5. sz. gyakorlat. VÍZMINTA OXIGÉNFOGYASZTÁSÁNAK ÉS LÚGOSSÁGÁNAK MEGHATÁROZÁSA MSZ és MSZ 448/11-86 alapján

Átírás

1 5. sz. gyakorlat VÍZMINTA OXIGÉNFOGYASZTÁSÁNAK ÉS LÚGOSSÁGÁNAK MEGHATÁROZÁSA MSZ és MSZ 448/11-86 alapján I. A KÉMIAI OXIGÉNIGÉNY MEGHATÁROZÁSA Minden víz a szennyezettségtől függően kisebb-nagyobb mennyiségben tartalmaz oxidálható anyagokat, amelyek mennyiségét valamilyen alkalmas oxidálószer pl. káliumpermanganát, kálium-dikromát használatával mérhetjük. Az ivó- és felszíni vizek oxigénfogyasztásának meghatározására alkalmas a permanganátos módszer 100 mg/l oxigénfogyasztásig. Szennyvizek oxigénfogyasztásának mérése kálium-dikromátos (K 2 Cr 2 O 7 ) módszerrel történik. A KOI ivóvízben megengedett határértéke: 3 mg/l (MSZ 450/1989 alapján). KOI (kémiai oxigénigény) = a szerves anyagok kémiai oxidációjához szükséges oxigén koncentráció. Ez az érték általában nagyobb, mint a BOI (biokémiai oxigénigény), mert kémiailag több vegyület oxidálható, mint biológiailag. A KOI értéke pl. a Duna vizében mg/l, kommunális szennyvizekben mg/l között határozható meg, míg a BOI értéke folyóink vizeiben 2-20 mg/l, kommunális szennyvizekben mg/l között alakulhat. A természetes vizek oxigénfogyasztását 0,01 n (0,002 mol/dm 3 ) kálium-permanganát mérőoldattal kénsavas közegben forralva határozzuk meg. A pontos meghatározást zavarja a szervetlen oxidálható anyagok (Fe 2+, NO 2 -, H 2 S stb.) jelenléte. Az aktív klór jelenléte az oxigénigényt csökkenti, ezért 300 mg/l fölötti kloridion-koncentráció esetén lúgos módszert kell alkalmazni. A mérés elve: A kálium-permanganát forró és erősen savanyú közegben a következő egyenlet szerint oxidál: MnO H e - = Mn H 2 O. Ha a vízminta alkotóinak oxidálásához a KMnO 4 mérőoldatot feleslegben alkalmazzuk, akkor a megmaradt permanganátot ismert mennyiségű, és szintén feleslegben lévő oxaláttal elbonthatjuk: 5 (COO) MnO H + = 2 Mn CO H 2 O, a megmaradt oxalátot pedig kálium-permanganáttal visszatitráljuk. A fogyott permanganát mérőoldat egyenértékű lesz a vízminta oxidált alkotóival akkor, ha a minta oxidálásához alkalmazott KMnO 4 és az oxalát mennyisége egymással egyenértékű volt. A minta kémiai oxigénigényét az alábbi egyenlet alapján adhatjuk meg: 4 MnO H + = 5 O Mn H 2 O. Tehát 1 mól KMnO 4 egyenértékű 1,25 mól O 2 -nel. A meghatározás menete: A természetes vízmintát felrázzuk, két órán át ülepedni hagyjuk, majd a vizsgálathoz szükséges mennyiséget (50 cm 3 ) a felső kétharmad részből vesszük pipettával. A gyakorlaton előkészített ismeretlen koncentrációjú vízmintából 5,0 cm 3 -t mérünk ki, amelyet hígító vízzel (desztillált víz) 50 cm 3 -re hígítunk. Hozzáadunk 5 cm 3 1:2 hígítású kénsavat mérőhengerrel és 20,00 cm 3 0,002 mólos KMnO 4 mérőoldatot pipettával. Néhány szem forrkövet teszünk bele, 5 percen belül felforraljuk és 10 percen át forrásban tartjuk. A forralás befejezése után a forró oldathoz adunk 20,00 cm 3 0,005 mólos oxálsav oldatot. A színtelenné vált elegyet forrón (80-90 C-on) titráljuk KMnO 4 mérőoldattal halvány rózsaszínig. 1

