ЛАБЫ

Определение жесткости питьевой воды (Лабораторная работа)

 

Цель работы: овладение методом количественного анализа питьевой воды по показателям постоянной и временной жесткости.

 

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ХИМИЧЕСКИЙ ЭКВИВАЛЕНТ - это массовое количество химического элемента, которое присоединяет или замещает 1,008 массовых частей (м.ч.) водорода или 8 м.ч. кислорода. В ходе реакций элементы соединяются в количествах, соответствующих их химическим эквивалентам.

Численно химический эквивалент выражается в любых массовых единицах, соответствующих массовости данной реакции. Например, массовость лабораторных опытов - граммы и миллиграммы, а количества реагирующих веществ запишем как г.экв или мг.экв. В океанах, атмосфере, в Земном ядре происходят реакции с массовостью т.экв и Мт.экв.

ПРОИЗВЕДЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА НА ВАЛЕНТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА РАВНО АТОМНОЙ МАССЕ ЭЛЕМЕНТА.

Исходя из этого правила производятся все расчеты химических реакций с помощью Периодической системы элементов Менделеева.

НОРМАЛЬНЫЙ РАСТВОР содержит в 1 кубическом дециметре (литре) один г.экв растворенного вещества. Для наглядности сравнения нормальной и процентной концентраций рассмотрим подсчет процентности децинормального раствора соляной кислоты. ( 0,1N НCl ), который используется при титровании в данной работе.

Для подсчетов возьмем массовые числа Н(1,008) и Сl(35,45), сложим их (36,458), округлим (36), вычислим 0,1 (3,6). Значит, один литр 0,1N раствора HСl содержит 3,6 г кислоты, а в 100 г этого раствора - 0,36г HCl. Округленно процентность такого раствора - 0,4 %.

ТИТР - в объемном химическом анализе - концентрация раствора реактива, число граммов вещества в 1 мл раствора.

ТИТРОВАНИЕ - это метод объемного химического анализа, состоящий в постепенном струйно-капельном приливании реактива известной концентрации к известному объему другого реактива, концентрацию которого нужно установить в ходе опыта.

ИНДИКАТОР МЕТИЛОВЫЙ ОРАНЖЕВЫЙ, цветовой определитель рН среды.

рН < 3 кислая среда - красный (розовый)

рН = 5,5 нормальная - оранжевый

рН > 7 щелочная - желтый (светло-желтый)

Титрование происходит в присутствии индикатора рН среды, по изменению цвета которого и прекращают титрование. Установка для титрования приведена на рисунке 1. Она состоит из металлического штатива, на котором закреплена стеклянная бюретка с кислотой и колбы с анализируемой жидкостью.

Существует пропорция для вычисления неизвестной концентрации примесей в анализируемой жидкости. Выведем ее из уравнения:

 

Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2CO₂ + 2H₂O,

 

где известна нормальность (0,1) и количество кислоты, пошедшей на титрование. Количество анализируемой жидкости задано условием опыта, но может быть любое. Зная эквивалент Са (20,04), эквивалент соляной кислоты HCl (36,5) и считая, что 1 литр нормального раствора НСl прореагирует с 20,04 г Са²⁺, принимаем, что 1 мл 0,1N HCl соответствует 2,004 мг Са²⁺. Установив опытным путем объем кислоты V HCl, пошедший на титрование 50 мл жесткой воды, можно определить количество мг Са²⁺, содержащегося в этом объеме исследуемой воды, а затем и в литре такой воды, умножив полученную величину на 1000:50=20

1 мл 0,1N HCl ® 2,004 мг Са

V 0,1N HCl ® X мг Са

Рисунок 2 иллюстрирует как правильно проводить отсчет объема жидкости в бюретки: а – правильный отсчет; б – завышенный отсчет; в – заниженный отсчет.

 

Рис. 2. Способ отсчета по мениску жидкости

 

Меры предостороженности при проведении работ с химическими реактивами:

1. Работайте всегда на одном и том же месте.

