2.5 Определение общей жесткости, кальция и магния

Жесткость воды - одно из важнейших свойств, имеющее большое значение при водопользовании. Если в воде находятся ионы металлов, образующие с мылом нерастворимые соли жирных кислот, то в такой воде затрудняется образование пены при стирке белья или мытье рук, в результате чего возникает ощущение жесткости. Жесткость воды пагубно сказывается на трубопроводах при использовании воды в тепловых сетях, приводя к образованию накипи. По этой причине в воду приходится до­бавлять специальные «смягчающие» химикаты.

Жесткость воды обусловлена присутствием растворимых и малорастворимых солей-минералов, главным образом кальция (Са²⁺) и магния (Mg²⁺). Кроме указанных, к солям жесткости относят также соли строн­ция (Sr²⁺), цинка (Zn²⁺) и др., однако в поверхностных и грунтовых природных водах из перечисленных катионов в заметных концентрациях присутствуют практически исключительно кальций и магний. Ввиду то­го, что солями жесткости являются соли разных катионов, имеющие раз­ную молекулярную массу, концентрация солей жесткости, или жесткость воды, измеряется в единицах эквивалентной концентрации (ГОСТ 6055) -количеством моль/л или ммоль/л. При жесткости до 4 ммоль/л экв. вода считается мягкой; от 4 до 8 ммоль/л экв. - средней жесткости; от 8 до 12 ммоль/л экв. - жесткой; более 12 ммоль/л экв. - очень жесткой (встре­чается и другая классификация воды по степеням жесткости).

Величина жесткости воды может варьироваться в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года, погодных условий. Общая жесткость воды в озерах и реках тундры, например, составляет 0,1-0,2 ммоль/л экв., а в морях, океанах, подземных водах достигает 80-100 ммоль/л экв. и даже больше (Мертвое море). В таблице 11 приведены значения общей жесткости воды некоторых рек и водоемов России.

Таблица 11 - Значения общей жесткости воды некоторых рек и водоемов России

Море, озеро	Сухой оста-ток, мг/л	Общая жест-кость, ммоль/л экв.	Река	Сухой остаток, мг/л	Общая жест-кость, ммоль/л экв.
Каспийское море	13500	74	Дон	476	7
Черное море	16000	46	Волга	453	5,4
Балтийское море	7500	13,9	Москва	345	14,6
Белое море	1800	7	Иртыш	250	2,5
Оз. Балхаш	8,8	8,8	Ангара	132	2
Оз. Байкал	220	2,6	Нева	80	0,7-4,3
Оз. Ладож­ское	73	0,6	Днепр	300	5,7

Из всех солей, относящихся к солям жесткости, выделяют гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало. Жесткость, придаваемая воде гидрокарбонатами, называется гидрокарбонатной, или устранимой (временной), т.к. гидрокарбонаты при кипячении воды (точ­нее, при температуре более 60°С) разлагаются с образованием малорас­творимых карбонатов:

Ca(HCO₃)₂  CaCO₃  + H₂O + CO₂ .

Жесткость, обусловленная хлоридами или сульфатами, называется неустранимой (постоянной), т.к. эти соли устойчивы при нагревании и кипячении воды.

Суммарная жесткость воды, т.е. общее содержание растворимых со­лей кальция и магния, получила название общей жесткости.

Допустимая величина общей жесткости для питьевой воды и источников централизованного водоснабжения составляет не более 7 ммоль/л экв. (в отдельных случаях - до 10 ммоль/л экв.), лимитирую­щий показатель вредности - органолептический.

Предлагаемый метод определения общей жесткости как суммарной массовой концентрации катионов кальция и магния основан на реакции солей кальция и магния с реактивом - трилоном Б (двунатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты):

Ca²⁺ + Na₂H₂R  Na₂CaR + 2H⁺,

Mg²⁺ + Na₂H₂R  Na₂MgR + 2H₊,

где R - радикал этилендиаминтетрауксусной кислоты -

(^-OCCH₂)2 NCH2CH2N (CH2CO^-)₂.

Анализ проводят в аммиачном буферном растворе при рН 10,0-10,5 титриметрическим методом в присутствии индикатора хром темно-синего кислотного.

