Определение жесткости и умягчения воды

Цель работы: проведение анализа на жесткость и умягчение воды различными методами.

Жесткость воды обусловлена содержанием в ней растворимых солей кальция и магния, гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов.

Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жесткость воды. Временная жесткость определяется содержанием в воде растворимых гидрокарбонатов кальция и магния. При кипячении воды гидрокарбонаты переходят в малорастворимые карбонаты:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + CO₂ + H₂O,

Mg(HCO₃)₂ = MgCO₃ + CO₂ + H₂O.

Таким образом, временная жесткость устраняется.

Постоянная жесткость определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот, главным образом сульфатов и хлоридов. При кипячении эти соли не удаляются.

Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости составляет общую жесткость воды.

Измеряют жесткость числом миллимолей эквивалентов ионов жесткости (Ca⁺² и Mg⁺²) в 1 кг воды (ммэкв/кг). В связи с тем, что плотность воды близка к единице, жесткость можно измерять в ммэкв/дм³ или ммэкв/л.

При расчетах, связанных с жесткостью воды, следует учитывать, что Э_(Ca²⁺₎ = 1/2Ca²⁺ и Э_(Mg²⁺₎ = 1/2Mg²⁺, а М_Э(Ca²⁺₎ = 20 г/моль и М_Э(Mg²⁺₎ = 12 г/моль (где М_Э – молярная масса эквивалента).

Например: 0,2 г – это масса 0,01моль/экв или 10 ммоль эквивалентов Ca²⁺.

При контроле качества воды определяют ее жесткость. Анализ воды на жесткость предполагает обычно:

а) определение общей жесткости Ж_о;

б) определение карбонатной жесткости Ж_к;

в) вычисление некарбонатной жесткости Ж_нк.

Ж_нк = Ж_о – Ж_к.

Для определения общей жесткости используют метод комплексонометрии. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии аммиачно-буферного раствора (рН – 10,0) и индикатора раствора комплексона III (трилона Б) до перехода розовой окраски в голубую.

При анализе применяют один из индикаторов: кислотный хром синий К или эриохром черный Т. В присутствии ионов жесткости Ca²⁺ и Mg²⁺ эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет, в отсутствие – в голубой.

Комплексон III – двухзамещенная натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты:

NaOOCCH₂ CH₂COONa

N – CH₂ – CH₂ – N

HOOCCH₂ CH₂COOH

При титровании жесткой воды раствором комплексона III образуется внутрикомплексное соединение.

ООССН₂ CH₂COO ^2-

N – CH₂ – CH₂ – N

ООССН₂ Ca CH₂COO

Различают природную воду: очень мягкую – с жесткостью до 1,5 ммэкв/л; мягкую – от 1,5 до 4 ммэкв/л, средней жесткости – от 4 до 8 ммэкв/л, жесткую – от 8 до 12 ммэкв/л, очень жесткую – свыше 12 ммэкв/л.

При титровании жесткой воды раствором комплексон III образуется внутрикомплексное соединение (см. выше), т.е. связываются ионы Ca²⁺ и Mg²⁺. Поэтому в конце титрования индикатор изменяет окраску, раствор становится голубым.

Определение карбонатной жесткости воды Ж_к сводится к определению концентрации гидрокарбонат иона HCO₃^- и, тем самым, эквивалентной этим ионом концентрации ионов жесткости Ca²⁺ и Mg²⁺. Анализ проводят методом нейтрализации.

В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии метилового оранжевого раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую.

Анион HCO₃^- в воде гидрализуется

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-

Поэтому при условии Ж_к > 0 вода имеет щелочную реакцию среды и метиловый оранжевый в ней окрашен в желтый цвет. При титровании раствором HCl такой воды протекает реакция нейтрализации:

Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = 2СаCl₂ + 2CO₂ + 2H₂O,

2OH^- + 2H⁺ = 2H₂O.

Ионы Н⁺ нейтрализуют количество ионов ОН^-, эквивалентное концентрации

иона HCO₃^-.