Определение временной жесткости различных типов воды путем кислотно-основного титрования, способы ее смягчения и избавления от накипи

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

МБОУ «Гимназия»

Проект

Определение временной жесткости различных типов воды путем кислотно-основного титрования, способы ее смягчения и избавления от накипи

Автор: Анисимов Андрей,
ученик 11Б класса

 Руководитель: Зазулина Е. А.,
учитель химии
высшей квалификационной
категории

г. Черногорск, 2021

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3
1. Теоретическая часть……………………………………………………………4
1.1. Сущность титриметрического анализа…….……………………………….4
1.2. Посуда, применяемая для измерения объемов растворов…………...…....5
1.3. Применение кислотно-основного титрования……………..………………6
1.4. Кислотно-основные индикаторы………………………………..……...…..7
1.5. Техника титрования………………………………….………………………8
1.6. Требования техники безопасности………………………….………...……9

 1.7. Понятие временной жесткости………………………………………….....10
2. Практическая часть………………………………………………………..….11
2.1. Техника проведения работы……………………………………….…..…..11

 2.2. Титрование воды без смягчения………………………………………..…11

 2.3. Титрование профильтрованной воды…………………………………..…12

 2.4. Титрование кипяченной воды……………………………………………..12

 2.5. Расчет временной жесткости…………………………………………...….13

2.5.1. Временная жесткость несмягченной воды…………………………...….13

2.5.2. Временная жесткость профильтрованной воды………………………...13

2.5.3. Временная жесткость кипяченной воды……………………………...…13

 2.6. Чистка накипи………………………………………………………………14
Вывод……………………………………………………………………….….....15

Заключение………………………………………………………………….……16

Список использованной литературы……………..………………………….…17

                                                             2

Введение.

В повседневной жизни мы слышим о жесткости воды постоянно: из телевизора, в интернете и других областях СМИ. Что же такое жесткость воды? Какую жесткость имеют различные воды? Как спастись от накипи в домашних условиях? И, наверное, самое главное – как смягчить слишком жесткую воду? В своем проекте я решил ответить на эти вопросы .

 Таким образом, цель данной работы: определение временной жесткости воды различных типов, нахождение способов ее смягчения и избавления от накипи.

 Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить теоретический материал о жесткости воды, квалификации жесткой воды, способах ее смягчения в домашних условиях и способах избавления от накипи.
2. Путем титрования различных типов воды найти временную жесткость.
3. Проанализировать полученные результаты.

 Объектом исследования данной работы является временная жесткость воды.

 Предмет исследования: домашние способы смягчения воды и избавления от накипи.

 Практическая значимость работы заключается в том, что данные работы могут быть полезны для каждого человека и смогут помочь не только в устранении излишней жесткости воды, но и в правильном выборе питьевой воды, а так же в чистке бытовых приборов от накипи.

3

1. Теоретическая часть

1.1. Сущность титриметрического анализа

Титриметрический анализ заключается в измерении объема титранта (раствора с точно известной концентрацией), затраченного на реакцию с определяемым веществом. Процесс постепенного добавления титранта к анализируемой пробе называется титрованием, а момент завершения реакции – точкой эквивалентности. Расчет в титриметрическом анализе основан на законе эквивалентов: количества вещества эквивалентов всех участвующих в реакции веществ равны.

Условимся в дальнейшем любое анализируемое вещество обозначать «Х», а любой титрант «Т», тогда закон эквивалентов можно записать следующей формулами:

СН(Х)∙ V(Х) = СН(Т) ∙V(Т)

СН(Х) – молярная концентрация эквивалента анализируемого вещества, моль/л или ммоль/л (часто в аналитической химии мэкв/л количество моль-эквивалентов вещества в литре раствора);

V(Х) – объем раствора анализируемого вещества, л или мл;

СН(Т) − молярная концентрация эквивалента титранта, моль/л или ммоль/л (часто в аналитической химии мэкв/л количество моль-эквивалентов вещества в литре раствора);

V(Т) − объем раствора титранта, л или мл;

Выделяют три основных задачи, которые необходимо решить для успешного проведения титриметрического анализа.

