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 tlenu rozpuszczonego w wodzie metodą Winklera.

Metoda Winklera jest najstarszą, znaną od 100 lat i dotychczas stosowaną metodą oznaczania rozpuszczonego tlenu w wodzie. Tlen rozpuszczony w wodzie utlenia w środowisku alkalicznym wodorotlenek manganu (II) do związków manganu (IV). Następnie w kwaśnym środowisku jony Mn⁴⁺ wydzielają z jodku potasu wolny jod w ilości równoważnej zawartości tlenu w wodzie. Jod oznacza się miareczkowo tiosiarczanem sodu (siarczanem (II) sodu) wobec skrobi. Z ilości zużytego tiosiarczanu (siarczanem (II) sodu) oblicza się zawartość tlenu.

Opis przeprowadzonego doświadczenia:

Butelkę z doszlifowanym korkiem należało napełnić całkowicie wodą, w ten sposób by uniknąć kontaktu z otaczającym powietrzem atmosferycznym. Po napełnieniu nadmiar cieczy należało wycisnąć i zamknąć tak by nie powstał pod nim pęcherzyk powietrza.
Do próbki wody należało dodać 1 mL roztworu siarczanu manganowego (MnSO₄) oraz 2 mL alkalicznego roztworu jodku potasowego. Całość należało zamknąć bez pozostawienia pęcherzyka powietrza pod korkiem, zawartość wymieszać.

Wytrącił się biały osad, który od razu utlenił się w rozpuszczonym tlenie, co powoduje zabarwienie jasno brązowe. Następnie należało intensywnie wszystko wymieszać, by cały tlen przereagował z wodorotlenkiem manganu i odstawić kolbkę na kilka minut by cały osad opadł na dno.

Kolejnym krokiem było dodanie 1 cm³ stężonego kwasu siarkowego. Osad zaczyna się rozpuszczać i z dodanego wcześniej jodku potasu wydziela się wolny jod w ilości proporcjonalnej do zawartego w wodzie tlenu. Kolbkę zamknięto i wymieszano by cały osad się rozpuścił oraz wstawiono próbkę w ciemne miejsce w cały jod się wydzielił.
Po rozpuszczeniu osadu, roztwór zabarwił się na kolor żółty.

Sprawdzanie wydzielonego tlenu:

Pobieramy 25 cm³ badanego roztworu i przenosimy do odpowiedniej kolby stożkowej. Dodano do niej roztworu skrobi, co spowodowało zabarwienie roztworu na kolor niebieski.
Następnie dodawano do kolby z roztworem, tiosiarczan sodu do momentu, gdy roztwór się odbarwił, co świadczyło o całkowitym przereagowaniu wolnego jodu.

Ilość zużytego do reakcji tiosiarczanu jest proporcjonalna do ilości jodu a tym samym do ilości tlenu, który był rozpuszczony.

Dolano 2 ml tiosiarczanu sodu

Do obliczenia ilości rozpuszczonego w wodzie tlenu (X) w mg(O₂) x dm^-3 zastosujemy poniższy wzór matematyczny:

X = $\frac{{0,2*1000*V}_{1}}{V}$ = [ mg O₂ * dm^-3 ]

Gdzie:

V₁ - objętość roztworu mianowanego tiosiarczanu sodu o stężeniu równym 0,025 mol x dm^-3

0,2 - ilość tlenu odpowiadająca 1 cm³ roztworu tiosiarczanu sodu o stężeniu dokładnie równym 0,025 mol x dm^-3, wyrażona w mg

V - objętość próbki wody użytej do miareczkowania, w cm³

Obliczenia:

Do miareczkowania pobranej wody zużyto około 3 ml mianowanego roztworu tiosiarczanu.

1 cm³ = 1 ml
2 ml = 2 cm³

V₁ - 2 cm³
V - 25 cm³

X = $\frac{0,2*2*1000}{25}\ $[ $\frac{\text{mg}\ *cm^{3}}{cm^{3}}$ ]

X = 16 mg

Z równania wynika, że badana woda zawiera 16 mg rozpuszczonego tlenu w 1 dm³

Oznaczanie tlenu rozpuszczonego w wodzie przebiega w dwóch etapach:

W etapie pierwszym obejmującym proces utleniania, mangan wprowadzony do próbki badanej w formie siarczanu manganowego równolegle z alkaicznym roztworem jodku potasowego ( KI + KOH), wytrąca się w postaci białego osadu,
wodorotlenku manganowego:

2 MnSO₄ + 2KOH -> Mn(OH)₂ + K₂SO₄

Zawarty w badanej próbce tlen rozpuszczony utlenia mangan (Mn²⁺ do Mn⁴⁺) zgodnie z reakcją:

2 Mn(OH)₂ + O₂ -> 2 MnO(OH)₂

po czym osad zmienia barwę na jasnobrązową.

W etapie drugim, po zakwaszeniu roztworu kwasem siarkowym, dochodzi do rozpuszczenia osadu, redukcji manganu (Mn⁴⁺ do Mn²⁺) oraz wydzieleniu się wolnego jodu w ilości równoważnej zawartości tlenu rozpuszczonego.

