DETERMINAREA DURITATII APELOR SI DEDURIZAREA CU SCHIMBARI DE IONI

I.         GENERALITATI

Apele naturale contin cantitati variabile de saruri solubile,dintre care unele confera duritate.Apele dure nu fac spuma cu sapunul si formeaza piatra de cazan.

Duritatea apei este determinata in special de sarurile solubile de

Calciu si magneziu.In functie comportarea diferita a acestor saruri la incalzirea apei, se deosebesc doua feluri de duritate:temporara si permanenta,suma lor reprezentand duritatea totala.

Duritatea temporara, notataD_t ,se datoreste carbonatilor acizi de calciu si magneziu , care la fierberea apei se descompun in carbonatii respectivi:

Ca(HCO₃)₂---->CaCO₃ +H₂O + CO₂

Mg( HCO₃)₂ MgCO₃+H₂O+CO₂

Duritatea permanenta ,notata D_p­ se datoreste clorurilor si sulfatilor de calciu si magneziu .

Duritatea totala ,notata D_T este :

D_T=D_t+D_p

Determinarea duritatii temporare,D_t

Duirtatea temporara se determina prin titrarea unui vulum dat de apa cu o solutie de acid HCl 0 n (cu titrul si factorul xexact determinate ) in prezenta indicatorului metiloranj.In cursul titrarii au loc reactiile.

Ca(HCO₃)₂+2HCL  CaCl₂+2H₂O+2CO₂

Mg(HCO₃)₂ +2HCl MgCl₂+2H₂O+2CO₂

Modul de lucru:

Inrun balon Erlemayier se masoara exact 100cm³ apa , se adauga 2-3 picaturi de metiloranj si se titreaza cu o solutie de HCl 0.1 n . solutia de HCl ce se gaseste intr-o biureta cu robinet ,se adaugapicatura cu picatura in din balonul Erlemayer , sub agitare continua , pana cand culoare solutiei din balon vireaza din galben in portocaliu deschis .

In acel moment se inchide robinetul biuretei si se noteaza volumul de acid clohidric consumat (cu o precizie de 0,05 cm³) a ml HCl 0,1 n.

Calculul:

Exprimarea in grade de duritate ^oH

Duritatea temporara se calculeazain grade duritate stiind ca 1 ml solutie HCl 0,1 n reactioneaza cu un continut de saruri echivalentcu 2,8 mg CaO;conform ecuatiei chimice :

2HCl+CaO  CaCl₂+H₂

Echivalentul CaO fiind 28.

Deci:

1ml HCl o (3,65mg Hcl). . . . . . . . . . . .2 mg CaO

a ml HCl 0,1 n (consumat la titrare ) . . . . .x

x=a*2 mg CaO

Deoarece a*2 mg CaO se gasesc in 100 ml apa ,intr-un l apa se gasesc a*10*2,8 mg CaO , dar

10 mg CaO la un l apa. . . . . . . . 1⁰H

2*10*2 mg CaOla un l apa . . . D_t

de unde rezulta :

D_t=a*10*2 ^oH

Se poate utiliza si relatia :

D_t=n*a*E

Unde :

n=normalitatea solutiei de acid HCl =0

a= volumul solutiei de HCl consumat la titrare , cm³

E=echivalentul chimic al oxiduluide calciu =28

Exprimarea in mval Ca²⁺/l:

La titrare are loc relatia :

Ca(HCO₃)₂+2HCl CaCl₂+2Co₂+H₂O

Se observa ca l1 ion gram deCa²⁺ corespund 2 moli HCl , deci:

2*36,5gHCl.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . g Ca ²⁺

a*0,00365g HCl. . . . . . . . . . . . . . .. . x*10³mg Ca²⁺la 100ml

la un litru apa se gasesc x*10³*10 mgCa²⁺care raportat la echivalentul calciului va da duritatea exprimata in mval Ca²⁺ /l , adica :

duritatea temporara se va calcula cu relatiile de mai sus.

Determinarea duritatii totale (D_T)

A Metoda complexometrica

Determinarea duritatii totale se va face prin titrarea complexometrica a ionilor de calciu si magneziu dintr-un volum dat de apa , cu o solutiede conplexon III 0,01m(cu titrul si factorul exact determinate )in prezenta indicatorului erio T.

Determinarea complexometrica a calciului si Mg se bazeaza pe reactia de formare a unor saruri complexe solubile utilizand ca reactiv solutia titrata de sare disodica a acidului etlen diaminotetraacetic numit si complexon III.

Deoarece reactia de titrare este sensibila la variatia de pH(din reactie rezultaioni de hidrogen ),se lucreaza la pH cuprins intre 8 si 10 ,ceea ce se realizeaza prin adaugarea in solutia de analizat a unei anumite cantitati de solutie tampon .

In cursul titrarii , complexonul III va scoate treptatcationii din complexul format cu indicatorul ,pana la punctul de echivalenta ,cand toti cationii au fost legati de complexonul III .

In acest moment apare indicatorul liber ir culoarea solutiei dela rosu devine albastru net ,ceea ce indica sfarsitul reactiei .

