Визначення форм вуглекислоти

Карбонатна кислота (вуглекислота) у воді може бути присутня в трьох формах: вільної (СО₂), напівз’вязаної () і зв’язаної ().

       Діоксид вуглецю СО₂, під час розчинення у воді, частково вступає з нею у взаємодію з утворенням карбонатної кислоти. Окремо визначити вміст діоксиду вуглецю і карбонатної кислоти у воді важко, тому сумарну концентрацію цих компонентів приймають за концентрацію вільної вуглекислоти. Так як тільки близько 1% розчиненого діоксиду вуглецю утворює карбонатну кислоту, розрахунок вмісту вільної вуглекислоти ведуть на діоксид вуглецю СО₂. Концентрація вільної вуглекислоти кислоти в поверхневих водах може досягати 10—30 мг/л.

Напівзв’язаною формою вуглекислоти у воді є гідрокарбонат - іони , які утворюються в процесі дисоціації вуглекислоти за 1-й ступенем: , а також у результаті розчинення карбонатних порід під дією карбонатної кислоти:

        

        

Гідрокарбонат-іони – найпоширеніша форма вуглекислоти в природних водах (до 300 мг/л). Вони зумовлюють лужність і карбонатну твердість води.

При дисоціації вуглекислоти за 2-м ступенем утворюються карбонат-іони: (зв’язана форма вуглекислоти). Вони містяться тільки в лужних водах (при рН>9) у присутності іонів  і . Вміст у природних водах невеликий внаслідок малої розчинності карбонату кальцію.

       Одночасно всі три форми вуглекислоти у воді існувати не можуть. Кожна з форм існує в певному інтервалі рН. З іншого боку, саме наявність тієї чи іншої форми вуглекислоти зумовлює те чи інше рН води. На рис. 7.1 наведена залежність відсоткового вмісту форм вуглекислоти від рН води.

Рис. 7.1. Залежність відсоткового вмісту форм вуглекислоти від рН води.

З рис. 7.1 витікає, що:

· якщо рН ≤ 4,4 у воді присутня тільки вільна вуглекислота.

· в інтервалі рН від 4,4 до 8,37 у рівновазі знаходяться дві форми вуглекислоти –  та іони , причомуконцентрація останніхзростає з підвищенням рН і досягає максимального значенняпри рН 8,37.

· в інтервалі рН від 8,37 до 12 у рівновазі знаходяться іони і ;

· при рН> 12 – тільки іони .

7.3.1.  Визначення вмісту вільної вуглекислоти (4,4 < рН < 9)

Вільна вугільна кислота за рН більше 4,4 зумовлює загальну кислотність природних питних вод (рис. 7.1). Тому визначення вмісту вільної  проводять титруванням проби води 0,1 М розчином лугу NaOH у присутності фенолфталеїну (рТ = 9) від безбарвного до слабко рожевого кольору. При цьому  переходить у гідрокарбонат-іон:

                             .                                        (7.1)    Методика визначення. Піпеткою відміряти 100 мл досліджуваної води, додати 3–4 краплини фенолфталеїну і титрувати 0,1 М розчином NaOH (розчин лугу додавати краплинами). При цьому кожен раз закривати колбу гумовим корком  і перемішувати вміст колби плавним похитуванням до появи слабкого рожевого забарвлення розчину, яке не повинно зникати протягом 2–3 хв.

    Розрахунок концентрації вільної вуглекислоти (ммоль/л ) виконують за формулою

.

    Вміст вільної вуглекислоти (мг/л ) розраховують як

 ,

де – молярна маса , що дорівнює 44 г/моль (фактор еквівалентності , згідно з рівнянням (7.1), дорівнює 1).

    Якщо рН води менше за 4,4, то концентрацію вільної вуглекислоти слід розраховувати як

                                , ммоль/л.

