwiczenia:
Zapoznanie studentów ze sposobami demineralizacji wody oraz ze sposobami pomiaru twardości
wody.
Wykaz przyrządów, materiałów i aparatury niezbędnej do przeprowadzenia ćwiczenia
miliwoltomierz, konduktometr, stacja demineralizacji wody, zestaw do destylacji wody, kolumny
jonitowe, wskaz
niki pH, roztwór wersenianu sodu, czerń eriochromowa, bufor amoniakalny.
Spodziewane efekty kształcenia - umiejętności i kompetencje:
Umiejętność przeprowadzania pomiarów potencjometrycznych i konduktometrycznych. Rozumienie
pojęcia  twardość wody oraz czynników ją wywołujących. Określenia wymagań czystości wód dla
różnych rodzajów procesów technologicznych w analityce medycznej i medycynie.
Metody dydaktyczne:
Demonstracja pracy stacji demineralizacji wody, praktyczna realizacja procesów zmiękczania i
demineralizacji wody, praktyczna realizacja pomiarów twardości wody.
Zasady oceniania/warunek zaliczenia ćwiczenia
Poprawne wykonanie przewidzianych ćwiczeń, prawidłowa odpowiedz
na pytania zwiÄ…zane z
tematem ćwiczenia.
Wykaz literatury podstawowej do ćwiczenia:
1. Praca zbiorowa (Red. E. Luboch, M. Bocheńska J.F. Biernat).  Chemia ogólna. Ćwiczenia
laboratoryjne Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 2003
2. Garaj J.: Fizyczne i fizykochemiczne metody analizy. Warszawa: WNT 1981
2. Przebieg ćwiczenia
L.p. Zadanie
1. Sprawdzian
2. Realizacja zadań zgodnie z instrukcją do ćwiczenia
3. Opracowanie wyników, sprawozdanie
UWAGI! Zadania do opracowania
1. W trakcie zajęć:
-Pomiar twardości próbek wody przed procesem demineralizacji.
-Usuwanie twardości próbek wody metodami wymienionymi w instrukcji.
-Pomiar twardości próbek wody po procesie demineralizacji.
2. Pracy własnej:
Określenie na podstawie pomiarów stopnia twardości badanych próbek wody. Określenie
efektywności stosowanych sposobów demineralizacji.
2
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
3. Wprowadzenie do ćwiczenia
Woda, niezbędny do życia związek chemiczny występuje w przyrodzie jako woda atmosferyczna
(z opadów deszczu i śniegu), gruntowa (podziemna, głębinowa) i powierzchniowa (rzeki, jeziora, morza i
oceany). Surowa woda, tłoczona z tzw. ujęć zawiera zanieczyszczenia mechaniczne, rozpuszczone gazy
(np. O2, CO2) oraz sole sodu, wapnia, magnezu, glinu, żelaza i wielu innych pierwiastków chemicznych.
Skład mineralny wód zależy w dużej mierze od położenia z
ródła wody. W wodach słonych ilość
rozpuszczonych soli jest największa. Zasolenie oceanów zawarte jest w granicach 33 - 350 (w tym ok.
270 stanowi NaCl). Zasolenie Morza Bałtyckiego wynosi ok. 110 (w tym 80 NaCl).
Podstawowymi wskaz
nikami jakości wody są: zawartość soli wapnia i magnezu (tzw. twardość
całkowita), ogólna zawartość soli (tzw. sucha pozostałość) oraz utlenialność, przezroczystość, barwa,
odczyn (pH). Przy ocenie jakości wody pitnej i wody używanej w przemyśle spożywczym i
farmaceutycznym istotna jest również zawartość bakterii.
Zależnie od właściwości wody surowej i jej dalszego przeznaczenia dobiera się odpowiedni sposób
uzdatniania. Uzdatnianie wody polega na dostosowaniu jej jakości do stawianych wymogów, innych
wodzie pitnej, innych wodzie do zasilania kotłów parowych, czy też do specjalnych celów
technologicznych.
W procesach uzdatniania wody dużą rolę odgrywa jej oczyszczanie polegające na usuwaniu :
- zanieczyszczeń mechanicznych (oczyszczanie wstępne)
- tlenu i dwutlenku węgla (odgazowywanie)
- soli wapnia i magnezu (zmiękczanie)
- wszystkich soli (demineralizacja).
