Запитання та задачі для самоконтролю.

1. Які солі обумовлюють твердість природної води? Яку твердість називають карбонатною, некарбонатною? Як можна усунути карбонатну, некарбонатну твердість? Напишіть рівняння відповідних реакцій.

2. Чому дорівнює твердість води, в 100 л якої міститься 14,632 г магній гідрокарбонату?

3. Яку масу Na₃PO₄ треба додати до 500 л води, щоб усунути її карбонатну твердість, яка дорівнює 5 ммоль/л?

4. Обчисліть карбонатну твердість води, знаючи, що для реакції з кальцій гідрокарбонатом, що міститься в 200 мл води, потрібно 15 мл розчину НСl, С_екв(НСl)= 0,08 моль/л.

5. В 1 л води міститься іонів магнію 36,47 мг і іонів кальцію 50,1 мг. Чому дорівнює твердість цієї води?

6. Яку масу натрій карбонату треба додати до 400 л води, щоб усунути твердість, що дорівнює 3 ммоль/л.

7. Вода, що містить тільки магній сульфат, має твердість 7 ммоль/л. Яка маса магній сульфату міститься в 300 л цієї води?

8. Обчисліть твердість води, знаючи, що в 600 л її міститься 65,7 г магній гідрокарбонату і 61,2 кальцій сульфату.

9. В 220 л води міститься 11 г магній сульфату. Чому дорівнює твердість цієї води?

10. Твердість води, в якій розчинений тільки кальцій гідрокарбонат, дорівнює 4 ммоль/л. Який об'єм розчину хлоридної кислоти( С_екв(НСl)=0,1 моль/л) потрібно буде для реакції з кальцій гідрокарбонатом, що міститься в 75 мл цієї води?

11. В 1 м³ води міститься 140 г магній сульфату. Обчисліть твердість цієї води.

12. Вода, що містить тільки магній гідрокарбонат, має твердість 3,5 ммоль/л. Яка маса магній гідрокарбонату міститься в 200 л цієї води?

13. До 1 м³ твердої води додали 132,5 г натрій карбонату. Наскільки знизилася твердість води?

14. Які іони треба видалити з природної води, щоб зробити її м'якою? Введенням яких іонів можна пом'якшити воду? Складіть рівняння відповідних реакцій. Яку масу Са(ОН)₂ треба додати до 2,5 л води, щоб усунути її твердість, що дорівнює 4,43 ммоль/л?

15. До 100 л твердої води додали 12,95 г кальцій гідроксиду. Наскільки знизилася карбонатна твердість?

16. Чому дорівнює карбонатна твердість води, якщо в 1 л її міститься 0,292 г магній гідрокарбонату і 0,2025 г кальцій гідрокарбонату?

Лабораторна робота №2 Визначення лужності, кислотності, рН води

Мета роботи: освоєння методів визначення рН, кислотності і лужності води.

Матеріальне забезпечення:

• посуд мірний лабораторний скляний: циліндри місткістю 100 см³;

• колби конічні скляні лабораторні місткістю 250 см³;

• бюретки місткістю 25 см³;

• електроплитка;

• рН-метр.

Реактиви:

• розчин NaOH, С_екв= 0,1 моль/л. Цей розчин зберігають без доступу повітря у посуді, закритому пробкою з хлоркальцієвою трубкою, наповненою натронним вапном;

• хлоридна кислота, С_екв(НСl) = 0,1 моль/л. Розбавляють 8,5 мл концентрованої хлоридної кислоти ч.д.а. дистильованою водою до 1 л;

• фенолфталеїн, 0,5%-вий розчин. 0,5 г фенолфталеїну розчиняють у 50 мл 96%-вого етилового спирту і додають 50 мл дистильованої води;

• метиловий оранжевий, 0,05%-вий розчин. Розчиняють 0,05 г натрієвої солі метилового оранжевого в 100 мл гарячої дистильованої води і після охолодження фільтрують.

