ANALISI DELLA DUREZZA DI UN ACQUA POTABILE Premessa: le operazioni di laboratorio L acqua deionizzata Per preparare le soluzioni da usare in tutte le esperienze di laboratorio di chimica analitica non si utilizza acqua di rubinetto bensì acqua deionizzata. La seconda, rispetto alla prima, presenta un grado di purezza maggiore poiché è quasi totalmente priva di ioni disciolti (Na +, Cl, Ca 2+, HCO 3, ecc.) che invece come detto sono contenuti nell acqua potabile ad una concentrazione complessiva apprezzabile. Gli ioni disciolti nell acqua potabile possono interferire nelle analisi chimiche; ad esempio, se si vuole determinare la concentrazione di Ca 2+ e Mg 2+ in un acqua potabile, usando acqua di rubinetto per preparare le soluzioni da usare si troverebbe un valore maggiore di quello reale. L acqua del rubinetto si utilizza solo per lavare la vetreria. Dispositivi di sicurezza personali Lo studente che accede al laboratorio deve essere munito di camice e occhiali protettivi (questi ultimi devono essere indossati in particolare, ma non solo, quando si maneggiano soluzioni corrosive). Quando si esegue qualsiasi tipo di operazione in laboratorio è necessario indossare guanti in lattice. Raccolta differenziata degli scarichi Ogni soluzione, tranne l acqua deionizzata oppure l acqua detergente dei lavaggi, non può essere buttata nel rubinetto ma deve essere raccolta in contenitori dedicati, che vengono poi destinati al recupero in aziende specializzate. Nel laboratorio didattico di chimica analitica vi sono due tipi di contenitori di raccolta, uno per soluzioni acide e metalli, ed uno per sole basi. Lo studente scaricherà quasi tutte le proprie soluzioni nel bidone soluzioni acide e metalli. L unica soluzione da scaricare nel bidone delle basi è la soluzione madre residua di NH 3 /NH + 4. Le cappe aspiranti Le operazioni di laboratorio che possono dare origine a fumi o vapori tossici devono essere eseguite sotto cappa aspirante. Le altre operazioni possono essere convenientemente eseguite sul proprio bancone.
Le acque potabili Le acque potabili contengono numerosi ioni che conferiscono un sapore all acqua e ne garantiscono la potabilità. Alcuni ioni sono presenti a concentrazioni relativamente elevate, dell ordine dei milligrammi per litro, mentre altri sono presenti in tracce o ultratracce. Quelli tipicamente presenti a concentrazioni più alte sono gli anioni bicarbonato (HCO 3 ), cloruro (Cl ), e solfato (SO 2 4 ), e i cationi sodio (Na + ), potassio (K + ), calcio (Ca 2+ ) e magnesio (Mg 2+ ). Una delle esperienze proposte permette la determinazione della somma Ca 2+ + Mg 2+ (la durezza di un acqua). I risultati ottenuti dagli studenti possono essere confrontati con quelli attesi. Nel caso di un acqua minerale i valori attesi sono riportati sull etichetta, mentre nel caso di un acqua del rubinetto i valori sono talvolta forniti assieme alla bolletta del pagamento, oppure possono essere trovati sul sito internet dell azienda fornitrice dell acqua. Le titolazioni Una titolazione è un operazione con cui si determina la concentrazione (titolo) o la quantità di una certa sostanza (l analita) mediante aggiunta di una soluzione avente una concentrazione accuratamente nota di titolante. Mano a mano che il titolante t viene aggiunto all analita A, avviene la reazione: A + t Prodotto (1) Quando il numero di moli di titolante aggiunto è equivalente al numero di moli di analita inizialmente presenti, si è raggiunto il punto di equivalenza (PE). Una reazione di titolazione può essere utilizzata per eseguire un analisi se presenta alcuni requisiti. Uno di questi è che deve essere possibile rilevare il PE mediante indicatore colorimetrico (o mediante opportuni metodi strumentali, che qui non vedremo). Ci sono vari tipi di titolazioni: acido-base, per precipitazione, complessometriche, redox. Qui vedremo le titolazioni complessometriche. Titolazioni complessometriche: la determinazione di Ca 2+ + Mg 2+ (durezza) Le titolazioni complessometriche, note fin dal 1851, coinvolgono la reazione tra uno ione metallico ed un legante, con formazione di un complesso metallo-legante. L acido etilendiamminotetraacetico (EDTA, Y 4 ) è il legante più utilizzato per le titolazioni complessometriche. Come indicatore si usa spesso il nero eriocromo T (EBT). Il cambiamento di colore che si osserva al PE è dal rosso vino al blu.