2. Не загромождайте рабочий стол свертками, папками, книгами.

3. Запрещается приносить в лабораторию съестное, напитки, использовать жевательную резинку во время работы.

4. Соблюдать в лаборатории тишину и чистоту.

5. Перед каждой лабораторной работой внимательно изучить теоретический материал по указанной теме.

6. Приступить к опыту только после того, как уяснена его цель и порядок выполнения.

7. Особая осторожность требуется при работе со стеклянной посудой и приборами.

8. При нагревании стеклянных колб на плитке подложите асбестовую ткань.

9. Децинормальные растворы солей, кислот и щелочей имеют низкую процентную концентрацию, но при работе с ними не следует забывать общие правила предосторожности при работе с химическими веществами.

10. Особого внимания требует фильтрация горячего раствора. При переливании его из колбы в воронку с фильтром следует сложить салфетку углом и сделать защитный выступ под рукой из ткани.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Соли кальция и магния, растворенные в воде, вызывают ее жесткость. Показатель жесткости выражается в мг.экв/литр. Один мг.экв жесткости соответствует содержанию в литре воды 20,04 мг Са²⁺ или 12,16 мг Мg²⁺.

Различают жесткость постоянную и временную.

Временная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂, она устраняется длительным кипячением

 

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + СО₂

 

Эта реакция обратима (равновесна), так как при контакте СО₂ с раствором можно снова получить кислую соль. Только при кипячении СО₂ улетучивается и равновесие смещается в сторону нерастворимой соли.

Постоянная жесткость - это жесткость кипяченой воды, вызывается присутствием в воде хлоридов и сульфатов кальция и магния двухвалентных. Большие значения жесткости опасны отложениями внутри водопроводных и особенно водонагревательных систем нерастворимого осадка, выводящего из строя оборудование. Борьба с этим явлением сводится к связыванию ионов кальция и магния в нерастворимые соли до подачи такой воды в системы водоснабжения

СaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaCl

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃ + Na₂SO₄

 

Общая жесткость воды - это сумма постоянной и временной жесткости. Обычно показатели временной жесткости в несколько раз превышают индексы постоянной.

Фактор жесткости питьевой воды определяет региональные особенности состояния здоровья населения наряду с характерными для данного пункта, местности вредными примесями в воздухе, воде и почвах.

Принято считать воду с общей жесткостью:

до 3,5 мг.экв/литр - мягкой;

от 3,5 до 7 мг.экв/литр - средней;

от 7 до 10 мг.экв/литр - жесткой;

свыше 10 мг.экв/литр - очень жесткой.

Большие значения жесткости, характерные для артезианских вод солонцовых почв, придают воде неприятный вкус и небезопасны при ежедневном применении в пищу, так как провоцируют отложения солей в суставах (полиартриты, остеохондрозы), общее нарушение обменных процессов в организме. Ионы кальция и магния омыляют жиры, нарушая процессы всасывания питательных веществ в кишечнике, вызывая дерматиты. Повышенное содержание кальция в питьевой воде на фоне йодной недостаточности вызывает заболевания щитовидной железы. Повышенное содержание магния снижает моторику кишечника, препятствуя пищеварительному процессу.

Пониженное содержание солей жесткости (ВОЗ ограничивает нижний допустимый предел 1,5 мг.экв/л) также опасно и вызывает у населения кариес и ослабление костей скелета, так как организм в этом случае восполняет недостаток кальция засчет внутренних ресурсов.

Таким образом, жесткость питьевой воды нормируется, исходя из ее гигиенического значения на уровне 7 мг.экв/литр.(ГОСТ 2874-82).

Допустимая жесткость промышленных вод различна для разных производств. Например, для банно-прачечного хозяйства предпочтительна мягкая вода, так как сульфаты кальция и магния дают реакцию с моющими средствами с образованием нерастворимого трудноудаляемого осадка. Для пищевой промышленности опасны как повышенные, так и пониженные значения жесткости, поэтому здесь предпочитается интервал от 5 до 7 единиц.