Методичні вказівки:

Активна реакція води, тобто ступінь її кислотності або лужності зумовлюється концентрацією гідроген-іонів і виражається величиною водневого показника рН, який чисельно дорівнює від'ємному десятковому логарифму концентрації іонів Гідрогену у водному розчині:

рН = –lg [H⁺]

Визначення концентрації іонів Гідрогену здійснюється в межах від 1 до 10^–14 моль/л, що відповідає величині рН від 0 до 14. При рН = 1–7 вода характеризується як кисле середовище, при рН = 7–14 як лужне, при рН = 7 – як нейтральне. Для більшості природних вод величина рН знаходиться у межах 6,5 – 8,5.

Постійна величина рН, яка має велике значення для нормального протікання у воді різноманітних біологічних і фізико-хімічних процесів, забезпечується у природних водах буферною системою, зумовленою розчиненою у воді карбонатною кислотою і гідрокарбонат-іонами НСО₃^–. Карбонатна кислота за першим ступенем дисоціює на іони:

Н₂СО₃ =НСО₃^– + Н ⁺

Концентрація іонів Гідрогену прямо пропорційна кількості Н₂СО₃ і обернено пропорційна вмісту НСО₃^–. Концентрація іонів Гідрогену такої буферної системи незначно змінюється з розведенням, оскільки рН системи визначається не концентрацією кислоти і її солі, а співвідношенням цих концентрацій.

Додавання деякої кількості кислоти або лугу також мало впливає на рН води, оскільки частина іонів Н⁺ під час додавання до розчину лугу зв'язується в малодисоційовану воду. Це призводить до дисоціації нової кількості кислоти і відновленню початкової концентрації Н⁺. Якщо ж до води додавати кислоту, то іони водню будуть зв'язуватись з НСО₃^– в малодисоційовану карбонатну кислоту, в результаті чого концентрація Н⁺ буде змінюватись несуттєво.

Визначення величини рН в практиці водопідготовки має велике значення: рН дозволяє вірно визначити форму знаходження у природній воді сполук карбонатної і силікатної кислот, а також сполук сірководню, служить для контролю деяких аналітичних визначень. Від значення рН залежить стан хімічних рівноваг у воді, розчинність гідроксидів алюмінію та феруму.

Активна реакція середовища є досить важливим технологічним параметром під час процесів коагуляції, зм'якшення, знезалізнення, видалення марганцю і т.п. Величина рН суттєво впливає на корозійні властивості води і її стабільність.

Кислотність води зумовлюється іонами Гідрогену, які з'являються у розчині під час дисоціації сильних або слабких кислот, деяких кислих солей (наприклад, натрій гідросульфату), а також внаслідок гідролізу солей, утворених слабкими основами і сильними кислотами. За неповної дисоціації кислоти або часткового гідролізу солі концентрація вільних іонів Н⁺, що знаходяться у розчині, часто не співпадає з концентрацією іонів Гідрогену, що вступають у реакцію нейтралізації з сильною основою. Концентрація реально присутніх іонів Н⁺ у розчині за даних умов характеризується активною кислотністю.

Концентрація іонів Н⁺, яка визначається під час проведення реакції нейтралізації, характеризує загальну кислотність. Вона звичайно перевищує активну кислотність. Лише у дуже розбавлених розчинах сильних кислот ці величини є близькими за значеннями.

Кислотність природних вод здебільшого зумовлена наявністю вільної карбонатної кислоти, а для деяких видів також гуміновими і іншими слабкими органічними кислотами. За наявності цих кислот рН води не буває нижчим за 4,5. Ця частина кислотності називається природною.

Деякі промислові стічні води містять велику кількість вільних кислот або їх кислих солей. Ці речовини порушують карбонатну рівновагу. У шахтних та кар’єрних, або стічних водах від травлення металів у великій кількості містяться солі сильних кислот і слабких основ (перш за все феруму та алюмінію), здебільшого сильно гідролізовані. У всіх цих випадках рН води може бути нижчим за 4,5.

Під час аналітичного визначення кислотності води розрізняють загальну і вільну кислотність.

Вільна кислотність – це та частина загальної кислотності, яка спричиняє зменшення рН розчину до 4,5 і нижче. Вільна кислотність виражається кількістю титрованого розчину сильної основи (ммоль/л), витраченого під час нейтралізації до досягнення рН = 4,5.

