close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- Ухтинский государственный технический университет

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
Химия
Определение жёсткости воды
Методические указания
Ухта, УГТУ, 2014
УДК 543.32
ББК 24.4 я7
З-36
Засовская, М. А.
З-36
Химия. Определение жёсткости воды [Текст] : метод. указания /
М. А. Засовская. – Ухта : УГТУ, 2014. – 11 с.
Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов
и практикума по дисциплине Химия для студентов первого курса всех специальностей и направлений.
Методические указания содержат описание, условия, порядок выполнения и
расчёт определения жёсткости воды.
Содержание контрольных заданий соответствует рабочей программе.
УДК 543.32
ББК 24.4 я7
Методические указания рассмотрены и одобрены заседанием кафедры химии
от 13 марта 2014 г., пр. №07.
Рецензент: В. И. Крупенский, заведующий кафедрой химии Ухтинского государственного технического университета, профессор, д.х.н.
Редактор: И. С. Елистратова, заведующая лабораторией кафедры химии Ухтинского
государственного технического университета.
Корректор: П. В. Котова.
Технический редактор: Л. П. Коровкина.
В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.
План 2014 г., позиция 138.
Подписано в печать 30.06.2014. Компьютерный набор.
Объём 11 с. Тираж 110 экз. Заказ №286.
© Ухтинский государственный технический университет, 2014
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Цель работы: Изучение методов количественного определения жёсткости
воды.
Природная вода представляет собой сложную систему, содержащую как в
растворимом так и коллоидном состоянии различные органические и неорганические соединения и органические соединения.
Одна из классификаций природных вод основана на типе преобладающего иона.
По преобладающему содержанию аниона вода подразделяется на:
- карбонатную (CO32–) или гидрокарбонатную (HCO3-);
- сульфатную (SO42–);
- хлоридную (Cl–).
По преобладающему катиону вода классифицируется на:
- кальциевую (Ca2+);
- магниевую (Mg2+);
- натриевую (Na+).
Природная вода сильно различается по общему содержанию растворенных
солей, так и по относительному содержанию отдельных ионов, что существенно
отражается на свойствах воды. Это различно влияет, в частности, на характер и интенсивность процессов коррозии металлов, бетона, природных каменных материалов. Так, известно, что морская или океанская вода, содержащая в среднем 36 г/л
солей, в большей степени вызывает коррозию различных материалов из камня, бетона или металлов, чем речная; средняя минерализация последней составляет
0,2-1,0 г/л. Для сравнения отметим, что минерализация озер колеблется в пределах
от 0,05 до 0,500 г/л (меньше на севере, больше на юге).
Катионы кальция и магния придают природным водам специфические
свойства. Значительное их содержание приводит к ухудшению вкусовых ощущений при использовании воды в пищевой промышленности и в быту, увеличению времени варки пищи и перерасходу мыла. Выпадающие в осадок при
кипячении соли кальция и магния вызывают раздражение и сухость кожи.
Особенно вредные для промышленного водоснабжения, они обусловливают
отложения прочного слоя накипи на стенках котлов в котельных установках.
Содержание в природных водах растворимых солей кальция и магния определяют её жесткость. По отношению к процессам умягчения различают жесткость:
I – карбонатную (временную), обусловленную катионами Ca и Mg и анионами НСО3-, это растворимые гидрокарбонаты: Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. При
нагревании эти соли разлагаются:
3
Са(НСО3)2 → СаСО3↓ + Н2О + СО2 или
Са2+ + 2НСО3– → СаСО3 + Н2О + СО2,
и вода делается мягкой. Поэтому эту жёсткость называют временной.
II – некарбонатную (постоянную), обусловленную катионами Ca2+ и Mg2+
и анионами Cl–, SO42–, NO3– и др. Эти растворимые сульфаты, хлориды, нитраты
кальция и магния.
III – общую, обусловленную катионами кальция и магния и анионами
HCO3 , Cl-, SO42-, NO3-.
Жобщая = Жкарбонатная + Жнекарбонатная;
Жобщ = Жвр. + Жпост..