7.3.2. Визначення вмісту гідрокарбонат-іонів                                                      (напівзв’язаної вуглекислоти) – інтервал рН 4 < рН < 9

В інтервалі рН від 4 до 9 гідрокарбонат-іони (),унаслідок гідролізу,  зумовлюють загальну лужність води (див. рис 7.1). Тому їх вміст визначають титруванням проби води 0,1 М розчином HCl  у присутності метилового жовтогарячого. При цьому має місце перебіг реакції:                                                                                                   

                                                                                

                                                                                                                                                                                                          (7.2)

                                                                         

    У кінці титрування реакція середовища, як можна бачити з рівняння, повинна бути слабко кислою, тому за індикатор беруть метиловий жовтогарячий.

    Методика визначення. В конічну колбу піпеткою відміряти 100 мл досліджуваної води, додати 3–4 краплини метилового жовтогарячого і титрувати 0,1 М розчином HCl від жовтогодо жовтогарячого забарвлення індикатора (рН = 4).

Розрахунок концентрації іонів (ммоль/л ) проводять за формулою

                  ,                                 (7.3)

Вміст іонів (мг/л) розраховують як

                      ,                                           (7.4)    

де – молярна маса – іонів, що дорівнює 61 г/моль (фактор еквівалентності іонів , згідно з рівнянням (7.2), дорівнює 1).

7.3.3. Визначення карбонат-іонів  і гідрокарбонат-іонів  у воді за  спільної  їх присутності (рН > 8,4)

а) визначення вмісту іонів  

При рН більше за 8,4 карбонат–іони внаслідок гідролізу зумовлюють вільну лужність води. Тому їх вміст визначають титруванням проби води 0,1 М розчином HCl  у присутності фенолфталеїну від рожевого до слабко рожевого забарвлення, яке зникає від однієї краплини розчину HCl  . При цьому має місце перебіг реакції:                                                                                                   

                                                                                   

                          .                                               (7.5)

  Методика визначення. В конічну колбу місткістю 250 мл відміряти піпеткою 100 мл досліджуваної води, додати 3–4 краплини фенолфталеїну і титрувати 0,1 М розчином HCl до зникнення рожевого забарвлення (. 

Розрахунок концентрації іонів (ммоль/л) виконують за формулою

 ,

де – об’єм 0,1 М розчину HCl, що пішов на титрування у присутності фенолфталеїну, мл;

     Вміст іонів  (мг/л) розраховують як

,

де – молярна маса іонів , що дорівнює 60 г/моль (фактор еквівалентності іонів , згідно з рівнянням (7.5), дорівнює 1).

Розчин не виливають, а діють так, як описано нижче.

б) визначення вмісту іонів

Методика визначення вмісту іонів

До відтитрованої з фенолфталеїном проби води (див. дослід 7.3.3.а) додати 3–4 краплини метилового жовтогарячого і титрувати 0,1 М розчином HCl до появи жовтогарячого забарвлення (. При цьому гідрокарбонат–іони (і наявні раніше, і ті, що утворилися при титруванні – іонів) перетворюються у вільну вуглекислоту (див. рівняння (7.2).

    Розрахунок концентрації іонів  (ммоль/л) виконують за формулою:

,

де – об’єм HCl, що пішов на титрування з метиловим жовтогарячим, мл;

– об’єм HCl, що пішов на титрування проби води з фенолфталеїном, мл.

Вміст іонів (мг/л) розраховують за формулою (7.4).

7.3.4. Розрахунок агресивної вуглекислоти

          Визначення агресивної вуглекислоти виконують, користуючись даними табл. 7.1. Введемо позначення: нехай S – це сума вільної і напівзв’язаної вуглекислоти ( +C ), мг/л; q - сума напівзв’язаної і агресивної вуглекислоти, мг/л.

Складемо знайдені кількості вільної і напівзв’язаної вуглекислоти (останню знаходять множенням ммоль/л  на 22). Отриману суму знаходять у графі ”S”, а в графі ”q” – суму напівзв’язаної і агресивної вуглекислоти. Кількість агресивної вуглекислоти знаходять, відніманням вмісту напівзв’язаної кислоти від числа в графі ”q”.

