Tato lekce – laboratorní práce byla zpracována v předmětu “Analytická chemie” pro studenty profese “Technologie produktů společného stravování”. Při laboratorních pracích se ke stanovení celkové tvrdosti vody používá jedna z metod titrimetrické analýzy, komplexometrická.
Voda je univerzální rozpouštědlo na planetě Zemi. Jak ve venkovských domech, tak ve městě, v bytech s centralizovaným zásobováním vodou, je problém s tvrdou vodou. Tvrdost vody závisí na přítomnosti vápenatých a hořečnatých solí v ní. Tvrdost vody je charakteristická pro konkrétní vodárenský zdroj a při přípravě pitné vody pro centralizované zásobování vodou se nemění. Jak zjistit stupeň tvrdosti vody?
Účel: zopakovat si základní pojmy používané v titrimetrické analýze; naučit, jak stanovit celkovou tvrdost vody pomocí komplexometrické metody; posílit dovednosti v práci s laboratorním vybavením; rozvíjet počítačové dovednosti; pěstovat smysl pro zodpovědnost a disciplínu při výkonu praktické práce.
Vybavení: kónické baňky, odměrné baňky s kulatým dnem, titrační byrety, činidla: Trilon B, indikátor Eriochromová čerň T, vodovodní voda, směs amoniak-pufr; tabulky, instruktážní karty.
I. Organizační moment
II. Aktualizace znalostí studentů
Dnes si ve třídě budeme povídat o nejúžasnější látce na planetě Zemi – vodě.
Pitnou vodu jako budoucí technologové cateringu využijete nejen v běžném životě, ale i ve své profesní činnosti.
Ve Starém Oskolu se pitná voda do města dostává ze 14 vodovodů umístěných v různých částech města a regionu.
1. Je pitná voda svými vlastnostmi stejná? (Ne)
2.Jak se liší? (obsah různých látek – tvrdost)
Absolutně čistá voda v přírodě neexistuje. Vždy obsahuje různé nečistoty, rozpuštěné i suspendované. Vhodnost vody pro domácí a průmyslové potřeby závisí na koncentraci a povaze těchto nečistot.
3.Co je tvrdost vody?
Tvrdost vody je dána obsahem rozpustných solí hořčíku, vápníku, hydrogenuhličitanů, síranů a chloridů.
4. Jaké znáte druhy tvrdosti vody?
Dočasná tvrdost (uhličitan) díky obsahu hydrogenuhličitanu vápenatého a hořečnatého.
Konstantní tvrdost (bez uhličitanu) způsobené přítomností chloridů, síranů a dalších hořečnatých a vápenatých solí ve vodě.
Celková tvrdost vody je součtem uhličitanové a nekarbonátové tvrdosti.
5. Proč je nežádoucí používat tvrdou vodu v každodenním životě?
Tvrdá voda vytváří na vnitřních stěnách parních a vodních kotlů husté vrstvy vodního kamene, špatně se v ní vaří potravinářské výrobky, praní prádla v tvrdé vodě spotřebuje více mýdla.
III. Učení nového materiálu
Téma naší lekce “Stanovení celkové tvrdosti vody komplexometrickou metodou.” Zapišme si to do sešitů.
Během lekce jsme se musí učit prakticky stanovit celkovou tvrdost vody pomocí titrimetrické analýzy, zejména komplexometrické metody.
Připomeňme si základy komplexometrické metody analýzy.
1. Co je podstatou komplexometrické metody?
Esence komplexometrická metoda spočívá ve tvorbě komplexních sloučenin analyzovaných kationtů s organickými činidly – komplexony.
Titrace – postupné přidávání roztoku o známé koncentraci až do dosažení bodu ekvivalence.
3. Co je to bod ekvivalence?
Bod ekvivalence — okamžik konce reakce, protože látky spolu reagují v ekvivalentních množstvích.
