ODCZYN, KWASOWOŚĆ I ZASADOWOŚĆ WODY (PN-90/C-04540).

Odczyn

Woda chemicznie czysta ma odczyn obojętny (pH=7) tylko w 295K (22°C), przy wzroście temperatury jej pH zmniejsza się. Odczyn większości wód naturalnych wynosi 6.5 – 8.5 i zależy od wielu czynników np.

• odprowadzanych zanieczyszczeń –ścieki, opady atmosferyczne,

• podłoża, z którego mogą być wymywane związki o charakterze kwaśnym lub zasadowym

• układu węglanowego- tzn. od zawartości węglanów i CO₂ ; wody węglanowe są zasadowe, a wody ubogie w węglany są kwaśne; wody powierzchniowe swój zasadowy odczyn mogą zawdzięczać wzmożonej fotosyntezie,

• rodzaju gleb w zlewni, którą odwadnia zbiornik wody (wody wypływające z bagien i lasów są zwykle kwaśne z powodu obecności kwasów huminowych i fulwowych),

• skał magmowych i osadowych, wód towarzyszących złożom ropy naftowej, wód morskich i gruntowych.

Kwaśne deszcze .Obniżenie pH wód deszczowych jest spowodowane spalaniem ogromnych ilości węgla i ropy naftowej oraz wprowadzaniem do atmosfery dwutlenku siarki SO₂ i tlenków azotu NO_x. Gazy te łączą się z wodą tworząc kwasy H₂SO₄ i HNO₃.

SO₂ + H₂O → H₂SO₃

H₂SO₃ + O₂ → H₂SO₄

SO₂ + O₂ → 2SO₃

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

2NO + O₂ → 2NO₂

2NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃

Kwaśny odczyn wód deszczowych jest w 60-70 % wynikiem obecności kwasu siarkowego, a w 30-40 % - kwasu azotowego. Kwaśne deszcze powstają głównie na terenach silnie uprzemysłowionych. Powstałe w wyniku spalania gazy unoszą się na dużą wysokością i mogą wędrować setki lub tysiące kilometrów od miejsca wytworzenia i tam opaść.

Zmiana wartości pH wód naturalnych może świadczyć o zanieczyszczeniu jej produktami rozkładu związków organicznych lub ściekami zawierającymi wolne kwasy, zasady lub sole. Sole hydrolizują z uwolnieniem kwasu lub zasady np.:

FeSO₄ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + H₂SO₄ zmniejsza pH wody

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O → 2Al.(OH)₃ + 3H₂SO₄ zmniejsza pH wody

Na₃PO₄ + 2H₂O → NaH₂PO₄ + 2NaOH zwiększa pH wody

Wody o małym pH (<6.5) mają właściwości korozyjne, o dużym (>8.5) wykazują zdolność pienienia się i smak specyficznie ługowaty. Odczyn ma duże znaczenie w wielu procesach technologicznych, biochemicznych i wpływa na proces samooczyszczania.

Kwasowość wody.

Jest to zdolność do zobojętniania dodawanych do niej silnych zasad nieorganicznych lub węglanów wobec umownych wskaźników.

Kwasowość wód naturalnych może wynikać z obecności w nich wolnego, rozpuszczonego dwutlenku węgla, słabych kwasów organicznych (humusów) oraz produktów hydrolizy soli żelaza lub glinu, wprowadzonych do wody podczas procesu koagulacji. W analityce kwasowość wody spowodowana mocnymi kwasami nieorganicznymi określa się kwasowością mineralną, spowodowaną CO₂ i słabymi kwasami organicznymi, określaną jako kwasowość ogólna.

Kwasowość mineralna występuje gdy pH<4.5 i oznacza się ją wobec oranżu metylowego (za pomocą mianowanego roztworu NaOH), kwasowość ogólna występuje przy odczynie wody niższym od pH = 8.3 i oznacza się ją wobec fenoloftaleiny. Przy pH>8.3 kwasowość wody nie występuje. Reakcje zobojętniania za pomocą zasad można przedstawić następująco:

H⁺ + OH^- = H₂O

CO₂ + OH^- = HCO₃^-

Przy występowaniu kwasowości mineralnej woda ma charakter silnie korozyjny w stosunku do betonu, żelaza i innych metali. W związku z tym kwasowość mineralna jest niedopuszczalna w wodach użytkowych, gdyż rozpuszczone metale są szkodliwe dla zdrowia. natomiast kwasowość wywołana obecnością CO₂, ze względu na higienę nie ma większego znaczenia.

Zasadowość wody.

