Лабораторная работа № 5 Определение содержания различных форм углекислоты в воде

Угольная кислота и ее соли – постоянные компоненты природных вод. Содержание свободной угольной кислоты Н₂СО₃ зависит от концентрации растворенной двуокиси углерода. Так как в форме угольной кислоты находится лишь незначительная часть растворенной СO₂ (около 1 %), то содержание свободной углекислоты в воде характеризуется суммой: Н₂СО₃ + СO₂. При этом расчет ведут не на кислоту, а на СO₂. Угольная кислота диссоциирует в водном растворе:

Н₂СО₃>Н⁺ + НСO₃^-;

НСO₃^- > Н⁺ + СО₃^2-

Константы диссоциации для I и II ступени:

К₁ = , К₂ = .

Из уравнений следует, что концентрация свободной угольной кислоты находите прямой зависимости от концентрации водородных ионов, а концентрация карбонатных ионов - в обратной. При рН< 4,2 в природных водах содержится только свободная углекислота и ионы НСО₃^-, причем с возрастанием рН увеличивается концентрация НСО₃^- ионов и понижается концентрация свободной угольной кислоты. При рН=8,4 в воде присутствуют практически только гидрокарбонаты (99,7%). При дальнейшем увеличен рН в воде наряду с НСО₃^-- ионами появляются СO₃^2- ионы, которые при рН > 10 становятся преобладающими.

Связанной считается углекислота в форме карбонатов. В форме гидрокарбонатов она состоит из связанной и полусвязанной кислоты (поровну), так как при кипячении половина гидрокарбонатов переходит в свободную углекислоту:

2НСO₃^- = СO₂ + СО₃^2- + Н₂O.

1. Определение свободной углекислоты

Объемное определение свободной углекислоты СO₂ проводят методом нейтрализации. К исследуемой воде прибавляют NaOH, при этом СO₂ переходит в гидрокарбонат:

СO₂ + NaOH ↔ NaHCO₃

Точка эквивалентности соответствует такому значению рН, при котором в воде находятся гидрокарбонаты (8,4). Индикатор - фенолфталеин (розовая окраска появляется при рН > 8,3). Вследствие того, что окраска титруемого раствора изменяется постепенно, конец реакции определяют, сравнивая полученную окраску с интенсивностью окраски раствора-«свидетеля». В качестве «свидетеля» применяют раствор, приготовляемый следующем образом. Вначале 2 г СuСl₂·6Н₂O и 2 г CuSO₄·5H₂O растворяют в мерной колбе емкостью 200 мл, прибавляют 2 мл концентрированной НСl и доводят до метки дистиллированной водой. Затем, разбавляя 20 мл приготовленного раствора до 200 мл исследуемой водой, получают для сравнения раствор - «свидетель». Чтобы не было потерь СO₂, титруют в колбе, закрытой резиновой пробкой с отверстием, через которое и ведут титрование.

Реактивы:

1. 0,02н NaOH;

2. фенолфталеин (0,1 %).

Ход работы

В коническую колбу на 250 мл осторожно отмерить пипеткой с сифоном 100 мл исследуемой воды. Внести 2-3 капли фенолфталеина, закрыть пробкой и перемешать. Через отверстие в пробке опустить в колбу кончик бюретки с рабочим 0,02н раствором NaOH и титровать пробу до появления розового окрашивания, не исчезающего 3 мин. (сравнить с окраской «свидетеля»),

Расчет:

ХCO₂ = ,

где ХCO₂ – содержание свободной двуокиси углерода, мг/л;

V₁ – объем рабочего раствора NaOH, пошедший на титрование пробы, мл;

N – нормальность рабочего раствора NaOH;

Э – эквивалент СО₂ в данной реакции (44);

V₂ – объем исследуемой воды, мл.

Опыт повторить три раза. Результаты записывать в виде таблицы:

Объем NaOH, пошедший на титрование пробы, V1, мл

Объем исследуемой воды, V2, мл

Содержание СО2, мг/л

2. Определение карбонатов и гидрокарбонатов

При одновременном присутствии в воде ионов НСО₃^- и СО₃^2- определение ведут в одной пробе, нейтрализуя рабочим раствором соляной кислоты щелочность, создаваемую этими ионами. Определение основано на изменении содержания различных форм углекислоты в зависимости от рН. В присутствии кислоты ионы НСО₃^2- и СО₃^2- переходят в свободную форму. Карбонаты с соляной кислотой взаимодействуют в две стадии. На первой стадии карбонаты переходят в гидрокарбонаты.