2 Ha az oldat forrás közben színtelenné vagy barnássá válik, akkor a meghatározást nagyobb hígítású vízmintával megismételjük. Párhuzamosan 50 cm 3 hígító vízből vakpróbát készítünk, amelynél a 0,002 mol/dm 3 KMnO 4 fogyás nem haladhatja meg a 0,2 cm 3 -t! A titrálást 3 ismétlésben kell elvégezni, és a fogyások átlagával kell számolni. Az eredményeket mg/l mértékegységben adják meg! Számolás: (mg/l) O 2 ( 2a b) f 80 V a = a KMnO 4 mérőoldat fogyása a minta titrálásakor cm 3 -ben b = a KMnO 4 mérőoldat fogyása a vakpróba titrálásakor cm 3 -ben f = a KMnO 4 mérőoldat faktora (kb. 1,000) V = a felhasznált vízminta térfogata cm 3 -ben (5 cm 3 ) Az eredményeket 0-10 mg/l között 0,1 mg/l pontossággal, mg/l között egész mg/l pontossággal kell megadni. Szükséges anyagok: Ismert faktorú 0,002 mólos KMnO 4 mérőoldat, 0,005 mólos oxálsav oldat, 1:2 hígítású kénsav oldat, forrkő, ismeretlen koncentrációjú vízminták, desztillált víz. Szükséges eszközök: Személyenként 4 db Erlenmeyer-lombik, 5 és 20 ml-es hasas pipetta, mérőhenger, büretta, vasháromláb, azbesztháló, gázégő. A Jegyzőkönyv tartalma a következő legyen: a gyakorlat rövid leírása, a mérési adatok és számolások, eredmények (saját mintaszám feltüntetésével!). Az oxigénfogyasztás meghatározását mindenkinek meg kell csinálnia számozott ismeretlen mintával! 2

3 II. A LÚGOSSÁG MEGHATÁROZÁSA TITRÁLÁSSAL A széndioxid a különböző vizekben általában három formában található: a nem disszociált formájú - vízben oldott szén-dioxid gáz - valamint a disszociált formájú hidrokarbonát- és karbonátion alakjában. Így beszélhetünk szabad, hidrokarbonátion és karbonátion formájában kötött szén-dioxidról. Mindhárom formában együttesen előforduló szén-dioxidot összes széndioxidnak nevezzük A természetes víz rendszerint a kis mennyiségű, légköri eredetű szabad szén-dioxidtól eltekintve, nagyrészt csupán kalcium- és magnéziumionokkal egyensúlyban lévő hidrokarbonát iont tartalmaz. A szabad szén-dioxid-tartalom a körülmények hatására jelentős mértékben ingadozik. Így például az erőteljes fotoszintézis hatására a szén-dioxid-tartalom csökken, a szerves anyagok biokémiai bomlásának eredményeként pedig emelkedik. A szén-dioxid formák meghatározása sok nehézséggel jár - annak ellenére, hogy acidialkalimetriás módszerrel mérhetők -, mivel a módszerek nem specifikusak. Közvetlenül és pontosan csak az összes szén-dioxid határozható meg, amelyből az egyes szén-dioxid formákat a ph alapján lehet kiszámítani. A széndioxid előfordulási formáinak % -os megoszlása a víz ph-jának függvénye, amely táblázatosan a következőkben foglalható össze. ph 4, CO 2 forma CO 2 formák százalékos tartalma szabad 99,5 95,4 67,7 17,3 hidrokarbonát ion 0,5 4,6 32,3 82,7 karbonátion ph 8, CO 2 forma CO 2 formák százalékos tartalma szabad 1,0 0,2 - - hidrokarbonát ion 97,8 94,1 62,5 14,3 karbonátion 1,2 5,7 37,5 85,7 A gyakorlat szerint a ph = 4,3 a hidrokarbonátion formájában kötött szén-dioxid stabilitásának, a ph = 8,3 pedig a karbonátion formájában kötött szén-dioxid előfordulási lehetőségének határa, amely mennyiségeket a lúgosságnál illetve a savasságnál a savval illetve a lúggal végzett titrálás ad meg. A vizek lúgosságát olyan kationok okozzák, amelyek a vízben hidroxidionokkal vagy gyenge savak anionjaival vannak egyensúlyban, mint például a karbonátok és a hidrokarbonátok. A lúgosságot tehát az említett anionok helyettesítéséhez szükséges erős sav mennyiségével határozzuk meg, vagyis a vizet erős sav mérőoldattal titráljuk. A ph = 8,3 eléréséig fogyott mérőoldat mennyisége adja a szabad, vagyis a p-lúgosságot, tovább titrálva a ph = 4,3 érték eléréséhez szükséges mennyiség pedig az összes lúgosságot (m lúgosság). Ha a víz ph-ja kisebb, mint 4,3, akkor a lúgossága nulla, vagyis nem tartalmaz disszociált formájú szén-dioxidot. A természetes vizeknél a lúgosságot rendszerint az alkáli földfém hidrokarbonátok okozzák. Ebben az esetben a víz ph értéke 8,3 alatt van. Így gyakorlatilag az összes lúgosság azonos a változó (karbonát) keménységgel és megfelel a hidrokarbonát tartalomnak. 3

