background image

MATERIAŁY DO ĆWICZEŃ 

CHEMIA ŻYWNOŚCI - I ROK DIETETYKA 

Temat: Twardość wody, jej oznaczanie i usuwanie 

1.

 

Wstęp 

1.1.

 

 Wskaźniki jakości wody przeznaczonej do spożycia 

Woda  pitna  i  przeznaczona  na  cele  gospodarcze  musi  być  bezpieczna  pod  względem 

sanitarnym  i  zdrowotnym  oraz  wykazywać  odpowiednie  cechy  sensoryczne.  Woda  nie 
powinna  zawierać  drobnoustrojów  chorobotwórczych,  pasożytów  ani  innych  żywych 
organizmów  w  ilościach  niebezpiecznych  dla  zdrowia.  Nie  może  także  zawierać 
zanieczyszczeń  chemicznych  lub  substancji  naturalnego  pochodzenia  w  ilościach 
zagrażających zdrowiu człowieka, żadnych substancji w ilościach wpływających na jej smak, 
zapach, barwę, mętność oraz nie może zawierać widocznych zanieczyszczeń stałych.   
 
Zalecenia WHO dotyczące wody pitnej obejmują głównie wskaźniki: 

- bakteriologiczne, 
- substancje chemiczne o zdrowotnym znaczeniu (organiczne i nieorganiczne), 
- pestycydy, 
- składniki radioaktywne, 
-  substancje  chemiczne  niemające  wpływu  na  zdrowie  w  stężeniach  normalnie 
występujących w wodzie, 
- substancje i wskaźniki, które nie mają znaczenia zdrowotnego, ale mogą obniżać jakość 
sensoryczną wody.  
 

Parametry objęte monitoringiem kontrolnym 

Woda pochodząca z ujęć powierzchniowych 

Woda pochodząca z ujęć podziemnych 

PARAMETRY FIZYCZNE I ORGANOLEPTYCZNE 

Barwa 

Barwa 

Mętność 

Mętność 

pH 

pH 

Przewodność 

Przewodność 

Zapach 

Zapach 

Smak 

Smak 

PARAMETRY CHEMICZNE 

Amonowy jon 

Amonowy jon 

Azotany (V) 

Azotany (V) 

Azotany (III) 

Azotany (III) 

Chlor wolny 

Chlor wolny 

Suma chloranów i chlorynów 

Suma chloranów i chlorynów 

Glin 

Glin 

 

Mangan 

 

Ż

elazo 

PARAMETRY MIKROBIOLOGICZNE 

Escherichia coli 

Escherichia coli 

Enterokoki 

Enterokoki 

Bakterie grupy coli 

Bakterie grupy coli 

Clostridium perfringens łącznie ze sporami 

 

background image

1.2.

 

 Twardość wody i sposoby jej wyrażania 

Twardość wody wywołana jest obecnością rozpuszczalnych w wodzie soli wapniowych i 

magnezowych. Sole wapnia i magnezu dostają się do wody w wyniku kontaktu zawartego w 
niej  dwutlenku  węgla  z  glebą  i  skałami  zawierającymi  wapienie  i  magnezyty.  Wówczas 
trudno  rozpuszczalne  w  wodzie  wapienie  i  magnezyty  przekształcają  się  w  dobrze 
rozpuszczalne w wodzie wodorowęglany wapnia i magnezu. 
Przebieg reakcji zwanej wietrzeniem wapieni: 
 

CaCO

3

 + CO

2

 + H

2

O = Ca(HCO

3

)

2

 

MgCO

3

 + CO

2

 + H

2

O = Mg(HCO

3

)

2

 

 
Wodorowęglany  wapnia  i  magnezu  powodują  tzw.  twardość  węglanową  wody  zwaną 
twardością  przemijającą  (Tw

w

),  natomiast  siarczany  i  chlorki  wapnia  i  magnezu  (CaSO

4

MgSO

4

,  CaCl

2

,  MgCl

2

)  powodują  twardość  trwałą  (stałą)  wody  (Tw

n

).  Suma  twardości 

przemijającej  i  trwałej  stanowi  ogólną  twardość  wody  Tw

og

.  Twardość  przemijająca 

powodowana 

zawartością 

wodorowęglanów 

zanika 

podczas 

gotowania, 

kiedy 

wodorowęglany przechodzą w nierozpuszczalne węglany.  
 