MnO(OH)₂ + 4 H⁺ = Mn⁴⁺ + 3H₂O Mn⁴⁺ + 2 I^- = Mn²⁺ + I₂

Wydzielony wolny jod oznacza się metodą miareczkową za pomocą mianowanego roztworu tiosiarczanu sodowego wobec skrobi jako wskaźnika:

J₂ + 2 Na₂S₂O₃ -> 2NaJ + Na₂S₄O₆

Z ilości zużytego tiosiarczanu sodowego oblicza się zawartość tlenu rozpuszczonego w badanej próbce. Pojawienie się białego osadu w pierwszej fazie oznaczania świadczy o braku tlenu w próbce.

Tlen rozpuszczony w wodzie pochodzi głównie z powietrza i występuje prawie zawsze w wodach stykających się bezpośrednio z atmosferą, więc w wodach powierzchniowych i płytkich wodach podziemnych

Tlen rozpuszczony - niezbędny do życia wodnych organizmów żywych. Ma podstawowe znaczenie dla wszelkich procesów chemicznych i biochemicznych zachodzących w wodach naturalnych.

Zawartość tlenu w wodzie ulega zmianom. W wodach powierzchniowych stężenie tlenu jest zwykle niższe latem niż zimą. W wyższej temperaturze zmniejsza się rozpuszczalność tlenu i zwiększa szybkość procesów biochemicznych zużywających tlen. Zużywany w procesach biochemicznych tlen jest uzupełniany tlenem z atmosfery i tlenem z procesu fotosyntezy.
Zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie jest jednym z najważniejszych wskaźników jakości wody. W przypadku obecnego w wodzie agresywnego dwutlenku węgla duża zawartość tlenu przyspiesza proces korozji. Dlatego wody zawierające rozpuszczony tlen i agresywny dwutlenek węgla, przeznaczone do zasilana kotłów parowych, poddaje się odgazowaniu. To zjawisko można przedstawić według dwóch równań:

2H + Fe Fe + 2H
2H + 1 O₂ H₂O

Jony wodorowe pochodzące z dysocjacji kwasu węglowego atakują powierzchnię metalu. W wyniku tej reakcji do roztworu przechodzą jony żelazowe (II), a tworzący się wodór atomowy wydziela się w postaci warstewki monomolekularnej na powierzchni metalu, izolując powierzchnię metalu od dalszej korozji.
Jednakże obecny w wodzie tlen utlenia wydzielający się wodór atomowy do H₂O (depolaryzacja), co powoduje obnażanie powierzchni metalu zgodnie z powyższą reakcją. Z tych względów specjalnie odgazowuje się wody zasilające kotły parowe.

Zawartość rozpuszczonego w wodzie tlenu podaje się w mg * dm³ lub w procentach nasycenia wody tlenem. W określonych warunkach temp pod ciśnieniem atmosferycznym może rozpuścić się w wodzie określona ilość miligramów tlenu w litrze wody. Ilość ta daje nasycenie pełne, czyli 100%.

Zawartość tlenu w procentach nasycenia (x) oblicza się według wzoru:

x = $\frac{a}{b}$ * 100%

a- oznaczona zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie w mg*dm³
b- ilość tlenu (w mg) potrzebna do nasycenia 1 dm³ wody destylowanej o temperaturze badanej wody, stykającej się z powietrzem przy ciśnieniu 1013 hPa (wartość odczytana z tabeli)

Przyjmując temperaturę 20 ^oC przy ciśnieniu 1013 hPa rozpuszczalność tlenu wynosi 9,08 mg * dm³

Dla przykładowych danych a= 5 mg, b= 9,08 mg * dm³

x = 55.06 %

Procent nasycenia wody tlenem jest ważnym wskaźnikiem zanieczyszczenia wód.
W wodach powierzchniowych czystych procent nasycenia wody tlenem wynosi 100%, w wodach o wyraźnym zanieczyszczeniu spada do 40% nasycenia.
Duży brak tlenu jest szkodliwy dla środowiska wodnego. Spadek zawartości tlenu poniżej 30% nasycenia powoduje zaburzenie rozwoju wielu organizmów (głównie ryb), a poniżej 20% życie biologiczne zanika. Przy całkowitym braku tlenu w wyniku zachodzących procesów gnilnych, wody mają nieprzyjemny zapach.

W wodach powierzchniowych dopuszczalne minimalne stężenie tlenu rozpuszczonego wynosi:

w klasie I - 6 (mg (O₂) * dm³)
w klasie II - 5
w klasie III - 4

W wodzie przeznaczonej do picia zaleca się by zawartość tlenu rozpuszczonego była bliska 100% nasycenia (ok. 12 mg (O₂) * dm³).

Metody oznaczania tlenu rozpuszczonego w wodzie:

1. Metoda Winklera - do oznaczana zawartości tlenu, gdy jego stężenie wynosi 0,5 mg * dm³ i powyżej.
2. Metoda Winklera w modyfikacjach azydkowej, manganianowej, podchlorynowej i różnicowej.
3. Metoda Winklera z zastosowaniem miareczkowania biamperometrycznego.
4. Metoda elektrochemiczna z membranowym czujnikiem tlenowym.
5. Metoda Leithego.