OZNACZANIE TWARDOŚCI WODY WODOCIĄGOWEJ PRZY UŻYCIU ELEKTRODY JONOSELEKTYWNEJ

Transkrypt

1 OZNACZANIE TWARDOŚCI WODY WODOCIĄGOWEJ PRZY UŻYCIU ELEKTRODY JONOSELEKTYWNEJ Intrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowika Uniwerytetu Łódzkiego. 1. Wprowadzenie 1.1. Twardość wody Twardość wody jet to właściwość polegająca na zużywaniu pewnych ilości mydła bez wytworzenia piany podcza wytrząania próby wody. Właściwość tę nadają naturalnej wodzie jony wapnia, magnezu, żelaza, manganu, glinu, cynku oraz innych ciężkich kationów, które tworzą z mydłem dodawanym do wody nierozpuzczalne mydła wapniowe, magnezowe i inne nie tworzące piany podcz wytrząania. Piana zaczyna ię wytwarzać dopiero wówcza, gdy natąpi całkowite ich trącenie. Ilość zużytego przez wodę mydła do chwili pojawienia ię piany charakteryzuje topień twardości wody. Ponieważ w wodach naturalnych dominują przeważnie ole wapnia oraz magnezu, natomiat inne kationy metali ciężkich wytępują w znikomych ilościach, więc twardość wody naturalnej zależy głównie od zawartości jonów Ca 2+ i Mg 2+ w badanej wodzie. Jeżeli jednak któryś ze wpomnianych jonów wytępuje w więkzych ilościach, to należy go podcza określania twardości uwzględnić. Twardość wody urowej nazywa ię twardością ogólną (Tw). Twardość wywołana przez wodorowęglany, węglany i wodorotlenki wapnia i magnezu nazywa ię twardością węglanową (Tw w ). Twardość wywołana przez inne związki wapnia i magnezu nazywa ię twardością niewęglanową (Tw N ). Twardość węglanowa i niewęglanowa tanowią w umie twardość ogólną wody (Tw O ). Co przedtawia tabela 1. Tabela 1. Rodzaje twardości. Podział według kationów Symbol Rodzaj twardości Tw Ca wpniowa Tw WCa Twardość ogólna Tw O Podział według anionów Twardość Twardość Tw w Tw N węglanowa niewęglanowa Ca(HCO 3 ) 2 CaSO 4 Ca(OH) 2 Tw NCa CaCl 2 CaCO 3 Ca(NO 3 ) 2 Mg(HCO 3 ) 2 MgSO 4 1

2 Tw WCa magnezowa Tw WMg Mg(OH) 2 MgCO 3 Tw NMg MgCl 2 Mg(NO 3 ) 2 Według tarzej nomenklatury twardość ogólną wody dzielono na twardość przemijającą, gdyż twardość ta maleje znacznie po przegotowaniu wody i twardość tałą, która pozotaje po przegotowaniu wody. Twardość węglanową częto utożamia ię z twardością przemijającą, co jet niezupełnie łuzne, gdyż węglany i wodorotlenki pozotają w wodzie po przegotowaniu i w ten poób twardość węglanowa jet więkza od twardości przemijającej. Rozkład termiczny twardości węglanowej wiąże ię z reakcją rozkładu wodorowęglanu wapniowego i magnezowego oraz z hydrolizą powtałego węglanu magnezowego w myśl równania: Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 (1) Mg(HCO 3 ) 2 MgCO 3 + H 2 O + CO 2 (2) MgCO 3 + H 2 O Mg(OH) 2 + CO 2 (3) Podcza ogrzewania wody rozpuzczalność dwutlenku węgla zmniejza ię i wydziela ię on do atmofery. Prowadzi to do naruzenia równowagi węglanowo - wapniowej i z wody wytrąca ię trudno rozpuzczalny węglan (IV) wapnia (CaCO 3 ), tworząc kamień kotłowy. Natomiat węglan (IV) magnezu reaguje z wodą dając trudno rozpuzczalny oad wodorotlenku magnezu Mg(OH) 2. Rozpuzczalność węglanu (IV) wapnia w 1dm 3 wody detylowanej w temperaturze pokojowej wynoi 14 mg CaCO 3 /dm 3, a wodorotlenku magnezu około 8 mg Mg(OH) 2 /dm 3. Twardość wody podaje ię w tzw. topniach twardości wody (niemieckich, francukich, angielkich i innych) lub w milivalach (miligramorównoważnikach) jonów wapnia i magnezu w 1dm 3 wody. W Polce rozpowzechnione jet wyrażanie twardości wody w topniach ogólnoeuropejkich lub w milivalach kładnika na 1dm 3 wody. Z przyjętej konwencji wynika, iż 1 topień twardości odpowiada 10 mg/dm 3 CaO, a w takim razie 1 mval/dm 3 = 2.8 tw. Z zależności tej częto korzyta ię podcza przeliczania twardości wody z milivali na topnie twardości i odwrotnie. Twardość wody nie ma znaczenia zdrowotnego. W gopodartwie domowym woda twarda jet niepożądana, gdyż powoduje m.in. duże zużycie mydła, twardnienie jarzyn podcza gotowania. Wiele różnych gałęzi przemyłu wymaga wody miękkiej, zczególnie 2

