2.9. Apa. Purificare şi proprietăţi chimice

Apa este cea mai răspândită combinaţie chimică; ocupând două treimi din suprafaţa pământului (oceane, mări, fluvii, ape subterane, precipitaţii atmosferice). Cea mai pură apă este cea provenită din precipitaţiile atmosferice, iar cea mai impură este apa mărilor şi oceanelor. În apele naturale se găsesc: gaze (O2, H2, N2), săruri solubile şi insolubile ale metalelor alcaline şi alcalino-pământoase, oxizi de fier, aluminiu, mangan, unele microorganisme şi impurităţi organice.

În funcţie de cantitatea de săruri aflate în apele naturale acestea sunt considerate ape moi, cu cantităţi mici de săruri sau ape dure, cu cantităţi mai mari de săruri dizolvate.

Apa de canal conţine cantităţi variate de diferite săruri, substanţe organice şi gaze dizolvate.

2.9.1. Determinarea durităţii totale a apei

Duritatea temporară (Dt) se datorează prezenţei carbonaţilor acizi de calciu şi magneziu care prin încălzire se descompun în carbonaţi greu solubili:

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O

Mg(HCO3)2 MgCO3 + CO2 + H2OFierberea reprezintă o metodă practică de îndepărtare a durităţii temporare.Duritatea permanentă (Dp) se datorează conţinutului de cloruri, carbonaţi şi sulfaţi

de calciu şi magneziu, săruri care nu se pot îndepărta prin fierbere, ca în cazul durităţii temporare.

Duritatea totală (DT) a apei este dată de totalitatea sărurilor (sulfaţi, carbonaţi acizi, carbonaţi, cloruri) de calciu şi magneziu dizolvate în apă.

Duritatea totală reprezintă suma durităţilor temporare şi permanente.DT = Dt + Dp

Duritatea se exprimă în grade de duritate. Un grad german de duritate (°dH) reprezintă duritatea corespunzătoare unui

conţinut de 10 mg CaO într-un litru de apă. Un grad francez de duritate reprezintă duritatea corespunzătoare unui conţinut de 10 mg CaCO3 într-un litru de apă. Duritatea apelor din natură variază în limite largi. Apele cu duritatea mai mare de 30° dH sunt considerate ape foarte dure. Duritatea totală se poate determina prin titrare complexonometrică.

Reactivi şi ustensile complexon III soluţie 0,02 M soluţie tampon pH=10 (NH4Cl/ NH3) negru eriocrom T (s)

biuretă semiautomată pipetă cu bulă de 50 mL cilindru gradat flacon Erlenmeyer

Mod de lucru

Se măsoară cu pipeta cu bulă 50 mL apă de canal care se introduce într-un flacon Erlenmeyer de 250 mL. Peste proba de apă de canal se adaugă circa 5 mL soluţie tampon pH=10 şi un vârf de spatulă de indicator, negru eriocrom T. Soluţia se colorează în roşu-violet. Se titrează proba cu soluţie de complexon* III 0,02 m până la apariţia culorii albastru.

Duritatea totală a apei de canal se determină astfel:1cm3 complexon III ............................ 0,02 x 56 mg CaOVcomplexonxFcomplexon . ............................... xx=Vcomplexon xFcomplexon x 1,12 mg CaO în 50 mL apă50 mL apă ........................... Vcomplexon xFcomplexon x 1,12 mg CaO1000 mL apă ...................... mm= 20 x Vcomplexon x Fcomplexon x 1,12 mg CaO (într-un litru de apă)DT = m/10 (°dH)

2.9.2. Purificarea apei prin distilare

Apa distilată este o apă pură care nu conţine substanţe organice sau săruri dizolvate şi care se poate obţine prin distilarea apei de canal.

Distilarea reprezintă procesul de separare a componentelor unui amestec de lichide, pe baza diferenţelor dintre punctele de fierbere ale acestora. Distilarea este cel mai important procedeu de separare şi purificare a substanţelor lichide.