Na₂CO₃ +HCl ↔ NaHCO₃ + NaCl

СО₃^2- + Н⁺ ↔ НСО₃^-

Образовавшиеся гидрокарбонаты на второй стадии переходят в свободную углекислоту

Na₂HCO₃ + HCl ↔ Н₂O + СO₂ + NaCl

НСО₃^-+ Н⁺ ↔ Н₂O +СO₂

Таким образом, можно считать, что объем кислоты, затраченный на перевод СО₃^2- в НСО₃^-, соответствует половине содержащихся в воде карбонатов. Индикатор - фенолфталеин. Проба, оттитрованная рабочим раствором кислоты в присутствии фенолфталеина, содержит гидрокарбонаты, ранее находившиеся в воде, и гидрокарбонаты, образовавшиеся из карбонатов. Гидрокарбонаты переводят в свободную углекислоту последующим титрованием пробы кислотой в присутствии метилового оранжевого.

При расчете на содержание СO₃^2- ионов объем соляной кислоты, израсходованный на титрование пробы воды с фенолфталеином, соответственно удваивается. А при расчете количества гидрокарбонатов из объема кислоты, израсходованный на титрование воды в присутствии метилоранжа, вычитается объем пошедший на титрование с фенолфталеином.

Карбонат ионы содержатся в щелочных водах. Обычно питьевая вода не содержит карбонатов. На это указывает отсутствие розовой окраски от прибавления к пробе фенолфталеина. В этом случае в воде определяют только гидрокарбонаты титрованием кислотой в присутствии метилоранжа.

Реактивы:

1. Щелочная вода;

2. 0,1н HCl;

3. Фенолфталеин (0,1%);

4. Метилоранж (0,02%).

Ход работы

В коническую колбу на 250 мл пипеткой отмерить 100 мл исследуемой щелочной воды. Внести 2-3 капли фенолфталеина. Оттитровать 0,1н соляной кислотой до исчезновения розовой окраски. Записать объем кислоты на титрование.

К оттитрованной пробе прибавить 2-3 капли метилоранжа и титровать 0,1н HCl до появления оранжевой окраски. Объем кислоты на титрование записать.

Повторить определение с водопроводной водой.

Содержание карбонатов:

,

где V₁ – объем 0,1н НС1, израсходованный на титрование пробы, мл;

N – нормальность раствора НСl;

Э – эквивалент СО₃^2- (30);

V₃ – объем пробы, мл.

Содержание гидрокарбонатов:

,

где V₁ – объем 0,1н НСl, израсходованный на титрование пробы воды в присутствии метилоранжа, мл;

Э – эквивалент НСO₃^- (61,018).

При наличии в исследуемой воде только гидрокарбонатов, расчет ведут по формуле:

,

Результаты проведенных опытов записывают в виде таблицы:

Объем НСl, израсходованный на титрование с фенолфталеином, V1, мл

Объем НСl, израсходованный на титрование с метилоранжем, V2, мл

Объем пробы воды, V3, мл

Содержание карбонатов XСO32-, мг/л

Содержание гидрокарбонатов, XНСО3-, мг/л

Вопросы

1. В каких формах содержится углекислота в воде?

2. От каких факторов зависит форма нахождения углекислоты в воде?

3. Напишите уравнения 1 и 2-й ступени диссоциации угольной кислоты.

4. Напишите константы диссоциации для 1 и 2-й ступени диссоциации угольной кислоты.

5. Каким методом проводят определение свободной углекислоты?

6. Какой индикатор применяют при определении свободной углекислоты?

7. На чем основано определение карбонатов и гидрокарбонатов в воде?

8. Напишите уравнения реакций карбонатов с соляной кислотой.

9. Объясните необходимость использования индикаторов фенолфталеина и метилоранжа при определении карбонатов и гидрокарбонатов.

10. Почему питьевая вода не содержит карбонатов?