4 Fogalommeghatározások: LÚGOSSÁG: a vízben lévő, savval reakcióba lépő anyagok összege, amely a titrálás végpontjának ph-értékeitől függ. (Értékét egyértékű ionra számolva mmol/l-ben szokásos megadni.) 1. Fenoftalein lúgosság (p-lúgosság): fenoftalein indikátor alkalmazásával, vagy potenciometriás végpontjelzéssel 8,3 ph-értékig megállapított lúgosság. 2. Összes vagy metilnarancs lúgosság (m-lúgosság): metilnarancs- vagy keverék indikátor alkalmazásával, vagy potenciometriás végpontjelzéssel 4,3 ph-értékig - megállapított lúgosság. A p- és az m-lúgosság értékének ismeretében a víz hidrogén-karbonátion-, karbonátion- és hidroxidion-tartalma kiszámítható, feltételezve, hogy ivóvíz minőségű vízben más, lúgosságot okozó ion nincs. II.1. Vizek szabad (p-) lúgosságának meghatározása Az összes lúgosságnak azt a részét, amely meghaladja a ph = 8,3 értéket, a víz szabad lúgosságának nevezzük (p-lúgosság). A víz ph értékét 8,3-nál nagyobbra az oldott karbonátok és hidroxidok növelhetik. A meghatározás menete: 100 cm 3 vízhez két csepp fenolftalein indikátor oldatot adunk és 0,1 mólos HCl oldattal elszíntelenedésig titráljuk. Titráláskor a lombik alá fehér alátétet helyezünk a szín jobb láthatóságát biztosítása céljából. A titrálást 3 ismétlésben kell elvégezni, és a fogyások átlagával kell számolni. Az eredményeket mg-egyenérték/dm 3 -ben fejezzék ki. Számolás: A szabad lúgosság: ahol: mg - egyenérték / dm a f c 1000 V 3 a = 0,1 M HCl mérőoldat fogyása cm 3 -ben, c = a mérőoldat koncentrációja (0,1 mol/dm 3 ), f = a sósav mérőoldat faktora (kb. 1,000), V = a meghatározásra használt minta térfogata (100 cm 3 ). II. 2. A vízminta m-lúgosságának meghatározása A vízminta m-lúgossága: metilnarancs indikátor jelenlétében savval titrálják a mintát az indikátor színátcsapásáig; 4,3 ph eléréséig. A mért savfogyasztást mval sav/dm3 vízminta egységekben fejezik ki. Amennyiben a titrálatlan vízminta ph-ja 8,3 ph alatti, nincs fenolftalein indikátorral kimutatható lúgossága. Az m-lúgosság-meghatározást a színátcsapás jobb érzékelhetősége miatt a 4,3 ph-n színt váltó metilvörös-brómkrezolzöld keverékindikátort alkalmazva kell elvégezni! 4

