Ćwiczenie 12

Ćwiczenie nr 12

ANALIZA WODY

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest oznaczenie twardości wody, związanego i wolnego dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie, amoniaku, chlorków oraz tlenu rozpuszczonego w wodzie. Twardością wody nazywa się właściwości wody wynikające z obecności w niej jonów wapnia i magnezu oraz innych jonów metali wielowartościowych (Fe3+_{, Zn}2+_{, Al}3+_).

Cele kształcenia:

Student po wykonaniu ćwiczenia:

 ma wiedzę z zakresu podstawowych pojęć technologii chemicznej;  potrafi oznaczyć chlorki w wodzie;

 potrafi oznaczyć twardość wody;

 zna pojęcia: uzdatnianie, odsalanie wody morskiej, stopień twardości wody;  zna rodzaje twardości wody, jednostki stosowane w oznaczeniu twardości wody;  zna metody usuwania twardości wody, metody zmiękczania;

 potrafi oznaczyć związany i wolny dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie;

 potrafi oznaczyć amoniak;

 potrafi oznaczyć tlen rozpuszczony w wodzie metodą Winklera;  zna pojęcia BZT, utlenialność, odkrzemianie, jonity;

 opracowuje sprawozdanie z przeprowadzonych z ćwiczeń.

Odczynniki i sprzęt laboratoryjny:

Odczynniki: analizowana woda, woda destylowana, oranżu metylowy, fenoloftaleina, skrobia,

0.1M roztwór kwasu solnego, roztwór sodowo-ługowy (równe części 0.05M Na2CO3 i 0.1M NaOH), wersenian (komplekson III, sól sodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego), 0.05M H2SO4, 10% roztwór chromianu (VI) potasu, 0.1M AgNO3, bufor amonowy, 33 % roztwór Seignette`a, odczynnik Nesslera, chlorek amonu, tiosiarczan sodowy, siarczan (VI) manganu (II), jodek potasu, stężony H2SO4.

Sprzęt laboratoryjny: pipeta 100cm3_{, pipeta 25cm}3_{, pipeta 5cm}3_{, erlenmajerka, biureta 50cm}3_,

4 kolby stożkowe 250cm3_{, kolba stożkowa ze szlifem i korkiem 250cm}3_{, palnik gazowy,}

trójnóg, siatka, termometr, filtry/sączki, cylinder miarowy 100cm3 _{(2 szt.), bagietka.}

Karty charakterystyki:

Karty charakterystyki używanych odczynników znajdują się w sali C1/01 w miejscu wskazanym przez prowadzącego zajęcia na pierwszych ćwiczeniach.

Opis wykonania doświadczenia:

I. Oznaczenie twardości wody.

Oznaczenie twardości węglanowej wody.

Do erlenmajerki odmierzyć 25cm3 _{badanej wody, dodać kilka kropel oranżu metylowego.}

Odmierzoną ilość analizowanej wody zmiareczkować wobec oranżu metylowego 0.1n roztworem HCl. W wyniku działania kwasu solnego na kwaśne węglany magnezu i wapnia oznacza się twardość węglanową wody (Nw).

Twardość węglanową wody (Nw) określa się w milirównoważnikach/dm3 _{wg wzoru:}

Nw = 4 n [mR/dm3]

n- ilość cm3 _{0.1n HCl zużytego do miareczkowania.}

Kompleksometryczna metoda oznaczania wapnia, magnezu i twardości w wodach naturalnych i ściekach.

Do kolby stożkowej o pojemności 250cm3 _{odmierzyć 25cm}3 _{badanej wody. Dodać 1cm}3 buforu amonowego, szczyptę czerni eriochromowej. Tak przygotowany roztwór zmiareczkować wersenianem do zmiany barwy z winno–czerwonej poprzez lilową i fioletowo–niebieską do czystej niebieskiej. Uwaga: przy dalszym dodawaniu odczynnika barwa nie zmienia się. Ilość zużytego roztworu wersenianu pomnożona przez 4, odpowiada twardości ogólnej próby [No] wyrażonej w [0_n].