-
Жёсткость (Ж) выражается в милимоль-эквивалентах ионов Ca2+ Mg2+ на
литр воды (ммоль-экв./л). Один ммоль-экв. жёсткости отвечает содержанию
20,04 мг/л Са2+ или 12,16 мг/л Mg2+.
Формулы, по которым рассчитывают жёсткость воды:
mCa 2 +
mMg 2 +
Жобщ =
+
,
ммоль − эквСа 2 +
ммоль − экввMg 2 +
где
VН 2 O= 1 л;
m – масса (мг);
ммоль-экв Ca+2 – эквивалентная масса Ca+2;
ммоль-экв Mg+2 – эквивалентная масса Mg+2.
2+
Жобщ = mCa
20,04
Ж H 20 =
где
(1)
+
mMg 2+ .
12,16
m ( в − ва )
M ( в − ва ) ⋅ VH 20
,
(2)
m ( в − ва ) – масса вещества (мг);
M ( в − ва ) – эквивалентная масса вещества (мг);
VH 20 – объём воды в (л).
Ж
VК
= H 20 ;
VH 20
HК
где
Ж H 20 =
Vк – объём кислоты;
Нк – нормальность кислоты;
VН2О – в л.
4
VК H К
,
VH 20
(3)
Пример 1. Вычислите жёсткость воды, в 500 л которой содержится 292 г
Mg(HCO3)2.
Решение:
Дано: VН2О = 500 мл, m Mg(HCO3)2 = 292 г.
Определить Ж(Н2О).
I способ: Mg(HCO3)2;
М = 145 г/моль;
Мэкв = 73 г/моль;
ЖН2О =
II способ: ЖН2О =
292 х1000
= 8 ммоль-экв./л.
73 х500
292
= 0,008 моль-экв./л или (х1000) – 8 ммоль-экв./л.
73 х500
Ответ: 8 ммоль-экв./л.
Пример 2. Определите массу Na3PO4, необходимую для смягчения 0,5 м3 воды с
жёсткостью равной 5 ммоль-экв./л.
Решение:
Дано: VН2О = 0,5 м3 (или 500 л), ЖН2О = 5 ммоль-экв./л.
Определить m(Na3PO4).
ЖН2О =
mb
; mb = ЖН2О · VН2О · моль-экв.
ммоль − эквVH 2O
Моль-экв. (Na3PO4) =
M ( Na3 PO4 ) 164
=
= 54,7 .
3
3
M(Na3PO4) = 5 · 500 · 54,7 = 13 675 мг (или 136,75 г).
Ответ: 136,75 г.
В зависимости от содержания Ca2+ и Mg2+ природные воды делятся на
следующие группы:
Жёсткость общая, мг-экв./л
до 1,5
меньше 4
от 4 до 8
от 8 до 12
больше 12
Тип воды
Очень мягкая вода
Мягкая
Средняя
Жёсткая
Очень жёсткая вода
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
1. Определение карбонатной (временной) жёсткости водопроводной воды
Определение карбонатной жёсткости воды основано на реакции:
M(HCO3)2 + 2HCl = MCl2 + 2CO2 + 2H2O,
где
(1),
M – это Ca2+, Mg2+;
или в ионной форме:
HCO–3 + H+ = CO2 + H2O.
(2)
Общее количество ммоль-экв. Ca2+ и Mg2+, содержащихся в воде и определяющих её карбонатную жёсткость, будет равно количеству ммоль-экв. HCl,
пошедших на реакцию (1) или (2). Это количество можно определить титрованием воды с использованием соляной кислоты в качестве титранта.
Применяют кислотно-основной индикатор – метиловый оранжевый
(метилоранж), который в кислой среде окрашен в розовый цвет, а в слабощелочной – в жёлтый.
Выполнение работы
Берут пипеткой или мерной колбой 100 мл водопроводной воды и переносят её в коническую колбу ёмкостью 250 мл. Добавляют 5-6 капель индикатора – метилоранжа до получения соломенного цвета и полученный раствор
титруют соляной кислотой. Для этого при постоянном перемешивании приливают из бюретки по каплям рабочий титрованный раствор 0,1N. HCl до тех пор,
пока жёлтая окраска анализируемого раствора воды не изменится от 1 капли
титранта на розовую.