4. Co se používá ke stanovení bodu ekvivalence? (indikátor)
5. Co je to indikátor?
Ukazatele – látky, s jejichž pomocí se stanoví okamžik ekvivalence mezi interagujícími roztoky.
6. Co je standardní (pracovní) řešení?
Standartní řešení – roztok s přesně stanovenou koncentrací používaný pro titrimetrická měření.
7. Jaká bezpečnostní pravidla je třeba dodržovat při provádění praktických prací?
Bezpečnostní pravidla při práci se sklem; kapaliny a volně ložené látky, stejně jako toxické látky.
Práci děláme ve dvojicích. Na stolech jsou kartičky s instrukcemi.
IV. Dělat praktickou práci
Práci děláme ve dvojicích. Na stolech jsou kartičky s instrukcemi.
Účel práce: stanovení celkové tvrdosti vody pomocí komplexometrie.
Vybavení: byrety, odměrný válec, odměrné baňky s kulatým dnem, kónické baňky, válečky, nálevky, špachtle; činidla: roztok Trilonu B, eriochromová čerň T (suchá), směs amoniak-pufr, voda z vodovodu.
1. Pomocí odměrné baňky odměřte 100 ml testu N2Oh a nalijte to do kónické baňky.
2. Do vody přidejte 5 ml směsi amoniak-pufr, poté 7-8 kapek lihového roztoku indikátoru eriochromové černi T nebo špetku jeho směsi s NaCl nebo KCl (suché).
3. Důkladně promíchejte, roztok se zbarví do červena.
4. Směs titrujte 0,05 N roztokem Trilonu B. Ke konci titrace přidávejte po kapkách roztok Trilonu B a po přidání každé kapky směs v baňce protřepejte.
5. Titraci lze považovat za dokončenou, pokud po přidání další kapky barva roztoku zmodrá se nazelenalým odstínem a nezmění se přidáním další kapky roztoku komplexonu.
6. Určete objem Trilonu B spotřebovaný pro titraci.
7. Opakujte titraci 2-3krát a pro výpočet použijte průměrnou hodnotu.
| V1 | V2 | V3 | Vženatý |
8. Vypočítejte celkovou tvrdost vody.
Hodnota celkové tvrdosti vody (W) v mg*eq/l se vypočítá pomocí vzorce:
| Жо = | N x V x 1000 | , |
| V1 |
kde N je normalita roztoku Trilonu B, g-ekv/l;
V – objem roztoku Trilonu B, ml;
V1 — objem vody, ml.
9. Udělejte závěr o typu vody pomocí uvedených hodnot tvrdosti vody.
- Velmi měkký – 0-1,5 mEq/l;
- Měkký – 1,5-3,0 mEq/l;
- Středně tvrdý – 3,0-4,5 mEq/l;
- Docela těžké – 4,5 – 6,5 mEq/l;
- Tvrdý – 6,5 – 11,0 mEq/l;
- Velmi tvrdý – přes 11,0 mEq/l.
V. Shrnutí práce
Dnes jsme v lekci prakticky zjišťovali celkovou tvrdost vody. Voda z vodovodu, kterou používáme, je středně tvrdá.
Jaké znáte metody eliminace tvrdosti?
- Uhličitanová (dočasná) tvrdost – var; přidáním vápenného mléka nebo sody.
- Nekarbonátová (konstantní) tvrdost – přidání sody.
Celková tvrdost – iontovou výměnou.
Tvrdost vody je způsobena rozpuštěnými minerály, především dvojmocnými kationty, včetně vápníku (Ca 2+ ), železa (Fe 2+ ), stroncia (Sr 2+ ), zinku (Zn 2+ ) a manganu (Mn 2+ ). Ionty vápníku a hořčíku jsou obvykle jediné ionty přítomné ve významných koncentracích; proto se věří, že tvrdost je měřítkem obsahu vápníku a hořčíku ve vodě. Je však třeba vzít v úvahu případy, kdy jsou ve významném množství přítomny jiné kationty ovlivňující tvrdost.