1. Необходимо знать точную концентрацию титранта (понятие «точная концентрация» здесь условно: ясно, что оперируя экспериментальными данными, имеющими приблизительный характер, мы лишь оговариваем степень точности. Точной будем называть такую концентрацию, которая в числовом выражении имеет три значащих цифры, например: 1,38; 0, 0138; 0,400).

2. Необходимо знать точные объемы растворов реагирующих веществ, т. е. титранта и анализируемого вещества.

3. Необходимо правильно выбирать реакцию для определения и надежно фиксировать точку эквивалентности.

В титриметрическом анализе могут использоваться не все химические реакции, а только те, которые отвечают определенным требованиям. Перечислим основные:

1. реакция должна быть практически необратимой;

2. реакция должна протекать в строгом соответствии с уравнением химической реакции, без побочных продуктов (это требование часто формулируется как «стехеометричность процесса»);

3. реакция должна протекать достаточно быстро;

4. должен существовать способ фиксирования точки эквивалентности.

4

1.2. Посуда, применяемая для измерения объемов растворов

Мерные колбы (рис. 1) представляют собой круглые плоскодонные стеклянные сосуды с длинной узкой шейкой (горлом) с кольцевой меткой.

Мерные колбы служат для измерения объемов растворов, приготовления растворов определенной концентрации. Объем жидкости, вмещаемой колбой, выражают в миллилитрах. На колбе указывают ее емкость и температуру, при которой эта емкость измерена. Мерные колбы имеют притёртые пробки. Обычно применяются колбы на 50, 100, 250, 500 и 1000 мл.

                Рис. 1. Мер-   Рис. 2. Пи-         Рис. 3. Бюретки

                    ная колба       петки

Пипетки служат для точного отмеривания определенного объема жидкости и представляют собой стеклянные цилиндрические, оттянутые сверху и снизу узкие трубки (рис. 2,а). В верхней части пипетки имеется отметка, показывающая, до какого уровня нужно заполнить снизу пипетку, чтобы вылитая из нее жидкость имела объем, указанный на пипетке. Чаще всего пользуются пипеткой емкостью 10 или 20 мл. Существуют измерительные пипетки, имеющие вид узкой градуированной трубки   (рис. 2,6).

Бюретки (рис. 3) предназначены для выливания из них строго определенных объемов жидкости. Они представляют собой длинные стеклянные трубки, на которые нанесена шкала c делениями. Чаще всего пользуются бюретками емкостью 25 или 50 мл, градуированными на десятые доли миллилитра. В нижней части бюретки         имеется кран. Иногда в бюретках нет крана, тогда на конец ее надевают отрезок резиновой трубки со стеклянным шариком внутри и стеклянной оттянутой внизу трубкой. Оттягивая пальцами резиновую трубку от шарика, можно

спускать жидкость из бюретки. Необходимо следить за тем, чтобы оттянутый конец трубки был нацело заполнен сливаемой жидкостью.

5

1.3. Применение кислотно-основного титрования

Кислотно-основное титрование позволяет решать многие задачи, возникающие при клиническом анализе биологических жидкостей как при постановке диагноза, так и при лечении больных. Определение кислотности желудочного сока, буферной емкости крови, спинномозговой жидкости – примеры использования кислотно-основного титрования в повседневной практике.

С помощью этого метода можно анализировать лекарственные вещества, устанавливать доброкачественность продуктов питания (например, молока).

Большое значение имеет рассматриваемый метод и при санитарно-гигиенической оценке объектов окружающей среды, в частности определение жесткости воды.

Промышленные стоки могут содержать или кислые, или щелочные продукты. Закисление или защелачивание природных водоемов и почвы приводит порой к необратимым последствиям, в связи с чем контроль кислотно-основного баланса весьма важен.    

