POLITECHNIKA OPOLSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I LOGISTYKI
INŻYNIERIA BEZPIECZEŃSTWA - 2 ROK - 3 SEMESTR - 2013/2014

SPRAWOZDANIE - CHEMIA DLA INŻYNIERÓW - LABORATORIUM

Prowadzący: dr hab. inż. Janusz PAJĄK, prof. PO

Wykonał: Damian Bonar

Temat: Oznaczanie twardości wody metodą Wersenianową

Twardość wody

Właściwość chemiczna wody związana z obecnością rozpuszczonych soli wapnia i magnezu oraz glinu, żelaza, manganu, strontu, baru, cynku i innych pierwiastków występujących w mniejszych stężeniach.
Twardość wody tradycyjnie jest definiowana jako zdolność do pienienia się wody z mydłem. Współcześnie oznaczana analitycznie jako suma wapnia i magnezu. Wyróżnia się twardość węglanową i twardość niewęglanową. Suma obydwu twardości nazywana jest twardością ogólną .W wodach podziemnych występują znaczne zróżnicowania twardości wody.
Twardość wody ma istotne znaczenie dla jakości i użyteczności wód pitnych i przemysłowych. Wody o twardości mniejszej niż 90 mg CaCO₃/dm³ działają korodująco na przewody wodociągowe, natomiast z wód o twardości ponad 500 mg CaCO₃/dm³ wytrącają się osady stopniowo zmniejszające przepustowość przewodów. W poszczególnych krajach różnią się granice wartości przyjmowane przy opisowej ocenie twardości, zakresy dopuszczalne dla użytkowanych wód oraz stosowane jednostki. → Woda twarda, → Woda miękka, → Stopień twardości (wody).

Twardość wody dzieli się na:

nietrwałą (przemijającą, węglanową) - która jest generowana przez sole kwaśne kwasu węglowego - wodorowęglany

trwałą - która jest generowana przez sole innych kwasów, głównie chlorki, ale też siarczany, azotany i inne.

Ogólna twardość wody jest sumą twardości węglanowej i trwałej.

Nazwa "twardość nietrwała" wynika z faktu, że wodorowęglany są nietrwałe termicznie i podczas ogrzewania przekształcają się do nierozpuszczalnych w wodzie węglanów, które wytrącają się z roztworu (jest to proces odwrotny do rozpuszczania w wodzie skał węglanowych w obecności CO2), np.:

Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ ⇌ CaCO₃ + H₂O + CO₂↑

Natomiast chlorki, siarczany i azotany są trwałe i pozostają również po przegotowaniu wody.

Wpływ twardości na właściwości wody

Twardość wody ma wpływ na jej napięcie powierzchniowe. Czym większe napięcie powierzchniowe wody, tym trudniej zwilża ona wszelkie powierzchnie, na skutek czego trudniej jest za jej pomocą czyścić zabrudzone powierzchnie. Twarda woda wymaga stosowania większych ilości mydła, gdyż powoduje wytrącenie trudno rozpuszczalnych soli kwasów tłuszczowych i metali odpowiedzialnych za twardość wody.

Duża, nietrwała twardość wody kotłowej stanowi często poważny techniczny problem, gdyż w trakcie wielu procesów technologicznych związanych z podgrzewaniem wody następuje wtedy osadzanie się tzw. kamienia kotłowego.

Tabela stopni twardości wody

Twardość ogólna wody	Skala twardości
mval/dm^3	stopień twardości [°d]
0- 1,78	0-5
1,78-3,57	5- 10
3,57-5,35	10- 15
5,35-7,13	15-20
7,13-10,70	20-30
> 10,70	>30

Nastawianie miana roztworu - ustalanie miana roztworu na podstawie zmiareczkowania tym roztworem odważki substancji wzorcowej albo normalki.

Roztwór mianowany, titrant, roztwór odczynnika chemicznego o znanym stężeniu dodawany z biurety do roztworu o znanej objętości oznaczanej substancji podczas miareczkowania.

Dokładne ustalenie stężenia roztworu mianowanego (tzw. nastawianie miana, czyli inaczej mianowanie roztworu) odbywa się za pomocą substancji podstawowych lub innych roztworów mianowanych.

Metody usuwania twardości wody

Najogólniej, zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów powodujących twardość tj. jonów Ca²⁺, Mg²⁺ oraz jonów innych metali jak: Fe²⁺, Mn²⁺, Al³⁺.

Zmiękczanie wody można przeprowadzić stosując:

1) destylację,
2) metody termiczne,
3) metody chemiczne,
4) metody fizyczno-chemiczne.