Bardzo ważne jest przygotowanie wody do zasilania kotłów parowych. Zastosowanie
nieodpowiedniej, z
le zmiękczonej wody powoduje osadzanie się na ściankach kotła twardego osadu, tzw.
kamienia kotłowego. Składa się on głównie z soli wapnia i magnezu w postaci węglanów, siarczanów i
krzemianów (CaCO3, Mg(OH)2, CaSO4, CaSiO3, MgSiO3). Szybkość tworzenia się kamienia zależy od stopnia
twardości wody. Kamień kotłowy ma mniejsze przewodnictwo cieplne i niższy współczynnik
rozszerzalności cieplnej niż ściany stalowego kotła i dlatego jest on przyczyną niebezpiecznych naprężeń
w kotle, a także większego zużycia paliwa w palenisku kotła (kamień o grubości 1 mm zwiększa zużycie
paliwa o około 10%). Również ważne jest dokładne odgazowanie wody, gdyż tlen w warunkach
wytwarzania pary powoduje silną korozję ścian kotła. Schemat stacji oczyszczania wody przedstawiono
na rys. 1.
Ujęcie
Filtry
Woda do
Osadniki
wody żwirowo-
zawiesin
rzecznej
piaskowe
chłodzenia
Zmiękczanie
wody
Woda do
Odgazowanie
wody
kotłów parowych
Rysunek 1. Schemat ideowy stacji oczyszczania wody przemysłowej
Twardość wody.
Twardość wody jest pojęciem umownym określającym zawartość w wodzie kationów
dwuwartościowych, głównie wapnia i magnezu. Rozróżnia się twardość węglanową, stałą i całkowitą.
3
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Twardość węglanową powoduje obecność wodorowęglanów wapnia i magnezu: Ca(HCO3)2,
Mg(HCO3)2, które w podwyższonej temperaturze rozkładają się z wytworzeniem nierozpuszczalnych w
wodzie: węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu. Twardość węglanowa nazywana jest również
twardością przemijającą, ponieważ zanika podczas gotowania wody.
Twardość stała (niewęglanowa) spowodowana jest obecnością rozpuszczalnych w wodzie soli,
które pozostają w wodzie po jej zagotowaniu. Są to przede wszystkim siarczany, chlorki i krzemiany
wapnia oraz magnezu (CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, CaSiO3, MgSiO3).
Na twardość całkowitą składa się zawartość wszystkich soli wapnia i magnezu, a także soli innych
jonów dwuwartościowych, np. Fe2+, Mn2+, a więc jest to suma twardości węglanowej i stałej. Ze względu
na występujące w wodach duże stężenie jonów Ca2+ i Mg2+ a małe stężenie jonów innych metali,
twardość wody praktycznie powodowana jest przez sole wapnia i magnezu.
Twardość wody wyraża się w jednostkach zwanych stopniami twardości lub w przeliczeniu na mg
węglanu wapnia przypadających na 1 dm3 wody. Jednostki określające twardość wody nie są
ujednolicone, w różnych krajach stosowane są różne jednostki; ich wzajemne zależności przedstawiono w
tabeli 1. W Polsce nadal używa się tzw. niemieckich stopni twardości wody lub mg CaCO3 w dm3. Stopień
niemiecki (1oN) odpowiada zawartości soli wapnia i magnezu w ilości równoważnej 10 mg CaO w 1 dm3
wody. Stosowany dawniej stopień milimolowy odpowiada twardości równoważnej 1 milimolowi Ca2+
(40,08 mg) w 1 dm3 wody.
Tabela 1. Jednostki twardości wody i współczynniki przeliczeniowe
Stopień
Stopień
Stopień milimolowy
francuski
niemiecki
1mmol =
Jednostka mg CaCO3/dm3
1g CaCO3/ 40.08 mg
10 mg CaO/dm3
100 dm3
Ca2+/dm3
mg CaCO3/dm3 1 0,056 0,1 0,01
Stopień niemiecki [oN] 17,84 1 1,784 0,178
Stopień francuski [oF] 10 0,560 1 0,1
Stopień milimolowy 100,08 5,6 10 1
Twardość wód naturalnych może wahać się znacznie, w zakresie od kilku do kilkuset mg
CaCO3/dm3. Wody z
ródlane mają często niską twardość, a zwykle ze wzrostem zanieczyszczenia twardość
wód zwiększa się. W dużym stopniu twardość wód zależy od warunków geologicznych zlewni, najczęściej
jest to twardość węglanowa. Twardość niewęglanowa w wielu wodach nie występuje, a przeciętnie
o
wynosi 1 - 2 N (15 - 35 mg CaCO3/dm3). Wody opadowe atmosferyczne mają niską twardość. W
zależności od twardości wody dzielimy na 6 grup, co przedstawiono w tabeli 2.