I cationi Ca 2+ e Mg 2+ sono essenziali per l uomo e per gli organismi viventi, ma il controllo della loro concentrazione nelle acque potabili o per uso industriale è comunque di notevole importanza, date le conseguenze pratiche prodotte dalla loro presenza. Entrambi i cationi formano composti insolubili con l anione carbonato, cumulativamente denominati calcare: Ca 2+ + CO 3 2 CaCO 3 (s) Mg 2+ + CO 3 2 MgCO 3 (s) (2) In una soluzione acquosa contenente tali cationi è presente un equilibrio dinamico tra l anidride carbonica atmosferica ed i carbonati insolubili: CO 2 (g) CO 2 (aq) HCO 3 CO 3 2 MgCO 3 (s) + CaCO 3 (s) (3) Tale equilibrio può essere spostato verso destra o verso sinistra in dipendenza dalla pressione, dalla temperatura e dal ph della soluzione, per cui in certe condizioni può aversi la precipitazione di carbonati di calcio e/o magnesio. La presenza eccessiva di tali ioni in un acqua può dunque comportare la formazione di calcare in vari elettrodomestici quali lavastoviglie, lavatrici, condizionatori, ecc., con conseguente perdita della loro efficienza di funzionamento, oppure alla ostruzione delle tubature di trasporto. Un acqua troppo ricca di calcio e/o magnesio presenta anche un altro inconveniente, quello di impedire ai comuni detergenti di lavare e fare schiuma: ciò è dovuto al fatto che entrambi i cationi formano sali insolubili con tali composti. I saponi ed i detersivi contengono infatti dei composti simili all EDTA, allo scopo di complessare Ca 2+ e Mg 2+ e quindi impedire loro di far precipitare i detergenti. La concentrazione di sali di calcio e magnesio presenti in un acqua viene definita come la sua durezza. Un acqua molto dura è un acqua molto ricca di calcio e/o magnesio. La durezza viene spesso espressa utilizzando delle unità di misura peculiari, i gradi francesi ( F). Vale la relazione: 1 F 10 (C Ca + C Mg ) (4) dove C Ca e C Mg sono rispettivamente le concentrazioni di calcio e di magnesio espresse in millimoli per litro. Esempio: se l acqua contiene 2 mmoli/l di Ca 2+ e 1 mmole/l di Mg 2+, la sua durezza è pari a 30 F. A titolo di curiosità, in tabella 1 sono riportate le durezze delle acque di alcuni comuni del Triveneto (fonte: http://assocasa.federchimica.it/durezzaacqua.aspx); allo stesso indirizzo è possibile tro-
vare la durezza dell acqua di qualsiasi altro comune). In generale tutte le acque di pianura sono più dure delle acque di montagna, poiché sono state più a lungo a contatto con rocce calcaree, ed hanno potuto disciogliere maggiori quantità dei due ioni. La durezza non è pericolosa per la salute umana ed, anzi, una certa durezza è raccomandabile data l importanza per l organismo umano di assumere notevoli quantità di Ca 2+ e Mg 2+ ; la normativa europea consiglia un intervallo di qualità pari a 15-50 F. Tabella 1: durezza media (in gradi francesi) delle acque potabili di alcuni comuni del Triveneto. Bolzano Trento Verona Belluno Padova Venezia Pordenone Lignano 16 23 27 11 26 24 18 29 Per l analisi della durezza di un acqua sono disponibili diversi metodi. In questa esperienza, lo studente determinerà la durezza di un acqua utilizzando il metodo basato sulla titolazione complessometrica di Ca 2+ e Mg 2+ con EDTA: Ca 2+ + Mg 2+ + 2Y 4 CaY 2 + MgY 2 (5) Il cambiamento di colore dell indicatore corrisponde alla somma dei due cationi. Conti Se V H2O è il volume di acqua potabile prelevato, espresso in millilitri, C Y è la concentrazione di EDTA espressa in millimoli per litro, e V Y è il volume di EDTA al PE (volume letto quando il colore della soluzione è viola, cioè intermedio tra rosso e blu), espresso in millilitri, allora la somma Ca 2+ + Mg 2+ espressa in millimoli per litro, C Ca + C Mg, viene calcolata come segue: C Ca + C Mg = (C Y V Y ) / V H2O (6) La durezza in gradi francesi può essere poi calcolata dall equazione (4).