6

1.4. Кислотно-основные индикаторы

Использование в качестве титрантов только сильных кислот и сильных оснований обеспечивает практическую необратимость многих реакций.

Реакции между кислотами и основаниями не сопровождаются, как правило, какими-либо внешними эффектами, поэтому для фиксирования точки эквивалентности приходится использовать специальные вещества-индикаторы.

Кислотно-основные индикаторы – это слабые кислоты или основания, степень ионизации которых определяется концентрацией Н+-ионов в растворе.

В кислых растворах рН<7, в щелочных рН>7, в нейтральных рН=7.

Все индикаторы изменяют свою окраску не скачкообразно, а плавно, т. е. в определенном интервале значений рН, называемом интервалом перехода. Поскольку индикаторы как кислоты или основания отличаются друг от друга по силе, они имеют разные интервалы перехода.

Значение рН раствора в процессе титрования постоянно меняется, вблизи точки эквивалентности наблюдается так называемый скачок титрования – резкое изменение рН раствора при незначительном добавлении титранта.

Для надежного фиксирования точки эквивалентности надо подобрать такой индикатор, интервал перехода окраски которого попадал бы в скачок титрования.

В аналитической практике из индикаторов чаще других применяют метилоранж (МО, интервал перехода 3,1 – 4,4) и фенолфталеин (ФФ, интервал перехода 8,0 – 9,6). При титровании сильной кислоты сильным основанием скачок титрования находится в диапазоне рН от 4 до 10 (при концентрации реагирующих веществ, равной 0,1 моль·дм-3).

В данном случае могут использоваться метилоранж и фенолфталеин.

При титровании слабой кислоты сильным основанием точка эквивалентности смещается с линии нейтральности в щелочную область вследствие гидролиза образующейся в точке эквивалентности соли (рН>7). Скачок титрования сужается и будет тем уже, чем слабее титруемая кислота. В этом случае в качестве индикатора может быть использован из двух упомянутых индикаторов только фенолфталеин.

При титровании слабого основания сильной кислотой по завершении реакции образуется соль, гидролизирующаяся по катиону; точка эквивалентности смещается в кислую область. Для фиксирования точки эквивалентности можно использовать метилоранж, нельзя – фенолфталеин.

При уменьшении концентрации реагирующих веществ скачок титрования сужается, что усложняет проблему выбора индикатора. При титровании многоосновных кислот или солей могут наблюдаться два скачка титрования.

7

1.5. Техника титрования

        Титрование представляет собой постепенное приливание раствора известной концентрации (титранта) к анализируемому раствору точно заданного объема.

        Приливание титранта производится при помощи бюретки и заканчивается в тот момент, когда количество титранта, определяемого объемом израсходованного раствора и его концентрацией, полностью прореагирует с веществом анализируемого (титруемого) раствора. Этот момент окончания титрования называется точкой эквивалентности, так как при этом количества вещества в титранте и в анализируемом растворе становятся эквивалентными. Конец титрования устанавливается визуально по изменению цвета раствора в связи с образованием или израсходованием какого-либо окрашенного вещества или с помощью индикатора, изменяющего свой цвет в присутствии (или в отсутствие) каких-либо веществ, участвующих в титровании.

        Обратите внимание: изменение окраски раствора должно произойти от одной избыточной капли титранта и удерживаться не менее 1 минуты.

8

1.6. Требования техники безопасности

        Выполняя опыты, нужно пользоваться растворами только указанной концентрации и соблюдать рекомендуемую дозировку. Не делать дополнительных опытов без разрешения преподавателя.

        В работе нужно пользоваться только незагрязненными реактивами и чистой посудой. Следует аккуратно работать с реактивами: внимательно читать этикетки, не уносить реактивы общего пользования на свои рабочие столы, во избежание загрязнения реактивов держать склянки с растворами и сухими веществами закрытыми, не путать пробки, не высыпать и не выливать обратно в склянки неиспользованные или частично использованные реактивы.

