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:
dH
L
g
CaO 1010,0
Der divideres igennem med Calciumoxids molarmasse (56,08 g/mol)
L
mol
mol
g
L
g
dH
4
1078,1
08,56
01,0
1
Altså svarer 1 dH til at
MMgCa
422
1078,1][][
.
Vand, der indeholder disse ioner, kan udfælde kalk ved opvarmning ved disse reaktioner:
)()()()(2)(
)()()()(2)(
2233
2
2233
2
lOHgCOsMgCOaqHCOaqMg
lOHgCOsCaCOaqHCOaqCa
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
110242
105)()()(
105)()()(
MKaqMgYaqYaqMg
MKaqCaYaqYaqCa
k
k
Magnesium og Calcium-ionerne danner altså et kompleks med EDTA-ionen.
Kompleksitetskonstanten K
k
findes i ”DATABOG fysik og kemi” s. 41. Da
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
reaktion, bliver Ca
2+
ionerne bundet til EDTA-tionen før Mg
2+
. Når alle Ca
2+
ionerne har bundet sig
til EDTA-ionen, begynder Mg
2+
at binde sig til den. Når der ikke er flere EDTA-ioner i
opløsningen, vil Mg
2+
begynde at reagere med vores indikator eriochromsort-T. Mg
2+
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
ækvivalenspunktet er der ikke flere EDTA-ioner i opløsningen, og Ca
2+
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
3
-
ionen reagere
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
2
H
2
Y (EDTA)
Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004
Kemi 2004 3
0,100 M HCl
2 M NaOH
Pufferopløsning (NH
4
+
/NH
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
H
2
Y- opløsningen fyldes op i
buretten gennem tragten, og titreringen gennemføres. Ved ækvivalenspunktet (farveskift til rød)
noteres det afmålte antal ml Na
2
H
2
Y.
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
2
H
2
Y- opløsning, så
titreringen er klar til at gennemføres. Ved ækvivalenspunktet (farveskift til blå) noteres igen det
afmålte antal ml Na
2
H
2
Y.
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
Nr.
Volumen
drikkevand
Tilsat fra
burette
1
50 ml
10,7 ml 0,01 M Na
2
H
2
Y
2
50 ml
9,5 ml 0,01 M Na
2
H
2
Y
3
100 ml
3,9 ml 0,01 M Na
2
H
2
Y
Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004
Kemi 2004 4
Resultatbehandling
1. titrering
Af reaktionsskemaet (under teori) ses det, at stofmængden af Y
4-
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):
molL
L
mol
ml
L
mol
n
Vcn
nn
x
tilsatEDTAEDTAx
Y
x
4
1007,10107,001,07,1001,0
4
Dette antal mol fandtes i 50 ml = 0,05 L vandhane vand, så koncentrationen af de to ioner bliver:
M
L
mol
L
mol
V
n
c
x
x
0021,00021,0
05,0
1007,1
4
Hårdheden bestemmes ud fra definitionen af vands hårdhed:
dH
dH
M
M
hårdheden
8,11
1078,1
0021,0
4
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:
molL
L
mol
ml
L
mol
Vcn
nn
EDTACa
YCa
5
2
42
105,90095,001,05,901,0
Koncentrationen af calciumioner kan så udregnes:
M
L
mol
V
n
c
vand
ca
ca
0019,0
05,0
105,9
5
2
2
Nu kan [Mg
2+
] med resultatet fra 1. titrering udregnes:
MMMMg
MCaMg
0002,00019,00021,0][
0021,0][][
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:
Nikolaj 2.y Vands hårdhed d. 2/11 – 2004
Kemi 2004 5
L
mg
g
mg
mol
g
L
mol
Mg
L
mg
g
mg
mol
g
L
mol
Ca
86,4100031,240002,0][
15,,400019,0][
2
2
3. titrering
Ved den tredje titrering, er det hydrogencarbonationen HCO
3
-
, der reagerer med saltsyren (HCl).
Reaktionsskemaet uden tilskuerionerne bliver:
)()()(
323
aqCOHaqHaqHCO
Vi ser, at ved ækvivalenspunktet er stofmængden af H
+
ionen ækvivalent med stofmængden af
HCO
3
-
ionen. Dette benyttes, til at finde koncentrationen af hydrogencarbonationerne:
molL
L
mol
ml
L
mol
Vcnn
HHH
HCO
4
109,30039,0100,09,3100,0
3
Koncentrationen beregnes:
L
mol
L
mol
V
n
c
vand
HCO
HCO
0039,0
1,0
109,3
4
3
3
Koncentrationen af denne ion kan i sig selv ikke bruges til så meget. Men vi betragter igen
kalkudfældningsreaktionen:
)()()()(2)(
2233
2
lOHgCOsCaCOaqHCOaqCa
Da et mol Ca
2+
er ækvivalent med to mol HCO
3
-
, må koncentrationen af calciumionen være halvt så
stor som koncentrationen af hydrogencarbonationen:
0020,00039,0
2
1
][
2
1
][
3
2
MHCOCa
Den temporære hårdhed beregnes:
dH
dHM
M
temporærhårdheden
0,11
/1078,1
0020,0
)(
4
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.
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
11,8dH og den temporære hårdhed til 11,0dH. 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
L
mg
Ca
86,4][
15,76][
2
2