Woda twarda jest niepożądana w gospodarstwach domowych i przede wszystkim w przemyśle.
Powoduje ona:
- wzrost zużycie mydła, gdyż wytrącają się nierozpuszczalne sole wapnia i magnezu,
- jony wapnia i magnezu mogą osadzać się na włóknach pranego materiału pogarszając ich jakość
użytkową,
- wzrasta korozja w wymiennikach ciepła wskutek hydrolizy soli magnezu i wzrostu stężenia jonów
oksoniowych:
Mg2+ + 2 H2O = Mg(OH)2 Å»ð + 2 H3O+
- powstaje kamień kotłowy, który utrudnia wymianę ciepła.
4
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Tabela 2. Grupy wody w zależności od twardości
Twardość ogólna
Skala opisowa
[mg CaCO3/dm3] Stopnie niemieckie [oN]
0 - 50 0 - 2,8 miękka
50 - 100 2,8 - 5,6 średnio miękka
100 - 150 5,6 - 8,4 mało twarda
150 - 200 8,4 - 11,2 średnio twarda
200 - 300 11,2 - 16,8 twarda
powyżej 300 powyżej 16,8 bardzo twarda
Przemysł chemiczny i farmaceutyczny stosuje jako rozpuszczalnik wodę całkowicie
zdemineralizowanÄ…, chemicznie czystÄ… H2O.
Wody bardzo miękkie nie nadają się do picia, są wręcz szkodliwe dla człowieka; jak stwierdzono,
ich picie powoduje wzrost zachorowań na choroby serca.
Zmiękczanie wody
Zmiękczanie wody polega na usunięciu z niej związków wapnia i magnezu. Efekt ten można
uzyskać metodami chemicznymi, metodą jonitową oraz częściowo metodą termiczną.
Metoda termiczna polega na ogrzewaniu wody do temp. 358-73 K (85 - 100oC). Rozpuszczalne w
wodzie wodorowęglany wapnia i magnezu przechodzą w trudno rozpuszczalne, wytrącające się osady
według reakcji:
Ca(HCO3)2 = CaCO3 Å»ð + H2O + CO2 ­ð
Mg(HCO3)2 = Mg(OH)2 Å»ð + 2 CO2 ­ð
Metoda ta nadaje się jedynie do wód posiadających prawie wyłącznie twardość węglanową.
Metody chemiczne: wapienno-sodowa i fosforanowa są obecnie już bardzo rzadko stosowane.
Metoda wapienno-sodowa polega na traktowaniu wody zawiesinÄ… mleka wapiennego Ca(OH)2 i
roztworem sody Na2CO3. Z Ca(OH)2 zachodzą reakcje, które usuwają twardość węglanową, jony magnezu
oraz obniżają zawartość dwutlenku węgla w wodzie:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 Å»ð + 2 H2O
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 Å»ð + CaCO3 Å»ð + H2O + CO2
MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 Å»ð + CaCl2
MgSO4 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 Å»ð + CaSO4 Å»ð
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 Å»ð + H2O
Jony węglanowe, pochodzące z dysocjacji Na2CO3, usuwają z wody jony wapnia:
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 Å»ð + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 Å»ð + 2 NaCl
Metoda wapienno-sodowa jest stosunkowo tania, lecz mało wygodna; wymaga dużych
osadników z uwagi na powolne opadanie osadów. Pozwala ona obniżyć twardość wody do ok. 2oN, co
odpowiada parametrom wody stosowanej do zasilania kotłów niskoprężnych.
