У природніх водах сполуки вугільної кислоти знаходяться у вигляді недисоційованих молекул H₂CО₃, молекулярно розчиненого вуглекислого газу СО₂та гідрокарбонат- (при рН менше 8,4) і карбонат-іонів (при рН більше 8,4). Загальний вміст вуглекислоти у природних водах становить від частки до сотень мг/дм³. Зокрема, у ріках та озерах, він практично не перевищує 20-30 мг/дм³, а у підземних немінеральних джерелах – до 90 мг/дм³.

Загальний вміст (у мг/дм³) вуглекислоти у воді (СО_2заг.) є сумарною концентрацією всіх трьох її форм.

Розчинений газоподібний СО₂ реагує з водою з утворенням слабкої вугільної кислоти:

СО₂ + H₂0 <===> H₂CО₃ (1)

Ця форма називається вільною вуглекислотою CО_2вільн. і характеризується сумою концентрацій СО₂ та H₂CО₃ у перерахунку на СО₂ (оскільки в природних водах концентрація недисоційованих молекул H₂CО₃ у порівнянні з концентрацією CО_2вільн дуже низька). У поверхневих водах вміст CО_2вільн. не перевищує 20 мг/л, а підземних джерелах водопостачання вміст вуглекислоти вище 40 мг/дм³.

Вугільна кислота двохосновна і дисоціює у воді у дві стадії:

H₂CО₃ <===> H⁺ [HСО₃^ˉ ] та(2)

[HСО₃^ˉ ] <===> H⁺ + CO₃^2- (3)

Константи дисоціації H₂CО₃ першої та другої стадій відповідно становлять:

[H⁺] · [HСО₃^ˉ ] [H⁺] · [CO₃^2-]

К₁ = -------------------- = 4,45 ·10^-7 К₂ = --------------------- = 5,6·10^-11(4,5)

[ H₂C О₃^ˉ ] [HСО₃^ˉ ]

Величини К₁ та К₂ відрізняються приблизно на чотири порядки, що свідчить про те, що у природних містяться переважно гідрокарбонат-іони, а вміст карбонат-іонів незначний.

Частка СО₂, що припадає на гідрокарбонат- та карбонат-іони називається гідрокарбонатною та карбонатною вуглекислотою.

З рівнянь дисоціації H₂CО₃ також випливає те, що концентрації СО₂, H₂CО₃, іонів HСО₃^ˉ- і CO₃^2- знаходяться у кількісному взаємозв'зку з pH води: при pH <4.4 у ній міститься лише вільна вуглекислота; при pH 4.4-8.3 додатково з'являються іони HСО₃^ˉ; при pH > 8.3 вільна вуглекислота відсутня, а поряд з іонами HСО₃^ˉ з'являються іони CO₃^2-, вміст яких при pH > 10.5 максимальний.

Визначення вмісту вуглекислоти грунтується на її нейтралізації∙гідроксидом натрію:

СО₂ + NaOH <===> NaHCO₃.(6)

Точка еквівалентності, що відповідає pH 8.3, визначаться за фенолфталеїном. Для запобігання втратам СО₂ пробу води відбирають піпеткою з сифоном. Негативний вплив іонів Fe²⁺ на результати аналізу усувають додаванням сегнетової солі.

Прилади і реактиви: конічні колби; піпетки на 100 та 1 см3; 30%-й розчин сегнетової солі; 0.1 н. розчин NaOH; 0.5%-й розчин фенолфталеїну; 0.05%-й розчин метилоранжу.

Порядок виконання роботи

У конічну колбу відбирають піпеткою з сифоном 100 см³ води, додають 1 см³ 30%-о розчину сегнетової солі і 5-10 краплин розчину фенолфталеїну. Пробу титрують 0.1 н. розчином NaOH до появи стійкого рожевого забарвлення, що не зника протягом однієї хвилини.

