Przeczytaj

bg‑gray2

Twardość wody – rodzaje

Twardość wody związana jest w głównej mierze z występowaniem w wodzie soli wapnia i magnezu –twardość wapniowa (TIndeks dolny Ca) i magnezowa (TIndeks dolny Mg). Wyróżnia się także twardość węglanową (przemijającą) oraz twardość niewęglanową (trwałą). Twardość węglanowa (TIndeks dolny węglanowa) jest spowodowana występowaniem w wodzie wodorowęglanów wapnia i magnezu. Twardość niewęglanowa (TIndeks dolny niewęglanowa) związana jest z występowaniem w wodzie innych soli wapnia i magnezu, m.in. chlorków, azotanów, siarczanów.

Ogólną twardość wody TIndeks dolny og można zdefiniować na dwa sposoby.

T_{og} = T_{Ca} + T_{Mg}

T_{og} = T_{węglanowa} + T_{niewęglanowa}

bg‑gray2

Laboratoryjne oznaczanie twardości wody

Laboratoryjnie twardość wody można oznaczyć stosując miareczkowanie roztworem EDTA o znanym stężeniu. EDTA to kwas etylenodiaminotetraoctowy, nazywany także kwasem wersenowym. Związek ten tworzy z większością kationów, m.in. z kationami ${Ca}^{2 +}$ i ${Mg}^{2 +}$ , kompleksy w stosunku 1 : 1.

RAf99hLfbQvCF

Na ilustracji jest wzór: łączą się ze sobą dwie grupy metylenowe. Każda z nich łączy się z atomem azotu. Każdy z dwóch atomów azotu łączą się z dwiema grupami metylenowymi. Każda z nich łączy się z grupą COOH. — Struktura chemiczna EDTA (kwas wersenowy).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kompleksy EDTA z jonami wapnia i magnezu są bezbarwne, dlatego miareczkowanie prowadzi się w obecności wskaźnika. Wskaźnik tworzy z oznaczanymi w próbce wody jonami barwne kompleksy. W oznaczaniu kationów wapnia i magnezu jako wskaźnik stosuje się czerń eriochromową T. Przy pH ≈ 10, czerń eriochromowa T tworzy z jonami ${Ca}^{2 +}$ i ${Mg}^{2 +}$ kompleksy o barwie czerwonej. Kompleksy wskaźnika z oznaczonymi jonami są mniej trwałe niż kompleksy z EDTA. W trakcie miareczkowaniamiareczkowaniemiareczkowania badanej próbki roztworem EDTA, kationy wapnia i magnezu łączą się z EDTA w trwały kompleks. Po skompleksowaniu przez EDTA wszystkich jonów wapnia i magnezu, czerń eriochromowa T zostaje uwolniona - przyjmuje niebieską barwę. Stąd po skompleksowaniu przez EDTA wszystkich jonów ${Ca}^{2 +}$ i ${Mg}^{2 +}$ obserwuje się zmianę barwy z czerwonej na niebieską. Znając objętość zużytego roztworu EDTA, można wyznaczyć twardość ogólną wody.

R5XJ9ikfwXQyn

Na zdjęciu są dwie probówki. W jednej jest przezroczysty niebieski roztwór, w drugiej przezroczysty czerwony roztwór. — Roztwór czerni eriochromowej T w pH ≈ 10 (po lewej) oraz roztwór kompleksu czerni eriochromowej T z jonami wapnia i magnezu (po prawej).
Źródło: LHcheM, licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑red

Oznaczanie twardości ogólnej

Wykonanie:

Napełnij biuretę roztworem kwasu wersenowego o stężeniu $C_{EDTA}$ = 0,02 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ (do kreski oznaczonej 0 cmIndeks górny 3).
Do trzech kolb stożkowych o pojemności 250 cmIndeks górny 3 odmierz cylindrem miarowym 100 cmIndeks górny 3 badanej wody.
Do każdej kolby dodaj 5 cmIndeks górny 3 buforu amonowego (do uzyskania pH ≈ 10), a następnie szczyptę wskaźnika - czerni eriochromowej T (roztwory zabarwią się na czerwono).
Badane roztwory wody miareczkuj roztworem kwasu wersenowego dodając go kroplami z biurety (do roztworów w kolbach stożkowych). Po każdym dodaniu kropli EDTA, zawartość kolby należy zamieszać.
Miareczkowanie prowadź do zmiany barwy roztworu z czerwonej na niebieską.
Na biurecie odczytaj objętość użytego roztworu kwasu wersenowego z dokładnością do 0,05 cmIndeks górny 3. Wynik odpowiada sumarycznej zawartości jonów wapnia i magnezu w badanej próbce wody.