Jest to zdolność wody naturalnej do zobojętniania mocnych kwasów nieorganicznych (tj. przyjmowania protonów) do określonego pH wobec umownych wskaźników. Jest ona spowodowana obecnością wodorowęglanów, węglanów (głównie metali alkalicznych), rzadziej wodorotlenków, boranów, krzemianów i fosforanów. Przy pH<8.3 występują przeważnie wodorowęglany Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, Fe(HCO₃)₂, rzadziej NaHCO₃. W wodach zanieczyszczonych ściekami przemysłowymi (przy pH>8.3) mogą występować obok anionów słabych kwasów jak np. HCO₃^, CO₃^2, H₂PO₄^, HPO₄^2, SiO₃^2 również mocne zasady jak NaOH, KOH i Ca(OH)₂, które dysocjują z wytworzeniem jonów OH^.

Podczas miareczkowania zachodzą następujące reakcje:

W oznaczeniu przeszkadzają: mętność > 30mg/dm³ i barwa > 50 mg Pt/dm³.

Zasadowość może być ogólna (M), oznaczana wobec oranżu metylowego przy pH>4.5 lub zasadowość mineralna (F), oznaczana wobec fenoloftaleiny przy pH>8.3. W wodach naturalnych, w zakresie pH=4.5-8.3 występuje przeważnie aniony wodorowęglanowe HCO₃^, przy pH>8.3 występują ponadto jony CO₃^2 i OH^. Zasadowość pochodząca równocześnie od trzech jonów praktycznie nie występuje, gdyż

HCO₃^ +OH^ → CO₃^2 + H₂O

W wodzie mogą występować tylko dwa jony: [HCO₃^ + CO₃^2] lub [OH^ + CO₃^2].

Zasadowość wody z punktu widzenia sanitarnego ma znaczenie raczej drugorzędne. Duże znaczenie ma natomiast w ocenie wody do celów gospodarczych i technicznych. Woda o zasadowości ogólnej, odpowiadającej twardości węglanowej w zasadzie nie nadaje się do zasilania kotłów parowych z powodu powstawania kamienia kotłowego. Również niepożądana jest w wodzie zasadowość alkaliczna, ponieważ wywołuje silne pienienie się wody w kotle i w ten sposób zanieczyszcza parę. W niektórych gałęziach przemysłu wywołuje ona szkody w produkcji wyrobów np. w garbarstwie, powodując straty garbników. Zasadowość alkaliczna stanowi różnicę pomiędzy zasadowością a twardością ogólną. Ten rodzaj zasadowości powodowany jest właśnie przez zawarte w wodzie wodorowęglany i węglany potasowe i sodowe.

Wykonanie ćwiczenia:

1. Oznaczanie odczynu wody

Zmierzyć odczyn wody przy użyciu pH-metru.

W zależności od pH wody wykonać podane niżej oznaczenia:

1. Oznaczenie kwasowości ogólnej

Do kolby stożkowej odmierzyć za pomocą kolby miarowej 100 ml badanej wody. Dodać 3-4 krople fenoloftaleiny i miareczkować 0,05 molowym roztworem NaOH do słabo różowego zabarwienia utrzymującego się przez co najmniej 3 minuty.

1. Oznaczenie kwasowości mineralnej

Do kolby stożkowej odmierzyć za pomocą kolby miarowej 100 ml badanej wody. Dodać 3-4 krople oranżu metylowego i miareczkować 0,05 molowym roztworem NaOH do zmiany barwy na żółtopomarańczową.

Kwasowość obliczyć wg wzoru:

X = mmol/ dm³

a – objętość NaOH użyta na zmiareczkowanie próby, ml

c – stężenie molowe roztworu NaOH, mol/dm³

V – objętość badanej próbki wody, ml

1. Oznaczenie zasadowości wobec fenoloftaleiny

Do kolby stożkowej odmierzyć za pomocą kolby miarowej 100 ml badanej wody i dodać 3-4 krople fenoloftaleiny. Zabarwioną na różowo wodę należy zmiareczkować 0,1 molowym roztworem HCl do zaniku barwy.

1. Oznaczenie zasadowości wobec oranżu metylowego

Do kolby stożkowej odmierzyć za pomocą kolby miarowej 100 ml badanej wody i dodać 3-4 krople oranżu metylowego. Następnie miareczkować 0,1 molowym roztworem HCl do zmiany barwy na żółtoróżową.

Zasadowość obliczyć wg wzoru:

X = mmol/ dm³

b – objętość HCl użyta na zmiareczkowanie próby, ml

c – stężenie molowe roztworu HCl, mol/dm³

V – objętość badanej próbki wody, ml

Zależność między rodzajem zasadowości a stężeniami jonów OH^-, CO₃^2-, HCO₃^- wygląda następująco:

Wolne jony wodorotlenowe OH^ nie mogą istnieć, gdyż zachodzi reakcja:

HCO₃^ + OH^ → CO₃^2 + H₂O

Z_F = ½ [CO₃^2]

Z_M – Z_F = [HCO₃^] + Z_F

[HCO₃^] = Z_M – 2Z_F

Na podstawie wartości zasadowości wobec fenoloftaleiny Z_F i zasadowości ogólnej Z_M można obliczyć zawartość jonów, które powodują zasadowość wody.