II. Oznaczanie chlorków.

Do kolby stożkowej o pojemności 250cm3 _{odmierzyć 25cm}3 _{badanej wody. Dodać 1-2 krople}

fenoloftaleiny. Następnie dodać około 1 cm3 _{10% roztworu chromianu (VI) potasu. Tak} przygotowany roztwór zmiareczkować 0.1M AgNO3 aż do zmiany barwy na odcień brunatny.

Oznaczyć chlorki korzystając ze wzoru:

Cl- _{= 4 х a х 35.5 [mg/dm}3_] Gdzie:

(a) – oznacza ilość zużytych cm3 _{0.1M AgNO3.}

III. Oznaczenie związanego dwutlenku węgla.

Do erlenmajerki odmierzyć 100cm3 _{badanej wody, dodać kilka kropel oranżu metylowego.}

Odmierzoną ilość analizowanej wody zmiareczkować wobec oranżu metylowego 0.1M

roztworem HCl. Odczytać ilość cm3 _{0.1M HCl zużytego do miareczkowania.}

Oznaczenie związanego dwutlenku węgla określa się wg równania:

Zawartość CO2 = (2.2 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub} Zawartość CO2 = 22 x n [mg/dm3_]

n- ilość cm3 _{0.1M HCl zużytego do miareczkowania.}

IV. Oznaczenie wolnego dwutlenku węgla.

Do erlenmajerki odmierzyć 100cm3 _{badanej wody, dodać kilka kropel fenoloftaleiny.} Odmierzoną ilość analizowanej wody zmiareczkować wobec fenoloftaleiny 0.011M roztworem Na2CO3, aż do uzyskania lekko różowego zabarwienia utrzymującego się przez

okres 5 minut, lub w przypadku próbek o temperaturze niższej niż 9o_{C – 10 minut. Odczytać}

ilość cm3 _{Na2CO3 zużytego do miareczkowania.}

Oznaczenie wolnego dwutlenku węgla określa się wg równania:

Zawartość wolnego CO2 = (0.5 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub}

Zawartość wolnego CO2 = 5 x n [mg/dm3_]

n- ilość cm3 _{Na2CO3 zużytego do miareczkowania.}

Oznaczenie wykonujemy metodą kolorymetryczną przy pomocy odczynnika Nesslera. Do

pierwszej erlenmajerki odmierzyć 25cm3 _{badanej wody. Dodać 75cm}3 _{wody destylowanej. Do}

drugiej erlenmajerki odmierzyć 100cm3 _{wolnej od amoniaku wody destylowanej. Następnie}

do każdej erlenmajerki dodać po 1cm3 _{33 % roztworu soli Seignette`a (w celu zapobieżenia}

powstania osadu utrudniającego obserwację zabarwienia) i po 1cm3 _{odczynnika Nesslera.}

Próbkę, w której jest tylko woda destylowana zmiareczkować chlorkiem amonu o stężeniu 0.315g/dm3_{, aż do zrównania barw w obu erlenmajerkach. Próbki mieszamy} starannie bagietką. (Dodanie odczynnika Nesslera do próbki wody powoduje, że tworzy się z amoniakiem bezpostaciowy osad jodku oksydirtęciowoamonowego o zabarwieniu czerwono-brunatnym. W przypadku małych ilości amoniaku roztwór zabarwia się na żółto,

większe ilości dają zabarwienie czerwono-brunatne lub osad). Odczytać ilość cm3 _NH4Cl

zużytego do zmiareczkowania próbki tylko z wodą destylowaną.

