OZNACZANIE PARAMETRÓW FIZYKOCHEMICZNYCH WODY

Część teoretyczna

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wybranym parametrami fizykochemicznymi wody, przez oznaczenie tych parametrów metodami chemicznymi i fizykochemicznymi.

Wstęp

Jakość wody, w zależności od jej zastosowania, jest charakteryzowana przez szereg normowanych parametrów:

• mikrobiologicznych – zawartość różnych mikroorganizmów,

• chemicznych – zawartość organicznych i nieorganicznych związków chemicznych,

• organoleptycznych – zapach, smak,

• fizycznych – barwa, mętność, pH, przewodność elektryczna.

W ramach ćwiczenia zostaną przebadane następujące parametry:

• zasadowość,

• chlorki,

• pH,

• przewodność elektryczna.

Bardzo istotny parametr – twardość ogólna -To wody jest oznaczany w trakcie wszystkich pozostałych ćwiczeń dotyczących zmiękczania i demineralizacji wody.

Zasadowość

Zasadowość nadają wodom naturalnym wodorowęglany, węglany oraz rzadziej wodorotlenki, borany, krzemiany oraz fosforany. W wodach naturalnych (o pH < 8,3) występują przeważnie wodorowęglany wapnia, magnezu i żelaza i niekiedy wodorowęglany sodu (zasadowość alkaliczna).

W wodach zanieczyszczonych ściekami przemysłowymi o odczynie zasadowym (pH > 8,3) oprócz anionów słabych kwasów, jak np. HCO –

2–

–

2–

2–

3 , CO3

, H2PO4 , HPO4 , SO3 , ulegających hydrolizie,

mogą występować również mocne zasady (NaOH, KOH). W związku z tym w zależności od wartości pH wody rozróżnia się:

zasadowość ogólną (Zog) dla wód o pH > 4,5 - oznacza sumę wszystkich związków reagujących zasadowo wobec oranżu metylowego jako wskaźnika.

zasadowość mineralną (Zm) - dla wód o pH > 8,3 - oznacza sumę wszystkich związków reagujących zasadowo wobec fenoloftaleiny.

Różnica pomiędzy wartością zasadowości a wielkością twardości ogólnej określana jest mianem

zasadowości alkalicznej.

Zasadowość wody z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie drugorzędne, ma natomiast duże znaczenie w ocenie wody do celów gospodarczych i technicznych (przemysłowych). Niepożądana jest zasadowość ogólna w wodzie do zasilania kotłów energetycznych, a zasadowość alkaliczna powoduje pienienie wody w kotle.

Oznaczanie zasadowości wody polega na określeniu zawartości w niej związków chemicznych, które reagują zasadowo w obecności odpowiedniego wskaźnika. Zawartość tych związków określa się za pomocą miareczkowania roztworem mocnego kwasu, początkowo do pH ok. 8,3, a następnie do pH

ok.4,5. Reakcje chemiczne podczas oznaczania zasadowości przebiegają następująco:

− miareczkowanie do pH ok. 8,3 OH– + H+ → H2O

− miareczkowanie do pH ok. 4,5 CO 2–

–

3

+ H+ → HCO3

HCO –

3 + H+ → H2O + CO2

1

Chlorki

Wszystkie wody naturalne zawierają pewne ilości chlorków. Mogą one pochodzić z gleby, naturalnych pokładów soli oraz z zanieczyszczeń. Wysokie stężenie chlorków w wodzie zwiększa jej korozyjność i wpływa ujemnie na rośliny. Dopuszczalne stężenie chlorków w wodzie do picia wynosi 250 mg/dm3.

Oznaczenie chlorków metodą Mohra polega na miareczkowaniu analizowanej wody mianowanym roztworem azotanu(V) srebra (AgNO3) wobec chromianu(VI) potasu (K2CrO4) jako wskaźnika: Cl– + AgNO

–

3 → AgCl↓ + NO3

Wskaźnik reaguje z azotanem(V) srebra wg reakcji:

CrO 2–

↓

–

4

+ 2AgNO3 → Ag2CrO4 + 2NO3

praktycznie dopiero po zakończeniu reakcji z chlorkami, a więc pojawienie się w roztworze Ag2CrO4

o barwie ceglastej świadczy o zakończeniu reakcji miareczkowania.

