1
Numer
ćwiczenia:
9
Dział analizy i temat ćwiczenia:
Analiza miareczkowa – kompleksometria.
Oznaczanie twardości wody.
Data wykonania
ćwiczenia:
06.05.13 r.
Data oddania
sprawozdania:
13.05.13 r.
Grupa:
A3
Imię i nazwisko:
Przemysław Kołoczek
Nazwisko
sprawdzającego:
Uwagi:
Ocena:
2
1. Wstęp.
Twardość wody to cecha wody, objawiająca się trudnością w utworzeniu piany po
dodaniu do niej mydła. Jest związana z obecnością jonów wapnia i magnezu oraz innych
wielowartościowych kationów metali. Twardość całkowita wody dzieli się na twardość
przemijającą i nieprzemijającą. Twardość przemijająca (węglanowa) odpowiada
zawartości Ca(HCO
3
)
2
oraz Mg(HCO
3
)
2
. Można ją usunąć poprzez zagotowanie wody –
wodorowęglany wytrącają się wtedy w postaci węglanów. Twardość nieprzemijająca
(trwała) jest związana z obecnością w wodzie innych jonów – m. in. Cl
-
, SO
4
2-
, NO
3
-
.
Twardość wody można liczbowo wyrazić za pomocą stopni niemieckich (°N) i francuskich
(°F). 1°N = 10 mg CaO/dm
3
wody, z kolei 1°F = 10 mg CaCO
3
/dm
3
wody. Twardość
węglanową można oznaczyć acydymetrycznie wobec oranżu metylowego. Twardość
całkowitą oznacza się kompleksometrycznie mianowanym roztworem EDTA w środowisku
buforu amonowego o pH = 10, wobec czerni eriochromowej T jako wskaźnika, do zmiany
barwy roztworu z winnoczerwonej na niebieską.
Reakcje zachodzące podczas oznaczenia:
H
3
T + 2 H
2
O → HT
2-
+ 2 H
3
O
+
Ca
2+
+ HT
2-
+ H
2
O → CaT
-
+ H
3
O
+
CaT
-
+ H
2
Y
2-
+ H
2
O → CaY
2-
+ HT
2-
+ H
3
O
+
,
przy czym H
3
T to skrócony zapis czerni eriochromowej T, a H
2
Y
2-
to skrócony zapis
zdysocjowanego EDTA.
2. Część doświadczalna.
a) Sprzęt i odczynniki.
– Zlewki 50 cm
3
i 400 cm
3
,
– mianowany roztwór EDTA
– pipeta jednomiarowa 20 cm
3
,
(0,009867 ± 0,000015) mol/dm
3
,
– biureta 50 cm
3
,
– bufor amonowy o pH = 10,
– kolby stożkowe,
– czerń eriochromowa T,
– mały lejek,
– woda destylowana.
– cylinder miarowy 25 cm
3
,
– szkiełka zegarkowe,
– gruszka,
– tryskawka,
– łapa metalowa,
– statyw,
– dygestorium
b) Wykonanie.
Zamontowaną na statywie, za pomocą łapy i łącznika, biuretę przemyto i uzupełniono
mianowanym roztworem EDTA. Z otrzymanego roztworu pobrano trzy porcje po 40
cm
3
za pomocą skalibrowanej pipety jednomiarowej 20 cm
3
do odpowiednich kolb
stożkowych. Do każdej z nich dodano około 2 cm
3
buforu amonowego i szczyptę czerni
eriochromowej T pod dygestorium, po czym każdą przykryto szkiełkiem zegarkowym.
Tak przygotowane próbki zmiareczkowano mianowanym roztworem EDTA do zmiany
barwy roztworu z winnoczerwonej na niebieską, za każdym razem uzupełniając biuretę
mianowanym roztworem EDTA.
3
3. Wyniki.
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
1
= 24,4 𝑐𝑚
3
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
2
= 24,4 𝑐𝑚
3
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
3
= 24,4 𝑐𝑚
3
4. Opracowanie wyników.
a) Obliczenia.
Obliczono średnią objętość zużytego titranta na podstawie wzoru:
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
=
1
𝑛
∑(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝑖
𝑛
𝑖=1
gdzie:
𝑛 – liczba wyników,
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝑛
– n-ty wynik objętości zużytego mianowanego roztworu EDTA [cm
3
].
