Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Ćwiczenie nr 1: Oznaczanie podstawowych parametrów wody.

Technologia Wody i Ścieków, Ćwiczenia laboratoryjne. Prowadząca: mgr Agnieszka Bożęcka

Wykonali: Paweł Sobczak Piotr Musiał

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii kierunek: Ochrona Środowiska studia zaoczne, rok III, semestr IV, grupa 2

Data wykonania ćwiczenia: 2013.05.25

SPIS TREŚCI

SPIS TREŚCI 2

1. Wstęp teoretyczny. 3

1.1. Zasadowość i zasadowość całkowita. 3

1.2. Kwasowość mineralna i kwasowość ogólna. 3

1.3. pH. 3

1.4. Przewodność właściwa. 3

2. Cel ćwiczenia i opis ćwiczenia. 3

3. Zestawienie i opracowanie wyników. 4

3.1. Zasadowość ogólna Z_p. 4

3.2. Zasadowość całkowita Z_m. 4

3.3. Kwasowość mineralna. 5

3.4. Kwasowość ogólna. 5

3.5. Pomiar pH. 5

3.6. Przewodność właściwa wody. 6

4. Wnioski. 6

Wstęp teoretyczny.

Zasadowość ogólna i zasadowość alkaliczna (mineralna).

Zasadowość jest to zdolność wody naturalnej do zobojętniania mocnych kwasów mineralnych. Właściwości te nadają wodzie obecne w niej węglany, wodorowęglany i wodorotlenki oraz występujące w mniejszych ilościach krzemiany, borany, fosforany, amoniak, zasadowe związki organiczne i sole hydrolizujące z odczynem zasadowym. W wodach naturalnych (o pH poniżej 8,3) występują zazwyczaj wodorowęglany i węglany wapnia i magnezu, a także w niewielkich ilościach wodorowęglany magnezu.

W zależności od zakresu pH wody i ścieków rozróżnia się zasadowość alkaiczną (mineralną) i zasadowość ogólną.

Zasadowość mineralna – jest ilościowym wskaźnikiem zawartości jonów wodorotlenkowych i węglanowych, oznaczamy ją przez miareczkowanie próbki mocnym kwasem do pH=8,3 w obecności fenoloftaleiny lub potencjometrycznie.

Zasadowość ogólna – jest ilościowym wskaźnikiem zawartości jonów węglanowych, wodorowęglanowych, wodorotlenkowych i innych anionów pochodzących z dysocjacji soli słabych kwasów i mocnych zasad. Zasadowość ogólną oznaczamy przez miareczkowanie próbki mocnym kwasem do pH=4,5, wobec oranżu metylowego lub potencjometrycznie.

W zależności od związku, który nadaje wodzie charakter zasadowy, rozróżnia się: zasadowość wodorowęglanową Z_HCO3⁻, wodorotlenowąZ_OH⁻, węglanowąZ_CO3²⁻.

Wody kwaśne – w zakresie pH poniżej 4,5 nie mają zdolności do neutralizacji kwasów – nie mają zasadowości.

Kwasowość mineralna i kwasowość ogólna.

Kwasowość wody naturalnej jest zdolność wody do zobojętniania mocnych zasad lub węglanów. Kwasowość wody wywołana jest obecnością ditlenku węgla i niekiedy obecnością słabych kwasów organicznych (np. kwasów humusowych) lub mocnych kwasów mineralnych (zanieczyszczenia ściekowe, kwaśne deszcze). Kwasowość również może być rezultatem hydrolizy soli słabych kwasów i zasad powszechnie używanych w procesie uzdatniania wody, np. soli żelaza lub glinu.

Rozróżniamy dwa rodzaje kwasowości: kwasowość mineralną i kwasowość ogólną.

Kwasowość mineralna jest to ilościowy wskaźnik zawartości mocnych kwasów mineralnych. Kwasowość mineralną oznaczamy przez miareczkowanie próbki mocną zasadą do pH=4,5 wobec oranżu metylowego lub potencjometrycznie.

Kwasowość ogólna jest to ilościowy wskaźnik zawartości mocnych kwasów i soli mocnych kwasów i słabych zasad, oznaczamy ją przez miareczkowanie próbki mocną zasadą do pH=8,3, wobec fenoloftaleiny lub potencjometrycznie.

Wody naturalne w zależności od swego odczynu mogą jednocześnie wykazywać zasadowość i kwasowość. Dotyczy to głównie wód o wysokiej twardości węglanowej i stężeniu CO₂. Kwasowość tych wód powodowana jest wtedy wyłącznie przez kwas węglanowy. Zakres występowania zasadowości i kwasowości w wodach naturalnych w zależności od pH przedstawia poniższy diagram.

