100 мл води, що досліджується, титрують 0,1 н розчином гідроксиду натрію в присутності трьох крапель метилового оранжевого до переходу червоного забарвлення розчину на золотисто-жовте. Якщо в разі додавання до проби води індикатора розчин стає жовтим, це значить, що вільна кислотність дорівнює нулю.

Розрахунок ведемо за такою формулою

К_віл = К₃ × b, (3.3)

де К_віл – вільна кислотність, мг-екв/л; К₃ – поправковий коефіцієнт для приведення концентрації розчину гідроксиду натрію точно до 0,1 н; b – витрата 0,1 н розчину гідроксиду натрію на титрування, мл.

Слід мати на увазі, що каламутність і забарвлення води заважають титруванню. Такі води титрують без додавання індикатора, визначаючи закінчення титрування за рН-метром (рН = 4,5).

Експеримент 4. Визначення в пробах води кислотності, що залежить від слабких нелетких кислот (гумінових та інших)

Пробу досліджуваної води об’ємом 100 мл, яка є нейтральною за метиловим оранжевим, кип’ятять 2 хв. для вилучення вільної вуглекислоти, швидко охолоджують і титрують 0,1 н розчином гідроксиду натрію в присутності 5¸10 крапель фенолфталеїну до появи стійкого рожевого забарвлення.

Розрахунок ведемо за формулою

К_сл = К₄ × с, (3.4)

де К_сл – кислотність, що зумовлена слабкими кислотами, мг-екв/л; К₄ – поправковий коефіцієнт для приведення концентрації розчину гідроксиду натрію точно до 0,1 н; с – витрата 0,1 н розчину гідроксиду натрію на титрування, мл.

Експеримент 5. Визначення в природних водах вільної вуглекислоти

100 мл води, що досліджується, титрують 0,1 н розчином гідроксиду натрію в присутності 10 крапель фенолфталеїну до появи стійкого протягом 2¸3 хв. рожевого забарвлення. Розчин гідроксиду натрію додають малими порціями, закриваючи кожен раз колбу пробкою і ретельно перемішуючи її вміст. Після першого аналізу визначення повторюють, відразу вливаючи до колби з водою майже весь об’єм розчину гідроксиду натрію, який був знайдений при першому визначенні.

Розрахунок ведуть за формулою

(СО₂)_віл = 44 × (К₅ × d – К_віл – К_сл), (3.5)

де (СО₂)_віл – вміст вільної вуглекислоти, мг/л; d – витрата 0,1 н розчину гідроксиду натрію на титрування, мл; К₅ – поправковий коефіцієнт для приведення концентрації розчину гідроксиду натрію точно до 0,1 н

За наявності у пробах води сірководню розрахунок проводять за формулою

(СО₂)_віл = 44 × (К₅ × d – К_віл – К_сл – ), (3.6)

де – вміст сірководню в пробі води, мг-екв/л.

Додаткові експерименти

У поверхневих природних водах вміст вільної і агресивної вуглекислоти є незначним, і ці показники мають важливе значення для характеристики підземних вод.

Експеримент 1а. Визначення вільної вуглекислоти в природних
водах

Для визначення концентрації вільної вуглекислоти можна використати спеціальну номограму (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Номограма для визначення концентрації у воді вільної вуглекислоти

Попередньо необхідно встановити температуру води t, ^oC, загальний вміст солей Р, мг/л, загальну лужність Л, мг∙екв/л, і рН води.

Після з’єднання лінійкою на шкалах 1 і 3 поділок, що відповідають значенням t і Р, відмічають точку перетину лінійки з «німою» шкалою 2. Цю точку з’єднують зі значенням Л на шкалі 4 і відмічають точку перетину прямої зі шкалою 3. Одержану точку з’єднують з відповідною поділкою на шкалі 5 (рН). Продовження прямої до перетину зі шкалою 6 визначає відмітку, яка відповідає концентрації вільної вуглекислоти.

Експеримент 2а. Визначення агресивної вуглекислоти в природних
водах

Це дослідження виконують з використанням номограм, які наведені на рис. 3.2 та 3.3.

Рисунок 3.2 – Номограма для визначення допоміжного фактора, який необхідний для

обчислення концентрації у воді агресивної кислоти

Рисунок 3.3 – Номограма для визначення концентрації в воді агресивної вуглекислоти

За результатами хімічного аналізу води за рис. 3.2 знаходять допоміжну точку А. Для цього з’єднують точки, що відповідають значенням Р і t, знаходять відмітку на «німій» шкалі 4. З’єднують її з точкою, яка відповідає значенню концентрації іонів кальцію (Са²⁺), на перетині прямої зі шкалою 3 знаходять значення А.