Oznaczenie amoniaku określa się wg równania:

Zawartość amoniaku = (0.1 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub} Zawartość amoniaku = n [mg/dm3_]

n- ilość cm3 _{NH4Cl zużytego do miareczkowania.}

VI. Oznaczanie tlenu rozpuszczonego w wodzie metodą Winklera.

Kolbę stożkową ze szlifem napełniamy analizowaną wodą tak aby zmieściły się w niej jeszcze tylko 4 cm3 _{kolejnych podawanych roztworów. Zatem do tak napełnionej kolby}

odmierzyć pipetą 2cm3 _{roztworu siarczanu (VI) manganu (II) (o ciężarze właściwym 1.270}

w 20o_{C) i 2 cm}3 _{alkalicznego roztworu jodku potasu. Powyższe roztwory należy wprowadzać}

do kolby w taki sposób, aby koniec pipetki był zanurzony pod powierzchnią wody. Kolbę zatykamy korkiem nie zważając na częściowe wylewanie się cieczy i silnie wytrząsamy przez kilkadziesiąt sekund. Należy zwrócić uwagę, aby pod korkiem nie został pęcherzyk powietrza. Jeżeli ciecz nad osadem jest mętna, wstrząsanie powtarzamy i znowu odstawiamy. Po wyklarowaniu się cieczy nad osadem wyjmujemy korek, dodajemy 2 cm3 _stężonego H2SO4, znów zatykamy kolbę, wstrząsamy i pozostawiamy kolbę do rozpuszczenia się osadu.

Po rozpuszczeniu osadu pobieramy z kolby pipetą 100cm3 _{roztworu i przenosimy do innej}

kolby stożkowej. Dodajemy kilka kropel skrobi. Tak przygotowany roztwór miareczkujemy

wobec skrobi 0.013M roztworem tiosiarczanu sodowego. Odczytać ilość cm3 _tiosiarczanu

Oznaczenie tlenu rozpuszczonego w wodzie określa się wg równania:

Zawartość tlenu = (0.2 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub} Zawartość tlenu = 2 x n [mg/dm3_]

n- ilość cm3 _{tiosiarczanu sodowego zużytego do miareczkowania.}

Instrukcja do sporządzenia sprawozdania:

1. Obliczyć twardość ogólną wody No.

2. Oznaczyć chlorki.

3. Oznaczyć związany dwutlenek węgla.

Dwutlenek węgla rozpuszczony w wodzie występuje prawie całkowicie w postaci CO2, a tylko około 1% w postaci słabo zdysocjowanego kwasu węglowego.

Reakcja zachodząca podczas ćwiczenia:

MeCO3 + 2HCl MeCl2 + CO2 + H2O (1) Me(HCO3)2 + 2HCl  MeCl2 + 2H2O + 2CO2 (2) gdzie: Me – wapń lub magnez

Z reakcji (1) wynika, że 2 mole HCl odpowiadają 1 molowi CO2 (44 g) związanego

w postaci węglanów, czyli 1 mol HCl odpowiada 22 g CO2. Stąd 1 dm3 _{naszego roztworu}

odpowiada 2.2g CO2 lub 1 cm3 _{0.1M HCl = 2.2mg CO2.}

Z reakcji (2) wynika, że 2 mole HCl odpowiadają 2 mole CO2 (88 g) związanego

w postaci kwaśnych węglanów, czyli 1 cm3 _{0.1M HCl odpowiada tu 4.4mg CO2.}

Jednak jak powiedzieliśmy wyżej, dwutlenek węgla związany odpowiada nie całości, lecz

tylko połowie CO2 zawartych w HCO3-_{, stąd i tutaj 1 cm}3 _{0.1M HCl = 2.2mg CO2.}

4. Oznaczyć wolny dwutlenek węgla.

Oznaczenie wolnego dwutlenku węgla polega na miareczkowaniu próbki wodorotlenkiem lub węglanem sodu wobec fenoloftaleiny jako wskaźnika.

Reakcja zachodząca podczas ćwiczenia:

Na2CO3 + CO2 + H2O  2NaHCO3

Na podstawie powyższej reakcji i znajomości stężenia molowego Na2CO3 obliczamy ilość

gramów wolnego CO2 odpowiadającą 1 dm3 _{naszego roztworu sody:}

0.011 x 106 g Na2CO3 – x g CO2 x = 0.5 g CO2

Zatem 1 dm3 _{0.011M Na2CO3 odpowiada 0.5 g CO2 lub 1 cm}3 _{0.011M Na2CO3 = 0.5 mg CO2.}

Jeżeli na naszą próbkę wody (100cm3_{) zużyliśmy „n” cm}3 _{roztworu sody, to zawartość} wolnego CO2 w tej wodzie wyniesie (0.5 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub 5 x n [mg/dm}3_]

Uwaga:

W przypadku wód o dużej twardości i dużej zawartości żelaza należy dodać do badanej wody 2 cm3 _{33 % roztworu Seignette`a w celu zapobieżenia zmętnieniu wywołanemu strącaniem}

odpowiednich kationów w środowisku alkalicznym.