Определяют по бюретке количество миллилитров HCl, пошедшей на титрование (V1).
Титрование повторяют с новой порцией водопроводной воды и вновь определяют объём (мл) HCl, пошедшей на титрование (V2). Расхождение в объёмах (V1 и V2) не должно превышать 0,1 мл. При большем расхождении титруют
вновь до тех пор, пока разница между результатами будем меньше 0,1 мл.
Для расчёта берут средний результат, т. е.
Vср = (V1 + V2)/2 (мл).
Карбонатную жёсткость вычисляют по формуле:
Жкарб. = (Vср. · NHCl · 1 000)/VH2O,
6
(3)
где
Vср. – среднее значение объёма HCl, пошедшее на титрование, мл;
NHCl – нормальная концентрация титранта, г-экв./л ;
VH2O – объём воды, взятой для титрования, мл.
Результаты экспериментов заносят в рабочую таблицу.
2. Определение общей жёсткости водопроводной воды
Под общей жёсткостью воды понимают сумму карбонатной и некарбонатной
(постоянной) жёсткости, обусловленной, как уже отмечалось выше, присутствием
ионов Ca2+ и Mg2+, независимо от типа солей, растворённых в воде.
Общую жёсткость определяют комплексонометрическим титрованием
воды. В качестве титранта применяют динатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, которая называется иногда трилоном Б, либо комплексом III
или сокращённо обозначается как ЭДТА:
Условно формулу этой соли можно записать в виде Na2H2Y.
В водном растворе она диссоциирует по уравнению:
Na2H2Y ↔ 2Na+ + H2Y2–.
ЭДТА реагирует с катионами металлов, образуя бесцветные комплексные
соединения, называемые комплексонами:
M2++H2Y2- = [MY]2- + 2H+.
Графическая формула комплексоната двухвалентного металла, например
кальция или магния, представлена ниже:
Комплексонаты являются бидентатными комплексными соединениями,
т. к. два атома лиганда (ЭДТА) связаны с катионом металла координационно
(за счет донорно-акцепторной связи). Штриховкой показано смещение связующих электронных пар от атомов азота (доноров) к иону металла (акцептора),
который также связан с атомами кислорода ковалентной связью.
7
Комплексонометрическое титрование проводят титрованным раствором
ЭДТА (титрант) в слабощелочной среде в присутствии индикатора, называемого металлоиндикатором, т. к. он реагирует на изменение концентрации того или
иного катиона металла.
Окраска металлоиндикатора чувствительна к изменению pH. Поэтому в
анализируемый раствор добавляют смесь гидроксида и хлорида аммония –
NH4OH + NH4Cl (аммиачно-буферный раствор), поддерживающий pH вблизи
значения 9-10.
В качестве металлоиндикатора мы будем применять диоксоазокраситель,
известный под названием эриохром чёрный Т (ЭХЧТ).
В слабощелочном растворе ЭХЧТ существует в виде аниона HInd2–, который образует с рядом двухвалентных катионов (в том числе с ионами Ca2+ и
Mg2+) интенсивно окрашенные в винно-красный цвет комплексы:
HInd2– + M2+ ↔ MInd– + H+
(4)
синий
винно-красный
В растворе с pH 9-10 равновесие (см. ур. 4) смещено влево.
Титрование водопроводной воды, содержащей буферную аммиачную
смесь, металлоиндикатор (благодаря индикатору раствор окрашен в виннокрасный цвет, см. ур. 4) ведут ЭДТА до тех пор, пока все катионы кальция и
магния из комплекса MInd- не перейдут в более прочный комплекс с титрантом –
MY2- (прочность этих комплексов можно сравнить, исходя из значений их констант нестойкости, приведенных ниже):
Mind– + H2Y = MY + HInd2– + H+
(5)
винно-красный
бесцветн. синий
Константы нестойкости комплексов Ca2+ и Mg2+ c трилоном Б и ЭХЧТ
Ион
Ca2+
Ca2+
Mg2+
Mg2+
Лиганд
Трилон Б
ЭХЧТ
Трилон Б
ЭХЧТ
К
2,0 10–11
1,4 10–4
2,0 10–8
3,6 10–6
Освободившиеся ионы индикатора (см. ур. 5) сообщают раствору чисто
синюю окраску.
