1. Wstęp teoretyczny

Utlenialność (indeks nadmanganowy, ChZT_Mn) - to wielkość wyrażająca ilość tlenu (w mgO₂/dm³) pobranego z utleniacza (nadmanganianu potasu - KMnO₄) w celu utlenienia substancji organicznych i nieorganicznych zawartych w wodzie. Właściwość ta polega na redukowaniu nadmanganianu potasu w wyniku utlenienia obecnych w wodzie związków organicznych. Również niektóre związki nieorganiczne (np. sole żelaza II, azotyny) ulegają w tych warunkach utlenieniu. Jest to orientacyjny wskaźnik informujący o zanieczyszczeniu wody związkami organicznymi.
Utlenialność wód wynosi od 4 mg tlenu/dm³ dla wód czystych, do kilkuset dla wód zanieczyszczonych. Utlenialność wody do picia nie powinna przekraczać 3 mg O₂/dm³.

Chemiczne zapotrzebowanie tlenu ChZT jest to ilość tlenu równoważna ilości utleniacza zużytego do utlenienia substancji zawartych w jednostce objętości badanej wody.
W zależności od użytego środka utleniającego rozróżnia się zapotrzebowanie tlenu nadmanganianowe ChZT-Mn (utlenialność, indeks nadmanganianowy) oraz dwuchromianowe zapotrzebowanie tlenu ChZT-Cr. W czasie oznaczania ChZT utleniane są głównie substancje organiczne i niektóre nieorganiczne. Wyniki otrzymywane przy zastosowaniu metody nadmanganianowej i dwuchromianowej są przeważnie różne dla tej samej próbki wody. Stopień utleniania substancji zawartych w wodzie zależy bowiem od szeregu czynników, do których można zaliczyć: właściwości utleniacza, jego stężenie, temperatura, czas działania, pH roztworu itp.. W związku z tym w celu zapewnienia powtarzalności wyników oraz możliwości ich porównania, oznaczania powinno się wykonywać w ściśle określonych warunkach.

Zawartość żelaza w wodzie
Żelazo występuje w wodzie w postaci jonów Fe⁺² i Fe⁺³. W wodach powierzchniowych występuje najczęściej jako wodorotlenek Fe(OH)₃, a w wodach z terenów bagiennych i leśnych może być obecne w połączeniach ze związkami humusowymi. Jeżeli wody były zanieczyszczone ściekami fosforowymi, żelazo może być również obecne w postaci fosforanów. W warstwach przydennych głębokich zbiorników wodnych w warunkach ograniczonej zawartości tlenu występuje żelazo dwuwartościowe. Żelazo może być obecne wodzie w formie rozpuszczonej, koloidalnej, lub jako zawiesina. Pochodzić może z gruntu, że ścieków, wód kopalnianych oraz z korozji rur i zbiorników. Zwykle w powierzchniowych wodach naturalnych stężenie żelaza nie przekracza kilku mg/dm³ i jest go znacznie mniej niż w wodach podziemnych. Żelazo w przekroczonych stężeniach ma bardzo duże znaczenie techniczne i organoleptyczne.

Duża ilość żelaza w wodzie do picia nadaje je specyficzny zapach, posmak. Żelazo znacznie brudzi armaturę (wanny, umywalki itp.), pranie.
Osadzają się w rurach zmniejsza ich światło, powodując duże straty energii pomp, tłoczących wodę przez tak zażelazione rury. Ponadto w odłożonych osadach w sieci rozwijają się najróżniejsze bakterie, które mogą wtórnie zanieczyszczać wodę. Żelazo ma­gazynowane jest w wątrobie, śledzionie, szpiku i innych tkan­kach. Nadmiar żelaza może być jednak silnie toksyczny, np. dla dorosłego człowieka - dawka trująca to 15 g siar­czanu żelaza (II), a dla dzieci 6 – 10 g. (dopuszczalne stężenie wynosi 0.2 mg Fe/l). Stwierdzono także, że długotrwałe używanie wody zawierającej powyżej 0,6 mg Fe/l wywołuje u ludzi cho­robę Kashin-Becka, która charakteryzuje się zmianami kostno-stawowymi i zaburzeniami wzrostu oraz powoduje uszkodzenia ścian naczyń włosowatych układu krwionośnego. Nad­miar żelaza w wodzie do picia sprzyja także tworzeniu się fosforanów żelaza, które wydalane są z organizmu. Może to pro­wadzić do zubożenia organizmu w fosforany - składnik kości.

Woda zawierająca duże ilości żelaza w czasie go­towania może zmieniać swe cechy fizyczne powstaje wysoka męt­ność i żółto-brązowa barwa, co źle wpływa na apetyczność potraw, powo­duje również, podobnie do manganu, powstawanie plam i zacieków na urządzeniach sanitarnych i nie nadaje się do prania, szczególnie jasnych rzeczy. W wodach uzdatnionych, zawierających zwiększo­ne ilości żelaza, w sieciach wodociągowych, gdzie na ściankach wewnętrznych powstają osady - mogą rozwijać się nitkowate bakterie żelaziste. Intensyfikują one barwę i męt­ność, nadają wodzie przykry smak i zapach, a rury przesyłowe i instalacje tracą sprawność z powodu zatykania się masami żywych i ob­umierających bakterii. Widoczne staje się to po awariach instalacji, kiedy następują duże zmiany prędkości przepływu wody - osady odrywają się i z kranu leci śmierdząca, brązowa woda. Bardzo częstym siedliskiem rozwoju nitkowatych bakterii żelazistych, są pojemnościowe podgrzewacze i zasobniki ciepłej wody użytkowej, w których dochodzi do zalegania osadów, a podwyższona temperatura sprzyja rozwojowi bakterii.

