Лекция 33. Жёсткость воды

Ключевые слова:карбонатная, некарбонатная, общая жёсткость, индикатор,

комплексы, эквивалент.

Для определения общей жёсткости природной воды применяют комплексонометрическое титрование.

Жесткость водыобусловливается наличием в ней ионов Са²⁺ иMg²⁺. Для большинства производств жесткость воды является основным показателем её качества. Жесткость количественно выражается числом миллимолей (миллиграмм – эквивалентов) ионов кальция и магния в 1 л воды (ммоль/л; мг-экв/л; мэкв/л): 1мг-экв/л жесткости соответствует содержанию в воде 20,04 мг/л ионов Са²⁺ или 12,15 мг/л ионов Mg²⁺. Различают жёсткость общую, карбонатную и некарбонатную.

Карбонатная жесткость связана с присутствием в воде в основном гидрокарбонатов кальция и магния, которые прикипячении воды переходят в нерастворимые средние или основные соли и выпадают в виде плотного осадка – «накипи»:

Са(НСО₃)₂ → СаСО₃↓+Н₂О+СО₂↑;

2Mg(HCО₃)₂ → (MgOH)₂CО₃↓ +3СО₂↑ +Н₂О.

Таким образом, при кипячении карбонатная жесткость устраняется.

Некарбонатная (постоянная) жесткость не разрушается кипячением. Она обусловливается присутствием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот, главным образом сульфатов и хлоридов.

Общая жёсткость воды представляет собой сумму карбонатной и некарбонатной жесткости и обусловливается суммарным содержанием вводе растворенных солей кальция и магния и выражается количеством ммоль эквивалентов в 1 л (ммоль /л, или мэкв/л, мг-экв/л).

Определение общей жесткости воды

Анализируемую воду подщелачивают аммонийной буферной смесью до рН ≈ 10. Индикатором служит обычно хромоген черный, образующий с ионами Са²⁺ и Mg²⁺ растворимые комплексы винно-красного цвета:

Са²⁺ + HInd^2- → CaInd^- + Н⁺ ;

винно-красный

Mg²⁺ + HInd^2- → MgInd^- + H⁺ .

винно-красный

Константы нестойкости этих комплексов равны соответственно 3,9∙10^-6 и 1∙10^-7. Смесь титруют раствором ЭДТА, при этом свободные ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ связываются в более прочные бесцветные комплексы:

Сa²⁺ + [H₂Y]^2- → [CaY]^2- + 2H⁺;

Mg²⁺ + [H₂Y]^2- → [MgY]^2- + 2H⁺.

Константы нестойкости комплексов Са²⁺ и Mg²⁺ с ЭДТА гораздо меньше (2,7∙10^-11 и 2∙10^-9), поэтому при дальнейшем титровании в точке эквивалентности комплексы металлов c индикатором разрушаются и образуются более прочные комплексы с ЭДТА:

CaInd^- + [H₂Y]^2- → [CaY]^2-+ HInd^- + H⁺

винно-красный синий

MgInd^- + [H₂Y]^2- → [MgY]^2- + HInd^- + H⁺

винно-красный синий

В эквивалентной точке винно-красная окраска раствора сменяется синей вследствие накопления свободного индикатора (HInd).

По закону эквивалентов:

∑ n_экв(Me²⁺) = n_экв(ЭДТА) = N_ЭДТА∙ V_ЭДТА.

Следовательно общую жесткость воды можно вычислить по формуле

где V_ЭДТАи N_ЭДТА — соответственно объем и нормальная концентрация ЭДТА; VH₂O - объем исследуемой воды.

Определение карбонатной жесткости

Временную (или карбонатную) жесткость определяют обычно по методу нейтрализации, измеряя объём соляной (или серной) кислоты, пошедшей на титрование пробы воды в присутствии индикатора метилового оранжевого:

Са(НСО₃)₂ + 2HCl → СаСl₂ + H₂CО₃;

HCO₃^- + H⁺ → H₂O + CO₂.

В соответствии с законом эквивалентов: N_HCl∙V_HCl = N_соли·VH₂O.

Отсюда

гдеN_соли, N_HCl - нормальная концентрация соли и кислоты соответственно;

V_HCl — объём раствора кислоты, пошедшей на титрование, мл;

VH₂O — объём пробы исследуемой воды, мл.