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
= 24,4 𝑐𝑚
3
Obliczono twardość otrzymanej próbki wody na podstawie wzoru:
𝑇 =
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
∙ 𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
∙ 𝑀
𝐶𝑎𝑂
∙ 100
𝑉
𝑅
gdzie:
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
– średnia zużyta objętość mianowanego roztworu EDTA [cm
3
],
𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
– stężenie mianowanego roztworu EDTA [mol/dm
3
],
𝑀
𝐶𝑎𝑂
– masa molowa CaO [g/mol],
𝑉
𝑅
– objętość badanego roztworu [cm
3
].
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
= 24,4 𝑐𝑚
3
𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
= 0,009867 𝑚𝑜𝑙/𝑑𝑚
3
𝑀
𝐶𝑎𝑂
= 56,08 𝑔/𝑚𝑜𝑙
𝑉
𝑅
= 40,056 𝑐𝑚
3
𝑇 = 33,71°N
b) Niepewności pomiarowe.
Niepewność rozszerzoną twardości wody obliczono na podstawie wzoru:
𝑈(𝑇) = 𝑘 ∙ 𝑢
𝑐
(𝑇)
gdzie:
𝑘 – współczynnik rozszerzenia,
𝑢
𝑐
(𝑇) – złożona niepewność standardowa twardości wody [°N].
4
Ponadto, wstawiono do powyższego wzoru następujące zależności:
1) 𝑢
𝑐
(𝑇) = 𝑇 ∙ √(
𝑢
𝑐
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
2
+ (
𝑢
𝑐
(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
2
+ (
𝑢
𝑐
(𝑉
𝑅
)
𝑉
𝑅
)
2
gdzie:
𝑢
𝑐
(𝑇) – złożona niepewność standardowa twardości wody [°N],
𝑇 – twardość wody [°N],
𝑢
𝑐
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
) – złożona niepewność standardowa objętości zużytego titranta [cm
3
],
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
– średnia objętość zużytego roztworu titranta [cm
3
],
𝑢
𝑐
(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
) – złożona niepewność standardowa stężenia titranta [mol/dm
3
],
𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
– stężenie roztworu titranta [mol/dm
3
],
𝑢
𝑐
(𝑉
𝑅
) – złożona niepewność standardowa objętości próbki [cm
3
],
𝑉
𝑅
– objętość próbki [cm
3
].
2) 𝑢
𝑐
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
) = √𝑢
1
2
(𝑉) + 𝑢
2
2
(𝑉) + 𝑢
3
2
(𝑉) + 𝑢
4
2
(𝑉) + 𝑢
5
2
(𝑉)
gdzie:
𝑢
𝑐
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
) – złożona niepewność standardowa średniej objętości zużytego titranta
[cm
3
],
𝑢
1
(𝑉) – standardowa niepewność kalibracji biurety [cm
3
],
𝑢
2
(𝑉) – standardowa niepewność objętości kropli [cm
3
],
𝑢
3
(𝑉) – standardowa niepewność odczytu na skali biurety [cm
3
],
𝑢
4
(𝑉) – standardowa niepewność poprawki temperaturowej szkła [cm
3
],
𝑢
5
(𝑉) – odchylenie standardowe średniej objętości zużytego titranta [cm
3
].
3) 𝑢
1
(𝑉) =
𝑢
𝑘𝑏
√3
gdzie:
𝑢
1
(𝑉) – standardowa niepewność kalibracji biurety [cm
3
],
𝑢
𝑘𝑏
– niepewność kalibracji biurety [cm
3
].
4) 𝑢
2
(𝑉) =
𝑉
𝑘𝑟
√3
gdzie:
𝑢
2
(𝑉) – standardowa niepewność objętości kropli [cm
3
],
𝑉
𝑘𝑟
– objętość kropli [cm
3
].
5) 𝑢
3
(𝑉) =
𝑢
𝑜𝑡
√3
5
gdzie:
𝑢
3
(𝑉) – standardowa niepewność odczytu na skali biurety [cm
3
],
𝑢
𝑜𝑡
– niepewność odczytu na skali biurety [cm
3
].
6) 𝑢
4
(𝑉) =
𝑝
𝑡𝑜𝑠
√3
gdzie:
𝑢
4
(𝑉) – standardowa niepewność poprawki temperaturowej szkła [cm
3
],
𝑝
𝑡𝑜𝑠
– poprawka temperaturowa objętości szkła [cm
3
].
7) 𝑢
5
(𝑉) = 𝑠(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
) = √
1
𝑛(𝑛 − 1)
∑((𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝑖
− 𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
2
𝑛
𝑖=1
gdzie:
𝑢
5
(𝑉) = 𝑠(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
) – odchylenie standardowe średniej objętości zużytego titranta
[cm
3
],
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝑛
– n-ty wynik objętości zużytego roztworu titranta [cm
3
],
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
– średnia objętość zużytego roztworu titranta [cm
3
],
𝑛 – liczba wyników.