Kwasowość wody pitnej ma znaczenie jeżeli jest wywołana przez kwasy mineralne lub produkty hydrolizy soli, gdyż zawarte w wodzie mocne kwasy mogą rozpuszczać szkodliwe dla zdrowia metale i nadawać wodzie cechy niepożądane – rozpuszczać metalowe przewody, rurociągi, zbiorniki itp. Kwasowość wody, szczególnie mineralna jest również niepożądana w wodach dla celów przemysłowych, gdyż powoduje korozję.

pH.

pH – jest to ujemny logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych wyrażonych w molach na decymetr sześcienny:

$$pH = - \log_{10}\left\lbrack H_{3}O^{+} \right\rbrack,\ \lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack.$$

Skala pH jest to ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych. Skala pH wynosi od 0 – 14, gdzie roztwory o pH=0÷7 są to roztwory o odczynie kwaśnym, o pH=7 – obojętne, a o pH=7÷14 – roztwory o odczynie zasadowym.

Przewodność właściwa.

Sole i gazy rozpuszczone w wodzie (np. CO₂ z powietrza) mają wpływ na jej przewodność właściwą. Wielkość przewodności właściwej wody może być zatem parametrem charakteryzującym zawartość tych substancji w wodzie, a co za tym idzie miarą określającą przydatności wody do picia.

Przewodnictwo właściwa wody (konduktywność) jest to zdolność roztworu wodnego do przewodzenia prądu elektrycznego. Definiuje się ją jako odwrotność oporu właściwego słupa cieczy zawartego pomiędzy elektrodami o powierzchni 1cm² oddalonymi od siebie o 1cm. Ponieważ przewodnictwo zależy od stężenia elektrolitu oraz jego rozpadu na jony, może być ono pośrednią miarą stężenia substancji rozpuszczonych o charakterze jonowym. Nie dotyczy to związków organicznych, które nie mają zdolności przewodzenia prądu.

Cel ćwiczenia i opis ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami oznaczania wybranych parametrów wody. Podczas ćwiczenia dokonywaliśmy:

• oznaczania zasadowości wobec fenoloftaleiny –oznaczanie polega na dodaniu fenoloftaleiny do próbki wody (3-4 krople) i jeżeli próbka zabarwi się na kolor różowy to należy wykonać miareczkowanie tartanem (roztworem HCl, dla wody destylowanej 0,05M, a dla wody pitnej 0,1M) aż do zaniku zabarwienia. W przeciwnym wypadku, jeżeli woda się nie zabarwi, oznacza to brak zasadowości.

• oznaczania zasadowości całkowitej – oznaczenie polega na dodaniu ok. 2-3 kropli oranżu metylowego i jeżeli dojdzie do zmiany zabarwienia próbki na kolor żółty to należy wykonać miareczkowanie roztworem NaOH (dla wody pitnej 0,1M, dla wody destylowanej 0,05M) aż do zmiany zabarwienia na kolor pomarańczowy. Natomiast, jeżeli próbka od razu zabarwi się na kolor pomarańczowy (czerwony), oznacza to brak zasadowości całkowitej.

• oznaczanie kwasowości mineralnej – oznaczenie polega na dodaniu ok. 2-3 kropli oranżu metylowego i jeżeli dojdzie do zmiany zabarwienia próbki na kolor pomarańczowy (czerwony) to należy wykonać miareczkowanie roztworem NaOH (dla wody pitnej 0,1M, dla wody destylowanej 0,05M) aż do zmiany zabarwienia na kolor żółty. Natomiast, jeżeli próbka od razu zabarwi się na kolor żółty, oznacza to brak kwasowości mineralnej.

• oznaczanie kwasowości ogólnej – oznaczenie polega na dodaniu ok. 5 kropli fenoloftaleiny i jeżeli nie dojdzie do zmiany zabarwienia próbki – pozostanie bezbarwna to należy wykonać miareczkowanie roztworem NaOH (dla wody pitnej 0,1M, dla wody destylowanej 0,05M) aż do zmiany zabarwienia na kolor słabo różowy. Natomiast, jeżeli próbka od razu zabarwi się na kolor różowy, oznacza to brak kwasowości ogólnej.

