Chemia ogolna pracownia/Analiza wody

Wstęp

Twardość wody

Analiza wody obejmuje źródła naturalne (rzeki, jeziora, studnie), wodę z sieci wodociągowej oraz wodę przeznaczona do różnych potrzeb przemysłowych. W zależności od przeznaczenia woda musi spełniać określone wymagania. Woda używana do celów spożywczych, a także w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym musi spełniać określone wymagania sanitarno-epidemiologiczne oraz posiadać odpowiednie walory smakowe. Powinna być bezbarwna, klarowna, bezwonna, bez nadmiaru związków żelaza, magnezu, wapnia i manganu, wolna od związków organicznych oraz bakterii chorobotwórczych. Woda do picia powinna zawierać minimalne ilości mikroelementów niezbędnych dla organizmu ludzkiego, takich jak jod czy fluor. W wodach przemysłowych istotne znaczenie ma twardość wody, zawartość glinu, siarczanów, krzemionki i innych substancji mineralnych powodujących tworzenie się kamienia kotłowego lub korozję.

Pełna analiza wody obejmuje badania jakościowe (barwa, zapach, smak, przezroczystość) oraz ilościowe (pH, twardość węglanowa i ogólna, utlenialność, zawartość kationów i anionów). Twardość wody podaje się w stopniach twardości a wyniki oznaczeń kationów i anionów w milimolach/dm³ lub mg/dm³.

Twardość wody jest wynikiem rozpuszczonych w niej soli wapnia, magnezu oraz innych metali. Składają się one na tzw. twardość całkowitą (lub ogólną). Wapń i magnez występujące w wodzie w postaci wodorowęglanów tworzą tzw. twardość węglanową, która stanowi część twardości całkowitej. Twardość niewęglanową tworzą chlorki, siarczany oraz azotany wapnia i magnezu.

Twardość węglanowa nazywana jest twardością przemijającą, ponieważ w czasie gotowania wody następuje rozkład wodorowęglanów i strącanie osadów trudno rozpuszczalnych węglanów:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O
Mg(HCO3)2 → MgCO3↓ + CO2↑ + H2O

Najprostszy sposób usuwania twardości wody polega na jej gotowaniu. Chemiczne „zmiękczanie” polega na strącaniu wapnia w postaci węglanu lub fosforanu, a magnezu w postaci wodorotlenku lub fosforanu. Najskuteczniejszą metodą usuwania twardości wody jest jej dejonizacja na wymieniaczach jonowych (kationicie i anionicie). Metoda ta jest szeroko stosowana na skalę przemysłową. W warunkach laboratoryjnych twardość wody można także usunąć przeprowadzając wapń i magnez w rozpuszczalne, trwałe kompleksy (np. z EDTA).

Skala stopni twardości wód.

Stopień twardości wody określa się na podstawie zawartości CaO lub MgO. Jednemu stopniowi twardości wody odpowiada 0,1783 milimola tlenku wapnia lub magnezu. Twardość wód naturalnych na ogół nie przekracza 20 stopni. Twardość węglanowa jest zazwyczaj większa niż twardość niewęglanowa.

Oznaczanie twardości wody

Twardość węglanową oznacza się najczęściej metodą miareczkowania alkacymetrycznego wobec oranżu metylowego jako wskaźnika zmiany pH. Miareczkowanie próbki wody za pomocą HCl wobec oranżu do momentu zmiany jego zabarwienia (z pomarańczowej na żółtą) odpowiada zawartości jonów wodorowęglanowych:

Me(HCO3)2 + HCl → MeCl2 + 2CO2↑ + H2O

(Me oznacza jon wapnia lub magnezu). Oznaczenie zawartości wodorowęglanów w wodzie pozwala na określenie stopnia twardości węglanowej.

Twardość całkowitą wody oznacza się przy pomocy miareczkowania kompleksometrycznego roztworem EDTA wobec czerni eriochromowej T jako wskaźnika. W celu uzyskania wyraźnego punktu końcowego przed miareczkowaniem należy usunąć z roztworu węglany przez zagotowanie próbki.

Oznaczanie utlenialności

Utlenialnością wody nazywa się zdolność do redukowania jonów MnO₄¯ przez obecne w wodzie substancje organiczne. Niektóre jony nieorganiczne (Fe²⁺ czy NO₂¯) są także utleniane przez nadmanganian. Wyniki oznaczenia zależą od sposobu przeprowadzenia reakcji. Badaną próbkę wody ogrzewa się ze znaną ilością mianowanego roztworu KMnO₄ w środowisku kwaśnym. Część jonów MnO₄¯ zostaje zredukowana przez obecne w roztworze związki ulegające utlenieniu. Pozostały nadmiar nadmanganianu odmiareczkowuje się za pomocą szczawianu sodowego. Metoda oznaczania utlenialności pozwala określić sumaryczną zawartość związków organicznych, natomiast ich identyfikacja wymaga dodatkowych analiz.