5. Oznaczyć amoniak.

Amoniak w wodzie oznacza się zwykle dwoma sposobami: 1. Metoda bezpośredniej nessleryzacji.

2. Metoda destylacji i nessleryzacji.

W wyniku dodania odczynnika Nesslera do naszej próbki wody tworzy się z amoniakiem bezpostaciowy osad jodku oksydirtęciowoamonowego o zabarwieniu czerwono-brunatnym:

W przypadku małych ilości amoniaku roztwór zabarwia się na żółto, większe ilości dają zabarwienie czerwonobrunatne lub osad. Już 0.05mg NH4+ _{w litrze wody} powoduje w wyniku dodania odczynnika Nesslera powstanie słabego żółtego zabarwienia. Jeżeli dla osiągnięcia jednakowych barw w obu cylindrach należało

dodać do cylindra z wodą destylowaną „n” cm3 _{roztworu NH4Cl o podanym wyżej}

stężeniu, to zawartość amoniaku w mg/dm3 _{jest liczbowo równa ilości cm}3 _zużytego

roztworu NH4Cl.

53.496 g NH4Cl – 17.032 g NH3 0.315 g NH4Cl – x g NH3

x = 0.1 g NH3/dm3

Wynika stąd, że 1cm3 _{wymienionego roztworu chlorku amonowego odpowiada 0.1mg}

amoniaku, czyli zużycie „n” cm3 _{tego roztworu świadczy o obecności w badanej próbce wody}

0.1 x n mg NH3/100 cm3_{, lub n mg/dm}3_.

3 OH

+ NH

+ 2 [HgJ

]2-

O

Hg

Hg

Tlen rozpuszczony w wodzie oznacza się najczęściej metodą Winklera. Polega ona na

utlenianiu wprowadzonego do badanej wody Mn2+ _{do Mn}4+ _{rozpuszczonym w niej tlenem.}

Wprowadzony również do wody jodek potasu po jej zakwaszeniu utlenia się do wolnego jodu

kosztem Mn4+_{. Wydzielony jod odmiareczkowuje się tiosiarczanem wobec skrobi. W trakcie}

przeprowadzanego doświadczenia zachodzą następujące reakcje:

1) siarczan (VI) manganu (II) reaguje z wodorotlenkiem potasu lub sodu (z alkalicznego roztworu jodku potasu)

Mn2+ _{+ 2OH}- _{ Mn(OH)2}

2) powstały wodorotlenek manganu (II) szybko brunatnieje, przechodząc w uwodniony tlenek manganu (IV)

(pośrednio powstaje przy tym prawdopodobnie związek MnIII₎

3) po zakwaszeniu próbki obecny w roztworze jodek potasu redukuje utworzony początkowo

tlenek manganu (IV) do związku MnII_{, przy czym wydziela się równoważna ilość jodu}

MnO(OH)2 + 4H+ _{ Mn}4+ _{+ 3H2O}

Mn4+ _{+ 2J}- _{ Mn}2+ _{+ J2}

4) wydzielony jod odmiareczkowuje się tiosiarczanem

J2 + 2S2O32- _{ S4O6}2- _{+ 2J}

-Jak wynika z podanych reakcji, 2 mole tiosiarczanu sodu są równoważne połowie mola tlenu,

czyli 16g. Stąd 1 mol odpowiada 8g tlenu rozpuszczonego. Jeżeli więc 1dm3 _{0.05M roztworu}

tiosiarczanu sodu odpowiada 8g tlenu, to 1dm3 _{stosowanego przez nas 0.013M roztworu}

tiosiarczanu sodu odpowiada 0.2g tlenu rozpuszczonego w badanej wodzie, a 1cm3 _tego roztworu jest równoważony 0.2mg O2. W przypadku zużycia na wziętą do miareczkowania

próbkę (100cm3_{) „n” cm}3 _{0.013M tiosiarczanu, zawartość rozpuszczonego tlenu wyniesie 0.2}

x n mg/100 cm3 _{lub 2 x n mg/dm}3_.