1 - balon2 - cap de distilare3 - termometru4 - refrigerent5 - vas de colectare6 - plită electrică

Figura 2.19. Instalaţia de distilare simplă

*Complexonul III este sarea disodică a acidului etilendiamino tetraacetic. Este utilizat pentru determinarea volumetrică a unui mare număr de ioni metalici, M2+ sau M3+, cu care reacţionează la pH-uri diferite. Titrarea Ca2+ şi Mg2+ se bazează pe reacţia:

Complexul format de complexonul III cu Ca2+ şi Mg2+ la pH=10 determină suma Ca2+ + Mg2+.

Distilarea simplă este operaţia prin care se separă componenta mai volatilă dintr-un amestec, de componenta mai puţin volatilă, printr-o evaporare urmată de condensare. Se aplică în cazul în care diferenţa dintre punctele de fierbere ale componentelor este suficient de mare (peste 80°C) şi în limita temperaturilor cuprinse între 40°C şi 150°C (fig. 2.19).

Mod de lucru

Se supune distilării un anumit volum de apă, V1 (volumul V1 se stabileşte în funcţie de volumul balonului din instalaţie şi lichidul nu trebuie să depăşească două treimi din capacitatea balonului (1). Se adaugă câteva picături de soluţie de permanganat de potasiu care are rolul de a distruge prin oxidare bacteriile existente în apă.

Se introduc în balonul (1) câteva bucăţi de porţelan care favorizează o fierbere uniformă, evitându-se astfel supraîncălzirea lichidului. Se fixează termometrul astfel încât, rezervorul de mercur al termometrului să se afle cu aproximativ 0,5 cm mai jos de orificiul de evacuare a vaporilor. Se montează refrigerentul descendent şi vasul de colectare. Se asigură circuitul corect al apei de răcire prin refrigerent.

În timpul distilării se urmăreşte temperatura vaporilor şi dacă se observă o scădere bruscă a temperaturii vaporilor se consideră că s-a încheiat distilarea uneia dintre componentele amestecului. Se înlocuieşte vasul de colectare cu un altul sau se întrerupe operaţia de distilare (se îndepărtează sursa de încălzire, se scoate vasul de colectare, se lasă să se răcească blazul de distilare – balonul 1 şi se opreşte circuitul apei de răcire).

Se calculează:

debitul distilatului,

randamentul de distilare,

unde V2 - volumul distilatului, t - durata distilării unei fracţii V1 - volumul de lichid supus distilării.

Calitativ, se verifică prezenţa ionilor de Ca2+, Mg2+, Cl- şi SO42- în apa de canal şi

apoi în apa distilată obţinută. Cu hârtie indicatoar de pH se verifică modificarea pH-ului apei ca urmare a procesului de distilare.

2.9.3. Purificarea apei prin schimb ionic

Dedurizarea apei (îndepărtarea ionilor de calciu şi magneziu) se realizează prin schimb ionic, adică prin reţinerea ionilor Ca2+ şi Mg2+ din apa dură pe o coloană cu schimbător de ioni de tip cationit. Răşina de tip cationit are capacitatea de a reţine ionii de Ca2+ şi Mg2+ conform reacţiilor:

2RH + Ca2+ = R2Ca + 2H+

2RH + Mg2+ = R2Mg + 2H+

Regenerarea răşinii se face prin tratarea acesteia cu acid clorhidric conform reacţiei:

R2Ca + 2HCl = 2RH + CaCl2

Obţinerea apei deionizate se face prin trecerea apei dedurizate pe o a doua coloană cu schimbător de ioni de tip anionit. Răşina de tip anionit are capacitatea de a reţine ionii de SO4

2-, Cl- şi HCO3- conform reacţiilor:

