Bestemmelse af Vands Hårhed - Rapport i Kemi

Side 1

Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004

Kemi 2004 1

Vands hårdhed.

Formål

Formålet med øvelsen og rapporten er, at bestemme almindelig vandhanevand fra kemilaboratoriets hårdhed.

Teori

Vands hårdhed bestemmes af koncentrationerne af Ca^{2+} og Mg^{2+} ionerne. Definitionen af hårdheden

er netop summen af de to koncentrationer og måles i °dH:

[Ca^{2+}] + [Mg^{2+}] = °dH
Enheden °dH er defineret, så hårdheden er 1 °dH, når indholdet af Ca^{2+} og Mg^{2+} svarer til 10 mg
CaO /L. Dermed bliver:
[ ] CaO °== 1010,0^{g}_{L} dH Der divideres igennem med Calciumoxids molarmasse (56,08 g/mol)

L mol mol g

L g

                             − 4
1 dH                      ⋅==° 1078,1

08,56

01,0

                                        −++ 422
Altså svarer 1 °dH til at             ⋅=+ 1078,1][][ MMgCa .

Vand, der indeholder disse ioner, kan udfælde kalk ved opvarmning ved disse reaktioner:

++→+   lOHgCOsMgCOaqHCOaqMg )()()()(2)(
    2233

++→+   lOHgCOsCaCOaqHCOaqCa )()()()(2)(
    2233

2 +

2 +

−

−

Den del af calcium- og magnesiumionerne, der kan ”fjernes” ved denne opvarmning kaldes vandets temporære (midlertidige) hårdhed. Den del, der ikke kan fjernes på denne måde, kaldes den permanente hårdhed.

Vi vil bestemme vandets permanente hårdhed ved en titrering. Vi titrerer med EDTA-ionen, som for

overskuelighedens skyld benævnes Y^{4-}. Titreringsreaktionerne bliver da:

       −−−+ 18242
⋅=→+ 105)()()( MKaqMgYaqYaqMg

       −−−+ 110242
⋅=→+ 105)()()( MKaqCaYaqYaqCa

k k

Magnesium og Calcium-ionerne danner altså et kompleks med EDTA-ionen.

Kompleksitetskonstanten K findes i ”DATABOG fysik og kemi” s. 41. Da k

Side 2

Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004

Kemi 2004 2 kompleksitetskonstanten for den første reaktion (med calcium-ioner) er større end for den anden

               2+                                2+         2+
reaktion, bliver Ca ionerne bundet til EDTA-tionen før Mg . Når alle Ca ionerne har bundet sig

til EDTA-ionen, begynder Mg^{2+} at binde sig til den. Når der ikke er flere EDTA-ioner i

                2+                                                 2+
opløsningen, vil Mg begynde at reagere med vores indikator eriochromsort-T. Mg danner et

rødligt kompleks med eriochromsort-T, så vi kan altså se, at reaktionen laver et farveskift til rødligt, at vi har nået ækvivalenspunktet. Herefter kan vi med alm. kemiske mængdeberegninger bestemme

summen af Ca^{2+} og Mg^{2+}.

Ved den anden titrering ønsker vi at bestemme den to koncentrationer hver for sig. Dette gøres ved

først at tilsætte en stærk base (NaOH). Dermed bindes Mg^{2+} ionerne til OH^{-} ionerne til et Mg(OH)

2

kompleks. Derefter er det kun Ca^{2+} ionerne der reagerer med EDTA-ionen. Når vi når

                                                        2+
ækvivalenspunktet er der ikke flere EDTA-ioner i opløsningen, og Ca reagerer videre med

indikatoren calgoncarbonsyre, der danner et rødt kompleks. Farven vil skifte til ren blå.

Vi vil med den tredje titrering bestemme vandets temporære hårdhed. Vi lader HCO^{-} ionen reagere

3

med saltsyrens H^{+} ion. Som indikator kan vi bruge methylorange. Denne indikator skifter fra gul til
orange omkring pH= 4, hvor ækvivalenspunktet ligger.