Sposobem Mohra można oznaczać zawartość chlorków w środowiskach o pH 6,5 – 10,5; a więc w roztworach obojętnych lub słabo alkalicznych.

Odczyn pH

Czysta woda ulega dysocjacji w bardzo małym stopniu, a ponieważ jest związkiem obojętnym, więc stężenie jonów H+ i jonów OH– jest takie samo.

Wartość pH zdefiniowana jest zależnością:

pH = - log [H+]

gdzie [H+]oznacza stężenie jonów wodorowych w mol/dm3.

Czysta woda w temperaturze 298 K powinna mieć pH = 7. Jeżeli pH=7 roztwór jest obojętny, gdy pH<7 roztwór jest kwaśny, a przy pH>7 roztwór jest zasadowy. Odczyn wód naturalnych zawiera się w granicach pH 4 – 9, jednak większość tych wód ma pH 6,5 – 8,5 i w takim zakresie powinno się mieścić pH wody do picia.

Wody o niskim pH mają właściwości korozyjne i przynoszą duże straty gospodarcze.

Do oznaczania pH stosowana jest metoda elektrometryczna wykorzystująca specjalną elektrodę szklaną, która jest czuła na zmiany kwasowości roztworu, a pomiar jej potencjału wykonuje odpowiednio skalibrowany elektroniczny miliwoltomierz nazywany pH – metrem.

Przewodność elektryczna właściwa

Roztwór wodny zawierający jony wykazuje właściwość przewodzenia prądu elektrycznego pod wpływem napięcia przyłożonego do zanurzonych w nim elektrod. Właściwość ta nosi nazwę

przewodności elektrycznej i jest odwrotnością oporności.

W celu porównania przewodności różnych roztworów stosuje się przewodność właściwą κ, która jest zdefiniowana jako przewodność słupa cieczy o grubości 1 cm i przekroju 1 cm2.

Jednostką przewodności właściwej jest S/cm (simens/cm). Przewodność właściwą wody wyraża się najczęściej w jednostkach milion razy mniejszych - µS/cm. Przyrząd do pomiaru przewodności właściwej wody nosi nazwę konduktometr.

Pomiar przewodności wody daje informacje o zawartości w wodzie związków mineralnych, gdyż

przewodność wody wynikająca z obecności zanieczyszczeń organicznych jest zwykle nieznaczna.

Świeża destylowana woda ma κ w granicach 0,5 – 2 µS/cm. Przewodność ta zwiększa się w czasie przechowywania wody głównie na skutek pochłaniania przez nią dwutlenku węgla z powietrza.

Przewodność właściwa wód naturalnych waha się przeciętnie w granicach 50 – 1000 µS/cm, a dla solanek i ścieków może dochodzić do 10 000 µS/cm.

2

Część doświadczalna

Szkło, sprzęt, odczynniki

4 kolby stożkowe o pojemności 250-300 cm3, pipeta jednomiarowa o pojemności 100 cm3, pipeta jednomiarowa o pojemności 25 cm3, pH – metr z elektrodą uniwersalną, konduktometr z elektrodą zanurzeniową, naczyńko pomiarowe, roztwór wzorcowy chlorku potasu o stężeniu: 0,0100 mol/dm3, roztwory buforowe o pH 4,0 i 7,0 do kalibracji pH-metru, roztwór HCl (w biurecie) o stężeniu 0,05 mol/dm3, 5% roztwór K2CrO4

Oznaczanie zasadowości wody

Oznaczenia zasadowości wykonać dwukrotnie, a do obliczeń zastosować średnią arytmetyczną wyników otrzymanych w poszczególnych oznaczeniach.

Oznaczanie zasadowości mineralnej (pH 8,3)

Do kolby stożkowej o pojemności 250 cm3 odmierzyć pipetą 100 cm3 badanej wody i dodać 4 krople roztworu fenoloftaleiny. Jeżeli woda zabarwi się na kolor różowy, należy ją miareczkować roztworem HCl o stężeniu 0,05 mola/dm3 do zaniku zabarwienia Jeżeli natomiast woda nie zabarwi się na różowo po dodaniu wskaźnika, oznacza to, że ten rodzaj zasadowości w wodzie nie występuje.