Metoda fosforanowa polega na przeprowadzeniu jonów Ca2+ i Mg2+ w trudno rozpuszczalne
fosforany według reakcji:
3 Ca(HCO3)2 + 2 Na3PO4 = Ca3(PO4)2 Å»ð + 6 NaHCO3
3 CaSO4 + 2 Na3PO4 = Ca3(PO4)2 Å»ð + 3 Na2SO4
3 CaCl2 + 2 Na3PO4 = Ca3(PO4)2 Å»ð + 6 NaCl
5
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Analogicznie reagujÄ… z fosforanem sodu obecne w twardej wodzie sole magnezu. Po odsÄ…czeniu osadu
fosforanów wapnia i magnezu woda pozbawiona zostaje twardości węglanowej i niewęglanowej. Woda
po zmiękczeniu metodą fosforanową posiada twardość rzędu 0.1oN.
Metoda jonitowa
Zmiękczanie metodą jonitową polega na przepuszczeniu wody twardej przez kolumnę wypełnioną
kationitem obsadzonym jonami sodu (kationit obsadzony jonami sodu umownie zapisujemy jako KtNa).
Każda postać jonitu jest nierozpuszczalna w wodzie. Jony Na+ są wymieniane na jony Ca2+ i Mg2+, a same
przechodząc do wody nie powodują jej twardości, gdyż wszystkie sole sodu są dobrze rozpuszczalne w
wodzie. Na jonicie zachodzą następujące reakcje:
2 Kt Na Å»ð + Ca(HCO3)2 = Kt2Ca Å»ð + 2 NaHCO3
2 Kt Na Å»ð + MgCl2 = Kt2Mg Å»ð + 2 NaCl
Zużyty kationit można regenerować przepuszczając przez kolumnę stężony roztwór NaCl i używać
go ponownie. Dlatego, mimo wysokich cen syntetycznych wymieniaczy jonowych metoda jonitowa nie
jest bardzo droga, a wręcz jest ekonomicznie uzasadniona. Metodą jonitową można zmiękczyć wodę do
około 0.05 oN.
Wymieniacze jonowe (jonity) charakteryzują się brakiem rozpuszczalności w wodzie. Wymieniaczami
jonowymi używanymi dawniej do zmiękczania wody były występujące w przyrodzie minerały
krzemianowe - zeolity. Ruchliwe jony Na+ zawarte w porach sieci zeolitu mogły być wymieniane na jony
Ca2+ i Mg2+.
Obecnie produkowane są syntetyczne wymieniacze jonowe będące wielkocząsteczkowymi
polimerami węglowodorowymi z kowalencyjnie związanymi ugrupowaniami o charakterze jonowym,
czyli podstawnikami zdolnymi do jonizacji, np. grupÄ… -ðSO3H lub -ðCOOH zdolnÄ… do wymiany kationów
(kationity) lub grupÄ… -ðN+(CH3)3(OH) zdolnÄ… do wymiany anionów (anionity).
Jonity charakteryzują się tzw. zdolnością wymienną, która wyraża się w milimolach na gram
suchego wymieniacza [mmol/g]. Handlowe nazwy niektórych wymieniaczy jonowych podano w tabeli 3.
Tabela 3. Charakterystyka wymieniaczy jonowych
Zdolność
Jon grupy
Nazwa Rodzaj wymiany jonów Producent
funkcyjnej
mol/g
USA
Dowex 50W kationit -SO3-ð 5.0
Amberlit IR 120 kationit -SO3-ð 4.5 USA
Wofatyt KPS 200 kationit -SO3-ð 4.5 Niemcy
Amberlit IRC 50 kationit -COO-ð 10.0 USA
Indion 225 Na F kationit -SO3-ð 4.5 Indie
Dowex 1X1 anionit -N(CH3)3+ 3.2 USA
Wofatyt SBW anionit -N(CH3)3+ 3.5 Niemcy
Amberlit IRA 400 anionit -N(CH3)3+ 3.7 USA
Przygotowanie jonitów do pracy polega na przeprowadzeniu ich w odpowiednią formę jonową przez
przemycie roztworem kwasu, zasady lub soli i odmyciu nadmiaru elektrolitu wodÄ… destylowanÄ…,
kontrolujÄ…c przebieg procesu wskaz
nikami pH.