Oznaczeń dokonywaliśmy na dwóch próbkach, po 100 cm³ wody pitnej i 200cm³wody destylowanej. Jeżeli objętość titrana użytego do miareczkowania wyniosła poniżej 1cm³ to oznaczenia powtórzono dla dwukrotnej objętości wody – 200cm³ (w przypadku wody pitnej).

• pomiaru pH za pomocą skalibrowanego pehametru.

• pomiaru przewodności właściwej za pomocą skalibrowanego konduktometru.

Zestawienie i opracowanie wyników.

Zasadowość alkaliczna – mineralna Z_p.

• Po dodaniu fenoloftaleiny woda destylowana nie zabarwiła się na kolor różowy – brak zasadowości. Wynika z tego, iż wartość Z_p=0.

• Po dodaniu fenoloftaleiny woda pitna nie zabarwiła się na kolor różowy – brak zasadowości. Wynika z tego, iż wartość Z_p=0.

Zasadowość całkowita Z_m.

• Po dodaniu oranżu metylowego woda destylowana zabarwiła się na kolor żółty – zasadowość całkowita występuje. Miareczkowania dokonano na próbce wody destylowanej (200cm³) dwukrotnie i ilość zużytego roztworu HCl wyniosła: b₁=0,65ml oraz b₂=0,56ml.

$$Z_{m1} = \frac{b_{1} \bullet c_{\text{HCl}} \bullet 1000}{V} = \frac{0,65 \bullet 0,05 \bullet 1000}{200} = 0,1625\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}};$$

$$Z_{m2} = \frac{b_{2} \bullet c_{\text{HCl}} \bullet 1000}{V} = \frac{0,56 \bullet 0,05 \bullet 1000}{200} = 0,14\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}};$$

$$\mathbf{Z}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{0,1625 + 0,14}}{\mathbf{2}}\mathbf{= 0,15\ }\frac{\mathbf{\text{mval}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}\mathbf{;}$$

gdzie:

Z_m – zasadowość całkowita dla wody destylowanej lub pitnej, [mval/dm³],

b – objętość roztworu HCl użytego do miareczkowania, [cm³],

c_HCl – stężenie roztworu HCl użytego do miareczkowania, [mol/dm³],

V – objętość próbki wody użytej do badania.

• Po dodaniu oranżu metylowego woda pitna zabarwiła się na kolor żółty – zasadowość całkowita występuje. Miareczkowania dokonano na próbce wody destylowanej (100cm³) dwukrotnie i ilość zużytego roztworu HCl wyniosła: b₁=2,6ml oraz b₂=2,5ml.

$$Z_{m1} = \frac{b_{1} \bullet c_{\text{HCl}} \bullet 1000}{V} = \frac{2,6 \bullet 0,1 \bullet 1000}{100} = 2,6\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}};$$

$$Z_{m2} = \frac{b_{2} \bullet c_{\text{HCl}} \bullet 1000}{V} = \frac{2,5 \bullet 0,1 \bullet 1000}{100} = 2,5\ \frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}};$$

$$\mathbf{Z}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{2,6 + 2,5}}{\mathbf{2}}\mathbf{= 2,55\ }\frac{\mathbf{\text{mval}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}\mathbf{;}$$

• Na podstawie uzyskanych wyników obliczamy zasadowość węglanową Z_CO3²⁻, wodorowęglanową Z_HCO3⁻ i wodorotlenowąZ_OH⁻:

• zasadowość węglanowa Z_CO3²⁻, jeżeli Z_p=0 to woda może zawierać jedynie wodorowęglany i ich ilość wynosi: Z_CO3²⁻ = Z_m,

Rodzaj badanej wody	Wyniki oznaczeń zasadowość [mval/dm^3]	Zasadowość [mval/dm^3]
	Zp	Zm
woda destylowana	0	0,15
woda pitna	0	2,55

Kwasowość mineralna.

• Po dodaniu oranżu metylowego woda destylowana zabarwiła się na kolor żółty – kwasowość mineralna nie występuje. Wynika z tego, iż wartość K_wm=0.

• Po dodaniu oranżu metylowego woda pitna zabarwiła się na kolor żółty – kwasowość mineralna nie występuje. Wynika z tego, iż wartość K_wm=0.

Kwasowość ogólna.