Zapisać objętość zużytego kwasu. Próbkę po zmiareczkowaniu pozostawić do oznaczenia zasadowości ogólnej.

Oznaczanie zasadowości ogólnej (pH 4,5)

Do próbki, w której oznaczono zasadowość mineralną, dodać 2-3 krople roztworu oranżu metylowego i miareczkować dalej dodając kroplami z biurety kolejne porcje HCl do zmiany barwy próbki z żółtej na żółtoróżową. Zapisać objętość zużytego kwasu.

Obliczanie wyników

Kwasowość i zasadowość badanej wody obliczyć ze wzorów:

zasadowość mineralna:

Zm= (V1·CM(HCl)/Vp)·1000 [mmol/dm3]

zasadowość ogólna:

Zog= (V2·CM(HCl)/Vp)·1000 [mmol/dm3]

gdzie:

V1 - ilość roztworu HCl zużyta do zmiareczkowania próbki wody badanej do pH 8,3; cm3

V2 - ilość roztworu HCl zużyta do zmiareczkowania próbki wody badanej do pH 4,5; cm3

(w przypadku wykonania oznaczenia w próbce uprzednio wykorzystanej do określenia zasadowości wobec fenoloftaleiny, ilość ta będzie równa sumie zużytego kwasu na oba miareczkowania. tj. do pH = 8,3 i pH = 4,5),

Vp - objętość próbki wody użytej do oznaczenia, cm3,

CM(HCl) - stężenie roztworu HCl, mol/dm3.

Uwaga: Często kwasowość i zasadowość wody (nawet w normach) podaje się w tzw. mval/dm3, czyli miligramorównoważnikach chemicznych. Jednostek tych nie powinno się obecnie stosować, ponieważ

w układzie SI jednostką liczności materii jest mol lub jego podwielokrotności (najczęściej mmol).

W przypadku oznaczania zasadowości poprzez miareczkowanie roztworem HCl 1 mval = 1 mmol.

Oznaczanie zawartości chlorków metodą Mohra

Oznaczenie zawartości chlorków wykonać dwukrotnie, a do obliczeń zastosować średnią arytmetyczną wyników otrzymanych w poszczególnych oznaczeniach

Pobrać pipetą jednomiarową 50 cm3 badanej wody, przenieść do kolby stożkowej o pojemności 250

– 300 cm3 i dodać 0,5 cm3 5% roztworu K2CrO4.

Próbkę miareczkować powoli z biurety roztworem AgNO3 o stężeniu 0,1 mol/dm3 ciągle mieszając.

Roztwór na początku mętnieje. Kiedy barwa powstającej zawiesiny zmieni się z żółtej na lekko beżową zakończyć miareczkowanie. Zawartość chlorków obliczyć ze wzoru:

3

C

⋅ V

⋅1000

AgNO

AgNO

C

3

3

=

⋅3 ,

5 45

Cl

Vo

gdzie:

CCl

– stężenie chlorków, mg/dm3

CAgNO3 – stężenie roztworu AgNO3 w biurecie, mol/dm3

VAgNO3 – objętość zużytego AgNO3, cm3

Vo

– objętość badanej próbki, cm3

1000

– przelicznik z gramów na miligramy

35,45

– masa molowa atomu chloru, g/mol

Pomiar pH wody

Przeprowadzić kalibrację pH-metru, zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu, za pomocą roztworów buforowych.

Po kalibracji pH-metru dokładnie opłukać elektrodę wodą z tryskawki, naczyńko pomiarowe napełnić badaną próbką wody i zanurzyć elektrodę. Po ustaleniu się wskazań przyrządu odczytać wartość pH.

Pomiar przewodności właściwej wody

Przeprowadzić kalibrację konduktometru, zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu, za pomocą wzorcowego roztworu KCl.

Po kalibracji konduktometru kilkakrotnie opłukać elektrodę i naczyńko pomiarowe wodą z tryskawki, a następnie badaną próbką wody. Następnie napełnić naczyńko pomiarowe badaną próbką wody i zanurzyć elektrodę. Po ustaleniu się wskazań przyrządu odczytać wartość pH.

4