Жесткость воды может быть устранена следующими способами.

 

1.Кипячением воды

Гидрокарбонаты кальция и магния могут находиться в растворе только при наличии в нем свободного углекислого газа. Такой раствор можно рассматривать как равновесную систему.

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + CO₂ + H₂O

 

Растворимость газов падает при повышении температуры, при кипячении воды из нее устраняется углекислый газ. Поэтому понижение концентрации углекислого газа смещает равновесие в сторону нерастворимых карбонатов.

 

2. Химическим способом

На практике карбонатная жесткость устраняется не кипячением, а добавкой такого химреагента, который переведет ион кальция или магния в труднорастворимые соединения. Например,

Са(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСО₃ + 2Н₂О

или

СаСl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + 2NaCl

3CaCl₂ + 2Na₃PO₄ = Ca₃(PO₄)₂ + 6NaCl

 

3. Перегонкой

Катионным способом - пропустить через слой природного минерала цеолита или его синтетического аналога - пермутита (алюмосиликата Na₂Al₂Si₂O₆ × H₂O.) При этом происходит обменная реакция

CaCl₂ + Na₂П........ = 2NaCl + CaП,

 

где П - пермутитовая группа без натрия, замещаемого кальцием жесткой воды. На этом принципе действуют фильтры доочистки воды , в т.ч. бытовые.

 

4. Деминерализацией воды

Жесткость можно устранить с помощью ионообменных смол, представляющих собой высокомолекулярные органические вещества, содержащие кислотные или основные функциональные группы. Смолы - катиониты содержат карбоксильную группу СООН или сульфогруппу ОS₃H, смолы- аниониты аминогруппу NH₂-. Если остаток смолы обозначить R, то катионит запишется как R-COOH, анионит как R-NH₂.

Реакция деминерализации пойдет так:

 

2RCOOH + CaCl₂ = (RCOO)₂Ca + 2HCl

RNH₂ + HCl = RNH₃Cl

 

Рассмотренные процессы снижения содержания солей жесткости называются умягчением воды. Чаще всего эти процессы применяются для воды, идущей на питание котлоагрегатов с целью предотвращения образования накипи. В быту устранение жесткости предпочтительно сочетать с другими способами очистки. Такой комплекс включают в себя всем известные бытовые фильтры промышленного производства. Обычно в них использованы сорбенты (поглотители) двух-трех типов, расположенные каскадно один за другим: против взвешенных частиц, против химически активных и микробиологических примесей.

Представьте ситуацию, когда повышенное содержание частиц почвы, нередкое для российских условий, выводит из строя первый каскад. Тогда два остальных механизма очистки, не рассчитанные на поглощение механических примесей, также не сработают и, более того, вскоре сами станут источником дополнительного загрязнения.

По мнению многих ученых-экологов, разработка бытовых фильтров для условий России должна учитывать прежде всего состояние исходного продукта очистки, даже формулировка которого - сложная научная проблема.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приборы и реактивы:

–      цилиндр мерный емкостью 100-1000 мл, ГОСТ 1770

–      цилиндр мерный емкостью 10-20 мл, ГОСТ 1770

–            колбы конические плоскодонные емкостью 150-250 мл, ГОСТ 25336

–      бюретка стеклянная мерная с краном 5-25 мл, ГОСТ 1770

–      воронка стеклянная фильтровальная, ГОСТ 23932

–      фильтры бумажные диаметром 7 см

–      кислота соляная децинормальной концентрации;

–      натрий едкий, децинормальный раствор;

–      натрия карбонат, децинормальный раствор;

–      индикатор метиловый оранжевый.

 

ОПЫТ 1. Определение временной жесткости

Замечание. Подготовить 6 конических колб емкостью 250 мл и отмерить во все по 50 мл исследуемой водопроводной воды для опытов 1 и 2.