Attrezzatura DESCRIZIONE OPERATIVA PER LA DETERMINAZIONE DI Ca 2+ + Mg 2+ matraccio tarato da 100 ml beuta da 250 ml spruzzetta con acqua deionizzata spatolina cilindro da 100 ml buretta da 25 ml vetrino da orologio Reagenti EDTA, soluzione a concentrazione 10 millimoli/litro (in matraccio tarato da 1 L). acqua potabile da analizzare (portata dallo studente, almeno 150 ml) cloruro di ammonio (NH 4 Cl, PM = 53.492) soluzione concentrata di ammoniaca (NH 3, anche indicato come NH 4 OH, 28%) indicatore nero eriocromo T (EBT) miscela solida allo 0.5 % con NaCl acqua deionizzata Procedimento 1. Trasferire l acqua da analizzare in matraccio tarato da 100 ml pulito e preventivamente sciacquato 3 volte con piccole aliquote dell acqua stessa. Riempire fino al limite dei 100 ml. 2. Versare l acqua da analizzare in una beuta da 250 ml. Lavare 3 volte il matraccio con piccoli volumi di acqua deionizzata e versare in beuta in modo da raccogliere tutto. 3. Pesare su vetrino da orologio 3.4 g di cloruro di ammonio. 4. Lavorando sotto cappa, porre 23 ml di ammoniaca concentrata in cilindro graduato pulito, aggiungere il cloruro di ammonio, e diluire a 50 ml con acqua deionizzata. Mescolare bene. 5. Aggiungere in beuta 10 ml della soluzione di ammoniaca / cloruro di ammonio e una punta di spatola di EBT. 6. Aggiungere in beuta l ancoretta magnetica pulita, e porre la beuta sopra l agitatore magnetico. La velocità di agitazione dovrebbe essere tale da mescolare la soluzione senza causare schizzi. 7. Pulire la buretta da 25 ml e sciacquarla tre volte con piccole aliquote della soluzione di EDTA. 8. Riempire la buretta con l EDTA, controllare l assenza di bolle, ed iniziare a titolare la soluzione posta in beuta. Aggiungere circa 1-2 ml per volta. Dove cade il titolante si crea localmente una zona a colore viola/blu, che scompare con l agitazione. 9. Quando il colore viola/blu dove cade la goccia scompare con più lentezza, ridurre gradualmente il volume delle aggiunte, fino ad arrivare ad aggiunte goccia a goccia. Se si formano degli schizzi sulle pareti della beuta, portarli in soluzione usando un po d acqua della spruzzetta. 10. Proseguire in tal modo fino a che il colore dell intera soluzione è viola. Prendere nota del volume di titolante stimando la lettura ad almeno mezza divisione della scala della buretta. 11. Se il volume di viraggio risultasse inferiore a 10 ml o maggiore di 25 ml, ripetere la titolazione usando un volume di acqua rispettivamente maggiore o minore (chiedere al personale). 12. Al termine del lavoro lavare la vetreria con detersivo e sciacquarla abbondantemente con acqua del rubinetto.