5 A meghatározás menete: A gyakorlaton előkészített ismeretlen koncentrációjú vízmintából 100 cm 3 -t mérjenek ki. Adjanak a mintához 1-2 csepp indikátor oldatot. A titrálást 0,1 mólos HCl oldattal végezzék el addig, amíg a vízminta színe zöldről pirosra nem változik. A titrálást 3 ismétlésben kell elvégezni, és a fogyások átlagával kell számolni. Az eredményeket mg-egyenérték/dm 3 -ben fejezzék ki. Számolás: Az összes lúgosság: ahol: mg - egyenérték / dm b f c 1000 V 3 b = 0,1 M HCl mérőoldat fogyása cm 3 -ben, c = a mérőoldat koncentrációja (0,1 mol/dm 3 ), f = a sósav mérőoldat faktora (kb. 1,000), V = a meghatározásra használt minta térfogata (100 cm 3 ). Amennyiben a mintának nem volt szabad (p-) lúgossága, biztosan nincs benne karbonát ion, vagyis az összes (m-) lúgosság a hidrokarbonát ion tartalomra utal. Szükséges anyagok: Ismert faktorú 0,1 mólos HCl mérőoldat, metilvörös-brómkrezolzöld keverékindikátor, fenoftalein indikátor, ismeretlen koncentrációjú vízminták. Az ismeretlent szükség esetén felforralt és lehűtött desztillált vízzel szabad hígítani. Szükséges eszközök: Félasztalonként 9 db Erlenmeyer-lombik, 50 ml-es hasas pipetta, büretta. Feladat: cm 3 vízmintán végezze el a fenoftalein-próbát. 2. Ha a minta színe rózsaszín lett, akkor határozza meg először a p-lúgosságot, majd ugyanazon mintán folytassa az m-lúgosság meghatározását. Ha a minta színe nem változott a fenoftalein hatására, akkor csak az m-lúgosságot határozza meg. 3. Adja meg a kiadott vízminták m- és p-lúgosság értékei alapján azok valószínű hidroxid-, karbonát- és hidrogénkarbonát-tartalmát kifejezve mmol/dm 3 -ben. 5

6 A számoláshoz az alábbi táblázatos összefüggés segíthet: CO HCO Kapott eredmény OH - mmol/dm 3 3 mmol/dm 3 3 mmol/dm 3 p = m p < 0,5 m 0 p m-2p p = 0,5 m 0 p 0 p > 0,5 m 2p - m m-p 0 p = m m 0 0 A táblázatban a p természetesen a p-lúgosság, az m az m-lúgosság kiszámolt értéke. A számolás alapja az, hogy hidroxilion és hidrogén-karbonátion egyidejűleg nincs a vízben. Magyarázat: Az ismeretlen tartalmazhat OH, CO 3 2 és HCO 3 ionokat, de hogy valójában mit tartalmaz az úgy derül ki, hogyha elkezdjük fenolftalein mellett titrálni, akkor az átcsapásig fogyott savval megtitráltuk a CO OH ionokat. Titráláskor a CO 3 2 -ból HCO 3 lesz, ezért ha keverék indikátort adunk hozzá, akkor a minta színe zöldeskék lesz és tovább titrálhatjuk a vörös átcsapásig. (Ha csak OH volt a mintában, akkor a keverék indikátor hozzáadásakor egyből vörös lesz, mert nincsen HCO 3 a rendszerben.) 2- - Példa a számoláshoz: V = 100 ml (a titrált minta); f = 1,000; c = 0,1 mol/dm 3 (sósav); szabad lúgosságig (p) fogyás = 1,0 ml; összes fogyás (m) = 3,5 ml. A kiszámolt értékek: Szabad lúgosság (p) = 1,0 mg egyenérték / dm 3 ; Összes lúgosság (m) = 3,5 mg egyenérték / dm 3. Ebben az esetben az OH mennyisége: (p < 0,5 m) 0; CO 3 2 mennyisége: 1 mmol /dm 3 ; HCO 3 mennyisége: 3,5 (2 x 1,0) = 1,5 mmol / dm 3. A Jegyzőkönyv tartalma a következő legyen: a gyakorlatok rövid leírása, a mérési adatok és számolások, eredmények (saját mintaszám feltüntetésével!). A lúgosság meghatározását személyenként egy mintával kell megcsinálni! 6