2ROH + SO42- R2SO4 + 2OH-

ROH + Cl- R-Cl + OH-

Obţinerea apei dedurizate

Reactivi şi ustensile soluţie tampon pH=10 (NH4Cl - NH3) negru eriocrom T (s) HCl soluţie 0,1 N

coloană cu cationit (Amberlit) cilindru gradat pahar Erlenmeyer

Modul de lucruProba de apă de canal (50 mL) se trece prin coloana de schimbători de ioni (1) în

vederea dedurizării. Se foloseşte o coloană cu cationit de tip Amberlit (fig. 2.20). Reglarea debitului de apă se face cu ajutorul clemei sau a robinetului 3. Apa dedurizată (efluentul) se colectează în paharul Erlenmeyer (2). Când proba de apă de canal acoperă răşina doar cu 0,5 cm se adaugă apă distilată, evitând scurgerea completă a lichidului din coloană şi apariţia de goluri de aer şi degradarea răşinii schimbătoare de ioni.

Eficienţa schimbului ionic se verifică prin controlul prezenţei ionilor Ca2+ şi Mg2+. Dacă se constată că la adăugarea în efluent a indicatorului negru eriocrom T şi a soluţiei tampon pH=10, soluţia devine albastră, înseamnă că apa a fost dedurizată complet.

Figura 2.20

1 – coloană cu schimbători de ioni2 – pahar Erlenmeyer pentru culegerea

efluentului3 - robinet sau clemă de evacuare a

efluentuluiAtenţie! Pe parcursul lucrării, viteza de curgere

nu trebuie să depăşească 3 mL/ minut (o picătură / secundă).

Deasupra răşinii se menţine permanent un volum de minim 0,5 cm3 soluţie, deoarece scurgerea completă a lichidului din coloană produce goluri de aer în interiorul răşinii care diminuează eficienţa schimbului ionic.

Deionizarea apei prin schimb ionic

Deionizarea prin schimb ionic se observă uşor dacă se folosesc soluţii ale unor săruri colorate, de exemplu CuSO4 (albastru) şi K2Cr2O7 (portocaliu). Deionizarea soluţiilor se pune în evidenţă prin formarea pe răşină a unor benzi colorate în culoarea

3

2

1

specifică ionului reţinut (albastru în cazul reţinerii ionilor Cu2+ sau portocaliu, dacă se reţine Cr2O7

2-).Procesul se efectuează în două etape:

- etapa 1: Soluţia (un amestec de săruri colorate, CuSO4 şi K2Cr2O7) se trece pe o coloană cu răşină de tip cationit (Vionit). Se observă formarea unor benzi colorate pe răşină datorită reţinerii ionilor Cu2+ şi K+, coloraţi albastru şi respectiv incolor. Efluentul colectat este portocaliu deoarece conţine ionii SO4

2- (incolor) şi Cr2O72-

(portocaliu). Reacţiile care au loc sunt:

2R-H + CuSO4 R2Cu + H2SO4

bandă albastră2R-H + K2Cr2O7 2R-K + H2Cr2O7

- etapa 2: Efluentul colectat în etapa 1 se trece pe o coloană cu răşină de tip anionit când se reţin anionii SO4

2- (incolor) şi Cr2O72- (portocaliu), iar efluentul colectat în

etapa 2 este incolor.2R-OH + H2SO4 R2SO4 + 2H2O2R-OH + H2Cr2O7 R2Cr2O7 + 2H2O

Reactivi şi ustensile CuSO4 soluţie 10% K2Cr2O7 soluţie 10% HCl soluţie 5% NaOH soluţie 5%

coloană cu cationit coloană cu anionit

Mod de lucruRăşina cationică puternic acidă se tratează cu soluţie de HCl 5% (4-5 volume de

soluţie de HCl la un volum de răşină) pentru a aduce răşina în formă R-H. Se spală răşina cu apă distilată pentru îndepărtarea urmelor de clor de pe răşină. Se trec apoi pe coloana cu cationit 150 mL soluţie CuSO4 - K2Cr2O7 cu un debit de 3-5 mL/min. Efluentul de culoare portocalie, datorită prezenţei ionului Cr2O7

2- se trece pe o altă coloană cu anionit (pregătită în formă R-OH prin tratare cu o soluţie NaOH 5% şi apoi spălată cu apă distilată). Efluentul colectat din a doua coloană este incolor şi lipsit total de ioni.