Определение жесткости и умягчения воды.

Цель работы: проведение анализа на жесткость и умягчение воды различными методами.

Жесткость воды обусловлена содержанием в ней растворимых солей кальция и магния, гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов.

Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жесткость воды. Временная жесткость определяется содержанием в воде растворимых гидрокарбонатов кальция и магния. При кипячении воды гидрокарбонаты переходят в малорастворимые карбонаты:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + CO₂ + H₂O,

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃ + CO₂ + H₂O.

Таким образом, временная жесткость устраняется.

Постоянная жесткость определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот, главным образом сульфатов и хлоридов. При кипячении эти соли не удаляются.

Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды.

Измеряют жесткость числом миллимолей эквивалентов ионов жесткости (Ca⁺² и Mg⁺²) в 1 кг воды (ммэкв/кг). В связи с тем, что плотность воды близка к единице, жесткость можно измерять в ммэкв/дм³ или ммэкв/л.

При расчетах, связанных с жесткостью воды, следует учитывать, что Э_(Ca²⁺₎ = 1/2Ca²⁺ и Э_(Mg²⁺₎ = 1/2Mg²⁺, а М_Э(Ca²⁺₎ = 20 г/моль и М_Э(Mg²⁺₎ = 12 г/моль (где М_Э – молярная масса эквивалента).

Например: 0,2 г – это масса 0,01моль/экв или 10 ммоль эквивалентов Ca²⁺.

При контроле качества воды определяют ее жесткость. Анализ воды на жесткость предполагает обычно:

а) определение общей жесткости Ж_о;

б) определение карбонатной жесткости Ж_к;

в) вычисление некарбонатной жесткости Ж_нк.

Ж_нк = Ж_о – Ж_к.

Для определения общей жесткости используют метод комплексонометрии. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии аммиачно-буферного раствора (рН – 10,0) и индикатора раствора комплексона III (трилона Б) до перехода розовой окраски в голубую.

При анализе применяют один из индикаторов: кислотный хром синий К или эриохром черный Т. В присутствии ионов жесткости Ca²⁺ и Mg²⁺ эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет, в отсутствие – в голубой.

Комплексон III – двухзамещенная натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты:

NaOOCCH₂ CH₂COONa

N – CH₂ – CH₂ – N

HOOCCH₂ CH₂COOH

При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение.

ООССН₂ CH₂COO ^2-

N – CH₂ – CH₂ – N

ООССН₂ Ca CH₂COO

Различают природную воду: очень мягкую – с жесткостью до 1,5 ммэкв/л; мягкую – от 1,5 до 4 ммэкв/л, средней жесткости – от 4 до 8 ммэкв/л, жесткую – от 8 до 12 ммэкв/л, очень жесткую – свыше 12 ммэкв/л.

При титровании жесткой воды раствором комплексон III образуется внутрикомплексное соединение (см. выше), т.е. связываются ионы Ca²⁺ и Mg²⁺. Поэтому в конце титрования индикатор изменяет окраску, раствор становится голубым.

Определение карбонатной жесткости воды Ж_к сводится к определению концентрации гидрокарбонат иона HCO₃^- и, тем самым, эквивалентной этим ионом концентрации ионов жесткости Ca²⁺ и Mg²⁺. Анализ проводят методом нейтрализации.

В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии метилового оранжевого раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую.

Анион HCO₃^- в воде гидрализуется

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-

Поэтому при условии Ж_к > 0 вода имеет щелочную реакцию среды и метиловый оранжевый в ней окрашен в желтый цвет. При титровании раствором HCl такой воды протекает реакция нейтрализации:

Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = 2СаCl₂ + 2CO₂ + 2H₂O,

2OH^- + 2H⁺ = 2H₂O.

Ионы Н⁺ нейтрализуют количество ионов ОН^-, эквивалентное концентрации

иона HCO₃^-.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Определение общей жесткости воды комплексонометрическим методом.

Отберите пипеткой 100 мл воды и перенесите ее в коническую колбу; добавьте к исследуемой воде 5 мл аммиачного буферного раствора и 5-7 капель индикатора хром синего К или несколько кристалликов (на кончике шпателя) эриохром черного Т.

