Загальні відомості. Іони кальцію надходять у поверхневі води суходолу в основному внаслідок розчинення у воді гірських порід

Іони кальцію надходять у поверхневі води суходолу в основному внаслідок розчинення у воді гірських порід, мінералів, солей тощо. Цьому сприяє наявність у воді розчиненого діоксиду вуглецю (вугільної кислоти), який з іонами Са²⁺ утворює добре розчинні гідрокарбонати. У річкових водах вміст кальцію не перевищує 1 г/дм³ і зазвичай коливається в межах 10−150 мг/дм³ залежно від гідрологічної ситуації. Якщо ступінь мінералізації води високий, то іони кальцію частково зв'язуються в іонні пари CaSO₄⁰, CaCO₃⁰, CaHCO₃⁺. У дуже інтенсивно забарвлених водах кальцій утворює досить міцні комплексні сполуки з гумусовими речовинами.

Для визначення концентрації іонів кальцію у поверхневих водах суходолу найбільш простим, точним, селективним і зручним є титриметричний метод із використанням комплексону III та металохромних індикаторів. Комплексна сполука кальцію з комплексоном III дуже стійка, тому часткове зв'язування кальцію в іонні пари та комплекси з гумусовими речовинами не заважає аналізу.

Комплексонометричне визначення кальцію

Принцип методу. Іони кальцію, взаємодіючи з комплексоном III (двонатрієва сіль етилендіамінтетраоцтової кислоти, скорочено Na₂Н₂Y), утворюють безбарвну, стійку в лужному середовищі (рН 12 − 13) комплексну сполуку складу Са²⁺: Na₂Н₂Y = 1: 1 за схемою

Са²⁺ + H₂Y^2-↔ CaY^2- + 2Н⁺,

де H₂Y^2- − аніон комплексону III.

Пробу води, яка містить іони Са²⁺, титрують розчином комплексону III за наявності індикатору − суміші мурексиду й нафтолового зеленого Б. Іони кальцію утворюють із цим індикатором забарвлені сполуки, які надають розчину брудно-зеленого кольору. Не досягаючи точки еквівалентності, комплексон III зв'язує вільні іони кальцію в безбарвні комплекси CaY^2- і колір розчину залишається незмінним. У точці еквівалентності надлишок комплексону III реагує з менш стійкими комплексами кальцію брудно−зеленого кольору, внаслідок чого вивільнюються аніони індикаторів, забарвлені в синій колір.

Іони магнію, концентрація яких не перевищує 3 мг/дм³, не заважають аналізу, оскільки їх сполуки з комплексоном III менш стійкі, ніж комплекси кальцію. Однак, якщо концентрація іонів Mg²⁺ більша за 3 мг/дм³, то значна кількість гідроксиду магнію, який утворюється при рН 12−13, адсорбує мурексид, що заважає аналізу. Вплив іонів магнію можна усунути розбавлянням проби води дистильованою водою.

Іони важких металів (міді, заліза, мангану, цинку тощо) також утворюють забарвлені комплексні сполуки з мурексидом, але через низьку концентрацію ними можна знехтувати. Якщо води забруднені іонами важких металів, їх можна маскувати добавлянням до проби 0,5−1 см³ 25%-го водного розчину триетаноламіну.

Комплексонометричне титрування використовують для аналізу вод із вмістом кальцію не менш як 0,5 мг/дм³.

Методика визначення. У конічну колбу місткістю 150−200 см³ піпеткою вносять 25−100 см³ проби залежно від очікуваного вмісту кальцію, добавляють 2 см³ розчину NaOH для створення рН 12−13 і 10−15 мг сухого змішаного індикатору. Пробу титрують розчином комплексону III за постійного перемішування до зміни брудно-зеленого забарвлення на синє.

Концентрацію іонів кальцію С_х (ммоль-екв/дм³) та С_у (мг/дм³) обчислюють за рівняннями

де V ₁ − об'єм розчину комплексону III, витрачений на титрування, см³; С − концентрація розчину комплексону III, моль-екв/дм³; V — об'єм проби води, см³; 20,04 − молярна маса еквівалента кальцію (M∙ Са²⁺).