Таким образом, при комплексонометрическом титровании ионов кальция
и магния в эквивалентной точке окраска резко меняется от винно-красной до
синей (без фиолетового оттенка), т. к. равновесие реакции (см. ур. 5) смещено в
сторону образования более прочного комплекса HInd2–.
8
Выполнение работы
В коническую колбу ёмкостью 250 мл внести с помощью пипетки или
мерного цилиндра 100 мл водопроводной воды, добавить 5 мл аммиачнобуферного раствора и столько же порошка индикатора эриохрома чёрного Т,
чтобы раствор окрасился в светло-фиолетовый цвет.
Перед титрованием содержимое колбы тщательно перемешивается её
вращением. Медленно титруют полученный раствор, приливая при постоянном
перемешивании 0,05N раствор титранта – ЭДТА. Перед концом титрования
раствор темнеет. Не пропустите этот момент! Затем приливают ЭДТА по 1 капле и тщательно после каждой капли перемешивают раствор.
Титрование считается законченным лишь тогда, когда от 1 очередной капли титранта раствор из фиолетового становится синим (или сине-голубым).
Отмеряют по бюретке количество миллилитров ЭДТА, пошедшее на титрование (V1).
Титрование повторяют с новой порцией воды и вновь определяют по бюретке объём титранта, пошедший на титрование (V2). Расхождение в затраченных объёмах (V1 и V2) не должно превышать 0,1 мл. При большем расхождении
воду титруют вновь до тех пор, пока разница не станет меньше 0,1 мл.
Vср. = (V1 + V2)/2 (мл).
Общую жёсткость водопроводной воды вычисляют по формуле:
Жобщ. = (Vср. · N · 1000)/VH2O (мг-экв./л),
где
(6)
Vср – среднее значение объёма ЭДТА, пошедшего на титрование, мл;
N – нормальная концентрация ЭДТА, г-экв./л;
VH2O – объём воды, взятой для титрования, мл.
Результаты эксперимента заносят в рабочую таблицу.
3. Определение постоянной жесткости водопроводной воды
Постоянную (некарбонатную) жёсткость воды определяют по разности:
Жпост. = Жобщ. – Жкарб.,
где
Жпост. – постоянная жёсткость, мг-экв.;
Жобщ. – общая жёсткость, мг-экв.;
Жкарб. – карбонатная жёсткость, мг-экв./л.
Полученный результат заносят в рабочую таблицу.
9
(7)
4. Контрольное задание: определение общей жёсткости воды
Получите у лаборанта контрольный раствор воды с неизвестной вам
жёсткостью.
Определите общую жёсткость воды так, как описано выше. Расчёт проводите по формуле (6). Полученные результаты внесите в рабочую таблицу. Форма рабочей таблицы приведена ниже (см. в конце пособия).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ
1. Какие соли обусловливают жёсткость природной воды? Укажите виды
жёсткости.
2. В каких единицах выражают жёсткость воды?
3. Вычислить жёсткость воды, зная, что в 500 л её содержится 302,5 г
Ca(HCO3)2.
4. Сколько граммов CaSO4 содержится в 1 м3 воды, если жёсткость, обусловленная присутствием этой соли равна 4 мг-экв./л?
5. Сколько граммов соды надо прибавить к 500 л воды, если жёсткость
равна 5 мг-экв./л, чтобы устранить её?
10
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1. Глинка, Н. Л. Общая химия / Н. Л. Глинка. – Л. : Химия, 1984. –
С. 596-598.
2. Коровин, Н. В. Общая химия / Н. В. Коровин. – М. : Высшая школа,
2000. – С. 392-396.
3. Васильева, З. Г. Лабораторные работы по общей и органической химии / З. Г. Васильева. – Л. : Химия, 1986. – 261 с.
4. Киреев, В. А. Курс химии. Ч. II / В. А. Киреев. – М. : Высшая школа,
1975. – С. 64-69.
5. Ахметов, Н. С. Неорганическая химия / Н. С. Ахметов. – М. : Высшая
школа, 1975. – С. 578.
11
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа