مهندسی شیمی دانشگاه پیام نور واحد ورامین

توضیح در مورد آزمایش :

آبي كه در طبيعت وجود دارد تقريبا هميشه ناخالص مي‌باشد. زيرا كه اغلب داراي گچ ، آهك ، نمك طعام ، تركيبات منيزيم ، آهن ، اكسيژن و ازت ، انيدريد كربنيك ، تركيبات آلي و غيره است و مقدار اين اجسام در آبهاي مختلف متفاوت است. در آب اجسام ديگري مانند گل و لاي و غيره هستند كه معلق مي‌باشند و مقداري باكتري هم در آبها يافت مي‌شود.

آب سخت ، آبي است كه در آن كلسيم هيدروكربنات و منيزيم و گچ موجود باشد. اما به طور كلي آب سخت آبي است كه داراي مقادير قابل توجهي از يونهاي ⁺Fe² يا ⁺ Ca² يا ⁺ Mg² باشد. صابون معمولي در آب سخت كف نمي كند، زيرا اين يونها با آنيون صابون تشكيل رسوب مي دهد. آب سخت در ديگهاي بخار باعث ايجاد اختلال در كار مي شوند. آب داراي دو سختي است يكي موقت ديگري دائم .

سختي موقت به خاطر وجود كربناتهاي كلسيم و منيزيم و آهن مي باشد. براي از ميان بردن اين سختي آب را مي جوشانند تا به صورت كربنات رسوب كند به اين علت به آن سختي موقت گويند .

سختي دائم مربوط به ديگر املاح كلسيم و منيزيم مثل نمكهاي سولفات ها، كلريد يا نيترات آنهاست. درواقع تنها نمكهاي كربنات اين يونها با جوشاندن ته نشين مي شوند و ديگر نمكهاي اين يونها مانند نمكهايي با بنيان سولفات، كلريد و نيترات با جوشاندن از محلول خارج نمي شوند. اين نمكها در لوله هاي ديگهاي بخار ايجاد خوردگي مي كند. براي حذف اين گونه ها از روشهاي شيميايي استفاده مي شود.

به مجموعه سختي دائم و موقت سختي كل گفته ميشود.
چون غلظت اين نمكها بسيار كم است از واحد ^{m eqgram}/_lit كه معادل يك هزارم نرمال است استفاده مي شود. واحد رايج ديگر PPm است.که ما هم در آزمایش خود از واحد PPm استفاده خواهیم کرد.

بر حسب آنكه آب در موقع نفوذ در زمين از قشرهاي آهكي و منيزيمي و گچي گذشته و يا نگذشته باشد سختي آب كم يا زياد مي‌شود. آبهاي نواحي آهكي سختي زيادتري تا آبهاي نواحي گرانيتي و يا شني دارند. سختي آب در عرض سال هم ممكن است تغيير نمايد. معمولا سختي آبها در فصل باران كم و در فصل خشكي زياد مي‌شود.

درجه سختي آب را معمولا از روي مقدار كلسيم و منيزيم موجود در آن تعيين مي‌كنند .  روش های شیمیایی دیگری هم وجود دارد که ما در آزمایش خود کاری به آنها نداریم و بر حسب وجود مقادیر منیزیم و کلسیم درجه سختی را مشخص میکنیم .

مبنای این آزمایش بر روش تیتراسیون است و ما در این آزمایش ماده ی EDTA را با آب توسط شناساگر ها تیتر میکنیم و با توجه به مقدار EDTA مصرفی ، که تعیین شده هر cc از این ماده چه مقدار سختی را نشان میدهد مقدار سختی را مشخص میکنیم .

روش انجام آزمایش :

ابتدا به مقدار مشخص 100cc آب شهر درون ارلن میریزیم. سپس به مقدار 5cc محلول بافر به  PH=10 به آن اضافه میکنیم این کار به این دلیل انجام میشود که چون محلول EDTA خاصیتی اسیدی دارد باید با یک باز خنثی شود به همین دلیل مقداری ماده ی قلیایی به آب اضافه میکنیم .

 و بعد از آن مقداری در حدود 4 قطره شناساگر کالگن به آن اضافه میکنیم بعد از اضافه کردن شناساگر محلول ما قرمز رنگ میشود این کار به این منظور انجام میشود که در تیتر کردن دو ماده ما بتوانیم به طور دقیقتری نقطه ی هم ارزی را مشخص کنیم.

درون بورت را از ماده ی EDTA پر میکنیم و شروع به تیتر کردن میکنیم. ارلن را با یک دست زیر شیر بورت تکان میدهیم و با دست دیگر شیر بورت را آرام آرام باز میکنیم. در حین تیتراسیون یون های کلسیم و منیزیم با EDTA ترکیب میشوند و در اولین لحظه ای که تغییر رنگ را مشاهده کردیم تیتر کردن را متوقف میکنیم .