        Если во время работы будет пролита кислота или щёлочь, удалять их следует быстро, так как эти реактивы портят стол и другие предметы, и осторожно, чтобы не прожечь одежду и не повредить руки.

9

1.7. Понятие временной жёсткости

Жёсткость природных вод, в основном, обусловлена содержанием в них растворимых солей кальция и магния. Разумеется, жёсткость воды могут вызывать не только ионы Ca2+ и Мg2+, но и катионы других металлов, однако в естественных водах из катионов, образующих нерастворимые мыла, в значительных количествах присутствуют только катионы кальция и магния. Эти ионы входят в состав гидрокарбонатов Са(НСО3)2, Mg(HCO3)2, сульфатов и хлоридов. Содержание других растворимых солей кальция и магния в природных водах обычно очень мало.

Жёсткость, придаваемая воде гидрокарбонатами кальция и магния, называется карбонатной. При кипячении гидрокарбонаты воды превращаются в нерастворимые карбонаты, оседающие на стенки посудомоечных, стиральных машин и чайников, а вода теряет жесткость, поэтому карбонатная жесткость также называется временной.

В жесткой воде плохо варятся продукты, так как ионы Са2+ и  Mg2+ образуют с белками нерастворимые соединения. Плохо завариваются чай, кофе. При постоянном употреблении жесткой воды, в почках могут образовываться камни (мочекаменная болезнь).

Мягкая вода же используется медицинских целях для вывода из организма шлаков, но постоянное употребление такой воды может привести к вымыванию полезных микроэлементов: кальция, магния, калия, что опасно для костей и сердца.

Поэтому оптимальным вариантом для использования является вода не слишком мягкая и не слишком жесткая.

В зависимости от содержания ионов Са2+ и  Mg2+   природные воды делятся на следующие группы:

Группы воды по жесткости

10

2. Практическая часть

2.1. Техника проведения работы

         Так как вода, содержащая гидрокарбонаты кальция и магния имеет щелочную реакцию, определение карбонатной жёсткости производятся непосредственным титрованием воды соляной кислотой в присутствии индикатора - метилового оранжевого.          

Для анализа в коническую колбу отмерить с помощью мерного цилиндра 100 мл исследуемой воды. Добавить 2-3 капли индикатора метилового оранжевого.

В приготовленную заранее бюретку налить 0,1Н раствор соляной кислоты. Установить уровень на нулевое деление и по каплям приливать соляную кислоту в воду до изменения окраски раствора от жёлтой до оранжево-розовой. Определить объём израсходованной на титрование кислоты.

Титрование повторить ещё два раза, каждый раз доливая в бюретку кислоту до нулевого деления.

2.2. Титрование воды без смягчения

11

2.3. Титрование профильтрованной воды

2.4. Титрование кипяченной воды

12

2.5. Расчет временной жесткости

Рассчитаем временную жесткость по формуле:

     Сн (HCl) · V сред(HCl)

Ж врем = --------------------------------- · 1000

 V(H2O)

2.5.1. Временная жесткость несмягченной воды

Промышленное производство[1] – 1.4 мэкв/л

Центр. водопровод (5-этажный дом)[2] – 4.5 мэкв/л

Центр. водопровод  (колонка ул. Фрунзе)[3] – 3.8 мэкв/л

Скважина (ул. Фрунзе)[4] – 18 мэкв/л

2.5.2. Временная жесткость профильтрованной воды

Центр. водопровод (5-этажный дом)[2.1] – 1.2 мэкв/л

Центр. водопровод  (колонка ул. Фрунзе)[3.1] – 2.7 мэкв/л

Скважина (ул. Фрунзе)[4.1] – 7.2 мэкв/л

2.5.3. Временная жесткость кипяченной  воды

Центр. водопровод (5-этажный дом)[2.2] – 3.6 мэкв/л

Центр. водопровод  (колонка ул. Фрунзе)[3.2] – 3.6 мэкв/л

Скважина (ул. Фрунзе)[4.2] – 13.1 мэкв/л

13

2.6. Чистка накипи

В домашних условиях избавиться от накипи можно с помощью кислот которые есть в каждом доме: уксусная и лимонная. Реагируя с накипными карбонатами кальция и магния, кислоты превращаются в растворимые соли – ацетаты и цитраты. Концентрация раствора для очистки – одна столовая ложка кислоты на литр воды.