Reactiile in timpul sunt:

Initial

CaCl₂+NaH₂I  CaNaI+2HCl

MgCl₂+NaH₂I  MgNaI+2HCl

Rosu

Final (la punctul de echivalenta )

CaNaI+NaH₂I CaNaY+NaH₂I

rosu Albastru

MgNaI+Na₂H₂Y MgNa₂Y+NaH₂I

Albastru

Modul de lucru:

Intr-un balon erlemayer se masoara exact 100 cm³ apa de analizat , se adauga 5 cm³ solutie tampon si un varf de lingurita de indicator erio T ;solutia se coloreaza in rosu . se spala peretii interiori ai balonului Erlemayer cu apa distilata din stropitor (vezi fig. 1) .se incalzeste la 40-50 de grade celsius si se titreaza atent , sub aagitare continua cu osolutie de complexon III 0,01 m pana la virarea culorii solutiei de la rosu la albastru net (fara nuanta violet).

Se noteaza volumul solutiei de complexon III consumata din biureta b,ml

Un mol de complexon III leaga un atom de metal independent de valenta acestuia .

Deci 1ml solutie complexon III 0,01 m corespunde la 0,2432 mg Mg²⁺ sau la 0,561 mg CaO.

Calculul:D_T

Exprimarea in grade duritate ^oH

mg CaO /l apa=b cm³ complexon III *F*0,561 *10,unde

F=factorul solutiei de complexon III 0,01m

10mg CaO/lapa . . . . . . . . . . . . . . . 1⁰H

b*10*F*0,561 . . . . . . .. . . .. . . . . .D_T

deci

D_T= b*0 *F mval/l

Duritatea totala se va calcula cu relatiile de mai sus

Reactivi necesari

1.solutia de ccomplexon III 0.01 m .Un litru de solutie apoasa contine 3.772 g de complexon III.

2.solutia tampon .Un litru solutie apoasa contine 54 g de clorura de amoniu si 350cm³ de hidroxid de amoniu concentrat .

3. indicator erio T. La 100 g clorura de sodiu uscata si pulverizata se adauga 0.5 g negru ericrom T ,amestecul se omogenizeaza perfect prin mojarare.

Dedurizarea apelor cu schimburi de ioni

In industrie apa se utilizeaza la alimentarea cazanelor de abur ,la racitoare sau in alte scopuri tehnologice .Sarurile prezente in apa formeaza la incalzire piatra de cazan ,care conduce la consumuri marite de combustibili si la aparitia de tensiuni in peretii de metal ai cazanelor , tensiuni care pot conduce la fisuri si chiar la explozii .De aceea , inainte de intrebuintare in industrie este supusa unor operatii ce au scop eliminarea duritatii si care sunt cunoscute sub numele de dedurizarea apei.

Dedurizarea se realizeaza prin mai multe metode ,cea maimoderna fiind dedurizarea cu schimburi de ioni.

Schimbatorii de ioni sunt rasini sintetice capabile sa ionii proprii ,cu ionii de Ca²⁺si Mg²⁺ prezenti in apa.

Dupa natura ionilor ,schimbatorii pot fi cationiti si anioniti .

La dedurizare au loc reactiile :

2RH+CaCl R₂Ca+2HCl (cationit)

2ROH+CaCL₂  2RCl+Ca(CH)₂ (anionit)

R-reprezinta scheletul rasinii sintetice de care se leaga ionii de H⁺,Na⁺sau OH^-- . La saturatie ,schimbatorii de ioni nu mai retin ioni.Inacest moment dedurizarea se intrerupe si se procedeaza la regenerarea si spalarea schimbatorilor ,dupa care dedurizare incepe .

Apa demineralizata (fara cationi si anioni) se obtineprin trecere succesiva peste paturi de cationiti si anioniti.

Modul de lucru :

In laborator se intrebuinteaza o instalatie de dedurizare dotata cu catioit romanesc , vionit CS-3 ,cu indicator de culoare .

Se trece apa de analizat din palnia picuratoare 1 intr-o coloana cu cationit 2 apa dedurizata se culege intr-un pahar 3 .Are loc relatia :

2RH+CaCl₂  R₂Ca +2HCl

se fac urmatoarele analize :

a)     Intr-o eprubeta se ia proba din apa initiala si se executa reactia de indentificare a ionului Ca²⁺ cu oxalat de amoniu :

Se obtine un precipitat alb de oxalat de calciu.

CaCl+(NH₄)₂C₂O₄ CaC­₂O₄+NH₄Cl

b)Se analizeaza si apadedurizata procedind ca la punctul a . Nu se obtine precipitat alb <ceea ce indica absenta ionului Ca²⁺

c)Se analizeaza ultima portiune de apa dedurizata procedand ca la punctul a .In cazul in care schimbatorul s-a epuizat , se va obtine precipitat alb , ceea ce indica prezenta ionilor de Ca²⁺ .

d)Se procedeaza la regenerarea schimbatorului trecand din palnia 1 20ml de acid clorhidric 5% peste schimbator .are loc reactia :

R₂Ca+2HCl  2RH+CaCl₂

e)Se spala cu apa distilata pentru eliminarea excesului de acid .

Rezultate finale :

V_HCl=1

Δ_t=

Δ_t=V_HCl*F_HCl mvol

C_III==8 div

Δ_T=V_CIII*F_CIII*0,561=4,1H

Δ_T=V_CIII*F_CIII*0,2=1,6 mol/l