Лабораторная работа № 2 «определение карбонатной жесткости воды»
Цель и содержание работы:
Ознакомиться с основами количественного анализа. Научиться определять карбонатную жесткость воды методом объемного анализа.
Теоретическое обоснование
Важнейшими показателями качества воды, определяющими пригодность ее использования для различных целей (питья, в строительном деле, охлаждения двигателей, использования на тепловых электростанциях) в сельском хозяйстве являются: содержание взвешенных веществ; сухой остаток; общая жесткость; карбонатная жесткость (общая щелочность); окисляемость; рН; содержание коррозионноагрессивных газов (СО2, H2S, SO2, O2 и др.); содержание ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, CO32-, SiO32-, Fe2+, Fe3+, Al3+.
Сухой остаток – масса солей, оставшихся после выпаривания воды. Окисляемость характеризует общее количество органических веществ в воде.
Одним из наиболее важных показателей качества воды является общая жесткость воды.
Общая жесткость воды равна сумме концентраций в ней катионов Ca2+ (кальциевая жесткость) и Mg2+ (магниевая жесткость) и выражается в миллиэквивалентах на литр (мэкв/л) (или, что одно и то же, в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л).
Жо = ЖCa + ЖMg, мэкв/л (2.1)
Для пересчета выраженных в мг/л концентраций кальция С(Ca2+) и магния С(Mg2+) в мэкв/л их нужно разделить на эквивалентные массы этих катионов, т. е.
,
мэкв/л,
,
мэкв/л,
где 20,04 и 12,16 – эквивалентные массы соответственно Ca2+ и Mg2+.
Общая жесткость воды подразделяется на карбонатную и некарбонатную.
Карбонатная жесткость воды (ЖК) обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2.
,
мэкв/л,
где С(HCO-3) – концентрация гидрокарбонат-ионов в мг/л; 61,02 – эквивалентная масса HCO3-.
Карбонатную жесткость называют также временной (устранимой), так как при кипячении растворимые гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в нерастворимые карбонаты или оксикарбонаты:
,
,
Карбонатную жесткость часто называют щелочностью, так как гидрокарбонаты, вследствие гидролиза, придают щелочную реакцию воде:
Некарбонатная жесткость (ЖНК) обусловлена наличием в воде хлоридов, сульфатов и других некарбонатных солей кальция и магния: CaCl2, MgCl2, CaSO4, MgSO4, CaSiO3, MgSiO3 и др.
Некарбонатную жесткость называют также постоянной жесткостью. Кипячением она не устраняется. Обычно используют химические способы устранения постоянной жесткости воды.
Таким образом, общая жесткость воды равна сумме кальциевой и магниевой жесткостей, с одной стороны, и сумме карбонатной и некарбонатной жесткостей, с другой стороны.
Воды
с общей жесткостью до 3 мг-экв/л называют
мягкими. Солесодержание Балтийского,
Каспийского, Черного морей равно 7,5-16
г/л. Общая жесткость воды морей и океанов
колеблется в пределах от 215 до 225 мэкв/л,
в том числе карбонатная
15
мэкв/л (табл. 2.1).
Таблица 2.1 – Классификация природных вод по величине общей жесткости
Жесткость |
Содержание, мэкв/л |
Малая |
<1,5 |
Средняя |
1,5-3,0 |
Повышенная |
3,0-6,0 |
Высокая |
6,0-12,0 |
Очень высокая |
> 12 |
Карбонатную жесткость воды определяют методом объемного анализа. Суть его состоит в точном определении объема раствора реактива с точно известной концентрацией, израсходованного на химическую реакцию с известным объемом раствора определяемого компонента. Окончание реакции – точку эквивалентности – устанавливают с помощью индикатора – вещества, изменяющего в этот момент свой цвет, или с помощью приборов.
Процесс постепенного приливания реактива с точно известной концентрацией к точному объему исследуемого раствора называют титрованием.
Согласно закону эквивалентов, вещества взаимодействуют между собой пропорционально их химическим эквивалентам (т. е. 1 эквивалент одного вещества взаимодействует с 1 эквивалентом другого вещества). Поэтому в объемных определениях используют нормальные растворы.
Карбонатную жесткость определяют титрованием определенного объема исследуемой воды 0,1 н. раствором соляной кислоты в присутствии индикатора метилового оранжевого. При этом происходят реакции:
Ca(HCO3)2 + HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑
Mg(HCO3)2 + HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑
Расчет выполняют по формуле:
V(H2O)·Сн(H2O) = V(HCl)·Сн(HCl) (2.2)
где V(H2O) – объем воды, взятой для анализа; V(HCl) – объем 0,1 н HCl, израсходованной на реакцию с Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2; Сн(H2O) – суммарная концентрация солей Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2, г-экв/л; Сн(HCl) – концентрация HCl, г-экв/л.
Из уравнения (2.2) находим Сн(H2O) (т. е. карбонатную жесткость, выраженную в г-экв/л):
,
г-экв/л. (2.3)
Выразим карбонатную жидкость в мг-экв/л или мэкв/л.
,
мэкв/л. (2.4)
Пример. На титрование 100 мл воды пошло в среднем 12,26 мл 0,1016 н. HCl. Тогда карбонатная жесткость воды будет
Сн(H2O) = 12,25·0,1016/100 = 0,01225 г-экв/л, а т.к. 1 г-экв = 1000 мэкв = 1000 мг-экв, то
ЖК = 0,01225·103 = 12,25 мг-экв/л.
Аппаратура и материалы:
Стеклянная коническая колба для титрования объемом 250 мл – 3 шт., мерный цилиндр на 100 мл, стеклянные пипетки, штатив с бюреткой на 25 мл, химический стакан, метиловый оранжевый, 0,1 н. раствор HCl, водопроводная вода.