Уксусная кислота:

2CH3COOH + CaCO3=(CH3COO)2Ca + CO2 + H2O

2CH3COOH + MgCO3=(CH3COO)2Mg + CO2 + H2O

Лимонная кислота:

(HOOCCH)-C(OH)COOH + MgCO3= C6H6O7Mg + СO2 + H2O

(HOOCCH)-C(OH)COOH + CaCO3= C6H6O7Ca + СO2 + H2O

После очистки обязательно промыть очищаемый прибор, чтобы не вызвать проблем со здоровьем.

Такой способ очистки актуален только для небольших следов накипи на бытовых приборах (чайники, кипятильники), чтобы очистить более серьезные загрязнения лучше прибегнуть к специализированным чистящим средствам.

14

Вывод

Из проведенных опытов и прочитанного материала я выяснил, что вода промышленного производства, купленная в магазине, не требует смягчения, но и на постоянную основу для питания она непригодна из-за своей чрезмерной мягкости.

 С остальными же образцами ситуация другая – вода из-под крана и из колонки пригодны для питания и использования в стиральных и посудомоечных машинах, но смягчение не будет лишним. Вода из скважины была самой жесткой, смягчение было обязательно, иначе ее нельзя ни использовать в посудомоечных машинах, ни пить.

После кипячения вода из под крана и из колонки стала более мягкой, с оптимальным содержанием солей и ее можно использовать в машинах и чайниках с более меньшим выходом накипи. Вода из скважины хоть и снизила жесткость почти на 30%, но так и осталась слишком жесткой, так что кипячение этой воды неэффективно из-за большого количества накипи и неполного смягчения до нормы.

Отфильтрованная вода из-под крана стала иметь более лучшие свойства для использования в машинах, но употреблять ее постоянно в пищу вредно из-за ее мягкости. Вода из колонки осталась в пределах нормы, так что ее можно использовать как в пищу, так и для стирания и мойки посуды. Фильтрация воды из скважины оказалась наиболее эффективной чем кипячение - ушло 60% жесткости, но она так и не смогла попасть в рамки средней воды, хотя при повторении фильтрации, я думаю, ее можно было бы применять в пищу.

Таким образом, можно сделать выводы, что:

1. Вода промышленного производства может употребляться в пищу, но не на постоянной основе.
2. Воду из под крана фильтровать не обязательно, но если это сделать, то при использовании в стиральных и посудомоечных машинах она будет обладать менее “накипными” свойствами, с употреблением в пищу ситуация такая же как и с водой промышленного производства.
3. Вода из колонки, как и вода из-под крана, не должна быть обязательно профильтрована, но, в отличие от воды из-под крана, она осталась в пределах нормы средней жесткости, а значит ее можно как употреблять в пищу, так и использовать в машинах.
4. Для воды из скважины максимально эффективным методом оказалось фильтрование, хоть она и осталась жесткой, но избавилась от 60% жесткости, а значит, что при повторной фильтрации она смогла бы попасть в категорию средней воды.
5. Кипячение оказалось неэффективным из-за меньшего смягчения, чем фильтрование и из-за образования накипи, что создает проблемы для кипятильных устройств.

15

6.)От небольшого количества накипи легко избавиться кислотами, которые есть в каждом доме.

Заключение

Теперь можно не бояться слов “жесткость” и “накипь”, а самостоятельно, не имея проблем, и в домашних условиях избавиться от них. Это довольно просто, а результат, в большинстве случаев, стоит той малой проделанной работы.

16

Список использованной литературы

https://ru.wikipedia.org/wiki/Титриметрический_анализ

www.aqualover.ru/hydrochemistry/general-permanent-carbonate-hardness.html

17