Одержані результати орієнтовні, оскільки розчин NaOH під час титрування, яке відбуваться достатньо повільно, поглинає СО₂ з повітря. Тому виконують повторне титрування, але значно швидше.

Вміст вільної вуглекислоти (у мг/дм³) розраховують за формулою

СО₂^в = V₁ · N · E · 1000/ V_і· (7)

де V₁ - об'єм розчину NaOH, витрачений на повторне титрування з фенолфталеїном, см3;

Nі- нормальність розчину NaOH, г-екв/ дм³;

Eі- еквівалентна маса СО₂, Е = 44 г/г-екв;

V_і -об'єм досліджуваної води, взятий на аналіз, см³.

До цієї ж проби додають 2-3 краплини розчину метилоранжу і титрують її 0.1 н. розчином НСl до зміни жовтого забарвлення індикатора на рожеве.

Загальний вміст вуглекислоти (у мг/дм³) розраховують за формулою

СО₂^заг = V₂ · N₂ · E · 1000/ V, (8)

де V₂ - об'єм розчину HCl,івитрачений на титрування, см³;

N₂- нормальність розчину HСl, г-екв/дм³; інші позначення аналогічні до позначень формули (7).

Визначення лужності води

Розрізняють загальну лужність і лужність за фенолфталеїном, які визначаються присутністю у воді іонів HСО₃^ˉ, CO₃^2ˉ · OH^ˉ, здатних реагувати з сильними кислотами.

Загальна лужність води (Л_заг) складаться з лужності гідрокарбонатної (Л_гк), карбонатної (Л_к) і гідратної (Лг), які кількісно дорівнюють концентраціям відповідних аніонів у воді. Її встановлюють титруванням води розчином HCl у присутності індикатора метилоранжу.

При титруванні проби води розчином HCl відбуваються реакції:

OH^ˉ + H⁺ <===> H₂О(9)

СО₃^2ˉ + H⁺ <===> HСО₃^ˉ(10)

HСО₃^ˉ+ H⁺ <===> СО₂ + Н₂О,(11)

які завершуються при pH 4.4, що відповідає зміні забарвлення індикатора метилоранжу з жовтого на рожеве.

Лужність за фенолфталеїном зумовлена присутністю у воді іонів CO₃^2ˉ і·OH^ˉ. При титруванні проби досліджуваної води розчином HCl у присутності фенолфталеїну відбуваються лише реакціїї∙ [9] і [10].

За співвідношенням між загальною лужністю води і лужністю за фенолфталеїном встановлюють всі її форми (табл.9).

Прилади і реактиви: конічна колба; піпетка на 100 см³; 0.1 н. розчин HCl; 0.5%-й розчин фенолфталеїну; 0.05%-й розчин метилоранжу.

Порядок виконання роботи

У конічну колбу відбирають піпеткою 100 см³ досліджувано∙ води, додають 2-3 краплини розчину фенолфталеїну і титрують пробу 0.1 н. розчином HCl до зникнення рожевого забарвлення титрованого розчину.

Лужність води за фенолфтале∙ном(у мг-екв/дм³) розраховують за формулою

Л_ф = V₁ · N₁ · 1000 / V_і, (12)

де V₁ - об'єм розчину HCl, витрачений на титрування, см³;

N₁ - нормальність розчину HCl, г-екв/дм³;

V_і - об'єм досліджуваної води, взятої на аналіз, см³.

У цю ж колбу додають 3 краплини розчину метилоранжу і титрують 0.1 н. розчином НCl до зміни жовтого забарвлення індикатора на рожеве.

Загальну лужність води(у мг-екв/дм³) розраховують за формулою

Л_заг = V₂ * N₁ * 1000 / V_і, (13)

де V₂- загальний об'м розчину HCl, витрачений на титрування, см³; інші позначення аналогічні до позначень формули (4).

Концентрацію форм лужності води розраховують за формулами, наведеними у табл.9.

Таблиця 9