Теоретическое введение. Жесткость воды обусловливается присутствием в ней солей кальция и магния

Жесткость воды обусловливается присутствием в ней солей кальция и магния. Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную)жесткость. Временную жесткость придают воде гидрокарбонаты кальцияи магнияCa(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, постоянную − сульфаты и хлориды этих металлов CaSO₄, MgSO₄ и CaCl₂, MgCl₂ Сумма временной и постоянной жесткости составляет общую жесткость воды.

Жесткость воды выражается числом миллимолей эквивалентов ионовСа²⁺ и Мg²⁺, содержащихся в 1 л воды (ммоль/л). Один миллимоль эквивалентов жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л ионов кальция Са²⁺или 12,16 мг/л ионов магния Мg²⁺.

Для определения общей жесткости воды используется метод комплексонометрии. В основе этого метода лежит титрование воды раствором трилона Б в присутствии аммиачного буферного раствора и индикатора хромогена черного ЕТ-00 до перехода винно-красной окраски в синюю.

В присутствии ионов Са²⁺ и Мg²⁺ индикатор окрашивается в красный цвет, при отсутствии − в синий. При титровании жесткой воды раствором трилона Б происходит связывание ионов Са²⁺ и Мg²⁺, поэтому в конце титрования индикатор изменяет окраску и раствор становится синим.

Определение карбонатной жесткости воды сводится к определению концентрации гидрокарбонат-ионовНСО₃^‾ и, тем самым, эквивалентной этим ионам концентрации ионов жесткости Са²⁺ и Мg²⁺. Анализ проводят методом нейтрализации. В основе этого метода лежит титрование воды в присутствии метилоранжа раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую.

Анион НСО₃^‾вводе гидролизуется: НСО₃^‾ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ + ОН^‾,

поэтому вода имеет щелочную реакцию среды и метилоранж в ней окрашен в желтый цвет. При титровании раствором HCl такой воды протекает реакция нейтрализации: ОН^‾ + Н⁺ ↔ Н₂О.

Ионы Н⁺ нейтрализуют количество ионов ОН^‾, эквивалентное концентрации ионов НСО₃^‾.

Анализ воды на жесткость предполагает обычно:

1) определение общей жесткости Ж_о;

2) определение карбонатной жесткости Ж_к;

3) вычисление некарбонатной жесткости Ж_нк = Ж_о – Ж_к.

Выполнение работы

Опыт 1. Определение общей жесткости воды

В коническую колбу вместимостью 300 мл отмерить мерной колбой 100 мл анализируемой воды. Добавить к исследуемой воде 5 мл аммиачного буферного раствора, 5−7 капель индикатора хромогена черного и медленно титровать раствором трилона Б, постоянно перемешивая, до перехода винно-красной окраски в синюю.

Повторить титрование еще раз. Если результаты двух титрований совпадут (ΔV £ 0,1 мл), то по полученным результатам рассчитать общую жесткость. В противном случае необходимо оттитровать пробу воды еще раз.

Требование к результату опыта

Вычислить общую жесткость воды по формуле

Ж_о = (с_эк·V₁·1000) / V₂ ,

где с_эк – молярная концентрация эквивалентов трилона Б, моль/л; V₁ – объем раствора трилона Б, пошедшего на титрование, мл; V₂ – объем анализируемой воды, мл.

Опыт 2. Определение карбонатной и некарбонатной жесткости воды

В коническую колбу вместимостью 300 мл отмерить мерной колбой 100 мл воды, добавить к ней несколько капель метилоранжа. Подготовленную пробу оттитровать раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую. Повторить титрование еще раз. Если результаты двух титрований совпадут (ΔV £ 0,1 мл), то по полученным результатам рассчитать карбонатную жесткость. В противном случае необходимо оттитровать пробу воды еще раз.

Требования к результатам опыта

1. Вычислить карбонатную жесткость воды по формуле

Ж_к = (с_эк·V₁·1000)/V₂ ,

где с_эк· – молярная концентрация эквивалентов HCl, моль/л; V₁ – объем раствора HCl, пошедшего на титрование, мл; V₂ – объем анализируемой воды, мл.

2. Вычислить некарбонатную жесткость воды по разности

Ж_нк = Ж_о – Ж_к.

Примеры решения задач

Пример 17.1. Вычислить жесткость воды, зная, что в 500 л ее содержится 202,5 г Ca(HCO₃)₂.

Решение. Для решения задачи воспользуемся формулой

.

М_эк (Ca(HCO₃)₂) = 162/2 = 81 г/моль.

Ж = = 5 ммоль/л.

Пример 17.2. Вычислить карбонатную жесткость воды, зная, что на титрование 100 мл этой воды, содержащей гидрокарбонат кальция, потребовалось 6,25 мл 0,08 н. раствора НCl.

Решение. Вычисляем нормальность раствора гидрокарбоната кальция. Так как вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах, то можно написать V_A∙ с_эк·(А) = V_B∙ с_эк(B),

6,25∙0,08 = 100∙ с_эк·(Ca(HCO₃)₂),

отсюда (Ca(HCO₃)₂) = 0,005 г/моль.

Таким образом, в 1 л исследуемой воды содержится 0,005∙1000 = 5 ммоль гидрокарбоната кальция или 5 ммоль ионов Са²⁺. Карбонатная жесткость воды равна 5 ммоль/л.

Пример 17.3. Сколько граммов CaSO₄ содержится в 1 м³ воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 ммоль/л?

Решение. Из формулы находим

272 г,

где 68 г/моль – М_эк (CaSO₄), найденная по формуле

,

где М – молярная масса соли, г/моль; n – число ионов металла, участвующих в реакции от каждой молекулы; |c.o.| – абсолютное значение степени окисления иона металла.

М_эк(CaSO₄) = = 68 г/моль.

Пример 17.4. Какую массу соды Na₂CO₃ надо добавить к 500 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 5 ммоль/л?

Решение. В 500 л воды содержится 500 ∙ 5 = 2500 ммоль солей, обусловливающих жесткость воды. Для устранения жесткости следует прибавить 2500∙53 = 132500 мг = 132,5 г соды. (53 г/моль – молярная масса эквивалентов соды Na₂CO₃).