Destylacja daje wodę idealnie zmiękczoną, ponieważ pozbawiona jest wszystkich soli. Koszty zmiękczania tą metodą są jednak wysokie i w przemyśle nie ma ona większego zastosowania.

Metody termiczne usuwania twardości wody polegają na ogrzewaniu wody do ok. 100^oC, wówczas bowiem następuje rozkład wodorowęglanów wapnia i magnezu, z wydzieleniem trudno rozpuszczalnego węglanu wapnia, węglanu magnezu i wodorotlenku magnezu.

Chemiczne metody usuwania twardości wody (zmiękczania) polegają na strąceniu nierozpuszczalnych osadów, w skład których wchodzą nierozpuszczalne związki wapnia i magnezu.

Kompleksometria - oznaczanie substancji przez miareczkowanie mianowanym roztworem odczynnika tworzącego z nią słabo zdysocjowane związki koordynacyjne (kompleksy); najważniejszym działem kompleksometrii jest chelatometria.

Kompleksonometria – rodzaj chemicznej analizy ilościowej, główny dział kompleksometrii. W technice tej wykorzystuje się reakcję tworzenia trwałych związków kompleksowych kationów metali wielowartościowych z kompleksonami. Często stosowanym titrantem jest roztwór wersenianu dwusodowego (soli sodowej EDTA). Wskaźnikami stosowanymi w kompleksonometrii są m.in. czerń eriochromowa T, mureksyd i fiolet pirokatechinowy.

Czerń eriochromowa T – organiczny związek chemiczny używany jako wskaźnik w kompleksometrii, tworzący chelaty z jonami wielu metali. Czerń eriochromowa T jest często stosowana w miareczkowaniu EDTA. W zależności od pH roztworu wskaźnik występuje w trzech barwnych postaciach:

roztwory mocno kwaśne – postać fioletowa,
roztwory słabo kwaśne i słabo alkaliczne – postać niebieska,
roztwory mocno alkaliczne – postać pomarańczowa.

$$m = \ \frac{0,01*25\ }{V}$$

V = 25,4 cm³

$m = \ \frac{0,01*25\ }{25,4}$ = 0,0098

2. Wykonanie oznaczenia

Przygotowanie próbki:

- Otrzymany w kolbie miarowej o pojemności 250 cm³ roztwór rozcieńczyć wodą destylowaną do kreski i dobrze wymieszać.
- Do kolby stożkowej poj. 200 - 300 ml odmierzyć 50 cm³ roztworu badanego, dodać 1 cm³ roztworu buforowego i szczyptę wskaźnika.

Zawartość kolby miareczkować roztworem wersenianu dwusodowego do zmiany zabarwienia ciągle mieszając.
Miareczkowanie kończy się powoli, dobrze skłócając ciecz. Pod koniec powstaje zabarwienie fioletowe, przechodzące w niebieskie lub zielonkawoniebieskie, bez czerwonego odcienia.


Twardość ogólną (X) w ^on oblicza się wg wzoru:

Przedział stopni (^on)	Twardość wody
0 - 5	Woda bardzo miękka
5 - 10	Woda miękka
10 - 15	Woda średniej twardości
15 - 20	Woda znacznej twardości
20 - 30	Woda twarda
Ponad 30	Woda bardzo twarda

X = $\frac{5,6*m*1000*V1}{V}$

V₁- liczba cm³ roztworu wersenianu zużyta na miareczkowanie próbki
m - molarność roztworu wersenianu
V - liczba cm³ badanej wody wziętej do oznaczenia

V = 50 cm³ woda z kranu
m = 0,0098
V1 = 24,8 cm³ odmierzonego w doświadczeniu wersenianu

X = $\frac{5,6*0,0098*1000*24,8\ }{50} = 27,22\ $^on

Ocena twardości wody (^on)

X = 27,22 ^on, więc jest to woda twarda


Wnioski:

W przeprowadzonym doświadczeniu woda miała stopień twardości 27,22 ^on, czyli jest to woda twarda.
Woda twarda – woda zawierająca znaczne stężenie soli różnych metali, zwłaszcza wapnia i magnezu, np. chlorków, siarczanów (VI), wodorowęglanów wapnia i magnezu. Podczas gotowania wody twardej powstaje tzw. kamień kotłowy. Taka woda może powodować różne usterki w urządzeniach elektrycznych, np. w pralce, czajniku elektrycznym itp.

Jeśli w domu mamy twardą wodę, musimy używać więcej mydła i detergentów, co nie tylko jest kosztowne, ale w dłuższym okresie szkodzi zdrowiu i naturze.
Co więcej osad, który wytrąca się podczas gotowania twardej wody, zamienia się w kamień niszczący pralki i wyposażenia domowe
Twarda woda występuje najpowszechniej w Polsce.