مشاهده میشود که مقدار 9cc از ماده ی EDTA با آب تیتر شده است . طبق اطلاعاتی که در اختیار ما گذاشته شده هر cc که از ماده ی EDTAدر تیتراسیون مصرف میشود نشان دهنده ی این است که 4 میلی گرم کلسیم و منیزیم در آب وجود دارد. و چون ما 9cc مصرف کردیم مقدار کلسیم و منیزیم موجود در آب 36 میلی گرم میباشد .

این مقدار کلسیم و منیزیم در 100cc آب وجود دارد اما چون ما میخواهیم سختی را بر حسب PPm بیان کنیم باید همین مقدار را در 1lit آب یا  1000ccآب مشخص کنیم .

با تناسب بندی میگوییم که در 100cc آب 36 میلی گرم وجود دارد  پس در 1000ccبه مقدار 360 میلی گرم کلسیم و منیزیم وجود دارد.

در نتیجه ما به مقدار 360PPm برای مقدار سختی آب رسیدیم.

حالا میخواهیم مقدار منیزیم و کلسیم را به طور جداگانه به دست بیاوریم. برای به دست آوردن مقدار یون کلسیم ابتدا باید مقدار یون منیزیم را به دست آوریم و مزاحمت این یون را از بین ببریم سپس مقدار یون کلسیم را حساب کنیم . پس ابتدا مقدار منیزیم را مشخص میکنیم.

برای به دست آوردن مقدار یون منیزیم ابتدا 100cc آب شهر را درون ارلن میریزیم و سپس 2cc از ماده ی قلیایی  NaOHبا نرمالیته ی 1/0 را به آن اضافه میکنیم. با این کار ما PH محلول خود را به 12 میرسانیم . سپس با نوک اسپاتول مقداری پودر موراکساید به آن اضافه میکنیم. و بعد از آن چند قطره کالگن در آن میریزیم که ماده به رنگ قرمز در می آید . حالا ارلن را زیر بورت که از EDTA پر شده است میگیریم و شروع به تیتر کردن میکنیم.

در اولین لحظه ای که تغییر رنگ مشاهده شد تیتر کردن را متوقف میکنیم. مشاهده میشود که به مقدار 5ccاز ماده EDTA در عمل تیتر کردن مصرف شده است .

طبق اطلاعاتی که در اختیار ما گذاشته شده است هر cc که از ماده ی EDTA تیتر میشود نشان دهنده ی این است که 008/4 میلی گرم یون منیزیم در آب وجود دارد. و چون 5cc از EDTA مصرف شده نتیجه میگیریم که 04/20 میلی گرم منیزیم در آب وجود دارد .

برای به دست آوردن اینکه در یک لیتر آب چقدر منیزیم وجود دارد کافیست که جوابمان را ضرب در عدد 10 کنیم که دلیلش این است که ما ، در 100cc آب 04/20 میلی گرم منیزیم داریم پس در 1000cc آب 4/200 میلی گرم منیزیم داریم.

حال که مقدار منیزیم مشخص شد باید ماده ای که در آزمایش بالا به دست آوردیم که قاعدتا باید ماده ای قلیایی باشد را را به وسیله ی HCl که اسید است خنثی میکنیم .

 برای اینکه تشخیص بدهیم ماده خنثی شده و PH  آن به عدد 7 رسیده یا نه از کاغذ تورنسل استفاده میکنیم. بعد از اضافه کردن تقریبا 2cc از HCl ماده خنثی میشود.

بعد از اینکه به ماده حاصل مورکساید و کالگن اضافه کردیم مجددا با ماده ی EDTA که داخل بورت ریخته ایم تیتر میکنیم.در تیتر کردن در این مرحله تغییر رنگ به صورت بسیار جزئی اتفاق می افتد پس باید خیلی دقت کرد گروه ما بارها این مرحله را انجام داد چون که از نقطه ی هم ارزی میگذشتیم و مجبور میشدیم مجددا تمام مراحل را از اول انجام بدهیم . پس از چند بار که عمل تیتر کردن را انجام دادیم به مقدار 6/5cc برای  EDTA که در آزمایش مصرف شده رسیدیم.

طبق اطلاعاتی که به ما داده شده است هر cc که از EDTA مصرف شده نشان دهنده ی این است که 43/2 میلی گرم یون کلسیم در آب وجود دارد.

در نتیجه ما مقدار 8/15 میلی گرم کلسیم در آب داریم . اما مقدار کلسیم حاصل شده در 100cc آب است  و برای به دست آوردن مقدار کلسیم در یک لیتر کافیست مقدار حاصله را در عدد 10 ضرب کنیم.

در پایان به این نتیجه میرسیم که در هر لیتر آب به مقدار 158 میلی گرم یون ⁺ Ca² وجود دارد.