3 woda do zailania kotłów nie powinna być twarda, gdyż powtający kamień kotłowy zwiękza znacznie traty ciepła i twarza niebezpieczeńtwo wybuchu. Wymagany topień zmiękczania wzrata z ciśnieniem panującym w kotle. Spoób zmiękczania wody należy rozpatrywać w każdym przypadku indywidualnie (w zależności od twardości wody urowej i wymaganego topnia zmiękczania). W tabeli 2 podano kalę przyjętą do oceny twardości. Tabela 2. Skala twardości wody. Skala twardości bardzo miękka miękka o średniej twardości twarda bardzo twarda Twardość ogólna (w topniach twardości) powyżej Metoda oznaczania Celem ćwiczenia jet oznaczanie twardości ogólnej wody (Tw O ) przy użyciu elektrody jonoelektywnej. Przy pomocy elektrody do pomiaru tężenia jonów dodatnich dwuwartościowych określa ię tężenie jonów wapnia i magnezu, co pozwala określić twardość ogólną wody Metoda bezpośredniej kalibracji Metoda pomiaru bezpośredniego jet protą, bezpośrednią procedurą pomiaru dużej ilości próbek. Do pomiaru jednej próbki wytarcza tylko jeden odczyt. Stężenie lub aktywność jonów w roztworze można odczytać bezpośrednio na kali logarytmicznej miernika (przy użyciu aparatu typu 407A) po jego wykalowaniu na dwa znane roztwory wzorcowe różniące ię dzieięciokrotnie wartością tężenia. Przewidywane tężenie próbki powinno mieścić ię w zakreie tych wzorców. Podcza oznaczania twardości ogólnej wody jako wzorca używa ię węglanu (IV) wapnia Metoda dodawania próbki 3

4 Technika pomiaru metodą dodawania próbki polega na dodawaniu próbki do roztworu wzorcowego. Ponieważ dokładność pomiaru wymaga w przybliżeniu podwojenia tężenia roztworu wzorcowego w rezultacie dodawania, znane mui być tężenie próbki. metoda dodawania próbki jet zalecana dla próbek małych, próbek o dużym tężeniu, bądź o dużej lepkości, ewentualnie próbek zanieczyzczonych. Jeżeli w próbce znajduje ię duża ilość czynnika komplekującego, do roztworu wzorcowego należy dodać tego amego czynnika w dużym nadmiarze. 2. Odczynniki i aparatura miernik typu 407A elektroda jonoelektywna do dwuwartościowych jonów dodatnich ORION model elektroda odnieienia jednozłączowa ORION model roztwór węglanu wapnia o tężeniu 0.1 mol/dm 3 3. Wykonanie oznaczenia Przed przytąpieniem do wykonania pomiarów należy zapoznać ię z intrukcją obługi miernika typu 407A Sprawdzenie działania elektrody 1. Podłączyć elektrody do miernika wkładając wtyczkę elektrody odnieienia i elektrody czujnikowej do odpowiedniego gniazda miernika. 2. Wlać 100 ml wody detylowanej do zlewki o pojemności 250 ml. Odmierzyć pipetą 1 ml roztworu wzorcowego o tężeniu 0.1 mol/dm 3 i dokładnie wymiezać. Utawić przełącznik rodzaju pracy w pozycję X Umieścić elektrody w roztworze. Regulować kalibratorem, aż wkazówka miernika wkaże wartość 1 na środku czerwonej kali logarytmicznej. 4. Dodać 10 ml roztworu wzorcowego o tężeniu 0.1 mol/dm 3, wymiezać dokładnie i odczekać aż wkazania utabilizują ię. Regulować kompenatorem, aż wkazówka miernika wkaże wartość 10 w prawym końcu czerwonej kali logarytmicznej. Obrócić 4

