1 Durezza totale dell acqua

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1 1 Durezza totale dell acqua Materiale occorrente: una pipetta a una tacca da 100 ml; una buretta di Schellbach; una beuta. Reattivi: soluzione titolata di EDTA sale disodico 0,0100 M; indicatore nero eriocromo T (NET) miscela all 1% con NaCl puro per analisi; tampone ammonico a ph = 10. Pericoli: non vi sono pericoli nell esecuzione dell esperienza se non la manipolazione della vetreria, che se si rompe diventa tagliente; non vi sono sostanze pericolose nell esecuzione dell esperienza. Principio La durezza totale rappresenta le quantità di calcio e magnesio presenti nell acqua naturale (acque potabili, di fiume, di lago, di mare, industriali ecc.). Si misura in gradi francesi ( F) che equivalgono ai grammi di calcio e di magnesio espressi come carbonato di calcio (CaCO 3 ) presenti in 100 litri di acqua. Esiste una scala in gradi tedeschi ( T), meno usata, che equivale ai grammi di calcio e di magnesio espressi come ossido di calcio (CaO) presenti in 100 litri di acqua. La titolazione si basa sulla reazione tra ioni calcio (Ca ++ ) e magnesio (Mg ++ ) e il sale disodico dell acido etilendiammino tetracetico (EDTA): Ca ++ + EDTA [Ca(EDTA)]++ Si forma il complesso calcio EDTA e magnesio EDTA, e questi due ioni vengono «sequestrati» dal complessante (EDTA). Impiegando a ph = 10 un indicatore sensibile alla presenza di ioni calcio (Ca ++ ) e magnesio (Mg ++ ) si può determinare il volume equivalente delle moli di EDTA. Il nero eriocromo T in soluzione acquosa a ph = 10, in presenza di ioni calcio (Ca ++ ) e magnesio (Mg ++ ) ha una colorazione rosa, mentre quando tutti gli ioni vengono «sequestrati» dall EDTA manifesta una colorazione blu. Intervallo di durezza ( F) Descrizione dell acqua = 4 Molto dolce > 4 8 Dolce > 8 12 Mediamente dura > Discretamente dura > Dura > 30 Molto dura Tabella 1 Classificazione delle acque in funzione della loro durezza (espressa in gradi francesi) 1

2 Scala di durezza Gradi francesi ( F) Gradi tedeschi ( T) Gradi inglesi ( I) Gradi U.S.A. ( USA) Descrizione g di CaCO 3 in 100 litri g di CaO in 100 litri g di CaCO 3 in 70 litri g di CaCO 3 su 1000 litri Tabella 2 Le scale di durezza e la loro descrizione Metodica Si prelevano con la pipetta tarata a una tacca 100 millilitri di acqua potabile, di fonte o di acquedotto, si introducono poi in una beuta da 250 ml, si aggiungono 10 millilitri di tampone ammonico a ph = 10 e una punta di spatola di miscela all 1% di indicatore nero eriocromo-t (NET) con cloruro sodico (NaCl). Si ottiene così una soluzione di colore rosa (figura 1). Il tampone ammonico a ph = 10 si prepara mescolando 70 grammi di cloruro ammonico (NH 4 Cl) a 570 millilitri di soluzione concentrata di idrossido di ammonio (NH 4 OH) al 32%, portando il volume complessivo in un matraccio a 1 litro. Figura 1 Nel frattempo si condiziona una buretta da 50 ml (0,1 ml di sensibilità) e si Titolazione prima del punto di viraggio riempie poi con una soluzione titolata 0,01 M di sale disodico di EDTA (si può usare anche una NORMEX). Si prepara la buretta nel seguente modo: 1) si condiziona la buretta sciacquandola tre volte con piccole quantità (5-10 ml alla volta) di soluzione standard 0,0100 M di EDTA sale disodico diidrato; 2) si riempie la buretta col reattivo (EDTA); 3) si fa scendere il livello della soluzione all interno della buretta fino a quando la linea spezzata della riga blu stampata sul retro della buretta Schellbach non è allineata allo zero della scala stampata frontalmente sulla medesima buretta. Fare attenzione che all interno della buretta non vi siano bolle d aria, perché queste produrrebbero un errore nella misura del volume. Attenzione: per evitare l errore di parallasse allineare gli occhi alla linea spezzata della buretta Schellbach, regolando l altezza della stessa per mezzo della pinza ragno di supporto. Figura 2 Titolazione al punto di viraggio Alla soluzione ammoniacale di acqua si aggiunge con la buretta la soluzione titolata 0,0100 M di EDTA sale disodico. Il volume viene aggiunto con un flusso iniziale massimo di due gocce al secondo per evitare che aderiscano alle pareti della buretta falsando la misura del volume. Nell aggiunta dell EDTA si noterà che le gocce, al contatto con l acqua, producono una colorazione azzurra che scompare quando si sciolgono nel liquido. Quando le gocce dell EDTA sale disodico si decolorano con più difficoltà si procede lentamente goccia a goccia. Quando le moli di EDTA sale disodico equivalgono alle moli di ioni calcio (Ca ++ ) e magnesio (Mg++) si ha il viraggio dell indicatore nero eriocromo T dal rosa al blu (figura 2). A questo punto si legge sulla buretta il volume equivalente (VeqEDTA) che deve essere espresso in litri. 2

