Теоретичні відомості

Визначення карбонат- і гідроікарбонат- аніонів є титрометричним методом який заснований на їх реакції з іонів водню при наявності фенолфталеїну (при визначенні карбонат- аніонів) або метилпомаранчевого (при визначенні гідроікарбонат- аніонів) в якості показників. За допомогою цих двох індикаторів, є можливість спостерігають дві точки еквівалентності: перша точка (рН 8,0-8,2) при наявності фенолфталеїну повністю закінчує титрування карбонат- аніони, а в другій (pH 4,5-4,1)-гідрокарбонат- аніонів. На основі результатів титрування можна визначити концентрації в розчину основних іонних форм, які обумовлені споживанням кислоти (гідроксо-, гідрокарбонат- і карбонат- аніонів), а також обсяг вільної та загальної лужності води, тому що вони знаходяться в залежності від гідроксо-, гідрокарбонат- і карбонат- аніонів. Для титрування зазвичай використовуються титровані розчини соляної кислоти з точно відомим значенням концентрації - 0,05 моль/л або 0,1 моль/л.

Визначення карбонат-аніонів засновано на реакції:

СО₃^2–+ Н⁺ = НСО₃^–

Наявність карбонат-аніон в концентраціях, що визначається аналітично, можливий лише в водах, рН яких більш 8,0-8,2. У разі наявності у воді гідроксо-аніонів при визначенні в карбонатів відбувається також реакція нейтралізації:

ОН^– + Н⁺ = Н₂О

Визначення гідрокарбонат-аніонів засновано на реакції:

НСО₃^– + Н⁺ = СО₂ + Н₂О

Таким чином, при титруванні фенолфталеїном в реакції з кислотою беруть участь аніони ОН^- та СО₃^2-, а при титруванні за метиловим помаранчевим - ОН^- та СО₃^2- та НСО₃^- .

Величина карбонатної твердості розраховується з урахуванням еквівалентних мас, які причетні до реакцій карбонат- і гідрокарбонат- аніонів.

При аналізі карбонатних природних вод правильність отримуваних результатів залежить від величини кислоти яка пішла на титрування по фенолфталеїну і метилпомаранчевим. Якщо титрування у присутності фенолфталеїну зазвичай не викликає труднощів, оскільки відбувається зміна забарвлення від рожевої до безбарвної, то у присутності метиловогопомаранчевого, при зміні забарвлення від жовтого до помаранчевого, визначити момент закінчення титрування інколи досить складно. Це може привести до значної помилки при визначенні об'єму кислоти, витраченої на титрування. У цих випадках, для чіткішого виявлення моменту закінчення титрування, визначення корисно проводити у присутності контрольної проби, для чого поряд з пробою, що титрує, поміщають таку ж порцію аналізованої води (у другій склянці), додаючи таку ж кількість індикатора.

В титрування карбонату і гідрокарбонату, яке може виконуватися як паралельно в різних пробах, так і послідовно в одній і тій же пробі, для розрахунку значень концентрацій необхідно визначити загальну кількість кислоти в міллілітрах, витраченої на титрування карбонату (V_K) і гідрокарбонату (V_ГК). Слід мати на увазі, що при визначенні кількості вжитої кислоти на титрування по метилпоморанчевому (V_МО) відбувається послідовне титрування і карбонатів, і гідрокарбонатів. З цієї причини отримуваний об'єм кислоти V_МО містить відповідну долю, обумовлену присутністю у вихідній пробі карбонатів, що перейшли після реакції з катіоном водню в гідрокарбонати, і не характеризує повністю концентрацію гідрокарбонатів у вихідній пробі.

Отже, при розрахунку концентрацій основних іонних форм, які обумовлюють кількість вжитої кислоти, необхідно врахувати відносний вжиток кислоти при титруванні по фенолфталеїну (V_Ф) і метилпоморанчу (V_МО).