R1GT9to0xq5hd

Zestaw do miareczkowania

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Obliczanie twardości ogólnej wody

Twardość ogólną badanej wody można obliczyć ze wzoru:

T_{og} = \frac{V \cdot C \cdot 1000}{V_{pr}}

gdzie:

$T_{og}$ – twardość ogólna wody $[\frac{mmol}{{dm}^{3}}]$

$V$ – średnia wartość objętości roztworu EDTA uzyskana z trzech miareczkowań [cmIndeks górny 3]

$C$ – stężenie roztworu EDTA użytego do miareczkowania $[\frac{mol}{{dm}^{3}}]$

$V_{pr}$ – objętość badanej wody użytej do oznaczenia twardości [cmIndeks górny 3]

Ciekawostka

Twardość ogólna wody równa jest zawartości jonów wapnia i magnezu w badanej próbce. Ze względu na to, że kwas wersenowy tworzy z jonami kompleksy w stosunku 1 : 1, oznacza to, że liczba moli EDTA równa się liczbie moli jonów $n_{EDTA} = n_{jonów}$ . Liczbę moli EDTA można wyznaczyć z iloczynu użytej w miareczkowaniu objętości kwasu wersenowego oraz stężenia EDTA $n_{EDTA} = V_{EDTA} \cdot C_{EDTA}$ . W celu wyznaczenia stężenia oznaczanych jonów należy liczbę moli jonów (czyli liczbę moli EDTA) podzielić przez objętość badanej próbki.

C_{jonów} = \frac{V_{EDTA} [{dm}^{3}] \cdot C_{EDTA} [\frac{mol}{{dm}^{3}}]}{V_{pr} [{dm}^{3}]} = \frac{V_{EDTA} \cdot C_{EDTA}}{V_{pr}} [\frac{mol}{{dm}^{3}}]

Stężenie oznaczanych jonów to twardość ogólna wody TIndeks dolny og. Jednostką twardości wody jest $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$ . Aby uzyskać tą jednostkę należy całe równanie pomnożyć przez 1000. Skąd ta wartość? Otóż, 1 mol to 1000 mmoli.

Z tych rozważań wynika, że końcowy wzór na twardość ogólną wody ma postać:

T_{og} = \frac{V_{EDTA} \cdot C_{EDTA} \cdot 1000}{V_{pr}} [\frac{mmol}{{dm}^{3}}]

bg‑gray1

Oznaczanie ogólnej twardości wody oligoceńskiej, wodociągowej oraz przefiltrowanej o objętości 100 cmIndeks górny 3

Przykład 1

Oblicz twardość ogólną wody TIndeks dolny og, jeżeli średnia wartość objętości 0,02 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ roztworu EDTA uzyskana z trzech miareczkowań wynosi:

RtVIfvDOeQvDB

dla wody oligoceńskiej 10,5 cm³

T_{og} = \frac{10, 5 {cm}^{3} \cdot 0, 02 \frac{mol}{{dm}^{3}} \cdot 1000}{100 {cm}^{3}} = 2, 1 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

dla wody wodociągowej 12,5 cm³

T_{og} = \frac{12, 5 {cm}^{3} \cdot 0, 02 \frac{mol}{{dm}^{3}} \cdot 1000}{100 {cm}^{3}} = 2, 5 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

dla wody przefiltrowanej 5,5 cm³

T_{og} = \frac{5, 5 {cm}^{3} \cdot 0, 02 \frac{mol}{{dm}^{3}} \cdot 1000}{100 {cm}^{3}} = 1, 1 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