    Приклад. Вміст іону  = 4,55 ммоль/л і вільної вуглекислоти СО₂ = 60 мг/л, тоді вміст напівзв’язаної вуглекислоти буде 4,55 x 22 = 100 мг/л, сума вільної і напівзв’язаної вуглекислоти буде 100 + 60 = 160 мг/л. Знаходимо число 160 в графі ”S” і відповідне йому число в графі “q” – 118,1. Цифра 118,1 є сумою напівзв’язаної і агресивної вуглекислоти.

Віднімаючи вміст напівзв’язаної вуглекислоти від суми напівзв’язаної та агресивної вуглекислоти, знаходимо кількість агресивної вуглекислоти:

СО₂ = 118,1 – 100 = 18,1 (мг/л).

Таблиця 7.1. Обчислення агресивної СО₂

S	q	S	Q	S	Q	S	Q	S	q
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	1	45	43,0	89	77,3	133	104,3	177	126,2
2	2	46	43,9	90	78,0	134,8	104,8	178	126,6
3	3	47	44,7	91	78,7	135	105,4	179	127,0
4	4	48	45,6	92	79,3	136	105,9	180	127,5
5	5	49	46,5	93	80,0	137	106,5	181	127,9
6	6	50	47,3	94	80,8	138	106,9	182	128,4
7	7	51	47,8	95	81,4	139	107,5	183	128,6
8	8	52	48,4	96	82,1	140	108,1	184	129,2
9	9	53	49,0	97	82,7	141	108,6	185	129,7
10	10	54	50,7	98	83,3	142	109,1	186	130,2
11	11	55	51,5	99	84,0	143	109,6	187	130,6
12	12	56	52,4	100	84,6	144	110,2	188	131,0
13	13	57	53,2	101	85.3	145	110,7	189	131,4
14	13,9	58	54,0	102	85,9	146	111,2	190	131,9
15	14,9	59	54,8	103	86,5	147	111,7	191	132,3
16	15,9	60	55,7	104	87,2	148	112,2	192	132,7
17	16,9	61	56,5	105	87,7	149	112,5	193	133,2
18	17,8	62	57,2	106	88,4	150	113,2	194	133,7
19	18,8	63	58,1	107	89,1	151	113,7	195	134,0
20	19,7	64	58,8	108	89,7	152	114,3	196	134,4
21	2 0,8	65	59,6	109	90,4	153	114,7	197	134,8
22	21,7	66	60,4	110	90,9	154	115,3	198	135,2
23	22,7	67	61,2	111	91,6	155	115,8	199	135,7
24	23,7	68	62,0	112	92,2	156	116,3	200	136,0
25	24,6	69	62,8	113	92,8	157	116,6	210	141,6
26	25,6	70	63,5	114	93,4	158	117,3	220	145,6
27	26,5	71	64,3	115	94,0	159	117,6	230	149,8
28	27,5	72	65,0	116	94,6	160	118,1	240	153,8
29	28,4	73	65,8	117	95,1	161	118,6	250	161,2
31	30,3	75	67,3	119	96,3	163	119,6	260	164,9
32	31,2	76	68,0	120	97,0	164	120,1	270	168,5
33	32,2	77	68,8	121	97,6	165	120,6	280	171,9
34	33,1	78	69,5	122	98,1	166	121,0	290	175,3
35	34,0	79	70,3	123	98,6	167	121,5	300	178,8
36	34,9	80	71,0	124	99,2	168	122.0	310	182,1
37	35,9	81	72,7	125	99,8	169	122,5	330	185,0
38	36,8	82	72,4	126	100,4	170	123,0	340	188,3
39 Визначення карбонат-іонів СО] та гідрокарбонат-іонів НСОі у воді	37,7	83	73,1	127	100,9	171	123,4	350	191,3
40	38,6	84	73,8	128	101,5	172	123,9	360	194,2
41	39,5	85	74,5	129	102,1	173	124,3	370	197,3
42	40,3	86	75,2	130	102,6	174	124,7	380	199,9
43	41,2	87	76,9	131	103,2	175	125,2	390	202,8
44	42,1	88	76,5	132	103,7	176	125,6	400	205,7