5 przezroczytą tarczą wkaźnika nachylenia, aż biała trzałka kompenatora temperatury wkaże temperaturę roztworu Pomiar metodą bezpośredniej kalibracji 1. Przygotować po 100 ml roztworów wzorcowych o tężeniach 10-2 i 10-3 mol /dm 3 CaCl 2 przez kolejne rozcieńczenie roztworu wzorcowego o tężeniu 0.1 mol/dm 3. Utawić przełącznik rodzaju pracy w pozycji X ++. Przepłukać elektrody wodą detylowaną i ouzyć. Umieścić elektrody w roztworze o tężeniu 10-3 mol/dm 3. Wymiezać dokładnie i odczekać aż wkazania utabilizują ię. Przy pomocy kalibratora utawić wkazówkę miernika na wartość 1 czerwonej kali logarytmicznej (środek kali). 2. Opłukać elektrody, wyuzyć je i umieścić w roztworze wzorcowym o tężeniu 10-2 mol/dm 3. Wymiezać dokładnie i odczekać aż wkazania utabilizują ię. Obracając pokrętłem kompenatora temperatury, natawić wkazówkę miernika na wartość 10 czerwonej kali logarytmicznej (prawy koniec kali). 3. Przelać 100 ml próbki do zlewki o pojemności 250 ml. 5. Opłukać elektrody, wyuzyć je i umieścić w próbce. Wymiezać dokładnie i odczekać aż wkazania utabilizują ię. Pomnożyć wartość odczytaną z czerwonej kali logarytmicznej miernika przez 10-3, w celu określenia tężenia próbki w molach na litr. 5a. Jeżeli wkazówka wychyla ię poza kalę w prawo, opłukać elektrody, ouzyć je i umieścić w roztworze wzorcowym o tężeniu 10-2 mol/dm 3. Regulować kalibratorem, aż wkazówka będzie wkazywać wartość 1 na czerwonej kali logarytmicznej. Opłukać elektrody, wyuzyć je i ponownie umieścić w próbce. Pomnożyć wartość odczytaną z czerwonej kali logarytmicznej przez 10-2, w celu określenia tężenia próbki w molach na litr, tzn. odczyt 1miernika oznacza tężenie 10-2 mol/dm 3. 5b. Jeżeli wkazówka wychyla ię poza kalę w lewo, opłukać elektrody, ouzyć je i umieścić w roztworze wzorcowym o tężeniu 10-3 mol/dm 3. Regulować kalibratorem, aż wkazówka będzie wkazywać wartość 10 na czerwonej kali logarytmicznej. Opłukać elektrody, wyuzyć je i ponownie umieścić w próbce. Pomnożyć wartość odczytaną z 5

6 czerwonej kali logarytmicznej przez 10-4, w celu określenia tężenia próbki w molach na litr, tzn. odczyt 1miernika oznacza tężenie 10-4 mol/dm 3. Oznaczenia prowadzić dla 5 prób wody wodociągowj, 5 prób cieku wodnego, 5 prób wody wodociągowej po przegotowaniu. 4. Opracowanie wyników 1. Wtęp teoretyczny. 2. Wyznaczyć twardość wody metodą bezpośredniej kalibracji (mol/dm 3 ) 3. Wynik końcowy przeliczyć na niemieckie topnie twardości korzytając ze wzoru: T w = C gdzie: C-tężenie jonów wapnia w mol/dm 3 4. Uśrednić uzykane wyniki. 5. Ozacować popełniony błąd dla wyliczonych wartości twardości wody. 6. Przeprowadzić dykuję wyników. 7. Potrzebne wzory a) średnią arytmetyczną ( x ) gdzie: x i - pozczególny wynik pomiaru n - liczba wyników b) wariancję (V) x V n x i ( x x) 2 i n 1 c) odchylenie tandardowe pojedyńczego wyniku (średni błąd kwadratowy) () ( x x) 2 i n 1 6