6
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Demineralizacja wody
Metodą jonitową można przeprowadzić całkowitą demineralizację, czyli odsolenie wody osiągane
dawniej jedynie przez destylacjÄ™. Zabieg ten polega na przepuszczeniu wody przez kolumnÄ™ z kationitem
obsadzonym jonami wodorowymi (KtH). Następuje wtedy wymiana kationów na jony wodorowe. W
kolejnym etapie przepuszcza siÄ™ wyciek z kolumny pierwszej przez kolumnÄ™ z anionitem obsadzonym
jonami wodorotlenkowymi (AnOH). Zachodzi reakcja jonów wodorowych z jonami wodorotlenkowymi.
Poniższe reakcje przedstawiają przykłady procesów zachodzących na kolumnach jonitowych:
2 KtH + CaSO4 = Kt2Ca + H2SO4
2 AnOH + H2SO4 = An2SO4 + 2 H2O
2 KtH + MgCl2 = Kt2Mg + 2 HCl
AnOH + HCl = AnCl + H2O
KtH + NaCl = KtNa + HCl
AnOH + HCl = AnCl + H2O
Wyciek z kolumny z kationitem jest roztworem kwasu (H3O+), a jego przepuszczenie przez anionit
powoduje zobojętnienie:
H3O+ + OH-ð = 2 H2O
w wyniku procesu otrzymuje siÄ™ czystÄ… wodÄ™.
Zarówno kationit jak i anionit można po całkowitym zużyciu regenerować. Zużyty kationit
regeneruje się przepuszczając przez kolumnę roztwór HCl, a anionit przepuszczając roztwór NaOH.
Schemat instalacji do demineralizacji wody przedstawia rysunek 2.
H SO
2 4
Anionit
Kationit
+
(OH-ð-)
( H )
piasek
piasek
woda
surowa
woda
zdemine-
ralizowana
NaOH
Rysunek 2. Schemat instalacji do demineralizacji wody z możliwością regeneracji jonitów.
7
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Procesy membranowe
Do oczyszczania wody często wykorzystywane są procesy, w których oczyszczany roztwór
przetłaczany jest przez membrany o różnej porowatości, co powoduje oddzielenie cząstek o wielkości
większej niż pory membrany, od oczyszczanego rozpuszczalnika. Uogólniając, każdą membranę można
traktować jako filtr przez który, przechodzi bez przeszkód co najmniej jeden ze składników
rozdzielanej mieszaniny, podczas gdy inne są przez nią zatrzymywane. Roztwór kierowany do procesu
separacji membranowej nazywany jest nadawą, roztwór przechodzący przez membranę  permeatem
(filtrat), natomiast roztwór wzbogacony to retentat (koncentrat) (Rys 3).
Rysunek 3. Schematyczne przedstawienie procesu separacji membranowej
Zmiękczanie oraz demineralizacja wody mogą być realizowane z wykorzystaniem procesów
membranowych takich jak odwrócona osmoza i nanofiltracja.
Demineralizację wody uzyskuje się dzięki procesowi odwróconej osmozy (RO  reversed
osmosis), który pozwala na blisko stuprocentową separację substancji rozpuszczonych, takich jak jony
mono- i poliwalentne.
Efekt ten uzyskuje się dzięki zastosowaniu membrany litej (brak porów) w której cząsteczki wody
transportowane są na zasadzie rozpuszczania i dyfuzji. W pierwszych przemysłowych procesach RO
stosowano lite membrany polimerowe, które charakteryzowały się dobrymi właściwościami
separacyjnymi, lecz generowały bardzo duże opory przepływu co podwyższało koszty inwestycji oraz
zapotrzebowanie energii, ze względu na konieczność używania wysokich ciśnień - rzędu 12 MPa.
Rysunek 4. Schemat budowy membran używanych w procesie RO
Obecnie w procesach RO stosuje się polimerowe membrany kompozytowe, w których odpowiedzialna
za separację lita warstewka naskórkowa jest bardzo cienka (0,1-10 um), natomiast warstwa podłoża
odpowiedzialna za właściwości mechaniczne jest mocno porowata i zapewnia odprowadzenie
permeatu bez oporów. Doprowadziło to do zmniejszenia ciśnień procesowych do poziomu 2 - 5 MPa.