Twardość wody ogólna = twardość wody przemijająca + twardość wody stała 

 
Wszystkie  wody  naturalne  zawierają  większe  lub  mniejsze  ilości  chlorków,  które  mogą 
pochodzić  z  gruntu,  z  pokładów  naturalnych  soli  oraz  zanieczyszczeń  ściekami  lub  różnymi 
odpadami  pochodzenia  zwierzęcego.  W  wodzie  chlorki  występują  w  postaci  jonów 
pochodzących z dysocjacji najczęściej obecnego  w wodzie chlorku sodowego, potasowego i 
chlorku  wapnia.  Według  wymagań  sanitarno-epidemiologicznych  zawartość  chlorków  w 
wodzie do picia nie powinna przekraczać 250 mg/dm

3

.  

 
Sposoby  wyrażania  twardości  wody
  –  do  określania  ilości  soli  wapnia  i  magnezu 

służy jednostka zwana stopniem twardości. Obowiązującą w Polsce jednostką twardości wody 
jest miligramorównoważnik (miliwal) jonów wapniowych lub magnezowych zawarty w 1dm

3

 

wody.  
 
1º twardości miliwalowej = 20mg jonów Ca

2+

/dm

3

 lub = 12 mg jonów Mg

2+

/dm

3

 H

2

1º twardości (niemiecki) = 10mg CaO/dm

3

 H

2

1º twardości (francuski) = 10mg CaCO

3

/dm

3

 H

2

1º twardości (niemieckiej) = 0,357 miliwali CaO/dm

3

 H

2

1 miliwal CaO/dm

3

 H

2

O = 2,8ºn. 

 
Twardość  wód  naturalnych  waha  się  w  szerokich  granicach  od  3  do  30ºn.  Wody  uzdatniane 
mogą mieć twardość bliską 0.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Opisowe określenia skali twardości wody  
 

TWARDOŚĆ OGÓLNA 

SKALA TWARDOŚCI 

mval/dm

STOPIEŃ TWARDOŚCI 

0 - 1.78 

0 - 5 

bardzo miękka 

1.78 - 3.57 

5 - 10 

miękka 

3.57 - 5.35 

10 - 15 

o średniej twardości 

5.35 - 7.13 

15 - 20 

o znacznej twardości 

7.13 - 10.70 

20 - 30 

twarda 

> 10.70 

> 30 

bardzo twarda 

 
 

1.3.

 

 

Metody usuwania twardości wody 

Wodorowęglany wapnia i magnezu powodujące twardość przemijającą łatwo można usunąć z 
wody przez gotowanie. Zachodzi wówczas rozkład wodorowęglanów zgodnie z reakcjami: 

 

Ca(HCO

3

)

2

 = CaCO

3

 ↓+ H

2

O + CO

2

 

Mg(HCO

3

)

2

 = MgCO

3

 + H

2

O + CO

2

 

MgCO

3

 + H

2

O = Mg(OH)

2

 + CO

2

 

 

Ten  jednak  sposób  usuwania  twardości  przemijającej  nie  jest  korzystny  dla  wody  do  celów 
przemysłowych,  gdyż  wytrącanie  się  trudno  rozpuszczalnego  CaCO3  jest  przyczyną 
powstawania  kamienia  kotłowego.  Kamień  kotłowy  jest  mieszaniną  różnych  substancji,  w 
której  obok  węglanu  wapnia  występuje  węglan  magnezu,  wodorotlenek  magnezu, 
siarczan(VI) wapnia, odwodniony kwas krzemowy czyli tzw. krzemionka oraz tlenki żelaza. 
W  zależności  od  tego,  który  rodzaj  związku  występuje  w  przeważającej  ilości  wyróżnia  się 
następujące jego odmiany: kamień węglanowy, kamień siarczanowy, kamień krzemianowy. 

 

Zmiękczanie wody polega na usuwaniu z niej jonów powodujących twardość tj. jonów Ca

2+

Mg

2+

 a także jonów innych metali jak Fe

2+

, Mn

2+

, Al

3+

. Główne metody zmiękczania wody: 

 
- destylacja, 
- metody termiczne, 
- metody chemiczne, 
- metody fizyko-chemiczne. 
 