Общую жесткость (С_ож) в ммоль/л экв. вычисляют по формуле:

где V_тр - объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, мл;

Н- концентрация титрованного раствора трилона Б, моль/л экв.;

V_а- объем воды, взятой на анализ, мл;

А. Определение общей жесткости

Оборудование и реактивы: баня водяная; ножницы; палочка стеклянная; пипетка на 2 мл или на 5 мл с резиновой грушей (медицинским шприцем) и соединительной трубкой; пипетка-капельница; склянка с меткой «10 мл»; вода дистиллированная; раствор буферный аммиачный; раствор инди­катора хром темно-синего кислотного; раствор трилона Б (0,05 моль/л экв.).

Выполнение анализа

1. В склянку налейте 10 мл анализируемой во­ды.

2. Добавьте в склянку пипетками 6-7 капель раствора буферного аммиачного и 4-5 капель раствора индикатора хром темно-синего.

3. Герметично закройте склянку пробкой и встряхните для перемешивания.

4. Постепенно титруйте содержимое склянки раствором трилона Б до перехода окраски в точке эквивалентности из винно-красной в ярко-голубую. Периодически встряхивайте склянку для перемешивания пробы. Определите объем раствора, израсходованный на титрование общей жесткости (У_иж, мл).

5. Рассчитайте величину общей жесткости (С_ож ) в ммоль/л экв. по формуле

,

где V_тр - объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, мл;

Н- концентрация титрованного раствора трилона Б, моль/л экв.;

V_а- объем воды, взятой на анализ, мл;

или для V_A = 10 мл и Н - 0,05 моль/л экв. по сле­дующей формуле:

Примечание. После изменения окраски пробу необходимо выдержать еще 0.5 мин. для полного протекания реакции, после чего принять ре­шение об окончании титрования (окраска раствора может несколь­ко восстановиться. В этом случае необходимо добавить еще неко­торое количество раствора трилона Б).

Б. Определение кальция

Оборудование и реактивы: баня водяная; ножницы; палочка стеклянная; пипетка на 2 мл или на 5 мл с шприцем и соединительной трубкой; пипетка-капельница (0,5 мл); склянка с меткой «10 мл»; бумага индикаторная универсальная; вода дистиллированная; инди­катор мурексид в капсулах (по 0,03 г); раствор буферный аммиачный; раствор гидроксида натрия (10%); раствор соляной кислоты (1:100); рас­твор трилона Б (0,05 моль/л экв.).

Выполнение анализа

1. В склянку с меткой «10 мл» налейте до метки анализируемую воду.

2. Далее из раствора удаляется гидрокарбонат-анион. Для этого в склянку прибавьте по каплям раствор соляной кислоты (1:100) при интенсивном перемешивании стеклянной палочкой до достижения величины рН раствора 4-5 (при перемешивании удаляется и большая часть диоксида углерода, мешающего определению). Величину рН контролируйте с помощью бумаги индикаторной универсальной.

3. К пробе прибавьте пипеткой-капельницей 13-14 капель (около 0,5 мг) раствора гидроокиси натрия и содержимое одной капсулы (0,02-0,03 г) индикатора мурексида. Раствор перемешайте стеклянной палочкой.

4. Затем проведите титрование раствором трилона Б из пипетки на 5 мл на черном фоне до перехода окраски в точке эквивалентности из оранжевой в сине-фиолетовую. Определите объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование кальция (V_ка, мл).

5. Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента кальция (С_ка) в ммоль/л экв. по уравнению:

Примечание. После изменения окраски пробу необходимо выдержать еще 0,5 мин. для полного протекания реакции, после чего принять решение об окончании титрования (окраска раствора может несколько восстановиться. В этом случае необходимо добавить еще некоторое количество раствора трилона Б).

Массовая концентрация катиона кальция может быть рассчитана умножением полученного значения С_ка на молекулярную массу кальция (40 г/моль).

С. Определение магния

Массовую концентрацию катиона магния (С_мг) в мг/л определите расчетным методом, произведя вычисления по формуле:

С_мг = (С_ож – С_ка) x 24,3,

где С_ож и С_ка - результаты определения общей жесткости (ммоль/л экв.) и молярной концентрации эквивалента катиона кальция (мг/л) соот­ветственно;

0,05 - коэффициент пересчета концентрации катиона кальция в единицы миллиграмм молярной концентрации эквивалентов;

24,3 - молекулярная масса магния. Полученный результат округлите до целых чисел (мг/л).