1.3. Лабораторная работа №3. Определение общей жесткости питьевой воды

Цель работы: научиться определять жесткость воды методом комплексонометрического титрования.

Основные теоретические положения

Жесткость воды – это свойство природной воды, зависящее от наличия в ней растворенных солей кальция и магния.

Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью. Общая жесткость представляет собой сумму карбонатной (временной или устранимой) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при pH >8,3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды, так как при нагреве воды (точнее, при температуре более 60^о) гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок малорастворимых карбонатов

Ca(HCO₃)₂ CaCO₃ + CO₂ +H₂O

Mg(HCO₃)₂ MgCO₃ + CO₂ + H₂O

2Mg(HCO₃)₂ Mg₂CO₃(OH)₂ + 3CO₂ + H₂O

Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется. Она устраняется добавлением соды, фосфата натрия, ионообменных смол и других химикатов.

В России показатель жесткости выражается в мг-экв./л: 1мг-экв. жесткости соответствует содержанию 20,04 мг ионов кальция и 12,16 мг ионов магния в литре воды.

1 моль/м³ = 1 ммоль/л = 1 мг-экв./л = 1 мг-экв./дм³

Вода с жесткостью менее 4 мг-экв./л считается мягкой, от 4 до 8 мг-экв./л – средней жесткости, от 8 до 12 мг-экв./л – жесткой и более 12 мг-экв./л – очень жесткой.

Общая жесткость колеблется от единиц до десятков, иногда сотен мг-экв./л, причем карбонатная жесткость составляет до 70-80 % от общей жесткости.

Величина жесткости воды зависит от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также сезона года и погодных условий.

Жесткость водоемов не нормируется. Допустимая величина общей жесткости для питьевой воды и источников централизованного водоснабжения составляет не более 7,0 мг-экв./л (в отдельных случаях до 10 мг-экв./л).

Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус, оказывает отрицательное действие на органы пищеварения, провоцирует отложение солей в суставах, вызывает заболевания щитовидной железы и нарушение обменных процессов в организме, приводит к образованию шлаков и накипи на поверхности теплообменных аппаратов, повышенному расходу моющих средств, плохому развариванию пищевых продуктов и т.п.

Пониженное содержание солей жесткости также опасно и вызывает у населения кариес, ослабление костей скелета и нарушение ритма сердца. В зависимости от уровня pH мягкая вода может оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы.

Сущность метода

Общую жесткость определяют методом комплексонометрического титрования, основанном на образовании прочного комплексного соединения катионов кальция и магния с реактивом - трилоном Б (двунатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты – ЭДТА) в щелочной среде (pH 10,0÷10,5) в присутствии индикатора – кислотного хром темно-синего.

Определение протекает по схеме

Ca²⁺ + Na₂H₂R Na₂CaR + 2H⁺

Mg²⁺ + Na₂H₂R Na₂MgR + 2H⁺

где R – радикал этилендиаминтетрауксусной кислоты –

(^-OOCCH₂)₂NCH₂CH₂N(CH₂COO^-)₂.

Посуда, реактивы и материалы

Мерный цилиндр на 100 мл, пипетки на 10, 25 мл, бюретка на 25 мл, колбы конические на 250÷300 мл, капельница, груша

Раствор трилона Б (комплексон III, двунатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) (0,05 н.), раствор буферный аммиачный, pH 10-10,5 (NH₄OH + NH₄Cl), раствор гидроксиламина солянокислого (1 %), раствор кислоты соляной (0,1 н.), раствор сернистого натрия (сульфида натрия) (5 %), натрий хлористый, раствор сернокислого магния (0,05 н.) или раствор хлористого цинка (0,05 н.), раствор индикатора хромоген черного специального ЕТ-00 или раствор индикатора кислотного хром темно-синего, дистиллированная вода

Порядок выполнения работы

1. Определение поправочного коэффициента к нормальности раствора трилона Б.

В коническую колбу вносят 10 мл 0,05 н. раствора хлористого цинка или 10 мл 0,05 н. раствора сернокислого марганца и разбавляют дистиллированной водой до 100 мл. Прибавляют 5 мл буферного раствора, 5÷7 капель индикатора и титруют при сильном взбалтывании раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке. Окраска должна быть синей с фиолетовым оттенком при прибавлении индикатора хрома темно-синего и синей с зеленоватым оттенком при прибавлении индикатора хромогена черного.

2. Определение общей жесткости.

Определению общей жесткости воды мешают: медь, цинк, марганец и высокое содержание углекислых и двууглекислых солей. Влияние мешающих веществ устраняется в ходе анализа.

В коническую колбу вносят 100 мл охлажденной и отфильтрованной испытуемой воды. Затем прибавляют 5 мл буферного раствора, 5÷7 капель индикатора или 0,1 г сухой смеси индикатора хромоген черного с сухим хлористым натрием и сразу же титруют при сильном взбалтывании 0,05 н. раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке (окраска должна быть синей с зеленоватым оттенком). Определяют количество раствора, израсходованное на титрование.

Если на титрование израсходовано больше 10 мл 0,05 н. раствора трилона Б, то это указывает на то, что в отмеренном объеме воды суммарное содержание ионов кальция и магния больше 0,5 мг·экв. В таких случаях следует определение повторить, взяв меньший объем воды и разбавив его до 100 мл дистиллированной водой.

Нечеткое изменение окраски в эквивалентной точке указывает на присутствие меди и цинка. Для устранения их влияния к отмеренной для титрования пробе прибавляют 1÷2 мл раствора сернистого натрия, после чего проводят испытание, как указано выше.

Если после прибавления к отмеренному объему воды буферного раствора и индикатора титруем раствор постепенно обесцвечивается, приобретая серый цвет, что указывает на присутствие марганца, то в этом случае к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов, следует прибавить пять капель 1 %-ного раствора солянокислого гидроксиламина и далее определять жесткость, как указано выше.

Если титрование приобретает крайне затяжной характер с неустойчивой и нечеткой окраской в эквивалентной точке, что наблюдается при высокой щелочности воды, ее влияние устраняется прибавлением к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов, 0,1 н. раствора соляной кислоты в количестве, необходимом для нейтрализации щелочности воды, с последующим кипячением или продуванием раствора воздухом в течение 5 мин. После этого прибавляют буферный раствор, индикатор и далее определяют жесткость, как указано выше.

Обработка результатов

1. Поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б вычисляют по формуле

где 10 – количество 0,05 н. раствора хлористого цинка или сернокислого марганца, взятое для анализа, мл; V_T – количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл.

2. Общую жесткость воды (мг-экв./л) вычисляют по формуле

где V_T1 – количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл; 0,05 – нормальность раствора трилона Б; K – поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б; 1000 – коэффициент пересчета единиц измерения; V_A – объем пробы воды, взятый на анализ, мл.

Оформление результатов

Полученные результаты заносят в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

Экспериментальные данные

№ пробы	VT, мл	VT1, мл	VA, мл

Выводы по данной работе должны содержать:

1) оценку жесткости пробы питьевой воды в отношении влияния на здоровье человека;

2) о пригодности пробы воды для питья;

3) тип жесткости данной пробы воды.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое жесткость, общая, временная и постоянная жесткость?

2. В каких единицах измеряется жесткость?

3. Какова оптимальная жесткость воды для питья?

4. Последствия применения особо жесткой воды:

а) в тепловом хозяйстве;

б) в связи с применением в быту;

в) при употреблении в пищу?

5. Каким образом можно устранить некарбонатную жесткость?

6. Сущность метода комплексонометрического титрования?