TWARDOŚĆ WODY (PN-71/C-04554)
Jest to właściwość wody polegająca na zużywaniu pewnych ilości mydła bez wytworzenia piany. Wynika to z obecności w wodzie jonów Ca, Mg, Mn, Al, Zn, które tworzą z mydłem dodawanym do wody nierozpuszczalne sole. Pienienie się roztworu następuje dopiero po ich strąceniu. Zawartość wapnia i magnezu w wodach naturalnych jest dużo większa od innych wymienionych pierwiastków wobec tego twardość wody naturalnej zależy głównie od obecności jonów Ca2+ i Mg2+. Sole wapnia i magnezu występują w wodach naturalnych przeważnie w postaci wodorowęglanów Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, albo jako siarczany, chlorki, azotany i inne związki.
W wodach naturalnych zawartość Ca jest większa od Mg, przy czym rozpuszczalność MgCO3 jest większa od CaCO3, co oznacza, że MgCO3 jest obecny w wodzie, natomiast CaCO3 praktycznie nie istnieje w formie rozpuszczonej. Twardość wody surowej nazywa się twardością ogólną i jest sumą twardości węglanowej (TwW) i twardości niewęglanowej (TwN):
węglanowa: (TwWCa, TwWMg) wywołana przez wodorowęglany, węglany i wodorotlenki wapnia i magnezu: Ca(HCO3)2, CaCO3, Ca(OH)2, Mg(HCO3)2, MgCO3Mg(OH)2,
niewęglanowa (TwNCa, TwNMg) wywołana przez inne związki wapnia i magnezu CaSO4, CaCl2, Ca(NO3)2, MgSO4, MgCl2, Mg(NO3)2.
Twardość węglanowa w czasie gotowania wody ulega zmniejszeniu w wyniku rozkładu wodorowęglanów i hydrolizie powstających węglanów
Me(HCO3)2 → MeCO3 + H2O + CO2↑
MeCO3 + H2O → Me(OH)2 + CO2↑
Me - jon Ca lub Mg
Twardość wody można wyrażać w różnych jednostkach. Najbardziej rozpowszechnione jest stosowanie stopni twardości. W celu ujednolicenia oznaczania twardości przyjęto wyrażać twardość w uniwersalnych jednostkach chemicznych w milimolach jonów Ca i Mg zawartych w 1dm3(mmol/dm3) .
Inne jednostki i ich przeliczniki:
1 mval/dm3 odpowiada 2,8 0 n (niemiecki stopień twardości)
1 mval/dm3 → 50 mg CaCO3/dm3
1 mval/dm3 → 0,5 mmol/dm3
1 mval/dm3 → 28 mg CaO/dm3
1 mmol/dm3 → 5,6 0 n
1 mmol/dm3 → 100 mg CaCO3/dm3
1 mmol/dm3 → 2 mval/dm3
1 mmol/dm3 → 56 mg CaO/dm3
10 n → 0,357 mval/dm3
10 n → 0,179 mmol/dm3
10 n → 10 mg CaO/dm3
10 n → 1,79 mg CaCO3/dm3
Twardość wody wyraża się w 6-stopniowej skali.
Skala twardości wody:
| Woda | stopnie twardości | mg CaO/dm3 |
|---|---|---|
Bardzo miękka Miękka O średniej twardości O znacznej twardości Twarda Bardzo twarda |
0-5 5-10 10-15 15-20 20-30 powyżej 30 |
0-50 50-100 100-150 150-200 200-300 powyżej 300 |
Wody opadowe są miękkie (°tw≈0), wody mineralne i morskie są natomiast bardzo twarde gdyż zawierają duże ilości Mg (350÷450°tw). Wody powierzchniowe zwłaszcza te z potoków górskich są na ogół miękkie. Większą twardość wykazują wody podziemne. Twardość naturalna wód słodkich wynosi 1÷60°tw. Wody twarde i bardzo miękkie mogą być używane do picia bez szkody dla zdrowia, niekiedy mogą mieć jedynie gorzki lub mdły smak. Szkodliwa jest duża zawartość chlorku i siarczanu magnezu, które to mogą powodować biegunki. Twarda woda jest niepożądana:
pogarsza wartości odżywcze gotowanego mięsa i jarzyn,
powoduje duże zużycie mydła w trakcie mycia,
może powodować podrażnienie skóry,
nie nadaje się do produkcji piwa, barwników, wyrobów tekstylnych,
taką woda nie można zasilać kotłów – powstaje kamień kotłowy ,który utrudnia wymianę ciepła.
Dopuszczalna twardość wody przeznaczonej do spożycia wynosi: 601) – 500 mg CaCO3/dm3
wartość zalecana ze względów zdrowotnych.
Zasada oznaczenia twardości ogólnej metoda wersenianową.
Oznacza się ją kompleksometrycznie wobec czerni erichromowej T jako wskaźnika. Jony Ca i Mg w roztworze wodnym o pH około 10 zmieniają niebieskie zabarwienie czerni tworzac z nią związek kompleksowy o czerwonym zabarwieniu. Kompleks ten jest mniej trwały niż z wersanianem dwusodowym. Przy miareczkowaniu po związaniu wszystkich jonów Ca i Mg przez wersenian, wskaźnik zostaje uwolniony i barwa roztworu zmienia się z czerwonej na niebieską. Zmiana zabarwienia miareczkowanego roztworu jest wyraźna jedynie w obecności dostatecznej ilości jonów magnezowych.
Wykonanie ćwiczenia: Przed właściwym miareczkowaniem oznaczyć zasadowość ogólną badanej wody przy pomocy 0,1 M roztworu HCl oraz oranżu metylowego jako wskaźnika.
Następnie do kolby stożkowej o pojemności 300 ml odmierzyć 100 ml badanej, klarownej wody. Do badanej próbki dodać taką objętość kwasu solnego, jaką zużyto do oznaczenia zasadowości oraz 0,5 ml nadmiaru tego kwasu. Następnie dodać 2ml roztworu buforu amonowego oraz szczyptę (ok. 0,1 g) wskaźnika – czerni eriochromowej T. Natychmiast miareczkować 0,02 M roztworem wersenianu dwusodowego do zmiany zabarwienia z czerwonego poprzez fioletowe do niebieskiego. Pod koniec miareczkowania roztwór wersenianu należy dodawać ostrożnie kroplami, mieszają energicznie zawartość kolby po dodaniu każdej kropli. Próbka po upływie 2-3 minut nie powinna zmienić zabarwienia. Oznaczenie wykonać na dwóch próbkach.
Twardość ogólną badanej próbki wody (x) obliczyć w mmol/dm3 według wzoru:
X = mmol/dm3
a – objętość 0,02 M roztworu wersenianu dwusodowego zużytego do miareczkowania, ml
0,02 – liczba milimoli wapnia odpowiadająca 1 ml 0,02 M roztworu wersenianu dwusodowego, mmol
V – objętość próbki wody użytej do oznaczenia, ml