Determinazione della durezza dell acqua mediante titolazione complessometrica

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1 S.A.G.T. Anno Accademico 2009/2010 Laboratorio Ambientale II A Dottoressa Valentina Gianotti Marco Soda Matricola num Determinazione della durezza dell acqua mediante titolazione complessometrica Uno degli ioni metallici maggiormente presenti nelle acque è lo ione calcio (Ca2+), spesso presente insieme allo ione magnesio (Mg2+) ed, in misura minore, allo ione ferroso (Fe2+). Questi ioni, che sono generalmente presenti come bicarbonati (HCO3-) o solfati (SO42-), determinano la durezza dell acqua, cioè tanto più è elevata la concentrazione dei suddetti sali inorganici tanto più è elevata la durezza dell acqua. Un elevata durezza dell acqua è spesso causa di problemi: i sali di Ca2+, Mg2+ producono dei precipitati gelatinosi a contatto con detergenti, limitando l azione sgrassante di questi ultimi. Un secondo problema determinato dalle acque dure è anche la formazione di depositi calcarei, cioè precipitati di sali minerali che provocano la formazione di incrostazioni che possono compromettere il funzionamento di macchine industriali o domestiche. Da non sottovalutare è infine la pericolosità del consumo di acque potabili dure, in relazione all insorgenza di calcolosi renali. Da questo si capisce l importanza della determinazione della durezza dell acqua e del suo eventuale addolcimento (rimozione parziale o totale dei sali di calcio, magnesio e ferro). Possiamo distinguere e analizzare diversi valori di durezza che possono aiutarci a valutare la concentrazione di determinati ioni in soluzione: Durezza temporanea: è dovuta a quei sali solubili (bicarbonati, HCO3-) che per ebollizione dell acqua si trasformano in sali insolubili che,di consegeuenza, precipitano; Durezza permanente: è dovuta a sali di calcio e magnesio che non si decompongono per riscaldamento, come i solfati ed i cloruri. La durezza permanente deve essere determinata con analisi specifiche che prevedono l utilizzo di reagenti aventi una elevata affinità con gli ioni Ca 2+, Mg 2+. Durezza totale: è la somma della durezza temporanea e di quella permanente. Viene espressa in base al contenuto totale di calcio e magnesio, calcolato come CaCO 3.

2 TITOLAZIONE La titolazione è una procedura che permette di determinare la concentrazione di un analita in soluzione. Quindi, riprendendo quanto detto precedentemente, determinare la durezza di un acqua significa determinare il titolo di Ca 2+ dell acqua, esprimendolo come carbonato di calcio ( F). In base al tipo di reazione chimica che si sfrutta si distinguono diversi tipi di titolazione: Titolazione acido-base: sfrutta una reazione di neutralizzazione tra un acido ed una base; Titolazione ossidometrica: sfrutta una reazione di ossidoriduzione (o red-ox); Titolazione gravimetrica: sfrutta la formazione di un sale (o composto) insolubile; Titolazione complessometrica: sfrutta la formazione di un composto di coordinazione. In una titolazione vi è una soluzione titolante della quale si conosce la concentrazione che viene introdotta in una buretta alla cui estremità inferiore vi è un rubinetto che consente il lento svuotamento mediante sgocciolamento; il titolante viene lentamente aggiunto alla soluzione a titolo incognito fino al raggiungimento del punto di equivalenza. Il raggiungimento del punto di equivalenza indica la fine della titolazione e rappresenta anche il verificarsi della seguente relazione: laddove il volume del titolante è leggibile sulla buretta mentre la sua concentrazione e il volume dell analita sono noti quindi C analita è facilmente ricavabile. Per individuare il punto di equivalenza, indispensabile ai fini della titolazione, possiamo utilizzare degli indicatori che provocano una netta variazione (viraggio) della colorazione della soluzione. Nella presente esperienza ci interesseremo alla titolazione complessometrica. Questo tipo di titolazione sfrutta la formazione di un complesso metallico: la soluzione titolante contiene una molecola legante ad elevata affinità con lo ione o gli ioni analiti, ed una volta a contatto con essi forma un complesso metallico ad elevata stabilità. Se nel complesso così formatosi si otterrà un rapporto metallo/legante di 1:1, conoscendo il numero di equivalenti di legante sgocciolati saremo in grado di ricavare facilmente il numero di equivalenti di ione analita presenti. Per la determinazione della durezza dell acqua si utilizza come soluzione titolante una soluzione acquosa di EDTA (acido etilendiammino-tetra-acetico) che, se in quantità sufficiente, presenta un grado di affinità talmente alto con gli ioni Ca 2+ e Mg 2+ da poterli sequestrare totalmente eliminandoli dal campione di acqua trattata. L ultima sostanza da prendere in considerazione ai fini della titolazione è il Nero di ericromo T che è una molecola organica piuttosto complessa con la caratteristica di cambiare colore a seconda dell equilibrio di deprotonazione in funzione del valore di ph raggiunto dalla soluzione acquosa.