Laboratoryjne oznaczanie twardości ogólnej wody wykazało, że w tym przypadku woda oligoceńska oraz woda wodociągowa to woda średnio twarda. Otrzymane wartości mieszczą się w zakresie 2‑3,5 $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$ w skali twardości wody. Natomiast woda przefiltrowana to woda miękka, ponieważ zgodnie ze skalą twardości wody mieści się w zakresie 1‑2 $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$ .

bg‑red

Oznaczanie twardości wapniowej

Oznaczając twardość wapniową określa się stężenie jonów wapnia w badanej próbce wody. Badany roztwór należy zalkalizować poprzez dodanie roztworu wodorotlenku sodu $NaOH$ do osiągnięcia pH ≈ 12. W tych warunkach strąca się wodorotlenek magnezu ${Mg(OH)}_{2}$ , w roztworze pozostają jony wapnia ${Ca}^{2 +}$ . Powstały osad nie przeszkadza w oznaczeniu zawartości jonów wapnia.

W celu oznaczenia zawartości jonów ${Ca}^{2 +}$ w badanej wodzie jako wskaźnik stosuje się mureksyd. Tworzy on z jonami wapnia nietrwały kompleks o różowej barwie. Po dodatku kwasu wersenowego, jony wapnia tworzą trwalszy kompleks łącząc się z EDTA. Mureksyd zostaje uwolniony od jonów ${Ca}^{2 +}$ . Wolny wskaźnik barwi się na fiołkowo (fioletowo).

R1PUHQxeQXSKd

Ilustracja przedstawia dwie kolby płaskodenne. W jednej jest roztwór zawierający jony wapnia w kompleksie z mureksydem. Kolor roztworu jest jasnoczerwony. W drugiej kolbie jest roztwór zawierający jony wapnia w kompleksie z EDTA. Kolor roztworu jest intensywnie różowy. — Porównanie zabarwienia roztworów zawierających jony wapnia
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wykonanie:

Napełnij biuretę roztworem kwasu wersenowego o stężeniu $C_{EDTA}$ = 0,02 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ (do kreski oznaczonej 0 cmIndeks górny 3).
Do trzech kolb stożkowych o pojemności 250 cmIndeks górny 3 odmierz cylindrem miarowym 100cmIndeks górny 3 badanej wody.
Do każdej kolby dodaj 3 cmIndeks górny 3 roztworu $NaOH$ o stężeniu 0,2 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ , a następnie szczyptę wskaźnika – mureksydu (roztwory zabarwią się na różowo).
Badane roztwory wody miareczkuj roztworem kwasu wersenowego dodając go kroplami z biurety (do roztworów w kolbach stożkowych). Po każdym dodaniu kropli EDTA, zawartość kolby należy zamieszać.
Miareczkowanie prowadź do zmiany barwy roztworu z różowej na fiołkową.
Na biurecie odczytaj objętość użytego roztworu kwasu wersenowego z dokładnością do 0,05 cmIndeks górny 3. Wynik odpowiada zawartości jonów wapnia w badanej próbce wody.

Obliczanie twardości wapniowej

Kwas wersenowy tworzy z jonami wapnia kompleks w stosunku 1 : 1. Zatem liczba moli EDTA równa się liczbie moli jonów wapnia nIndeks dolny EDTA=nIndeks dolny jIndeks dolny onów wapnia Indeks dolny koniec. Liczbę moli EDTA można wyznaczyć z iloczynu użytej w miareczkowaniu objętości kwasu wersenowego oraz stężenia EDTA.W celu wyznaczenia stężenia oznaczanych jonów wapnia należy liczbę liczbę moli EDTA podzielić przez objętość badanej próbki.

Stężenie oznaczanych jonów wapnia to twardość wapniowa wody TIndeks dolny Ca. Aby uzyskać jednostkę twardości wapniowej wody (mmol/dmIndeks górny 3) należy całe równanie pomnożyć przez 1000. Skąd ta wartość? Otóż, 1 mol to 1000 mmoli.