Głównym problemem technologicznym, w procesie membranowej demineralizacji wody, jest
osadzanie zawieszonych w roztworze związków organicznych i koloidów żelaza, które podwyższają
opory przepływu przez membranę, oraz wytrącanie się z zatężonego retentatu trudno
rozpuszczalnych soli węglanów i siarczanów wapnia czy magnezu. Dlatego przed skierowaniem wody
do procesu RO konieczne jest jej wstępne oczyszczenie, którego zakres zależy głównie, od jakości
8
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
wody surowej. W zakres wstępnego oczyszczania wchodzić może filtracja usuwająca przyczyny
zanieczyszczania membran osadami i koloidami, oraz adsorpcja na węglu aktywnym usuwająca
substancje organiczne. Jeżeli surowa woda zawiera wolny chlor, który niszczy membrany RO, stosuje
się dodatki wodorosiarczanu(IV) sodu (NaHSO3) w celu jego usunięcia.
Oznaczanie twardości wody
Oznaczenie twardości węglanowej polega na miareczkowaniu alkacymetrycznym określonej ilości
badanej wody kwasem solnym (0,1 M HCl) wobec wskaz
nika (oranż metylowy). Podczas miareczkowania
zachodzÄ… reakcje:
Ca(HCO3)2 + 2 HCl = CaCl2 + 2 CO2 + 2 H2O
Mg(HCO3)2 + 2 HCl = MgCl2 + 2 CO2 + 2 H2O
1 cm3 0,1 M HCl odpowiada zawartości wodorowęglanu wapnia i magnezu równoważnej 2,8 mg CaO, lub
5 mg CaCO3.
Oznaczenie twardości całkowitej
Najdokładniejszą a zarazem szybką metodą oznaczania twardości całkowitej jest metoda
wersenianowa, będąca reakcją miareczkowania kompleksometrycznego. Polega ona na miareczkowaniu
badanej wody 0,01 molowym roztworem wersenianu sodu (0,01 M EDTA) w środowisku buforu
amoniakalnego o pH = 8-ð10 (pH = -ðlog[H+]) wobec czerni eriochromowej T jako wskaz
nika.
Czerń eriochromowa T w roztworze o pH = 8 -10 posiada zabarwienie niebieskie. Wprowadzona do wody
twardej tworzy z jonami Mg2+ kompleks o barwie różowo-fioletowej. Wersenian sodu wprowadzony do
takiego roztworu tworzy z jonami Ca2+ i Mg2+ bezbarwne zwiÄ…zki kompleksowe, trwalsze od kompleksu
jonów Mg2+ z czernią. Tak więc w punkcie końcowym miareczkowania nastąpi zmiana barwy
miareczkowanego roztworu z różowo-fioletowej na niebieską.
1 cm3 wersenianu odpowiada zawartości soli wapnia i magnezu równoważnej 0,56 mg CaO, lub 1 mg
CaCO3.
Analiza konduktometryczna wody
Przewodnictwo wÅ‚aÅ›ciwe czystej wody wynikajÄ…ce z autodysocjacji wynosi 0,038 mðS/cm (18 oC). W
wodach naturalnych jony pochodzą prawie wyłącznie z dysocjacji związków nieorganicznych. Pomiar
przewodnictwa świadczy więc przede wszystkim o zawartości składników mineralnych w wodzie. Istnieje
korelacja między wartością przewodnictwa a zawartością jonów rozpuszczonych w wodzie.
Konduktometria bezpośrednia stanowi bardzo często stosowaną metodę badania czystości wód
(wody destylowanej, ścieków, wód do zasilania kotłów parowych, wody chłodzącej, itd).
Åšwieżo destylowana woda charakteryzuje siÄ™ przewodnictwem rzÄ™du 0,5-ð2 mðS/cm. Po kilku
tygodniach przechowywania wzrasta ono do okoÅ‚o 4 mðS/cm w wyniku absorpcji dwutlenku wÄ™gla z
powietrza, a także np. amoniaku. Przewodnictwo właściwe wód powierzchniowych waha się przeciętnie
od 50 -ð 1000 mðS/cm. Przewodnictwo Å›cieków może osiÄ…gać kilka tysiÄ™cy mðS/cm.
Część doświadczalna
1. Oznaczanie twardości węglanowej wody wodociągowej (miareczkowanie alkacymetryczne).
Do kolby stożkowej o pojemności 250 cm3 odmierzyć cylindrem miarowym 100 cm3 wody
twardej. Dodać 3 - 5 kropli oranżu metylowego i miareczkować 0,1 M HCl do zmiany barwy z
żółtej na pomarańczową.