Apparatur og kemikalier

Anvendt apparatur:

• Måleglas 10 ml

• Måleglas 100 ml

• Konisk kolbe 250 ml

• Magnetomrører med magnet

• Burette og stativ til dette

• Tragt

• Spatel

Kemikalier:

• 0,0100 M Na H Y (EDTA)

2 2

Side 3

Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004

Kemi 2004 3

• 0,100 M HCl

• 2 M NaOH

• Pufferopløsning (NH^{+} /NH)

4 3

• Indikatorer: methylorange, eriochromsort-T og calgoncarbonsyre

Fremgangsmetode og resultater

1. titrering

Fra vandhanen afmåles præcis 50 ml vand, som føres over i den koniske kolbe. Der tilsættes ca. 2 ml af pufferopløsningen og en spatelfuld eriochromsort-T. Na

2 2

H

Y- opløsningen fyldes op i buretten gennem tragten, og titreringen gennemføres. Ved ækvivalenspunktet (farveskift til rød) noteres det afmålte antal ml Na H Y.

2 2

2. titrering

Igen afmåles præcis 50 ml vand fra vandhanen, som hældes i den koniske kolbe. Til vandet tilsættes ca. 5 ml NaOH og en spatelfuld calgoncarbonsyre. Buretten fyldes igen med Na H Y- opløsning, så

2 2 titreringen er klar til at gennemføres. Ved ækvivalenspunktet (farveskift til blå) noteres igen det afmålte antal ml Na H Y.

2 2

3. titrering

Fra vandhanen afmåles præcis 100 ml vand til den koniske kolbe, og der tilsættes methylorange.

Buretten fyldes op med HCl, og titreringen gennemføres. Ved ækvivalenspunktet (farveskift fra gul til orange) noteres det afmålte antal ml HCl.

Vi fik følgende resultater:

Titrering Volumen Tilsat fra

Nr.

drikkevand burette

1 50 ml 10,7 ml 0,01 M Na H Y

2 2

2 50 ml 9,5 ml 0,01 M Na H Y

2 2

3 100 ml 3,9 ml 0,01 M Na H Y

2 2

Side 4

Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004

Kemi 2004 4

Resultatbehandling

1. titrering

                                                   4-
Af reaktionsskemaet (under teori) ses det, at stofmængden af Y ionen ved ækvivalenspunktet er

ækvivalent med stofmængden af [Ca^{2+}] + [Mg^{2+}]. Dermed udregnes koncentrationen af denne sum

(som kaldes x i beregningerne for overskueligheden):

                                                  − 4
n                 ml                           ⋅=⋅=⋅= 1007,10107,001,07,1001,0 molL
 x

L L mol mol

Vcn     ⇔⋅=
 tilsatEDTAEDTAx

nn_{Y}_{4}_{−} ⇔=

x

Dette antal mol fandtes i 50 ml = 0,05 L vandhane vand, så koncentrationen af de to ioner bliver:

c_{x} == == 0021,00021,0 M

V 05,0 L L

            − 4
n        ⋅ 1007,1 mol      mol
 x

Hårdheden bestemmes ud fra definitionen af vands hårdhed:

hårdheden °= = 8,11 dH

° dH

M

0021,0 M

   − 4
⋅ 1078,1

Vandhanevandet i kemilaboratoriet er altså et sted mellem blødt og middelhårdt. På kortet i øv.vejl.

ses det, at vand i Kolding egnen er ca. 11 °dH, hvilket stemmer godt overens med vores resultat.

2. titrering

Ved den anden titrering var det som sagt kun Ca^{2+} ionerne, der reagerede med Y^{4-} ionen. Dermed

kan koncentrationen af calciumionerne udregnes:

                                                   − 5
Vcn               ml                           ⋅=⋅=⋅=⋅= 105,90095,001,05,901,0 molL

L L mol mol

nn_{YCa}_{42}_{−+} ⇔=

2 + EDTACa

Koncentrationen af calciumioner kan så udregnes:

c_{ca}_{2} == = 0019,0 M
V_{vand} 05,0 L

              − 5
n         ⋅ 105,9 mol
 ca 2

+

+

Nu kan [Mg^{2+}] med resultatet fra 1. titrering udregnes:

=−= 0002,00019,00021,0][ MMMMg

0021,0][][ MCaMg ⇔=+

2 +

22 ++

Vi kan også omregne de to koncentrationer til mg/L. Dette gøres ved at gange med molarmassen

(som findes bag i kemibogen) og gange med 1000, da der går 1000 mg til 1 g:

Side 5

Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004

Kemi 2004 5

L mol g L mol g mg mg

Mg^{2} =⋅⋅= 86,4100031,240002,0][

L mol g L mol g mg mg

Ca^{2}^{+} =⋅⋅= 15,,400019,0][

+

3. titrering

                                                 -
Ved den tredje titrering, er det hydrogencarbonationen HCO

3

, der reagerer med saltsyren (HCl).