3 Calcoli Il principio dell equivalenza afferma che: Moli Ca+Mg = Moli EDTA Le moli di acido sono date dalla relazione: Moli Ca+Mg = Mg CaCO3 / MM CaCO3 Dove Mg CaCO3 è la massa (g) dei due cationi espressa come carbonato di calcio ( F) e MM CaCO3 è la massa molecolare del carbonato di calcio (100,09 g/mol). Le moli di EDTA sale disodico sono date dalla relazione: Moli EDTA = M} (V eqedta / ml/l) Dove M EDTA è la molarità della soluzione di EDTA sale disodico e V eqedta è il volume equivalente in millilitri. Si ha quindi: M gcaco3 / MM CaCO3 = M EDTA V eqedta I grammi di carbonato di calcio in 100 millilitri acqua sono dati dalla seguente relazione: M gcaco3 = (MM CaCO3 M EDTA ) V eqedta Sostituendo i valori si ottiene: M gcaco3 = 100,09 0,01M V eqedta Che diventa: M gcaco3 = V eqedta Quindi trasformando il volume equivalente (V eqedta ) da litri in millilitri di soluzione 0,01M di EDTA sale disodico, si ottengono i milligrammi di ioni calcio (Ca ++ ) e magnesio (Mg ++ ) espressi come carbonato di calcio (CaCO 3 ) in 100 millilitri di acqua analizzata. Moltiplicando di nuovo tutto per si ottengono i gradi francesi ( F), ovvero la durezza espressa in grammi di carbonato di calcio (CaCO 3 ) in 100 litri di acqua. Attenzione: risulta chiaro che i millilitri di soluzione di EDTA sale disodico 0,01 M rilevati con la buretta corrispondono direttamente alla durezza totale in gradi francesi ( F). Figura 3 Indicatori metallocromici (NET e calcon) 3

4 2 Durezza permanente e temporanea dell acqua Materiale occorrente: una pipetta a due tacche da 100 ml; una buretta; una pinza; una beuta; una piastra riscaldante. Reattivi: soluzione titolata di EDTA sale bisodico 0,0100 M; indicatore nero eriocromo T (NET) miscela all 1% con NaCl puro per analisi. Pericoli: manipolare la vetreria calda con le apposite pinze. Principio I sali che determinano la durezza in un acqua sono i cloruri (CaCl 2 e MgCl 2 ), i solfati (CaSO 4 e MgSO 4 ) e i bicarbonati di calcio e magnesio [Ca(HCO 3 ) 2 e Mg(HCO 3 ) 2 ]. Solfati e cloruri rappresentano la durezza permanente poiché permangono nell acqua anche dopo prolungata ebollizione. I bicarbonati si trasformano in carbonati insolubili formando quel residuo dannoso per le condutture, le caldaie ecc. detto «calcare»: Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 MgCO 3 + CO 2 + H 2 O I bicarbonati di calcio e magnesio in un acqua di fonte vengono detti durezza temporanea. Figura 4 Ebollizione dell acqua Metodica Si prelevano con una pipetta a due tacche 100 ml dell acqua di cui abbiamo già determinato la durezza totale. L acqua così prelevata si porta all ebollizione su una piastra riscaldante e si fa bollire per 20 minuti, aggiungendo di tanto in tanto piccole aliquote di acqua distillata per mantenere costante il volume (figura 4). Si filtra poi per eliminare il residuo e si lava il precipitato calcareo con 10 ml di acqua distillata fredda riunendo l acqua di lavaggio con il liquido già filtrato. Si fa raffreddare e si esegue la titolazione con la stessa metodica descritta nell Esperienza 79 per determinare la durezza totale. Dalla differenza della durezza totale, determinata in precedenza, meno la durezza permanente, calcoliamo la durezza temporanea: D temp = D tot D perm 4