• Po dodaniu fenoloftaleiny woda destylowana nie zabarwiła się i pozostała bezbarwna – zasadowość całkowita występuje. Miareczkowania dokonano na próbce wody destylowanej (200cm³) dwukrotnie i ilość zużytego roztworu NaOH w obu próbach wyniosła: b=0,5ml.

$$\mathbf{K}_{\mathbf{\text{og}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{b \bullet}\mathbf{c}_{\mathbf{\text{NaOH}}}\mathbf{\bullet 1000}}{\mathbf{V}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{0,5 \bullet 0,05 \bullet 1000}}{\mathbf{200}}\mathbf{= 0,125}\frac{\mathbf{\text{mval}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}\mathbf{.}$$

• Po dodaniu fenoloftaleiny woda pitna nie zabarwiła się i pozostała bezbarwna – zasadowość całkowita występuje. Miareczkowania dokonano na próbce wody pitnej (100cm³) dwukrotnie i ilość zużytego roztworu NaOH wyniosła: b₁=0,3ml i b₂=0,2ml. Ponieważ ilość zużytego do miareczkowania roztworu NaOH była mniejsza niż 1cm³, miareczkowanie powtórzono na 200cm³ wody pitnej, w tym wypadku ilość użytego titranta wyniosła: b₁=0,6ml i b₂=0,5ml.

$$K_{\text{og}} = \frac{b \bullet c_{\text{NaOH}} \bullet 1000}{V} = \frac{0,6 \bullet 0,05 \bullet 1000}{200} = 0,15\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}},$$

$$K_{\text{og}} = \frac{b \bullet c_{\text{NaOH}} \bullet 1000}{V} = \frac{0,5 \bullet 0,05 \bullet 1000}{200} = 0,125\frac{\text{mval}}{\text{dm}^{3}},$$

$$\mathbf{K}_{\mathbf{\text{og}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{0,15 + 0,125}}{\mathbf{2}}\mathbf{= 0,1375}\frac{\mathbf{\text{mval}}}{\mathbf{\text{dm}}^{\mathbf{3}}}\mathbf{.}$$

Pomiar pH.

Pomiar pH, wykonany pehametrem dla wody destylowanej wyniósł 6,11, natomiast dla wody pitnej 7,5.

Przewodność właściwa wody.

Przewodność zmierzona w konduktometrze dla wody destylowanej wyniosła χ₁=26,6, przewodność właściwą obliczamy ze wzoru:

=k•₁ = 0, 51 • 26, 6 = 13, 566μS = 0, 0136mS.

gdzie:

k – stała konduktometru, k=0,51 cm^-1,

χ₁ – przewodność właściwa zmierzona na konduktometrze, [µS/cm].

Przewodność zmierzona w konduktometrze dla wody pitnej wyniosła χ₁=339µS/cm, przewodność właściwą obliczamy ze wzoru:

=k•₁ = 0, 51 • 339 = 172, 89μS = 0, 173mS.

Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonych badań wynika że zarówno próbka zawierająca wodę wodociągową jak i próbka z wodą destylowaną zawierają wyłącznie jony węglanowe. Zasadowość węglanowa wyniosła odpowiednio 2,55 i 0,15 mval/dm3. Ok. 17 razy mniejsza zawartość jonów w wodzie destylowanej wskazuje na jej całkowite wyjałowienie.

pH wody wodociągowej (pitnej) wyniosło 7,5 a wody destylowanej 6,1. Jest to wartość przy której zasadowość mineralna nie występuję. Oznaczenie zasadowości potwierdza brak zanieczyszczeń i związków mineralnych w wodzie destylowanej.

Kwasowość ogólną wykazała tylko próbka zawierająca wodę wodociągową, pH tej wody wyniosło 7,5. Dla wody destylowanej pH wyniosło 6,1, co również dowodzi temu, że kwasowość mineralna w tej wodzie nie występuje.

Powyższe wyniki pokrywają się z teorią, która mówi, że woda wodociągowa (pitna) i woda destylowana pozbawione są zanieczyszczeń spowodowanych kwaśnymi deszczami i zanieczyszczeniami ściekowymi, które wpływają na wzrost kwasowość mineralnej.

Występowanie kwasowości ogólnej może być spowodowane przez proces uzdatniania wody – rezultat hydrolizy soli słabych kwasów i zasad.

Przewodnictwo wody pitnej (wodociągowej) wyniosło 339 [μS/cm] i mieści się w granicach norm. Natomiast przewodnictwo wody destylowanej dla której norma wynosi od 0,5 do 2,0 [μS/cm] jest zbyt duże i wyniosło 26,6 [μS/cm].

Analizując wszystkie wyniki pomiarów i obliczeń jednoznacznie można stwierdzić, że próbka z wodą wodociągową spełnia normy przydatności wody do spożycia, a próbka z wodą destylowana nie spełnia tych norm.