Oznaczanie jonów metali

Zawartość jonów metali w wodzie jest na ogół bardzo mała, nie przekraczająca kilku miligramów w dm³. Z tego względu najczęściej wykorzystuje się ich do oznaczania metody spektrofotometryczne oparte na pomiarze natężenia promieniowania po jego przejściu przez próbkę roztworu zawierającego badany związek. W analizie nieorganicznej znajduje zastosowanie spektrofotometria UV/VIS, w zakresie bliskiego nadfioletu i promieniowania widzialnego (200-700 nm). Wielkością mierzoną w metodzie spektrofotometrycznej jest absorbancja (A) proporcjonalna do liczby cząsteczek absorbujących promieniowanie, wyrażona za pomocą iloczynu grubości warstwy roztworu (l) oraz jego stężenia (c). Zależność pomiędzy promieniowaniem padającym na próbkę, promieniowaniem przechodzącym przez próbkę oraz stężeniem roztworu i grubością warstwy, określa prawo Lamberta-Beera:

[math]A=\log\frac{I_0}I= \varepsilon \cdot c \cdot l[/math]

gdzie [math]I_0[/math] jest natężeniem promieniowania padającego na próbkę, I — natężeniem promieniowania po przejściu przez próbkę, c — stężeniem molowym badanego związku, l — grubością warstwy roztworu, ε — molowym współczynnikiem absorpcji.

Prawo Lamberta-Beera jest podstawą ilościowych oznaczeń wykonywanych metodą spektroskopii absorpcyjnej w nadfiolecie i zakresie widzialnym. Grubość warstwy jest w pomiarach stała (wynosi zazwyczaj 10 mm) a molowy współczynnik absorpcji jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji (dla wielu substancji wartość ε można znaleźć w odpowiednich tablicach). Jeśli układ spełnia prawo Lamberta-Beera, to wykres zależności [math] A = f (c)[/math] jest linią prostą. W praktyce analitycznej wystarczy, aby roztwór spełniał tę zależność dla stężeń odpowiadających wartościom absorbancji nie większym niż 1. Odchylenia od prawa Lamberta-Beera są wynikiem reakcji chemicznych zachodzących w badanych roztworach o różnych stężeniach (np. dysocjacja kompleksów w miarę rozcieńczania roztworów) lub też efektem nieodpowiednio ustawionych parametrów pomiarowych (niedostateczna monochromatyzacja promieniowania, nieodpowiednia szerokość wiązki spektralnej).

Najczęściej stosowaną techniką wykonywania oznaczeń spektrofotometrycznych jest metoda krzywej wzorcowej. Polega ona na ustaleniu zależności między stężeniem oznaczanej substancji i wartością absorbancji wyznaczoną spektrofotometrycznie. Z krzywej wzorcowej odczytuje się wartość stężenia badanej substancji.

Najwyższe dopuszczalne stężenia (NDS) głównych nieorganicznych zanieczyszczeń w wodzie pitnej

Część doświadczalna

Cel ćwiczenia

• Ilościowe oznaczanie twardości węglanowej wody przy pomocy miareczkowania alkacymetrycznego.
• Oznaczanie jonów żelaza w postaci kompleksu rodankowego metodą spektrofotometryczną.

Zagadnienia do przygotowania

• Rodzaje twardości wody.
• Metody oznaczania i usuwania twardości wody.
• Stopień twardości wody.
• Miareczkowanie alkacymetryczne.
• Prawo Lamberta-Beera.
• Spektrofotometryczne oznaczanie kompleksów metali.
• Metoda krzywej wzorcowej.

Odczynniki

• Woda zawierająca jony Fe3+ oraz wodorowęglany Ca²⁺ i Mg²⁺ (np. woda z kranu).
• 0.2 M roztwór HCl i H₂SO₄ , oranż metylowy, 0,1 M roztwór żelaza(III) , roztwór KSCN.

Wykonanie ćwiczenia

• Oznaczyć twardość węglanową próbki wody metodą miareczkowania alkacymetrycznego. W tym celu odmierzyć 100 ml wody do kolby stożkowej o pojemności 250 ml, dodać 2-3 krople 0,1% oranżu metylowego i miareczkować 0,2 M roztworem HCl do momentu zmiany barwy wskaźnika z żółtej na pomarańczową. Zawartość wodorowęglanów w roztworze (w gramach) obliczyć ze wzoru:
  [math]x = M_w \cdot v \cdot c_\mathrm{HCl}[/math]
  gdzie v oznacza objętość roztworu HCl zużytą na miareczkowanie, [math]c_\mathrm{HCl}[/math] — stężenie roztworu HCl, [math]M_w[/math] — masę molową wodorowęglanu (61 g/mol).
• Napisać w formie jonowej reakcję zachodzącą podczas miareczkowania wodorowęglanów.
• Wykonać oznaczenie żelaza(III) metodą spektrofotometryczną, wykorzystując krzywą wzorcową. W tym celu należy przygotować 5 roztworów wzorcowych żelaza(III) (objętość każdej próbki 10 ml) o różnych stężeniach, w zakresie [math]\unit{1 \cdot 10^{-3} \ - \ 1 \cdot 10^{-5}}{ \frac{mol}{dm^3}}[/math], poprzez rozcieńczenie roztworu podstawowego o stężeniu 0.1 mol/dm³. Rozcieńczenia wykonać przy pomocy 0,01 molowego roztworu H₂SO₄. Do każdego roztworu wzorcowego dodać 1 ml roztworu KSCN i wykonać pomiar absorbancji utworzonego kompleksu rodanowego przy długości fali 480 nm.
• Na podstawie pomiarów spektrofotometrycznych wykonać krzywą wzorcową do oznaczania żelaza(III) w postaci kompleksu rodanowego.
• Przygotować próbkę 10 ml wody zawierającą jony żelaza w 0.01 molowym H₂SO4, dodać 1 ml KSCN i wykonać pomiar spektrofotometryczny (odczytać absorbancję w 480 nm).
• Na podstawie krzywej wzorcowej oraz wartości absorbancji badanego roztworu określić ilość zawartego w nim żelaza.

Literatura

J. Minczewski, Z. Marczenko, „Chemia analityczna”, Wydawnictwo Naukowe PWN