5 Durezza dell acqua Figura 5 Figura 6 Figura 7 Decantazione Filtrazione Residuo calcareo 3 Determinazione del calcio e del magnesio in un acqua Materiale occorrente: una pipetta; una buretta; una beuta. Reattivi: soluzione titolata di EDTA sale disodico 0,01 M; indicatore acido calconcarbonico (calcon) miscela all 1% con NaCl puro per analisi; soluzione di idrossido di sodio (NaOH) circa 6 M. Pericoli: la soluzione 6 M di idrossido di sodio è corrosiva. I sali di magnesio, quando sono portati in soluzione acquosa a ph fortemente basici, formano l idrossido di magnesio [Mg(OH)2] insolubile: Mg++ + 2OH Mg(OH)2 Lo ione calcio però rimane in soluzione e si può determinare con una soluzione titolata 0,01 M di EDTA sale disodico usando come indicatore l acido calconcarbonico (miscela all 1%). 5

6 Figura 8 Alla soluzione fortemente basica si aggiunge l indicatore acido calconcarbonico (calcon) L acido calconcarbonico a ph fortemente basico in presenza di ioni calcio (Ca ++ ), in soluzione acquosa, ha una colorazione rosa, mentre quando tutti gli ioni vengono «sequestrati» dall EDTA manifesta una colorazione blu. Metodica Si prelevano 100 ml di acqua da analizzare, della quale abbiamo determinato: durezza totale, durezza permanente e durezza temporanea. Si pongono in beuta e si aggiungono 5 ml di soluzione 6 M di idrossido di sodio: si noterà la formazione di un precipitato insolubile bianco cristallino [Mg(OH) 2 ]. Successivamente si filtra e si lava il precipitato con 10 ml di soluzione 6 M di idrossido di sodio, riunendo il liquido di lavaggio a quello filtrato. Si aggiunge una punta di spatola di indicatore (miscela all 1% di acido calconcarbonico) e si ottiene una colorazione rosa (figura 8). Nel frattempo si condiziona una buretta da 50 ml (0,1 ml di sensibilità) e si riempie poi con una soluzione titolata 0,01 M di sale disodico di EDTA. Si prepara la buretta nel seguente modo: 1) si condiziona la buretta sciacquandola tre volte con piccole quantità (5-10 ml alla volta) di soluzione standard 0,1000 M di EDTA sale disodico diidrato; 2) si riempie la buretta col reattivo (EDTA); 3) si fa scendere il livello della soluzione all interno della buretta fino a quando la linea spezzata della riga blu stampata sul retro della buretta Schellbach non è allineata allo zero della scala stampata frontalmente sulla medesima buretta. Fare attenzione che all interno della buretta non vi siano bolle d aria, perché queste produrrebbero un errore nella misura del volume. Attenzione: per evitare l errore di parallasse allineare gli occhi alla linea spezzata della buretta Schellbach, regolando l altezza della stessa per mezzo della pinza ragno di supporto. Alla soluzione alcalina di calcio si aggiunge con la buretta la soluzione titolata 0,01 M di EDTA sale disodico. Il volume viene aggiunto con un flusso iniziale massimo di due gocce al secondo per evitare che aderiscano alle pareti della buretta falsando la misura del volume. Nell aggiunta dell EDTA si noterà che le gocce, al contatto con l acqua, producono una colorazione azzurra che scompare quando si sciolgono nel liquido. Quando le gocce dell EDTA sale disodico si decolorano con più difficoltà si procede goccia a goccia. Quando le moli di EDTA sale disodico equivalgono alle moli di ioni calcio (Ca ++ ) si ha il viraggio dell indicatore acido calconcarbonico dal rosa al blu (figura 10). Si registra il volume equivalente (V eqedta ) in litri. 6

7 Figura 9 La soluzione prima del punto di viraggio Figura 10 La soluzione al punto di viraggio Calcoli Le moli di ione calcio (Ca ++ ) in 100 ml di acqua, espresse come carbonato di calcio (CaCO 3 ), sono date dalla seguente relazione: MoliCaCO 3 = M EDTA V eqedta La massa in grammi in 100 ml di acqua: MgCaCO 3 = Moli CaCO3 100,09 g/mole Dove 100,09 è la massa molecolare di CaCO 3. Le moli di ione magnesio (Mg ++ ) espresse come carbonato di magnesio (MgCO 3 ), in 100 ml di acqua, sono date dalla seguente relazione: Moli MgCO3 = Moli EDTAdur.tot Moli CaCO3 Dove Moli EDTAdur.tot sono le moli di EDTA determinate nell analisi della durezza totale e Moli CaCO3 sono le moli di carbonato di calcio determinate in questa esperienza. La massa in grammi del carbonato di magnesio in 100 ml di acqua: Mg MgCO3 = Moli MgCO3 84,314 g/mole Dove 84,314 è la massa molecolare di MgCO 3. 7