Приготовленную пробу медленно при постоянном перемешивании оттитруйте раствором комплексона III до перехода розовой окраски индикатора в голубую. Результат титрования запишите. Повторите титрование еще раз. Если результаты двух титрований совпадут (∆V≤ 0,1 мл), рассчитайте общую жесткость воды. В противном случае оттитруйте еще одну пробу воды. Найдите среднее значение объема раствора комплексона III, израсходованного на титрование воды.

Общую жесткость воды рассчитывают по закону эквивалентов (ммоль/л).

где V₁ – объем анализируемой воды, мл;

V₂ – объем раствора комплексона III, мл;

N₂ – нормальность раствора комплексона III, моль/л;

K – поправочный коэффициент раствора комплексона III к данной его нормальности;

1000 – коэффициент перевода мэкв/л в ммэкв/л

Результаты опыта сведите в таблицу.

Объем раствора комплексона III, V2	Нормальная концентрация комплексона III, N2	Объем исследуемой воды, V1	Общая жесткость воды, Жо.

Опыт 2. Определение карбонатной жесткости воды и некарбонатной жесткости воды.

Отберите пипеткой 100 мл воды и перенесите ее в коническую колбу. Добавьте к исследуемой воде несколько капель метилового оранжевого.

Приготовленную пробу оттитруйте раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую (но не розовую!). Результаты титрования запишите.

Повторите титрование еще раз. Если результаты двух титрований совпадут (∆V≤ 0,1 мл), рассчитайте карбонатную жесткость воды. В противном случае оттитруйте еще одну пробу воды. Найдите среднее значение объема раствора соляной кислоты, израсходованной на титрование воды.

Расчет карбонатной жесткости воды проводят по закону эквивалентов (ммэкв/л):

,

где V₁ – объем анализируемой воды, мл;

V₂ – объем раствора HCl, мл;

N₂ – нормальная концентрация раствора HCl, моль/л;

1000 – коэффициент перевода мэкв/л в ммэкв/л.

Некарбонатную жесткость воды Ж_нк находят

Ж_нк = Ж_о – Ж_к.

Результаты опыта сведите в таблицу

Объем раствора HCl, V2	Нормальная концентрация раствора HCl, N2	Объем исследуемой пробы воды, V1	Жесткость воды
			Карбонатная, Жк	Некарбонатная, Жнк

Опыт 3. Умягчение воды методом катионирования.

Через фильтр (колонку, заполненную катионитом) пропустите 300 - 400 мл водопроводной воды. Скорость фильтрования регулируется зажимом и не должна превышать 15 капель в минуту. Умягченную воду соберите в стакан, ополоснутый первыми порциями фильтрата. Коническую колбу и пипетку ополосните умягченной водой. Определите общую жесткость умягченной воды (см. опыт 1).

Результаты сведите в таблицу

Объем раствора комплексона III, V2	Нормальная концентрация комплексона III, N2	Объем исследуемой пробы воды, V1	Общая жесткость воды после катионирования, Жо

Рассчитайте число ммолей эквивалентов ионов жесткости, поглощенных катионами из каждого литра водопроводной воды. Закончите отчет записью уравнений процессов, протекающих при катионировании для случаев:

а) Н – катионита;

б) а – катионита.

Вопросы и задачи.

1. Чем обуславливается жесткость воды?

2. Какую различают жесткость воды?

3. В каких единицах измеряется жесткость воды?

4. Как определяют общую жесткость воды?

5. Как определяют карбонатную жесткость воды?

6. Как находится некарбонатная жесткость воды?

7. Какой процесс следует проводить для умягчения воды: катионирования или анионирования? Почему? Составьте уравнения реакций, протекающих при умягчении воды с помощью ионного обмена.

8. При определении общей жесткости воды на титрование 200 мл Н₂О израсходовано 8 мл 0,1 н раствора комплексона III. Вычислите общую жесткость. (Ответ: 4 ммэкв/л).

9. Вычислите карбонатную жесткость, если на титрование 200 мл воды израсходовано 8 мл 0,05 н раствора HCl. (Ответ: 2 ммэкв/л).

10. Общая жесткость воды равна 8,5 ммэкв/л. Через ионообменный фильтр пропущено 100 мл Н₂О. Сколько молей эквивалентов Ca²⁺ и Mg²⁺ задержано фильтром, если известно, что жесткость снизилась до 0,5 ммэкв/л. (Ответ: 0,35 ммэкв/л).

Работа № 17