Stanovení tvrdosti vody titrací
Tvrdost vody lze rychle určit titrimetrickou metodou pomocí indikátorů. Při správné volbě pH můžete samostatně měřit celkovou tvrdost (Ca 2+ a Mg 2+) nebo podíl vápníku a hořčíku. Tradiční test tvrdosti zahrnuje úpravu pH na 10,1 pomocí amoniakového pufru, přidání eriochromové černi T indikátoru [1-(1-hydroxy-2-naftylazo)-6-nitro-2-naftol-4-sulfonová kyselina] a titraci Na2 roztok EDTA (disodná sůl kyseliny ethylendiamintetraoctové).
Některé indikátory jsou stabilnější, poskytují rychlejší odezvu a jasnější koncový bod než eriochromová čerň T. Jedním z nejlepších je kalmagit, kyselina 1-(1-hydroxyl-4-methyl-2-fenylazo)-2-naftol-4sulfonová. který se používá v testovacích soupravách a reagenciích Hach Lange ke stanovení celkové tvrdosti vody.
Stanovení tvrdosti vody kolorimetrickou metodou
Kolorimetrická metoda měření tvrdosti doplňuje tradiční titrační metodu, protože kolorimetrickou metodou lze měřit velmi nízké hladiny vápníku a hořčíku (0,05 – 4,00 mg/l Ca a Mg jako CaCO3). Interakce některých kovů s titračními metodami se stane nevýznamnou, jakmile se vzorek zředí a spadá do rozsahu tohoto testu. Test používá kalmagitový indikátor a dvě chelatační činidla, EGTA (etylenglykol bis(β-aminoethylether)-N,N,N’,N’-tetraoctová kyselina) a EDTA.
Popis chemických reakcí
Stanovení celkové tvrdosti
Dále si popíšeme některé roztoky a náplně od výrobce Hach Lange pro titraci připravených vzorků vody, které obsahují indikátor calmagite. TitraVer tvrdost titračního činidla (0,020N EDTA) je nejrozšířenější. Rozsah zahrnuje další koncentrace titračního činidla TitraVer určené pro vzorky s vysokou úrovní tuhosti. Titrační činidlo HexaVer, které je také k dispozici, je kyselina cyklohexan-trans-1,2-diamintetraoctová. Vytváří jasnější koncové body a dokáže odolat vyšším úrovním hardwarového rušení než TitraVer.
Indikátor Calmagit je dostupný ve speciálních složeních ManVer a UniVer. Formulace ManVer Calmagite jsou speciálně navrženy tak, aby zvýšily stabilitu a zabránily interferenci většiny prvků ve vzorku. Rušení způsobené kovovými ionty, jako je měď nebo železo, lze odstranit nebo maskovat pomocí hořečnaté soli CGDTA, která je účinná a zároveň bezpečná. K odstranění interference lze také použít sloučeniny obsahující kyanid. Jejich použití by se mělo zabránit, kdykoli je to možné, z důvodu potenciálních rizik pro životní prostředí a zdraví.
Reakce kalmagitu je závislá na pH; pH 10,1 bylo určeno jako ideální. Tradičně byly používány amoniakové pufry; mají však silný, specifický zápach. Metody Hach používají pufr tvrdosti 1 (2-amino-2-methyl-1-propanol), který je stabilní, bezpečný pro použití a méně urážlivý.
Analytická sekvence při zkouškách tvrdosti začíná úpravou pH a přidáním inhibitorů s následnou tvorbou komplexů Mg2+ a Ca2+ s kalmagitem. Při této hodnotě pH tvoří vápník slabý komplex s kalmagitem. Roztok se titruje pomocí TitraVer (EDTA) nebo HexaVer (CGDTA). Titrační činidlo nejprve váže případný vápník, poté hořčík. Změna barvy z vínově červené na modrou znamená, že veškerý vápník a hořčík byly z kalmagitu odstraněny a vytvořily se komplexy s titrantem.