Масові концентрації аніонів (не солей!) розраховуються на підставі рівнянь реакцій кількості вжитої кислоти карбонатами (С_К) і гідрокарбонатами (С_ГК) в міліграмі/л за формулами:

,

,

Де:

V_К і V_ГК  – об'єм розчину соляної кислоти, витрачений на титрування карбонату і гідрокарбонату відповідно, мл;

Н – точна концентрація розчину соляної кислоти (нормальність), що титрує, міль/л екв.;

V_А - об'єм проби води, узятої для аналізу, мл;

60 і 61 – еквівалентна маса карбонат- і гідрокарбонату-аніона відповідно, у відповідних реакціях;

1000 – коефіцієнт перерахунку одиниць вимірів.

Результати титрування по фенолфталеїну і метилпоморанчовим дозволяють розрахувати показник лужності води, який чисельно дорівнює кількості еквівалентів кислоти, витраченої на титрування проби об'ємом 1 л. При цьому кількість вжитої кислоти при титруванні по фенолфталеїну характеризує вільну лужність, а по метилпоморанчовому – загальну лужність, яка вимірюється в ммоль/л.

ХІД РОБОТИ

А. Титрування карбонат-аніона

	1. У склянку налийте до мітки (10 мл) аналізовану воду.
	2. Додайте піпеткою 3–4 краплі розчину фенолфталеїну Примітка. За відсутності фарбування розчину або при слабо-рожевому фарбуванні вважають, що карбонат-аніон в пробі відсутній (рН проби менше 8,0–8,2).
	3. Поступово титруйте пробу за допомогою мірного шприца з наконечником або мірної піпетки розчином соляної кислоти (0,05 міль/л) до тих пір, поки забарвлення зблідне до слабо-рожевого (практично безбарвною), і визначите об'єм розчину соляної кислоти, витрачений на титрування по фенолфталеїну (VФ, мл).

Розчин після титрування карбонату-аніона залиште для подальшого визначення в нім масової концентрації гідрокарбонату-аніона.

Б. Тітровання гідрокарбонату-аніона

	4. У склянку налийте до мітки (10 мл) аналізовану воду або використовуйте розчин після визначення карбонату-аніона.
	5. Додайте піпеткою 1 краплю розчину метиловогопомаранчевого. Примітка. Для чіткішого визначення моменту закінчення титрування визначення корисно проводити у присутності контрольної проби, для чого поряд з пробою, що титрує, поміщають таку ж порцію аналізованої води (у другій склянці), додаючи таку ж кількість індикатора.
	6. Поступово титруйте пробу за допомогою мірного шприца з наконечником розчином соляної кислоти (0,05міль/л) при перемішуванні до переходу жовтого забарвлення в помаранчеву, визначаючи загальний об'єм розчину, витраченого на титрування по метилпомаранчовому (VМО, мл). При використанні розчину після визначення карбонату-аніона необхідно визначити сумарний об'єм, витрачений на титрування карбонату і гідрокарбонату. Примітка. Обов'язково перемішуйте розчин при титруванні! Момент закінчення титрування визначайте по контрольній пробі.

В. Розрахунок масової концентрації карбонат- і гідрокарбонату-аніонів

Розрахуйте масову концентрацію карбонату-аніона (С_К) в міліграмі/л за формулою:

С_К = V_К×300

Отриманий результат округліть до цілих чисел.

Розрахуйте масову концентрацію гідрокарбонату-аніона (С_ГК) в міліграмі/л за формулою:

С_ГК = V_ГК×305.

Отриманий результат округліть до цілих чисел.

Г. Розрахунок карбонатної жорсткості

Визначите карбонатну жорсткість (Ж_К) в ммоль/л екв. за формулою:

Ж_К = С_К×0,0333+С_ГК×0,0164.

Д. Розрахунок лужності

Значення вільної лужності (Щ_В) в ммоль/л екв. розрахуйте за формулою:

Щ_В = V_Ф×5.

Значення загальної лужності (Щ_З) в ммоль/л екв. розрахуйте по рівнянню:

Щ_З=V_МО×5.

Величина карбонатної жорсткості для поверхневих природних вод приймається рівній величині загальної лужності (ммоль/л екв.).