Способ основан на реакции между соляной кислотой и гидрокарбонатами.

 

Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = CaCl₂ +2H₂O + 2CO₂

 

Аналогично уравнение для магния.

Титрование контролируется индикатором метиловым оранжевым.

Методика проведения эксперимента следующая.

1.    Поместить в три конические колбы по 50 мл исследуемой воды.

2.    Добавить в каждую колбу по две-три капли индикатора метилового оранжевого.

3.    Заполнить бюретку 0,1N раствором соляной кислоты до верхней нулевой отметки.

По каплям добавлять в колбу децинормальный раствор соляной кислоты из бюретки, осторожно размешивая реагенты покачиванием колбы. Титрование прекратить, как только окраска жидкости в колбе перейдет в розовую.

4.    Оценить изменение цвета раствора.

5.    Подсчитать по шкале бюретки и записать расход кислоты на титрование в табл. 1 Vk₁ в мл.

6.    Слить в сток оттитрованную пробу и трижды ополоснуть колбу водопроводной водой.

7.    Снова c помощью мерного цилиндра отмерить в колбу 50 мл испытуемой воды и добавить 2-3 капли индикатора метилового оранжевого.

8.    Повторить пункты 3-7, определив Vk2 и Vk3. Результаты занести в таблицу расхода кислоты в соответствующие графы.

9.    Вычислить из полученных данных Vk среднее. Использовать это среднее значение для расчетов временной жесткости по формуле:

 

 

Результаты вычисления временной жесткости занести в табл. 2.

 

ОПЫТ 2. Определение общей жесткости воды

Способ основан на осаждении ионов двухвалентного кальция и магния растворами щелочной смеси, состоящей из децинормальных растворов едкого натрия и карбоната натрия.

Ca(HCO₃)₂ + 2NaOH = CaCO₃ + Na₂CO₃ + 2H₂O

CaSO₄ + Na₂CO₃ = CaCO₃ + Na₂SO₄

 

Для магния уравнения аналогичны.

Взяв щелочную смесь в избытке, определим не прореагировавшую часть титрованием децинормальным раствором соляной кислоты.

Подсчитав расход кислоты на титрование, вычислим общую жесткость.

 

Порядок проведения опыта

1.    С помощью мерного цилиндра отмерить в коническую колбу 50 мл испытуемой на содержание солей жесткости воды.

2.    Мерным цилиндром емкостью 10 мл отмерить и добавить в колбу с исследуемой водой по 10 мл децинормальных растворов NaOH и Na₂CO₃ (итого 20 мл), что достаточно для создания избытка щелочи в пробе.

3.    Прокипятить колбу с раствором, состоящим из смеси исследуемой воды со щелочью, в течение 3-5 минут, чтобы добиться необратимого разложения солей жесткости.

4.    Остудить колбу и профильтровать раствор, учитывая требования раздела "Меры предосторожности".

5.    В отфильтрованную воду добавить 2-3 капли индикатора метилового оранжевого до создания светло-желтой окраски раствора.

6.    Выполнить титрование децинормальным раствором соляной кислоты, как указано в пункте 3 и 4 опыта 1 настоящей работы.

7.    Расход децинормального раствора соляной кислоты отсчитать по шкале бюретки и записать в табл.1 в соответствующей графе.

8. Опыт проделать трижды и вычислить среднее значение Vк в табл. 1.

9. Вычислить общую жесткость Ж_о испытуемой воды по формуле

 

 

Результаты вычисления занести в табл. 2.

Вычислив опытным путем величины временной и общей жесткости, можно определить и постоянную жесткость по известной формуле

 

, (3)

 

Таблица 1

 

Таблица 2

 

Сделать выводы о величинах жесткости питьевой воды, которую вы исследовали и сравнить с нормами ГОСТ 2874-73, приведенными в табл. 3

 

Таблица 3