7 d) odchylenie tandardowe średniej arytmetycznej ( x ) x lub n x ( x x) i n( n 1) 2 e) względne odchylenie tandardowe ( r ) r x Literatura: Cygańki A. Metody elektroanalityczne, Wyd. 2, W-wa, WNT 1995, (rozdziały: , , 3.4.7) INSTRUKCJA OBSŁUGI MIERNIKA STĘŻENIA JONÓW TYPU 407 A - ORION 1. Elementy natawcze Skale miernika Skala logarytmiczna (czerwona) Podziałka od 0.1 do 10 - do pomiaru tężenia jonów w dowolnych, odpowiednich jednotkach tężenia Skala przyrotowa (zielona) Podziałka od 1.2 do z lewej trony, do pomiaru z zatoowaniem metody odejmowania i od do 0.15 z prawej trony, z zatoowaniem metody dodawania Skala ph (czarna) Podziałka od 0 ph do 14 ph, z działką 0.1 ph Skala mv (niebieka) Podziałka od -600 mv do +600 mv, z działką 10 mv, z możliwością odczytania wartości od -700 mv do +700 mv. Przełącznik rodzaju pracy Służy do natawiania miernika na wymagany rodzaj pomiaru. Każda pozycja przełącznika jet oznakowana kolorami odpowiadającymi kolorom kal. 7

8 BATT - do kontroli baterii -gdy miernik nie jet podłączony do ieci, wkazówka utawia ię w pozycji BATT OK, o ile bateria jet w pełni naładowana. ph - do pomiaru ph -odczyt na czarnej kali ph. X - - do odczytu tężenia lub aktywności jednowartościowych jonów ujemnych - czerwona kala logarytmiczna. X = - do odczytu tężenia lub aktywności dwuwartościowych jonów ujemnych - czerwona kala logarytmiczna. X ++ - do odczytu tężenia lub aktywności dwuwartościowych jonów dodatnich- czerwona kala logarytmiczna. X + - do odczytu tężenia lub aktywności jednowartościowych jonów dodatnich- czerwona kala logarytmiczna. MV - do odczytu potencjału w mv -czarna kala, działki oznakowane cyframi niebiekimi. TEMP C - SLOPE (Temperatura - nachylenie) Kompenator temperatury (czarne pokrętło w środku przezroczytej tarczy z tworzywa ztucznego, na płycie przedniej miernika) jet używany do regulacji nachylenia charakterytyki elektrody podcza wzorcowania bądź zmiany temperatury.skala temperatury (górna połówka przezroczytej tarczy) poiada podziałkę od 0 do 100 z działką 2. Wkaźnik nachylenia elektrody (przezroczyta tarcza z tworzywa ztucznego, z lewej trony płyty przedniej miernika) jet używany do wkazania odchylenia między rzeczywitym nachyleniem charakterytyki elektrody a teoretycznym nachyleniem wynikającym z równania Nerta. Skala nachylenia (dolna połówka przezroczytej tarczy) poiada podziałkę od 80 do100, z działką 1.Tarcza wkaźnika nachylenia nie ma wpływu na odczyt miernika. CALIB (Kalibrator) Kalibrator (lewa dolna część płyty czołowej miernika) łuży do wzorcowania przyrządu i elektrod zgodnie ze wzorcem o znanej aktywności, tężeniu, bądź ph. Kalibrator nie działa jeżeli przełącznik rodzaju pracy jet w pozycji MW.Kalibrator miernika typu 407A poiada napęd dwojakiego rodzaju, umożliwiający dokładną regulację w pozotałych dzieięciu obrotach. Przeuw kalibratora odbywa ię z więkzym oporem przy regulacji zgrubnej niż przy regulacji dokładnej. 2. Sprawdzenie przyrządu Sprawdzenie natawienia zera 8

9 Przy pozycji OFF przełącznika rodzaju pracy, wkazówka winna utawić ię dokładnie w środku kali. Sprawdzenie baterii (przy zailaniu bateryjnym) Odłączyć miernik od ieci. Utawić przełącznik rodzaju pracy w pozycji BATT. Jeżeli wkazówka nie wychyli ię w zakre zielonego łuku BATT OK, bądź w prawo od niego, należy naładować baterię przez podłączenie miernika do ieci. W czaie ładowania baterii miernik można ekploatować. 3. Podłączenie elektrod. 1. Utawić uchwyt elektrod na wymaganej wyokości i docinąć śrubę radełkową z tyłu uchwytu. 2. Umieścić elektrody w uchwycie. Przeunąć je natępnie w uchwycie w dół tak daleko, jak to jet możliwe. 3. Włożyć złącze wtykowe elektrody czujnikowej w duże gniazdo wejściowe na tablicy głównej miernika, aż do zatrzaśnięcia. 4. Włożyć złącze wtykowe elektrody odnieienia w małe czerwone gniazdo wejściowe na płycie głównej miernika. W tym momencie przyrząd jet gotowy do użytku. 9