2.2.8. Потенциометрическое опреление рН и жесткости воды (работа № 13)

Цель работы: определить рН раствора, свободную щелочность (или кислотность), содержание Ca²⁺, Mg²⁺, общую, карбонатную и некарбонат-ную жесткость пробы производственной сточной воды.

Сущность метода. Защиту окружающей среды и в том числе водных бассейнов можно обеспечить только при систематическом контроле за составом сточных вод. Сбрасываемые воды часто пересыщены карбона-тами и гидроксидами щелочноземельных металлов, содержат хлориды и сульфаты щелочных и тяжелых металлов.

К важнейшим характеристикам сточных вод относятся щелочность, кислотность, жесткость, обусловленная солями кальция и магния. Этими показателями, в основном, определяется солесодержание и оценивается интенсивность образования минеральных отложений.

Обычно в химических лабораториях на производстве делаются три самостоятельных анализа. Методика длительная и не обеспечивает досто-верности результатов из-за сложности и многокомпонентности состава сточных вод.

В предложенной методике анализ ведется из одной пробы воды. Точно поддерживается рН раствора (контроль ведется с помощью рН-метра), что очень важно в методе комплексонометрии. Точки эквивалент-ности фиксируются по прибору (скачок потенциала) и изменению окраски индикатора.

Оборудование: 1) рН-метр-340; 2) магнитная мешалка; 3) хлорид-серебряный и стеклянный электроды; 4) ячейка; 5) микробюретка для 0,1 н. раствора HCl; 6) микробюретка для 0,05 н. раствора ЭДТА; 7) промывалка; 8) фильтровальная бумага; 9) стаканы на 250 см³ – 5 шт; 10) пипетки на 100 см³ и на 50 см³; 11) капельницы для растворов HCl (1:1) и КОН (20%); 12) мерный цилиндр для буферного раствора с рН = 10; 13) воронки; 14) бумажные фильтры «белая лента».

Реактивы: 1) 0,1 н. раствор HCl; 2) соляная кислота разбавленная 1:1; 3) раствор Na₂S с концентрацией 15 г/200 см³; 4) 0,1 н., 1 н. и 20%-ный растворы NaOH; 5) 0,05 н. раствор динатриевой соли этилендиаминтетра-уксусной кислоты (ЭДТА) – трилона Б; 6) буферный раствор (26,8 г NH₄Cl, 300 см³ концентрированного раствора NH₃·Н₂O, 100 см³ H₂O); 7) мурексид (смесь 1:100 с NaCl); 8) эриохром черный Т (смесь 1:100 с NaCl).

Ход работы. Собирают установку для потенциометрического титрования. Ячейку для титрования помещают на магнитную мешалку. На штативе закрепляют стеклянный и хлоридсеребряный электроды, подключенные к рН-метру, и бюретку для титрования.

Определение рН воды. Отбирают пипеткой 100,00 или 50,00 см³ анализируемой сточной воды и наливают в ячейку (стакан на 250 см³). Ячейку с пробой ставят на столик магнитной мешалки, опускают в раствор ферромагнитный элемент, включают мешалку. Затем следует измерить рН раствора. Если рН > 7, то определяют щелочность воды, если рН < 7, то определяют кислотность методом титрования.

Определение свободной щелочности. Пробу титруют 0,1 н. раство-ром НСl до рН = 8,3. Замеряют объем пошедшей на титрование кислоты. Рассчитывают свободную щелочность:

, ммоль экв/дм³,

где а – объем 0,1 н. раствора HCl, см³; K₁ – поправочный коэффициент, учитывающий отличие концентрации реального раствора HCl от 0,1 моль экв/дм³; – объем взятой на анализ воды, см³.

Определение общей щелочности. Этот же раствор титруют дальше 0,1 н. раствором HCl до рН = 4,5. Находят V_HCl. По объему израсходован-ного на титрование раствора кислоты рассчитывают общую щелочность:

, ммоль экв/дм³,

где b – весь объем 0,1 н. раствора HCl, израсходованный на обе стадии титрования, см³; – объем воды, взятой для анализа, см³.

Определение Сa²⁺. В ту же воду (после определения щелочности) добавляют из капельницы раствор NaOH до рН 12 – 13 и 10 см³ раствора Na₂S. Если образуется осадок, его надо отфильтровать, промыть 2 – 3 раза водой и отбросить. В фильтрат добавляют мурексид и титруют до появления фиолетовой окраски 0,05 н. раствором трилона Б.

Зная объем раствора ЭДТА, рассчитывают концентрацию ионов Ca²⁺:

моль экв/дм³,

мг/дм³,

где c – объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, см³; K₂ – поправочный коэффициент, учитывающий отличие концентрации реального раствора трилона Б от 0,05 моль экв/дм³; 20,04 – молярная масса эквивалента катионов кальция, г/моль.

Перед определением магния следует избавиться от фиолетовой окраски мурексида. Для этого убирают электроды, промывают их водой над анализируемой пробой, чтобы не потерять часть анализируемой воды, нагревают раствор до исчезновения окраски мурексида, охлаждают, затем вновь ставят ячейку на магнитную мешалку и проводят титрование.

Определение Mg²⁺. Добавляют в раствор НСl (1:1) или NaOH (20%) до рН = 11,0. Затем добавляют буферный раствор до рН = 10,1, эриохром черный Т и титруют 0,05 н. раствором трилона Б до появления синей окраски.

По объему титранта рассчитывают концентрацию ионов магния:

моль экв/дм³,

мг/дм³,

где d – объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, см³; 12,61 – молярная масса эквивалента катионов магния, г/моль.

Расчет общей жесткости. По суммарному объему раствора трило-на Б, израсходованному на титрование с обоими индикаторами, рассчиты-вают общую жесткость:

моль экв/дм³.

Расчет постоянной (некарбонатной) жесткости:

Ж_пост = Ж_общ – Ж_врем,

где Ж_врем – временная (карбонатная) жесткость (равна Щ_общ), ммоль экв/дм³.

Контрольные вопросы

1. Какие химические реакции протекают на каждой стадии тит-рования?

2. Почему возможно раздельное определение общей и свободной щелочности?

3. Объясните возможность раздельного определения концентраций ионов кальция и магния.

4. Возможно ли осуществление изученного метода без потенцио-метрического контроля?

5. Рассчитайте стандартный потенциал хлоридсеребряного электро-да, зная стандартный потенциал серебряного электрода и произведение растворимости хлорида серебра ПР_AgCl.

6. Какие индикаторные электроды позволяют измерять рН раство-ров?