18 Лабораторная работа № 18. Определение жесткости воды

Цель: Познакомиться со свойствами растворимых и нерастворимых соединений кальция и магния, обуславливающих жесткость воды. Научиться определять жесткость воды методом титрования.

Теоретическая часть

Человечество широко использует для своих целей воду. Общие запасы воды на Земле огромны, они составляют примерно 1/800 часть объема нашей планеты. Однако основная часть воды приходится на Мировой океан. Так как человечество в основном использует пресную воду, то доля используемой воды относительно невелика.

В природе идет непрерывный круговорот воды. Природная вода находится во взаимодействии с окружающей средой. Она реагирует с атмосферой, почвой, растительностью, минералами и различными породами. При этом вода растворяет органические и неорганические соединения. Все примеси природных вод можно подразделить на три группы в зависимости от размера частиц: истинно растворенные, коллоидные и взвешенные. По химическому составу примеси подразделяются на органические и неорганические. Органические примеси имеют очень сложный состав и находятся в коллоидном или истинно растворенном состоянии. Неорганические примеси находятся в виде ионов: К⁺, Са²⁺, Сl^ــ, НСО₃⁻ и др. В воде растворены кислород, азот, СО₂ и другие газы.

Состав природных вод принято характеризовать некоторыми технологическими показателями, в том числе жёсткостью, щелочностью и солесодержанием.

Жесткость воды отражает содержание в ней ионов кальция и магия:

Ж = [Са²⁺] + [Мg²⁺]

Природная вода, содержащая в 1 литре большое количество растворимых солей кальция и магния, называется жесткой. Суммарное содержание этих солей в воде называется её общей жесткостью. Она выражается суммой миллиграмм-эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л. воды. 1 мг/экв. жесткости равен 20,04 мг/л Са²⁺ или 12,16 мг/л Мg²⁺. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость воды. Карбонатной называют жесткость, обусловленную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Са(НСО₃)₂ и магния Мg(НСО₃)₂. Некарбонатная жёсткость обусловлена наличием солей сильных кислот – сульфатов или хлоридов кальция и магния. Некарбонатная жесткость представляет собой разность между общей и карбонатной жесткостью. Карбонатная жесткость, удаляющаяся при длительном кипячении воды, называется временной жесткостью. Некарбонатная жесткость называется постоянной жесткостью.

Определение жёсткости имеет очень большое практическое значение. При питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются накипью. Осадок СаСО₃ и МgСО₃ легко отделяется от стенок котла. Хуже отделяется слой гипсовой накипи СaSО₄. Теплопроводность накипи очень мала, поэтому расход топлива увеличивается. Для смягчения воды, питающей паровые котлы, необходимо знать карбонатную и некарбонатную жесткость. Жесткая вода усиливает коррозию металлов и бетона. От количества растворенных в воде солей кальция и магния сильно зависят вкусовые качества питьевой воды. Поэтому необходимо знать способы умягчения воды и химию этих процессов.

Для малорастворимых солей при постоянной температуре соблюдается постоянство произведений активностей ионов, называемое произведением растворимости ПР. Например при 20^оС для равновесий:

СаСО₃ ↔ Са²⁺ + СО₃^2ˉ;

Мg(ОН)₂ ↔ Мg²⁺ + ОН^ˉ

ПР _СаСО = а(Са²⁺) ^∙ а(СО₃^2ˉ) = 10⁻⁸,

ПР_Mg(ОН) = а(Мg²⁺) ^∙ а² (ОН⁻ )= 1,2 ^∙ 10⁻¹¹

Концентрацию иона, входящего в малорастворимое соединение, можно уменьшить увеличением концентрации иона противоположного знака, входящего в то же соединение. Например, концентрацию ионов Са²⁺ и Мg²⁺ можно понизить увеличением концентрации ионов СО₃^2ˉ и ОН^ˉ соответственно. Этот принцип можно использовать для осаждения примесей из растворов. Метод осаждения малорастворимых соединений применяется для очистки воды, например, для ёе умягчения (снижения жесткости). Для уменьшения карбонатной жесткости применяется метод известкования, при котором в обрабатываемую воду вводят известь Са(ОН)₂.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Определение карбонатной жесткости воды (временной).

Для определения карбонатной жесткости воды определенный объем воды титруют рабочим раствором азотной кислоты в присутствии индикатора метилового оранжевого. При этом протекают реакции:

Са(НСО₃)₂ +2 HNO₃ = Са(NO₃)₂ + 2СО₂ +2Н₂О

Мg(НСО₃)₂. +2 HNO₃l = Мg(NO₃)₂ + 2СО₂ +2Н₂О

Способ основан на предположении, что вода не содержит кислых углекислых солей других металлов, например NаНСО₃.

Для определения отмерьте мерным цилиндром в 2 конические колбы по 50 мл водопроводной воды и добавьте к ней 2-3 капли метилоранжа. Одна из колб будет контрольной для сравнения окраски индикатора. Во вторую колбу приливайте из бюретки, при постоянном перемешивании, по каплям 0,1н раствор НСl до перехода окраски индикатора из желтого цвета в оранжевый. Цвет окраски индикатора сравните с окраской раствора в контрольной колбе. Титрование повторите три раза и для расчета жесткости возьмите средний результат.

Расчет карбонатной жесткости проводится по формуле:

Ж_В = ммоль/л, где

Ж_В – временная жесткость воды в ммоль/л,

С_К-ТЫ – молярная концентрация эквивалентов концентрация HNO₃ в ммоль/л,

V_К-ТЫ – объем кислоты, затраченный на титрование 50 мл воды,

V_ВОДЫ – объем воды в мл.

Опыт 2. Определение общей жесткости воды.

Общую жесткость воды удобно определять комплексонометрическим методом. Сущность его заключается в способности двузамещенной соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (комплексон – Б, трилон - Б) образовывать с солями кальция и магния малодиссоциированные комплексные соединения. Из комплексона – Б (трилона - Б) готовят титрованный раствор с помощью индикатора эриохрома черного. В эквивалентной точке при титровании он изменяет винно-красную окраску на синюю. Титрование проводится при рН = 9, добавляя аммиачный буферный раствор.

Отмерьте мерным цилиндром в коническую колбу 50 мл водопроводной воды, добавьте 5 мл буферного раствора, 1 шпатель индикатора эриохрома черного, при этом раствор окрасится в винно-красный цвет. Приготовленный раствор титруйте из бюретки 0,05н раствором трилона - Б до изменения окраски в синий цвет.

Ж_О =

где N_компл. — молярная концентрация эквивалентов трилона – Б в ммоль/л

V_компл. — объем трилона – Б, в мл

V_воды — объём воды, в мл.

Зная общую и временную жесткость, вычислите постоянную жесткость данной пробы воды.

Контрольные вопросы

1)Чем обуславливается жесткость воды?

2) Назовите виды жесткости воды.

3) Какие Вы знаете способы умягчения воды?

4) В каких единицах выражается жесткость воды?

5) Как можно определить карбонатную и общую жесткости воды?