Установки, прилади, лабораторний посуд, реактиви

Розчин комплексону III, 0,02 моль-екв/дм³: 3,75 ± 0,01 г комплексону III (двонатрієва сіль етилендіамінтетраоцтової кислоти С₁₀Н₁₄О₈N₂Na₂∙2H₂O) розчиняють у бідистильованій воді й доводять об'єм розчину до 1 дм³ у мірній колбі. Точну концентрацію розчину встановлюють титруванням стандартним розчином хлориду цинку.

Визначення точної концентрації розчину комплексну ІІІ. У конічну колбу для титрування піпеткою вносять 10 см³ стандартного розчину хлориду цинку з відомою концентрацією С, добавляють 20-25 см³ дистильованої води, 5 см³ буферного розчину з рН~10, 2-3 краплі індикатору еріохром чорний Т і титрують розчином комплексну ІІІ до зміни червоно-фіолетового забарвлення на блакитне.

Концентрацію розчину комплексну ІІІ С_х (моль-екв/дм³) обчислюють за рівнянням

де V₁ − об’єм взятого стандартного розчину хлориду цинку, см³; С − концентрація стандартного озчину хлориду цинку, моль-екв/дм³; V − об'єм розчину комплексону ІІІ витраченого на титрування, см³.

Стандартний розчин хлориду цинку, 0,01 моль-екв/дм³: близько 0,33 г металічного гранульованого цинку швидко промивають у невеликій кількості концентрованої соляної кислоти й відразу відмивають від кислоти бідистильованою водою. Потім висушують у сушильній шафі при 100 °С упродовж 1-2 год, охолоджують і визначають його масу (m) на аналітичних терезах.

У мірну колбу місткістю 1 дм³ наливають 10-15 см³ бідистильованої води та 3 см³ концентрованої соляної кислоти і добавляють наважку (m) металічного цинку. Після повного розчинення наважки розчин доливають до риски бідистильованою водою. Концентрація цього розчину приблизно дорівнює 0,01 моль-екв Zn²⁺/дм³.

Точну його концентрацію С (моль-екв/дм³) обчислюють за рівнянням:

де m − наважка металічного цинку, г; 32,69 − молярна концентрація цинку (М·1/2Zn²⁺).

Індикатор еріохром чорний Т, спеціальний ЕТ-00 (хромоген чорний), С₂₀Н₁₂O₇N₃SNa готують одним із таких способів:

а) 0,5 г індикатору розчиняють у 10 см³ буферного розчину і доводять об'єм розчину етиловим спиртом до 100 см³ у мірній колбі;

б) 0,5 г індикатору розтирають у фарфоровій ступці з 50 г хлориду натрію.

Змішаний індикатор: 0,2 г мурексиду С₈Н₈O₇N₅∙H₂O і 0,5 г нафтолового зеленого Б розтирають у ступці зі 100 г хлориду натрію/ Суміш зберігають у пляшці з темного скла.

Розчин їдкого натру, 2 моль-екв/дм³: 80 г NаОН, х.ч., розчиняють у дистильованій воді й доводять об'єм розчину до 1 дм³ у мірній колбі.

Буферний розчин з рН~10: 20 г хлориду амонію, х.ч., розчиняють у дистильованій воді, добавляють 100 см³ концентрованого розчину аміаку, х.ч., і доводять об'єм розчину до 1 дм³ у мірній колбі. Якщо рН суміші відрізняється від 10 більш ніж на ±0,2, то добавляють концентрований розчин НС1 або NН₄ОН до досягнення рН 10 ± 0,2 за рН-потенціометричного контролю.

Комплексонометричне визначення магнію

Магній, аналогічно кальцію, надходить у природні води внаслідок хімічного вивітрювання та розчинення різноманітних гірських порід, мінералів і солей, а також із промисловими стічними водами. У річкових водах вміст магнію коливається від кількох міліграмів до кількох десятків міліграмів на кубічний дециметр (мг/дм³). У поверхневих водах суходолу вміст магнію, як правило, менший, ніж вміст кальцію. Значна частина магнію знаходиться у вигляді іонних пар (МgSO₄⁰, МgНСО₃⁺) та комплексних сполук з органічними речовинами природних вод.

Вміст магнію в природних водах визначають розрахунковим способом та методом прямого комплексонометричного титрування.