Obliczyć twardość wody (wyrazić w oN i w mg CaCO3/dm3), wiedząc, że 1 cm3 0,1 molowego HCl
odpowiada 2,8 mg CaO lub 5 mg CaCO3.
2. Oznaczanie twardości całkowitej wody wodociągowej (miareczkowanie kompleksometryczne).
9
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko
Politechnika Gdańska, międzywydziałowy kierunek  INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Do kolby stożkowej o pojemności 250 cm3 odmierzyć cylindrem miarowym 50 cm3 wody. Dodać
ok. 1 cm3 buforu o pH = 10 oraz niewielką ilość (do uzyskania wyraz
nej fioletowej barwy wody)
czerni eriochromowej T. Badaną wodę miareczkować 0,01 M wersenianem disodowym do
zmiany barwy z różowofioletowej na niebieską.
Obliczyć twardość wody w obydwu jednostkach, wiedząc, że 1 cm3 0,01 molowego EDTA
odpowiada 0,56 mg CaO lub 1 mg CaCO3.
3. Zmiękczanie wody wodociągowej
a) metodÄ… fosforanowÄ…
Do kolby stożkowej o pojemności 250 cm3 odmierzyć cylindrem miarowym 50 cm3 wody
wodociągowej. Dodać ok. 5 cm3 10% roztworu Na3PO4 i ogrzać mieszaninę niemal do wrzenia w
celu skoagulowania osadu fosforanów. Zawartość kolby przesączyć ilościowo do czystego
naczynia i użyć do oznaczania twardości całkowitej (patrz p. 5).
b) metodÄ… jonitowÄ…
Około 80 cm3 wody wodociągowej przepuścić przez kolumnę wypełnioną kationitem Amberlit IR
120 (w formie Na+). Szybkość wycieku nie powinna być większa niż jedna kropla na sekundę.
Pobrać pipetą 50 cm3 wody zmiękczonej i oznaczyć jej twardość całkowitą.
4. Demineralizacja wody wodociÄ…gowej metodÄ… jonitowÄ…
Około 80 cm3 badanej wody przepuścić przez 2 kolumny: jedną wypełnioną kationitem (w formie
H+), drugą wypełnioną anionitem (w formie OH-). Pobrać pipetą 50 cm3 zdemineralizowanej wody
i oznaczyć jej twardość całkowitą.
5. Oznaczanie twardości całkowitej wody zmiękczonej i demineralizowanej.
Oznaczenie wykonać jak w punkcie 2 dodając większą ilość, tj. 10 cm3 buforu o pH = 10.
6. JakoÅ›ciowa próba na obecność jonów chlorkowych Cl-ð w wodzie wodociÄ…gowej, zmiÄ™kczonej i
zdemineralizowanej.
Do 3 probówek wlać po 2 - 3 cm3 roztworu AgNO3 (odmierzyć małym cylindrem miarowym). Do
jednej z nich dodać ok. 5 cm3 wody twardej, do drugiej wody zmiękczonej, a do trzeciej
zdemineralizowanej. Obserwować i wyjaśnić różnicę "zmętnienia" zawartości tych probówek.
Zadanie:
Na podstawie wyników miareczkowania dokonać obliczeń i podać w stopniach niemieckich twardość
wody wodociągowej, zmiękczonej i demineralizowanej.
Literatura:
1. Praca zbiorowa (Red. E. Luboch, M. Bocheńska J.F. Biernat).  Chemia ogólna. Ćwiczenia
laboratoryjne Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 2003
2. Ćwiczenia z chemii ogólnej. Praca zbiorowa pod red. J.F. Biernata, skrypt PG, 1986.
3. Jacek Molenda, Technologia chemiczna, WSiP Katowice 1976.
4. J. Garaj, Fizyczne i fizykochemiczne metody analizy, WNT, Warszawa 1981.
5. J.R. Dojlido, Chemia wody. Wyd. Arkady, W-wa 1987.
6. J.R. Dojlido, Chemia wód powierzchniowych, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko,
Białystok 1995.
7. R. Rautenbach, Procesy membranowe. Podstawy projektowania modułów i instalacji,
Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1996
10
CHEMIA, M. Bocheńska, R. Pomećko