Загальна кислотність визначається кількістю титрованого розчину сильної основи (ммоль/л), яка необхідна для повної нейтралізації досліджуваного розчину і досягнення рН = 8,3. Якщо досліджуваний розчин (вода) має рН > 8,3, то кислотність її дорівнює нулю.

Лужність води може бути зумовлена наявністю розчинних основ, середніми і кислими солями, які утворені сильними основами і слабкими кислотами (гідрокарбонати, карбонати, гідросилікати, гідросульфіди і т.п.).

Лужність води визначається нейтралізацією сполук, які мають лужні властивості, сильними кислотами.

У природній воді лужність залежить здебільшого тільки від гідрокарбонатів лужноземельних металів (так звана гідрокарбонатна лужність). У цьому випадку значення рН води не перевищує 8,3, загальна лужність практично дорівнює карбонатній твердості і відповідає вмісту гідрокарбонатів. Якщо рН води менше 4,5, то загальна лужність води дорівнює нулю.

Під час аналізу води визначення загальної лужності проводиться нейтралізацією розчину сильною кислотою до рН 4,5. Якщо рН досліджуваного розчину більше 8,3, то кількість сильної кислоти (ммоль/л), необхідна для зменшення рН до цього значення, характеризує вільну (гідратну) лужність. Вільна лужність зумовлена наявністю вільних основ і розчинних солей – карбонатів, силікатів, сульфідів. Якщо рН досліджуваного розчину менше 8,3, то вільна лужність його дорівнюватиме нулю.

Експериментально лужність визначають титруванням хлоридною або сульфатною кислотою послідовно з індикаторами фенолфталеїном і метилоранжем. Забарвлення фенолфталеїну при рН = 8,2-8,4 переходить з рожевого в безбарвне, що відповідає такому стану розчину, коли в ньому залишаються лише гідрокарбонат-іони. Метилоранж змінює забарвлення при рН = 4-4,3, тобто з момент, коли у розчині залишається вільна карбонатна кислота.

Визначення лужності є одним з варіантів технологічного контролю деяких процесів водопідготовки. Від величини лужності залежать також дози реагентів, які застосовують під час очищення води.

Дослід 1.Визначення рН води.

Принцип визначення:

Величину рН визначають колориметричним або електрометричним методами.

Колориметричне визначення проводять за кольором кислотно-лужного індикатора, який додають в пробу у вигляді розчину або зафіксованого на індикаторному папері. Забарвлення, що виникло, порівнюють з забарвленням стандарту. Для аналізу сильно забрудненої води використовують індикаторні папірці.

Результати визначення рН колориметричним методом є наближеними. Для більш точного визначення застосовують електрометричний метод.

Електрометричне визначення рН з скляним електродом ґрунтується на тому, що зміна значення рН на одиницю викликає зміну потенціалу електрода на 58,1 мВ при 20°С.

Скляний електрод являє собою трубку з напаяною на конус кулькою з літієвого скла. Під час занурювання такого електроду у розчин між поверхнею кульки електроду і розчином відбувається обмін іонами, в результаті якого іони Літію в поверхневих шарах скла замінюються іонами Гідрогену, завдяки чому виникає різниця потенціалів, величина якої залежить від активності (концентрації) іонів Гідрогену в розчині і його температури.

Потенціал скляного електроду залежить від сорту скла, температури, тому перед визначенням рН скляний електрод калібрують за буферними розчинами з відомим рН.

Оскільки рН часто змінюється в результаті реакцій, що відбуваються у воді, то рекомендується проводити визначення рН безпосередньо після відбору проби.

Хід визначення:

Перед початком вимірювання електрод промивають дистильованою водою, потім досліджуваною водою і лише після цього занурюють у пробу що аналізується. Пробу слід попередньо добре перемішати, щоб склад її безпосередньо біля електроду відповідав її загальному складу. Одночасно з електродами у пробу занурюють термометр для визначення температури і для внесення необхідних поправок.

Вимірювану величину потенціалу отримують у мілівольтах або безпосередньо в одиницях рН, що зумовлено типом приладу, який застосовується.

Отриманий результат заокруглюють до 0,05-0,1 одиниці рН залежно від точності приладу, на якому проводилось дослідження.