Reaktionsskemaet uden tilskuerionerne bliver:

aqCOHaqHaqHCO ↔+)()()(

323

+

−

Vi ser, at ved ækvivalenspunktet er stofmængden af H^{+} ionen ækvivalent med stofmængden af
HCO^{-} ionen. Dette benyttes, til at finde koncentrationen af hydrogencarbonationerne:

3

                                                    − 4
Vcnn                ml                           ⋅=⋅=⋅=⋅== 109,30039,0100,09,3100,0 molL
   +++−
 HHH

L L mol mol

HCO_{3}

Koncentrationen beregnes:

V_{vand} 1,0 L L

   − 4
⋅ 109,3 mol       mol

n_{HCO_{3}}
c_{HCO_{3}} == = 0039,0

−

−

Koncentrationen af denne ion kan i sig selv ikke bruges til så meget. Men vi betragter igen kalkudfældningsreaktionen:

lOHgCOsCaCOaqHCOaqCa ++→+)()()()(2)(

2233

2 +

−

Da et mol Ca^{2+} er ækvivalent med to mol HCO^{-}, må koncentrationen af calciumionen være halvt så

3 stor som koncentrationen af hydrogencarbonationen:

][][ MHCOCa =⋅=⋅= 0020,00039,0

2 2

1 1

3

2 +

−

Den temporære hårdhed beregnes:

temporærhårdheden °= )( =          0,11 dH
                    − 4

/1078,1 °⋅ dHM

0020,0 M

Dette er overraskende meget. Man kunne altså teoretisk set fjerne cirka 11 hårdhedsgrader ved at koge vandet. Nogle kunne forestille sig, at man kunne bruge det til at vaske tøj med, at man skal bruge mere vaskepulver, jo hårdere vaskevandet er. Men på den anden side kræver det sandsynligvis mere energi at opvarme sit vand så voldsomt før en vask, end at tilsætte lidt mere vaskepulver.

Side 6

Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004

Kemi 2004 6

Fejlkilder og vurdering

Med de pæne resultater, vi har fået, har der ikke været nogen store fejlkilder, der har spillet væsentligt ind. Der er dog et par få små, som kan nævnes:

• Titrering 2. Vi bandt magnesiumionerne til hydroxidionerne. Hvis ikke alle magnesiumionerne havde bundet sig til hydroxidionen, ville de have reageret med EDTA-ionen, når alle calciumionerne var brugt, og vi ville ikke få et ordentligt ækvivalenspunkt for calciumionerne. Dermed ville vi have fået en for stor koncentration af calciumioner. Denne fejlkilde har dog været ekstremt lille, da det må forventes, at stort set alle magnesiumionerne er bundet fast til hydroxidionerne.

• Upræcished under afmålinger af kemikalierne. Vi har dog forsøgt at gøre det så præcist, som forholdende nu tillader det, så det har ikke haft en vanvittig stor indflydelse på resultatet.

• Urenheder i måleglas og i kemikalier. Dette er dog en noget flagrende fejlkilde, der er svær at vurdere, så vi må fastsætte denne fejlkilde til næsten nul, da vores resultater er ganske pæne.

• Upræcished ved titrering. Ved enhver titrering vil der komme en lille upræcished, når man skal finde ækvivalenspunktet. Enten kommer man til at tilsætte for meget eller også for lidt.

Her er sandsynligvis den største fejlkilde.

Generelt vil jeg mene, at der ikke har været nogen store fejlkilder, som har påvirket vores forsøg, og med disse pæne resultater, vil jeg mene, at det har været et rigtig godt forsøg.

Konklusion

Jeg kan konkludere, at vi har bestemt den permanente hårdhed af vand fra Kolding egnen til

11,8°dH og den temporære hårdhed til 11,0°dH. De betragtes som præcise resultater, da der ikke har været store fejlkilder.

Derudover har vi bestemt koncentrationen af følgende ioner i vand fra Kolding:

L

+ mg
Mg^{2} = 86,4][

L mg

Ca^{2}^{+} = 15,76][