Vyjádření výsledků titrace tvrdosti je mg/l CaCO3. Reakce TitraVer s Ca2+ a Mg2+ je v poměru 1:1.
Stanovení tvrdosti vápníku
Zkouška vápenaté tvrdosti vzorku vody je velmi podobná zkoušce celkové tvrdosti. Typicky po indikátoru murexid (purpurát amonný) nebo indikátoru eriochromové modročerné barvy R následuje titrace EDTA. Indikátor CalVer 2 byl vyvinut společností Hach, aby nahradil tyto indikátory. CalVer 2 (hydroxynaftolová modř) je citlivější s ostřejší koncovou změnou barvy.
Indikátor CalVer 2 tvoří červenofialový komplex s vápníkem a změní barvu na modrou poté, co TitraVer odstraní vápník z komplexu. Úroveň pH se zvýší alespoň na 13, aby se vysrážel hořčík. K reakční směsi lze přidat několik kapek standardního roztoku hořčíku, aby se zvýšila barevná změna konečného bodu. To se může zdát neintuitivní, protože hořčík se vysráží při zvýšení pH. Přidaný hořčík je však výhodně chelátován barvivem a množství je velmi malé; tedy jakékoli zkreslení způsobené přidáním hořčíku je zanedbatelné.
Úprava pH se provádí přidáním hydroxidu draselného před přidáním CalVer 2. K navázání interferujících kovů lze před přidáním CalVer 2 přidat kyanid draselný.
Vápník a celkovou tvrdost lze stanovit postupně pomocí stejného vzorku. Po stanovení vápenaté tvrdosti se pH vzorku sníží pomocí kyseliny sírové. Poté se přidají pufry tvrdosti 1 a ManVer 2 a titrace se provede pomocí TitraVer.
NEPOUŽÍVEJTE tento postup, pokud byl pro stanovení tvrdosti vápníku použit kyanid draselný! Přidání kyseliny sírové způsobí uvolnění velmi škodlivého plynného kyanovodíku.
Kolorimetrická metoda
Kalagit obsažený v roztoku indikátoru vápníku a hořčíku se přidá ke vzorku a pH se zvýší na přibližně 12,5 pomocí pufru. Přidání kalmagitu před úpravou pH zabraňuje srážení vápníku a hořčíku, které je typické při této úrovni pH. Vzorek se pak rozdělí na tři stejné části.
Do první šarže se přidává EDTA, aby vázala vápník a hořčík, čímž se ničí komplexy Ca/Mg-kalmagit. Tento roztok se používá jako slepý vzorek pro standardizaci spektrofotometru. Vlnová délka měření je 522 nm pro spektrofotometry nebo 520 nm pro kolorimetry.
Do druhé části vzorku se přidá EGTA (kyselina ethylenglykolbis(β-aminoethylether)-N,N,N’,N’-tetraoctová). EGTA selektivně chelatuje vápník; Zbývá jen změřit optickou hustotu komplexu Mg-kalmagit. Výsledek je vyjádřen v mg/l Mg jako CaCO3.
Optická hustota třetí části vzorku (neobsahující chelatační činidlo) se měří za účelem stanovení mg/l Ca jako CaCO3. Po změření druhé části vzorku vynulujte spektrofotometr, aby se kompenzovala absorbance způsobená přítomností hořčíku ve vzorku.
Společnost Hach Lange se specializuje na výrobu činidel, laboratorních a průmyslových přístrojů pro analýzu a kontrolu kvality více než 90 parametrů vody pomocí testovacích metod krok za krokem. AquaAnalytics® je oficiálním zástupcem společnosti Hach v Rusku a zemích SNS. Chcete-li poradit s měřením parametru, který vás zajímá, v laboratoři nebo ve výrobě, kontaktujte nás způsobem, který vám vyhovuje.
Zastoupení v Rusku: +7 (495) 201-53-02 info@aquaanalytics.ru
Zastoupení v Uzbekistánu: +998 (90) 174-57-84 info@aquaanalytics-tekhnika.ru