Destylacja daję wodę idealnie zmiękczoną, pozbawioną wszelkich soli.  
Metody  termiczne  polegają  na  podgrzaniu  wody  do  100ºC,  bowiem  wówczas  następuje 
rozkład  wodorowęglanów  wapnia  i  magnezu,  z  wydzieleniem  trudno  rozpuszczalnego 
węglanu wapnia, węglanu magnezu i wodorotlenku magnezu. 

 

Metody  chemiczne  polegają  na  strącaniu  nierozpuszczalnych  osadów.  Jedną  z  metod  jest 
metoda  sodowo-wapienna,  twardość  przemijająca  usuwana  jest  wapnem  (1),  soda  natomiast 
usuwa twardość trwałą (2) reakcja z siarczanem wapnia i chlorkiem magnezu.  

background image

(1) 

Ca(HCO

3

)

2

 + Ca(OH)

2

 = 2CaCO

3

 + 2H

2

Mg(HCO

3

)

2

 + Ca(OH)

2

 = MgCO

3

 + CaCO

3

+ 2H

2

MgCO

3

 + Ca(OH)

2

 = Mg(OH)

2

 + CaCO

3

 

  
 

    (2) 

CaSO

4

 + Na

2

CO

3

=CaCO

3

 + Na

2

SO

4

 

MgCl

2

+ Na

2

CO

3

 = MgCO

3

 + 2NaCl 

 

W  obu  reakcjach  zmiękczania  powstają  nierozpuszczalne  węglany  wapnia  i  magnezu  w 
postaci osadu odfiltrowywanego. 

 

Do metod chemicznych zalicza się także metodę z mocnymi kwasami 

Ca(HCO

3

)

2

 + 2HCl = CaCl

2

 + 2H

2

O + 2CO

2

 

Mg(HCO

3

)

2

 + 2HCl = MgCl

2

 + 2H

2

O + 2CO

2

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

2.

 

Wykonanie ćwiczenia 

Ocena chemiczna jakości wody. 

  

Ć

wiczenie 1. Sprawdzanie zasadowości wody 

Do zlewki pobrać około 50 cm

3

 analizowanej wody, zanurzyć elektrodę pehametru i wykonać 

pomiar. Po każdym pomiarze dokładnie osuszyć elektrodę przy pomocy bibuły filtracyjnej.  

Ć

wiczenie 2. Oznaczanie zawartości chlorków metodą Mohra 

Azotan (V) srebra z jonami chlorkowymi (Cl

-

) strąca trudno rozpuszczalny w wodzie chlorek 

srebra. W roztworze obojętnym w obecności chromianu (VI) potasowego chlorki początkowo 
strącają się jako AgCl i gdy zostaną całkowicie wytracone, dalsze dodawanie azotanu srebra 
spowoduje powstawanie czerwonego osadu chromianu srebra (Ag

2

CrO

4

), przy czym powstaje 

brunatne  zabarwienie  roztworu.  Zmiana  zabarwienia  roztworu  wskutek  powstawania 
chromianu  srebra  świadczy  o  zakończonym  miareczkowaniu.  Oznaczenie  utrudnia  znacznie 
obecność siarkowodoru, siarczków, siarczanów i fosforanów. 
 

Ag

+ Cl

-

   AgCl 

2Ag

+

 + CrO

4

 

 Ag

2

CrO

4

 

Wykonanie oznaczenia: 
Pobrać  do  kolby  stożkowej  100  cm

3

  wody,  dodać  1  cm

3

  roztworu  chromianu  potasowego 

(K

2

CrO

4

)  jako  wskaźnika  i  miareczkować  roztworem  azotanu  srebra  (AgNO

3

). 

Miareczkowanie  kończy  się  w  momencie  pojawienia  się  brunatno-czerwonego  zabarwienia 
roztworu. 
 