3 La titolazione viene eseguita, grazie all utilizzo di un tampone ammoniacale, ad un valore di ph 10 al quale la forma prevalente dell indicatore è quella blu. L indicatore viene aggiunto al campione di acqua da titolare prima di iniziare ad aggiungere l EDTA; in presenza di ioni metallici l indicatore forma con essi dei composti di coordinazione conferendo inizialmente alla soluzione una colorazione rosa-rosso. Quando l EDTA viene lentamente aggiunto al campione di acqua andrà alla ricerca degli ioni metallici della soluzione. La forma protonata dell indicatore presenterà una colorazione azzurro-blu che durante la fase intermedia della titolazione si evidenzierà nella zona di caduta della goccia di EDTA. Al punto di equivalenza tutto il calcio verrà rimosso dall indicatore e la soluzione diventerà quindi definitivamente azzurra effettuando il viraggio. ESECUZIONE DELL ESPERIENZA Strumentazione: buretta, sostegno con pinza a farfalla, becher, cilindri graduati, barretta magnetica, agitatore magnetico, piastra riscaldante. Soluzioni: soluzione di EDTA 0,09973 M; tampone ammoniacale ph = 10.0; indicatore metallocromico: nero di eriocromo T (NET); acqua del campione da analizzare. Nella fattispecie si tratta di acqua prelevata direttamente dalla rete idrica afferente al laboratorio in cui sono state effettuate le analisi. Misura della durezza totale: Servendomi di un imbuto abbiamo avvinato e riempito una buretta graduata con la soluzione di EDTA 0,09973 M già pronta. Dopo aver versato in un cilindro pulito 100 ml dell' H 2 O da analizzare sono stati aggiunti sotto cappa 5.0 ml di tampone ammoniacale NH 3 /NH + 4 a ph 10 e una punta di spatola dell indicatore Nero Eriocromo T (NET): la soluzione assume colorazione rossa. Dopo questa fase preparatoria poniamo la soluzione sull agitatore e iniziamo ad aggiungere EDTA dalla buretta precedentemente preparata. Quando la soluzione comincerà a cambiare colore procederemo con l aggiunta di titolante goccia a goccia, quando la soluzione compierà il viraggio cromatico indicante il punto di equivalenza potremmo annotare il volume di EDTA defluito dalla buretta che è pari a 4,1 ml. Misura della durezza permanente: Inizio a preparare il campione di acqua da analizzare portandolo al punto di ebollizione in una beuta di pirex. Raggiunto il punto di ebollizione verso 100 ml dell acqua all interno di un matraccio aiutandomi con un imbuto al quale è stato applicato un opportuno filtro di carta. Effettuata questa operazione preliminare abbiamo nuovamente sotto cappa 5.0 ml di tampone ammoniacale NH 3 /NH + 4 a ph 10 e una punta di spatola dell indicatore Nero Eriocromo T (NET). Ponendo sempre la soluzione sull agitatore e aggiungendo goccia a goccia EDTA a concentrazione 0,09973 M raggiungiamo nuovamente il punto di viraggio cromatico indicante, anche in questo caso, il punto di equivalenza. In questa seconda misurazione il volume di EDTA defluito dalla buretta è pari a 2,2 ml.

4 Siccome la differenza tra i valori di EDTA defluito nei due casi è piuttosto contenuta, effettueremo nuovamente le due misurazioni diluendo in misura 1:4 la soluzione di EDTA con acqua deionizzata. Per far questa operazione abbiamo misurato 25 ml di EDTA attraverso la buretta e versati all interno di un matraccio da 100 ml che è stato portato a misura con l aggiunta di acqua deionizzata. Rieseguendo le precedenti operazioni mantenendo inalterate le quantità di acqua e di tampone ammoniacale sono stati ottenuti i seguenti valori: Misura della durezza totale con EDTA diluito: 9,9 ml. Misura della durezza permanente con EDTA diluito: 6,1 ml. CALCOLI FINALI E DETERMINAZIONE DELLA DUREZZA DEL CAMPIONE Ricavo i Mg equivalenti di CaCO 3 contenuti nei nostri campioni attraverso la seguente formula: 1) DUREZZA TOTALE CON EDTA 0,09973 M Per determinare la durezza ipotizzo che siano tutte moli di CaCO3, quindi moltiplicando il numero di moli per il peso molecolare del CaCO3, ottengo i grammi equivalenti di CaCO3: pm CaCO 3 : 40,07+12,01+47,97=100,05 convertendo in mg il risultato precedente: 409 mg 40,9 F 2) DUREZZA PERMANENTE CON EDTA 0,09973 M convertendo in mg il risultato precedente : 219,5 mg equivalenti di CaCO 3

5 21,95 F 3) DUREZZA TOTALE CON EDTA DILUITO 0, M convertendo in mg il risultato precedente : 246,9 mg equivalenti di CaCO 3 24,7 F 4) DUREZZA PERMANENTE CON EDTA DILUITO 0, M convertendo in mg il risultato precedente : 152,1 mg equivalenti di CaCO 3 15,2 F CONSIDERAZIONI FINALI Risulta opportuno osservare che utilizzando la stessa metodologia, ma modificando le oncentrazioni di M di EDTA usato si ottiene un diverso risultato. Minore è la concentrazione dell EDTA, maggiore sarà la soluzione di EDTA usata per raggiungere il viraggio e per tale motivo aumenta la precisione dell osservazione. Si può concludere, prendendo in esame il valore di durezza totale rilevato con EDTA diluito e quindi teoricamente più preciso, che l acqua prelevata dalla rete idrica della città di Alessandria è classificabile, su una scala indicativa del grado di durezza, come dura.