Далі знаходять точку, яка відповідає значенням величин вільної вуглекислоти (див. Експеримент 1а) і лужності води, що аналізується. Якщо ця точка лежить вище кривої, яка відповідає значенню А, визначеному раніше, – вода містить агресивну вуглекислоту, якщо нижче – у воді агресивної вуглекислоти немає.

Концентрацію агресивної вуглекислоти встановлюють шляхом проведення з точки прямої, яка паралельна нахильним лініям, що пересікають номограму, до кривої, яка відповідає значенню А. Ордината цієї точки відповідає концентрації рівноважної вуглекислоти (СО₂)_р:

(СО₂)_агр = (СО₂)_віл – (СО₂)_р. (3.7)

Лабораторна робота 4

Визначення жорсткості води

Мета роботи – вивчення стандартних методик визначення жорсткості природних вод.

Загальні відомості.

У хімічній промисловості вода застосовується у великій кількості. На промислові підприємства вона подається з озер, річок, підземних джерел або зі штучно виготовлених резервуарів. Перш ніж використати природну прісну воду, її попередньо треба підготувати, тобто відповідно обробити. Залежно від призначення води існують певні вимоги до її якості, властивостей, складу та кількості домішок. З цієї причини вода перед її застосуванням проходить цілу систему водопідготовки. Наприклад, кондиціювання водопровідної води складається зі стадій механічної фільтрації, відстою у відстійниках, фільтрації крізь шар піску, аерації, стерилізації. Внаслідок даних процесів з води вилучаються речовини, які шкідливі для здоров’я людини. Але інколи виникає необхідність додаткової обробки води, наприклад з метою зменшення концентрації іонів Са²⁺ та Mg²⁺, які і викликають жорсткість води.

Використання жорсткої води в промисловості призводить до появи накипу в котлах та іншій теплообмінній апаратурі. Поява накипу, наприклад, за
реакцією

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O (4.1)

зменшує ефективність теплопередачі і може призвести до аварій у промислових системах. Використання жорсткої води взагалі неможливе в цілому ряді виробництв, наприклад у текстильному, в паросиловому господарстві теплових електростанцій, виробництві напівпровідників та ін.

При виконанні лабораторної роботи слід пам’ятати, що необхідно відрізняти тимчасову та постійну жорсткість води.

Тимчасова або карбонатна жорсткість зумовлена присутністю у воді розчинених гідрокарбонатів кальцію та магнію. Її називають тимчасовою тому, що іони Са²⁺ та Mg²⁺, які визначають жорсткість води, в хімічно зв’язаному стані можуть бути вилучені з води її кип’ятінням. Гідрокарбонати кальцію і магнію при цьому розкладаються, утворюючи нерозчинні карбонати:

Ме(НСО₃)₂ = МеСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О, (4.2)

де Ме – це Са або Mg.

Постійна жорсткість води зумовлена наявністю в ній сульфатів, хлоридів, силікатів, нітратів кальцію та магнію і не може бути усунена кип’ятінням. Позбавитися її можна шляхом додавання до води дозованих кількостей Са(ОН)₂ та Na₂CO₃. Ці сполуки осаджують кальцій у вигляді СаСО₃ та магній у вигляді Mg(OH)₂.

Для пом’якшення води застосовують також метод іонного обміну: воду пропускають крізь шар катіоніту, який обмінює свої іони Na⁺ або Н⁺ на іони Са²⁺ і Mg²⁺, які зумовлювали жорсткість води.

Щоб запобігти утворенню накипу, іноді вдаються до обробки води
магнітним полем. Вплив такого поля не усуває утворення малорозчинних солей, але осад, який утворюється після зазначеної обробки, являє собою суспензію, що легко вилучається, а не щільну кірку.

Жорсткість води визначається кількістю міліграм-еквівалентів іонів Са²⁺ та Mg²⁺, які містяться в 1 л води, тобто вимірюється в мг-екв/л.

Загальна жорсткість води визначається сумарним вмістом у ній солей кальцію та магнію, як тих, що руйнуються при кип’ятінні, так і стійких при цьому солей.

Залежно від чисельного значення загальної жорсткості води усі води умовно розподіляють на м’які, середньої жорсткості та жорсткі. Воду, яка містить до 2 мг-екв/л іонів Са²⁺ та Mg²⁺, слід вважати м’якою; від 2 до 10 мг-екв/л – середньої жорсткості; більше 10 мг-екв/л – жорсткою.

Загальна жорсткість вод озер та річок у тайзі та тундрі становить
0,1–0,2 мг-екв/л, а океанська вода – 80–100 мг-екв/л. Верхня межа жорсткості води в системах водозабезпечення населених пунктів дорівнює 7 мг-екв/л (тільки у виняткових випадках дозволяється 10 мг-екв/л).