Zawartość jonów chlorkowych w wodzie oblicza się ze wzoru: 
 

X = V

AgNO

3

/M

Cl

 

 
gdzie: 
V

AgNO

3

 – objętość azotanu srebra zużyta do miareczkowania analizowanej próby 

M

Cl

 – masa molowa chloru (35.46 g/mol)  

 

Ć

wiczenie 3. Oznaczanie twardości ogólnej metodą wersenianową  

 
Jony  wapnia  i  magnezu  tworzą  trwałe  kompleksy  z  wersenianem  sodowym  (EDTA). 
Wskaźnikiem  w  reakcji  jest  czerń  erichromowa,  która  w  środowisku  zasadowym  pH  ok.  10 
daje  z  jonami  wapnia  i  magnezu  nietrwałe  kompleksy  o  barwie  fioletowej.  W  czasie 
miareczkowania  roztworem  EDTA  następuje  rozkład  kompleksów  ze  wskaźnikiem  i  barwa 
zmienia się na niebieską (barwa wskaźnika).  
 

background image

Reakcja jonów wapnia i magnezu z wersenianem disodowym. 

 

 
Wykonanie oznaczenia:  
Do kolby stożkowej pobrać 100 cm

3

 wody, dodać 1 cm

3

 buforu amoniakalnego o pH 10 i 5 

kropli  czerni  erichromowej  i  natychmiast  rozpocząć  miareczkowanie  roztworem  0.02M 
EDTA.  Z  chwilą  pojawienia  się  fioletowo-niebieskiego  zabarwienia  roztworu,  dodawać 
EDTA powoli kroplami, energicznie mieszając. Trwała zmiana barwy na niebieską świadczy 
o zakończeniu reakcji.  
 
Twardość wody ogólną (Tw

og

) oblicza się ze wzoru: 

 

Tw

og

 = (A x C x 56.8 x 100)/V 

 
gdzie: 
A – ilość roztworu EDTA zużyta do miareczkowania (cm

3

C – stężenie roztworu EDTA (mol/l) 
V – ilość wody wzięta do oznaczenia (cm

3

56.8 – masa molowa CaO (g/mol) 
 

Ć

wiczenie 4. Oznaczanie zawartości wapnia 

 
Wskaźnikiem używanym w reakcji jest sól amonowa kwasu purpurowego (mureksyd), która 
w  środowisku  silnie  zasadowym  (pH  >  13)  tworzy  z  jonami  Ca

2+

  nietrwały  kompleks  o 

barwie różowo-czerwonej. W czasie miareczkowania roztworem EDTA następuje wypieranie 
wapnia  z  kompleksu  ze  wskaźnikiem,  co  powoduje  zmianę  zabarwienia  roztworu  na 
niebiesko-fioletowe.  
 
Wykonanie oznaczenia: 
Do 100 cm

3

 wody dodać 10 cm

3

 1M NaOH oraz 5 kropli wskaźnika – mureksydu (pojawi się 

barwa  różowo-czerwona),  natychmiast  rozpocząć  miareczkowanie  roztworem  0.02M  EDTA 
do zmiany barwy na fioletowo-niebieską. 
 
Zawartość wapnia w g/ dm

3

 oblicza się ze wzoru:  

 

m

Ca

 = (40 x A x c)/V 

 

background image

 
gdzie:  
A – ilość roztworu EDTA zużyta do miareczkowania (cm

3

c – stężenie roztworu EDTA (mol/l) 
V – ilość próbki wody wzięta do analizy (cm

3

40 – masa molowa Ca (g/mol) 
 

Ć

wiczenie 5. Oznaczanie zawartości magnezu 

 
Zawartość  magnezu  w  analizowanej  próbie  wody  wyznacza  się  z  różnicy  ilości  moli  EDTA 
zużytego  do  związania  sumy  jonów  wapnia  i  magnezu  w  oznaczaniu  Tw

og

  a  ilością  moli 

EDTA wiążącą jony wapniowe w tej samej objętości próby. 
 
Zawartość magnezu w g/ dm

3

 oblicza się ze wzoru: 

 
m

Mg

 = (24 x (A-B) x c)/ 100    

 
gdzie: 
A – ilość roztworu EDTA zużyta w czasie oznaczania Tw

og

 (cm

3

B – ilość roztworu EDTA zużyta w czasie oznaczania zawartości wapnia (cm

3

c – stężenie roztworu EDTA (mol/l) 
24 – masa molowa Mg (g/mol)