Żelazo występuje w wodach powierzchniowych i głębinowych w sposób naturalny w ilościach zależnych od budowy i składu mineralnego podłoża. Szczególnie duże stężenie żelaza, a także manganu spotyka się w wo­dach głębinowych. Poza tym źródłem żelaza mogą być ścieki przemysłowe, korozja rur i wody kopalniane.W wodzie wodociągowej podwyższone stężenie żelaza występuje też w przypadku nieprawidłowo prowadzo­nego procesu uzdatniania - odżelaziania.

1. Cel ćwiczenia

Celem przeprowadzonego ćwiczenia jest oznaczenie zawartości żelaza w wodzie oraz indeksu nadmanganowego- jednego z podstawowych parametrów wody, oznaczającego stężenie masowe tlenu równoważne ilości jonu nadmanganowego zużywanego podczas reakcji zanieczyszczeń próbki wody z utleniaczem w określonych warunkach.

1. Przebieg ćwiczenia

1. Oznaczenie indeksu nadmanganianowego

a ) Nastawianie miana nadmanganianu potasu

Do próbki o objętości 100cm³ dodajemy 10cm³ kwasu siarkowego (VI) i 10cm³ roztworu KMnO₄. Próbkę dokładnie wymieszano, a następnie podgrzano, aż do momentu wrzenia. Następnie, natychmiast po podgrzaniu dodano 10cm³ szczawianu sodu i wymieszano. Po odbarwieniu się roztworu miareczkowano na gorąco roztworem nadmanganianu potasu, aż do zmiany zabarwienia z przezroczystego na jasnoróżowe. Następnie ponownie dodano 10cm³ roztworu szczawianu sodu, wymieszano i miareczkowano na gorąco roztworem nadmanganianu potasu do uzyskania jasnoróżowego zabarwienia utrzymującego się przez około 1-2 minuty.
Badanie przeprowadzono dla dwóch próbek wody destylowanej.

b ) Miareczkowanie próbki wody ze studni

Do próbki o objętości 100cm³ dodajemy 10cm³ kwasu siarkowego (VI) i 10cm³ roztworu KMnO₄. Próbkę dokładnie wymieszano, a następnie podgrzano, aż do momentu wrzenia. Następnie, natychmiast po podgrzaniu dodano 10cm³ szczawianu sodu i wymieszano. Po odbarwieniu się roztworu miareczkowano na gorąco roztworem nadmanganianu potasu, aż do zmiany zabarwienia z przezroczystego na jasnoróżowe.
Badanie przeprowadzono dla dwóch próbek wody ze studni.

1. Oznaczanie zawartości żelaza metodą spektrofotometryczną

a ) Sporządzanie krzywej wzorcowej

Przygotowano cztery próbki roztworów Fe(III) o objętości 25cm³ o stężeniach kolejno: 0,0 0,1 0,5 0,7 mg Fe/dm³. Do każdej z próbek dodano 2,5cm³ KCl, a następnie 0,125cm³ wody utlenionej. Po odczekaniu 5 minut dodano 1,25cm³ roztworu rodanku potasu, uzupełniono wodą destylowaną do kreski i dobrze wymieszano.
Następnie zmierzono absorbancję roztworów przy długości fali 480nm.

1. Wzory i obliczenia

1. Oznaczenie indeksu nadmanganianowego

$$X_{1} = \ \frac{10 \bullet (10 + V_{1} - V)}{V}\ mg/\text{dm}^{3\ }O_{2}$$

V₁ – objętość roztworu KMnO₄ zużytego do miareczkowania badanej próbki, [cm³]
V - objętość roztworu KMnO₄ zużytego do miareczkowania 10cm³ roztworu szczawianu sodu, [cm³]

W procesach miareczkowania próbek z wodą destylowaną zużyto kolejno: 10,9 i 10,8 cm³ roztworu nadmanganianu potasu.
V_sr= 10,85 cm³

W procesach miareczkowania próbek z wodą ze studni zużyto kolejno: 2,95 i 3,05 cm³ roztworu nadmanganianu potasu.
V_1sr= 3 cm³

X₁ =  1, 98 mg/dm³ O₂

1. Oznaczanie zawartości żelaza metodą spektrofotometryczną

Zestawienie wyników pomiarów

Stężenia próbek roztworu mgFe/dm^3	Absorbancja
0,0	0,0
0,1	0,008
0,3	0,023
0,7	0,054
Próbka właściwa	0,043

Krzywa wzorcowa

Stężenie żelaza w próbce właściwej wody:

$C = \frac{A - b}{a} = \frac{0,043 - 0,000087}{0,076956} = 0,56\ \lbrack\text{mg}/\text{dm}$³]

Stężenie żelaza po uwzględnieniu rozcieńczenia próbki:

C = 1, 46 [mg/dm³]