Twardość wapniową badanej wody można obliczyć ze wzoru:

T_{Ca} = \frac{V \cdot C \cdot 1000}{V_{pr}}

gdzie:

$T_{Ca}$ – twardość wapniowa wody $[\frac{m m o l}{d m^{3}}]$

$V$ – średnia wartość objętości roztworu EDTA uzyskana z trzech miareczkowań [cmIndeks górny 3]

$C$ – stężenie roztworu EDTA użytego do miareczkowania $[\frac{mol}{{dm}^{3}}]$

$V_{pr}$ – objętość badanej wody użytej do oznaczenia twardości [cmIndeks górny 3]

bg‑gray1

Oznaczanie twardości wapniowej wody wodociągowej o objętości 100 cmIndeks górny 3

Przykład 2

Oblicz twardość wapniową wody wodociągowej, jeżeli średnia wartość objętości 0,02 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ roztworu EDTA uzyskana z trzech miareczkowań wynosi 9 cmIndeks górny 3.

R7V6Ln5wFANX6

Rozwiązanie

T_{Ca} = \frac{9 {cm}^{3} \cdot 0, 02 \frac{mol}{{dm}^{3}} \cdot 1000}{100 {cm}^{3}} = 1, 8 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

Odpowiedź
Twardość wapniowa wody wodociągowej wynosi 1,8 $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$ .

bg‑red

Oznaczanie twardości magnezowej

Mając wyznaczoną twardość ogólną wody oraz twardość wapniową wody, można wyznaczyć twardość magnezową.

T_{Mg} = T_{og} - T_{Ca}

Przykład 3

Oblicz twardość magnezową wody wodociągowej. Dane dotyczące twardości ogólnej wody wodociągowej uzyskasz z Przykładu 1, zaś twardości wapniowej z Przykładu 2.

RDbDjBuB1V73K

Rozwiązanie

T_{Mg} = 2, 5 \frac{mmol}{{dm}^{3}} - 1, 8 \frac{mmol}{{dm}^{3}} = 0, 7 \frac{mmol}{{dm}^{3}}

Odpowiedź
Twardość magnezowa wody wodociągowej wynosi 0,7 $\frac{mmol}{{dm}^{3}}$ .

Słownik

miareczkowanie

technika polegająca na dodawaniu z biurety roztworu o znanym stężeniu do naczynia zawierającego roztwór badany; pozwala określić stężenie badanej substancji

Bibliografia

Minczewski J., Marczenko Z., Chemia analityczna. Chemiczne metody analizy ilościowej 2, Warszawa 2009.

Woda Oligoceńska, woda z kranu czy woda z filtra?, online: http://smacznawoda.pl/woda_oligocenska.php?menu=6&lp=5, dostęp: 29.04.2021.

https://akwa‑filtry.pl/twardosc‑wody/

Wprowadzenie

Gra edukacyjna

Twardość wody – rodzaje

Laboratoryjne oznaczanie twardości wody

Oznaczanie twardości ogólnej

Obliczanie twardości ogólnej wody

Oznaczanie ogólnej twardości wody oligoceńskiej, wodociągowej oraz przefiltrowanej o objętości 100 cmIndeks górny 3

Oznaczanie twardości wapniowej

Obliczanie twardości wapniowej

Oznaczanie twardości wapniowej wody wodociągowej o objętości 100 cmIndeks górny 3

Oznaczanie twardości magnezowej

Słownik

Bibliografia

Wprowadzenie

Gra edukacyjna

Przeczytaj

Twardość wody – rodzaje

Laboratoryjne oznaczanie twardości wody

Oznaczanie twardości ogólnej

Obliczanie twardości ogólnej wody

Oznaczanie ogólnej twardości wody oligoceńskiej, wodociągowej oraz przefiltrowanej o objętości 100 cmIndeks górny 33

Oznaczanie twardości wapniowej

Obliczanie twardości wapniowej

Oznaczanie twardości wapniowej wody wodociągowej o objętości 100 cmIndeks górny 33

Oznaczanie twardości magnezowej

Słownik

Bibliografia

Oznaczanie ogólnej twardości wody oligoceńskiej, wodociągowej oraz przefiltrowanej o objętości 100 cmIndeks górny 3

Oznaczanie twardości wapniowej wody wodociągowej o objętości 100 cmIndeks górny 3