Дослід 2. Визначення кислотності води.

Принцип визначення:

Визначають кислотність води методом нейтралізації, в основі якого лежить взаємодія кислоти і лугу (реакція нейтралізації):

Н⁺ + ОН ^– ↔ Н₂О

Кислотність води визначають титруванням проби води стандартним розчином натрій гідроксиду або карбонату. Точка еквівалентності, що відповідає закінченню реакції нейтралізації, визначається візуально за зміною забарвлення індикатора.

Під час визначення вільної кислотності використовують індикатор метиловий оранжевий, а загальної кислотності – фенолфталеїн.

Хід визначення:

Вільна кислотність. Якщо рН проби менше 4,5 або за метилоранжем з'являється кисла реакція середовища, то у пробі крім загальної кислотності визначають і вільну кислотність.

До 100 мл проби додають 2-3 краплі метилового оранжевого і титрують на білому тлі розчином натрій гідроксиду (С_екв=0,1 моль/л), до зміни забарвлення з оранжевого на жовте. Під час електрометричного титрування натрій гідроксид додають до рН 4,5.

Якщо під час додавання до проби метилоранжу розчин відразу стає жовтим, то вільна кислотність у цьому випадку дорівнює нулю.

Загальна кислотність. 100 мл проби титрують розчином натрій гідроксиду (С_екв=0,1 моль/л) за наявності 5-10 крапель фенолфталеїну до появи малинового забарвлення. Під час електрометричного визначення титрують до рН 8,3.

Обчислення результатів вимірювання:

Кислотність визначають за формулою

,

де – витрата розчину NаОН на титрування, мл; С_екв(NaOH) –

молярна концентрація еквівалента NаОН, моль/л; V(Н₂О) – об'єм проби води, взятої для титрування, мл.

Дослід 3. Визначення лужності води.

Принцип визначення:

Визначення загальної лужності ґрунтується на реакції утворення нейтральних солей під час титрування води хлоридною кислотою (метод нейтралізації).

Загальна лужність води зумовлена наявністю іонів ОН^–, СО₃^2–, НСО₃^–. Іони ОН^–, СО₃^2–, які титрують хлоридною кислотою за наявності фенолфталеїну (до рН 8,3), спричиняють лужність води за фенолфталеїном. Під час титрування відбуваються такі реакції:

ОН ^– + Н⁺ = Н₂О і СО₃^2– + Н⁺ = НСО₃^–

Іони НСО₃^– титрують хлоридною кислотою за наявності метилового оранжевого (до рН 4,5):

НСО₃^– + Н⁺ = СО₂ + Н₂О

Хід визначення:

Вільна (гідратна і карбонатна) лужність. До 100 мл досліджуваної води додають 5-10 крапель фенолфталеїну і титрують розчином хлоридної кислоти (С_екв=0,1 моль/л) до знебарвлення. Під час електрометричного визначення титрують до рН 8,3.

Загальна лужність. Відбирають 100 мл проби або використовують розчин після визначення гідратної лужності. Додають 2-3 краплі метилового оранжевого і титрують до зміни забарвлення з жовтого на золотисто-рожеве. Під час точного визначення лужності в процесі титрування пробу продувають повітрям. Під час електрометричного визначення пробу титрують до рН 4,5.

Обчислення результатів вимірювання:

Лужність гідратну визначають за формулою:

,

де Ф – лужність води за фенолфталеїном, ммоль/л; V(HCl) – кількість розчину хлоридної кислоти, що була витрачена на титрування, мл; C_екв(HCl) – молярна концентрація еквівалента хлоридної кислоти, моль/л; V(Н₂О) – об'єм проби води, взятої для титрування, мл.

Лужність загальну визначають за формулою:

,

де Л – загальна лужність води, ммоль/л; V_заг(HCl) – кількість розчину хлоридної кислоти, що була витрачена на титрування за фенолфталеїном і метилоранжем послідовно в одній пробі, мл; C_екв(HCl) – молярна концентрація еквівалента хлоридної кислоти, моль/л; V(Н₂О) – об'єм проби води, взятої для титрування, мл.