8) 𝑢
𝑐
(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
) =
𝑈(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝑘
gdzie:
𝑘 – współczynnik rozszerzenia,
𝑢
𝑐
(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
) – złożona niepewność standardowa stężenia EDTA [mol/dm
3
].
𝑈(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
) – rozszerzona niepewność standardowa stężenia EDTA [mol/dm
3
].
9) 𝑢
𝑐
(𝑉
𝑅
) = √𝑢
𝑐
2
(𝑉
𝑃
) + 𝑢
𝑐
2
(𝑉
𝑃
) = √2𝑢
𝑐
2
(𝑉
𝑃
)
gdzie:
𝑢
𝑐
(𝑉
𝑅
) – złożona niepewność standardowa objętości badanego roztworu [cm
3
],
𝑢
𝑐
(𝑉
𝑃
) – złożona niepewność standardowa objętości skalibrowanej pipety [cm
3
].
10) 𝑢
𝑐
(𝑉
𝑃
) =
𝑈(𝑉
𝑃
)
𝑘
gdzie:
𝑘 – współczynnik rozszerzenia,
𝑢
𝑐
(𝑉
𝑃
) – złożona niepewność standardowa objętości skalibrowanej pipety [cm
3
],
𝑈(𝑉
𝑃
) – rozszerzona niepewność standardowa objętości skalibrowanej pipety [cm
3
].
6
Po przekształceniach otrzymano wzór:
𝑈(𝑇) = 𝑇 ∙ √
𝑘
2
∙ (𝑢
𝑘𝑏
2
+ 𝑉
𝑘𝑟
2
+ 𝑢
𝑜𝑡
2
+ 𝑝
𝑡𝑜𝑠
2
+ 3𝑠
2
(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
))
3(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
2
+ (
𝑈(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
)
2
+ 2 (
𝑈(𝑉
𝑃
)
𝑉
𝑅
)
2
𝑘 = 2
𝑇 = 33,71°N
𝑢
𝑘𝑏
= 0,1 𝑐𝑚
3
𝑉
𝑘𝑟
= 0,044 𝑐𝑚
3
𝑢
𝑜𝑡
= 0,05 𝑐𝑚
3
𝑝
𝑡𝑜𝑠
= 0,0025 𝑐𝑚
3
𝑠(𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
) = 0 𝑐𝑚
3
𝑉
𝐸𝐷𝑇𝐴
= 24,4 𝑐𝑚
3
𝑈(𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
) = 0,000015 𝑚𝑜𝑙/𝑑𝑚
3
𝐶
𝐸𝐷𝑇𝐴
= 0,009867 𝑚𝑜𝑙/𝑑𝑚
3
𝑈(𝑉
𝑃
) = 0,038
𝑉
𝑅
= 40,056 𝑐𝑚
3
𝑈(𝑇) = 0,20°N ⇒ 0,60%
c) Wynik końcowy.
Twardość badanej próbki wody: (33,71 ± 0,20)°N
5. Podsumowanie.
Wyznaczona twardość wody została oceniona pozytywnie przez osobę sprawdzającą,
a wynik nie odbiegał znacząco od założonego, o czym świadczy otrzymana ocena (bardzo
dobry). Niepewność rozszerzona wyznaczonej twardości wody różni się od niej samej o 2
rzędy wielkości i stanowi 0,60% wyniku. Największy wpływ na końcową niepewność miały
tutaj niepewności związane z odczytem objętości zużytego titranta a mianowicie
niepewność kalibracji biurety, objętość kropli oraz niepewność odczytu na skali biurety.
Oznaczenie przebiegło bardzo szybko, a ponadto w wyniku jego przeprowadzenia
uzyskano takie same wyniki.
Tabela 1. Skala twardości wody.
Stopień twardości wody
Twardość wody [°N]
Woda bardzo miękka
0 - 5,6
Woda miękka
5,6 - 11,2
Woda średnio twarda
11,2 - 19,6
Woda twarda
19,6 - 30,8
Woda bardzo twarda
> 30,8
Na podstawie danych, zawartych w Tabeli 1., pochodzącej ze strony
http://www.technologia-wody.pl/index.php?req=dzial&id=377 (dostęp: 27.05.13 r.)
można stwierdzić, że badana woda, o twardości równej (33,71 ± 0,20)°N jest bardzo
twarda.