Определение жесткости воды

Жесткость воды обусловлена наличием в ней растворимых солей кальция и магния. Различают общую и временную жесткость воды.

Общая жесткость воды включает карбонатную жесткость, которая обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов, и некарбонатную, обусловленную солями кальция и магния с анионами сильных кислот – в основном хлоридами и сульфатами.

Карбонатную жесткость воды можно устранить кипячением, поэтому её также называют временной, а некарбонатную – постоянной. Учитывая то, что кальций и магний имеют разные атомные массы и их соотношение в природных водах не является постоянным, жёсткость воды выражают в ммоль-экв/л. Иногда жёсткость воды выражают также в немецких (10 мг СаО в 1 л воды), английских (1г СаСО₃ в 1 галлоне) или французских (1 г СаСО₃ в 100 000 г воды) градусах (1ммоль-экв/л соответствует 2,8^о жесткости). Вода, содержащая до 4 ммоль-экв/л, считается мягкой, свыше 12 ммоль-экв/л - очень жесткой, с промежуточным содержанием Са²⁺ и Mg²⁺ - cредней жесткости.

Определение общей жёсткости воды методом комплексонометрии

Метод основан на титровании воды раствором двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (комплексон ІІІ, сокращенная формула Na₂H₂Y) в щелочной среде при рН+10 с использованием эриохром чёрного в качестве металлохромного индикатора (сокращенная формула Na₂H₂Ind). Металлоиндикатором называют индикатор, изменение окраски которого зависит от концентрации иона металла. Металлохромные индикаторы содержат в своих молекулах хромовые группы (окрашенные), образующие с ионами металла внутрикомплексные соединения, по цвету отличающиеся от самих индикаторов.

Металлоиндикаторы в выбранной области рН образуют с ионами металлов достаточно устойчивые комплексы с соотношением М:Ind + 1:1. Условные константы устойчивости комплексов М:Ind должны быть меньше условных констант устойчивости комплексов, анализируемых металлов с комплексоном ІІІ. Комплекс металла с индикатором быстро разрушается при действии комплексона ІІІ.

Изменение окраски раствора в конечной точке титрования должно быть контрастным.

Комплексон ІІІ образует с ионами кальция и магния в щелочной среде бесцветные комплексные соединения.

Комплексонат кальция более прочный, чем магния, поэтому при титровании образуется в первую очередь. Эриохром черный образует с ионами магния окрашенный комплекс красно-фиолетового цвета, который при добавлении раствора комплексона ІІІ изменяет окраску на зелено-синюю, вследствие образования более прочного комплексоната магния состава MgY^2- и появление свободного индикатора H₂Ind.

Титрование раствором комплексона ІІІ определяют суммарное содержание солей кальция и магния.

В присутствии ионов металлов, комплексы которых с эриохром черным более прочные, чем с комплексоном ІІІ, наблюдается недостаточно четкий переход цвета индикатора. Определению жесткости воды не мешают ионы железа (не более 10 мг/л), кобальта, никеля, меди (не более 0,1 мг/л каждого) и некоторые другие элементы. Для маскирования различных катионов металлов, которые реагируют с комплексоном ІІІ, используют цианид калия, солянокислый гидроксиламин или сульфид натрия. Такая потребность возникает в основном при анализе сточных вод.

Ход работы

В коническую колбу на 100-200 мл отбирают пипеткой 10¸20 мл воды в зависимости от ожидаемой величины жёсткости, разбавляют при необходимости до 50 мл дистиллированной водой, добавляют 5 мл аммиачного буферного раствора с рН – 10 (20 г хлористого аммония растворяют в воде, добавляют 100 мл концентрированного аммиака и доводят объём смеси до 1 л), 10-15 мг сухого индикатора (0,5 г эриохром чёрного растирают в фарфоровой ступке с 50 г хлористого натрия), размешивают взбалтыванием и титруют раствором комплексона ІІІ с молярной концентрацией эквивалента 0,02 моль/л до перехода окраски с красно-фиолетового до цвета морской волны (сине-зеленый).

Общую жёсткость воды, ммольэкв/л (С_х) определяют по формуле:

С_E^- V₁ ^. 1000

С_x = -----------------

V₂

где С_E – концентрация рабочего раствора комплексона ІІІ (мольэкв/л);

V₁ - объем комплексона, пошедшего на титрование, мл;

V₂ - объем пробы воды (аликвота), мл

Кислотность и щелочность воды

Кислотность природных вод зависит в основном от концентрации растворенного свободного диоксида углерода и содержания гуминовых и других слабых органических кислот.

Щелочность воды обусловлена содержанием в ней солей угольной кислоты, а также органических оснований и анионов органических кислот.

Определение растворенных в воде свободных кислот и щелочей, а также компонентов карбонатной системы (Н₂СО₃, НСО₃^--, СО₃^2-) и агрессивного диоксида углерода основывается на титровании пробы воды рабочими растворами NaOH или НСl до определенных значений рН, которые фиксируют с помощью окрашенных индикаторов или рН-метрией со стеклянным электродом. Как правило, при рН < 4 гидрокарбонаты и карбонаты практически отсутствуют в воде. В интервале рН 4,5-7,0 присутствуют молекулы Н₂СО₃, СО₂ и ионы НСО₃^-, СО₃^2-, причем концентрация последних увеличивается при повышении рН и достигает максимального значения при рН 8,3-8,4. Если рН 8,3, то относительная часть СО₃^2- увеличивается, часть НСО₃^- уменьшается, а молекул Н₂СО₃(СО₂) практически нет.

Щелочность воды определяют титрованием раствором соляной или серной кислоты. Если вода имеет рН>8,3, то титрованием по фенолфталеину до рН 8,3 определяют свободную щёлочность (n), обусловленную в воде присутствием ионов СО₃^2- и анионов других сильных кислот.

Для определения общей щелочности (q) титрование кислотой проводят до рН = 4,5 в присутствии метилоранжа. Свободная щелочность является частью общей щелочности. Разность (q-п) равна содержанию гидрокарбонат ионов, выраженную в моль экв/л и называемую карбонатной или временной жёсткостью.

Контрольные вопросы

1. Что такое временная, постоянная и общая жёсткость воды и чем она

обусловлена?

2. Как можно удалить эти виды жёсткости?

3. Почему от постоянной жёсткости нельзя избавиться кипячением?

4. Почему стремятся умягчить воду?

5. Какие способы определения жёсткости воды вам известны?

6. Объясните назначение введения буферной смеси при титровании.

7. В каких единицах выражают жёсткость воды?