Literatura:

Mn(OH)

+ 1/2O

MnO(OH)

1. Łada Z., Różycki C., Pracownia chemii analitycznej – analiza techniczna i instrumentalna. Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1990.

2. Klepaczko-Filipiak B., Łoin J., Pracownia chemiczna – analiza techniczna, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1994.

Wzór sprawozdania:

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 12 Analiza wody

Imię nazwisko

... ...

Nr grupy, kierunek, rok studiów data

...

I. Oznaczanie twardości wody:

Oblicz twardość węglanowej wody No:

Nw = 4 n [mR/dm3]

a b Norma dla wody pitnej

Objętość 0.1M HCl użyty do miareczkowania [cm3_] Twardość węglanowa [mR/dm3_] Twardość węglanowa [mR/dm3_] Woda I Woda II

Oblicz twardość ogólną wody:

a b Norma dla wody pitnej

Objętość wersenianu użytego

do miareczkownia [cm3_] Twardość ogólna [n°] Twardość ogólna [n°]

Woda I Woda II

II. Oznaczanie chlorków Korzystając ze wzoru:

Cl- _{= 4 x a x 35.5 [mg/dm}3_{] oblicz:}

(a) zużycie 0.1M AgNO3 Cl- [mg/dm3] Norma dla wody pitnej Cl- _[mg/dm3_]

Woda I V1 [cm3] Woda II V2 [cm3]

III. Oznaczenie związanego dwutlenku węgla.

Korzystając z równań oblicz zawartość związanego dwutlenku węgla:

Zawartość CO2 = (2.2 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub} Zawartość CO2 = 22 x n [mg/dm3_]

n- ilość cm3 _{0.1M HCl zużytego do miareczkowania.}

Tabela wyników pomiarów:

n [cm3_{] CO2 [mg/cm}3_{] CO2 [mg/dm}3_]

Woda I Woda II

IV.

Oznaczanie wolnego dwutlenku węgla.

Korzystając z równań oblicz zawartość wolnego dwutlenku węgla:

Zawartość wolnego CO2 = (0.5 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub}

Zawartość wolnego CO2 = 5 x n [mg/dm3_]

n- ilość cm3 _{Na2CO3 zużytego do miareczkowania.}

Tabela wyników pomiarów:

n [cm3_{] CO2 [mg/cm}3_{] CO2 [mg/dm}3_{] Norma dla wody pitnej}

CO2 [mg/dm3_] Woda I

Woda II

V. Oznaczanie amoniaku.

Korzystając z równań oblicz zawartość amoniaku:

Zawartość amoniaku = (0.1 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub} Zawartość amoniaku = n [mg/dm3_]

Tabela wyników pomiarów:

n [cm3_] Zawartość amoniaku [mg/cm3_]

Zawartość amoniaku [mg/dm3_]

Norma dla wody pitnej Zawartość amoniaku

[mg/dm3_] Woda I

Woda II

VI. Oznaczanie tlenu rozpuszczonego w wodzie.

Korzystając z równań oblicz zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie:

Zawartość tlenu = (0.2 x n) / 100 [mg/cm3_{] lub} Zawartość tlenu = 2 x n [mg/dm3_]

n- ilość cm3 _{tiosiarczanu sodowego zużytego do miareczkowania.}

Tabela wyników pomiarów:

n [cm3_] Zawartość tlenu

[mg/cm3_]

Zawartość tlenu [mg/dm3_]

Norma dla wody pitnej Zawartość tlenu

[mg/dm3_] Woda I

Woda II