Іонні пари та комплекси з органічними речовинами природних вод, які утворюють іони магнію, не заважають аналізу, оскільки комплекс магнію з комплексоном III дуже стійкий.

Визначення розрахунковим способом

У досліджуваній пробі води комплексонометрично визначають загальну твердість С_т (ммоль-екв/дм³) і вміст іонів кальцію (ммоль-екв/дм³).

Вміст іонів магнію С_х (ммоль-екв/дм³) та С_у (мг/дм³) обчислюють за рівняннями

де 12,16 − молярна маса еквівалента магнію (М∙ Мg²⁺).

Пряме комплексонометричне титрування

Принцип методу. Метод ґрунтується на подвійному титруванні розчином комплексону III: спочатку пробу титрують за рН 12-13 і наявності індикатору мурексиду, при цьому зв'язуються іони кальцію. Потім створюють рН ~ 10 і титрують іони магнію за наявності індикатору еріохром чорного Т. Сумарна витрата розчину комплексону III відповідає твердості води.

За наявності іонів металів, комплекси яких з еріохром чорним Т міцніші, ніж із комплексоном III, зміна кольору розчину в точці еквівалентності недостатньо чітка. Визначенню також заважають іони заліза концентрацією понад 10 мг/дм³, кобальту, нікелю, міді (концентраціями кожного понад 0,1 мг/дм³) та деякі ін. Для маскування катіонів металів, які заважають аналізу, застосовують ціанід калію, солянокислий гідроксиламін або сульфід натрію. Така потреба постає в основному при аналізі стічних вод.

Дуже каламутні води фільтрують крізь мембранний фільтр із діаметром пор 0,45 мкм.

Цим методом можна визначати вміст магнію концентрацією від 1 до 50 мг/дм³ за об'єму проби 100 см³.

Методика визначення. У конічну колбу для титрування вносять 100 см³ проби, додають 2 см³ розчину NаОН, 0,1−0,2 г мурексиду і титрують розчином комплексону III до появи інтенсивного фіолетового забарвлення. Витрачений об'єм розчину комплексону III відповідає вмісту кальцію у пробі.

Після титрування розчин нейтралізують додаванням 1,5−2,5 см³ розчину соляної кислоти до рН 7−8, нагрівають і вносять краплю бромної води для розкладання індикатору. Розчин охолоджують, добавляють 5 см³ буферного розчину з рН ~ 10, близько 0,1 г еріохром чорного Т і титрують розчином комплексону III доти, доки фіолетове забарвлення не зміниться на блакитне.

Концентрацію іонів магнію С_х (ммоль-екв/дм³) та С_у (мг/дм³) обчислюють за рівняннями

де V ₁ − об'єм розчину комплексону III, витрачений на титрування з індикатором еріохром чорним Т, см³; С − концентрація розчину комплексону III, моль-екв/дм³; V − об'єм проби води, см³; 12,16 − молярна маса еквівалента іонів магнію (М∙ Мg²⁺).

Установки, прилади, лабораторний посуд, реактиви

Розчин комплексону III, 0,02 моль-екв/дм³; буферний розчин з рН ~ 10; індикатор еріохром чорний Т — приготування див. у попередній методиці.

Індикатор мурексид: 0,2 г мурексиду С₈Н₈O₇N₅∙H₂O змішують зі 100 г хлориду натрію і розтирають у порошок у фарфоровій ступці.

їдкий натр, 1 моль-екв/дм³: 40 г NаОН, ч.д.а., розчиняють у дистильованій воді й доводять об'єм розчину до 1 дм³ у мірній колбі.

Соляна кислота, 1 моль-екв/дм³: 85 см³ концентрованої НСl, ч.д.а., розбавляють дистильованою водою і доводять об'єм розчину до 1 дм³ у мірній колбі.

Бромна вода: 10 г брому енергійно струшують з 200 см³ дистильованої води у склянці з притертою пробкою; пробку зрідка потрібно відкривати. Бром беруть з надлишком, тому частина його осідає на дно склянки. У міру витрачання бромної води добавляють нову порцію дистильованої води, щоразу енергійно струшуючи. Роботи з бромною водою виконують у витяжній шафі.