Analiza fizico-chimica a apei cu privire speciala asupra carbonatilor si bicarbonatilor

ANALIZA FIZICO-CHIMICA A APEI CU PRIVIRE SPECIALA ASUPRA CARBONATILOR SI BICARBONATILOR

 Dioxidul de carbon, format dintr-un atom de carbon si doi atomi de oxigen este o anhidrida labila a acidului carbonic (COH₂O ~ H₂CO₃), un compus chimic rezultat din oxidarea carbonului, in majoritate, de origine organica. Prezent in atmosfera in concentratia de circa 0,04% este strict necesar pentru pastrarea echilibrului biosferei.

Structura 3D a cristalului de „gheata uscata”

Dioxidul de carbon este un gaz incolor, prezent si in atmosfera terestra in concetratie de aproximativ 0,04%. Este unul din cele mai importante gaze cu efect de sera.

Formula chimica: CO

Este produs de catabolism al organismelor aerobe.

Este transportat de sangele organismelor superioare ca bicarbonat de sodiu iar sub forma compusilor carbaminici cu hemoglobina de catre eritrocit.

_{Formula Chimica Carbon (C) + Oxigen (O2) = Dioxid de Carbon (CO2)}

Carbonatii sunt saruri disociate a acidului carbonic H₂CO₃. Aici apartine legatura realizata prin anionul de carbonat CO₃^2-.

Sunt de asemenea numiti carbonati, esterul acidului carbonic, cu formula structurata R-O-C(=O)-O-R , unde R si R' sunt resturi ce contin carbon. Daca apartin R și R' de ceeasi molecula se formeaza un inel ciclic pentagonal care ca fi numerotat dupa cum urmeaza:

oxigen (-O-)

oxid de carbon (-C(=O)-)

oxigen (-O-)

alchil (-C(CH₃)H-)

metilen (-CH₂-)

Carbonatii saruri ionice de acea la temperatura camerei se prezinta sub forma solida cristalizata. Anionul de carbonat nu are culoare, din aceasta cauza culoarea este determinata de cationi. Carbonatii nu au miros (sunt inodori). Cu exceptia carbonatilor alcalini se dizolva greu in apa.

Raportul dintre acid carbonic si carbonat: carbonat de calciu + apa + bioxid de carbon --> hidrocarbonat de calciu:

Aceasta reactie arata formarea apei dure (bogata in carbonati)

Disocierea in apa: carbonat de magneziu -->ion de magneziu + bioxid de carbon

Descompunerea la caldura: carbonat de calciu --> oxid de calciu + bioxid de carbon

Aceasta reactie ne arata producerea varului nestins.

Ciclul: silcati-carbonati:

1.Ciclul incepe prin formarea acidului carbonic:

Apa de ploaie care contine acid carbonic erodeaza rocile care contin silicati de calciu astfel va rezulta ioni de calciu și ioni de bicarbonat.

Acesti ioni rezultati vor fi transportati de apele curgatoare in mari, unde microorganismele (planctonul) folosesc ionii de calciu la construirea cochiliilor, care dupa moartea lor vor alcatui sedimentele de carbonati de pe fundul marilor.

Aceste sedimente vor fi in urmatoarele perioade geologice prin miscari tectonice vor ajunge in interiorul straturile pamantului.

Prin procesele de vulcanism sub actiunea unei presiuni si temperaturi ridicate reactioneaza carbonatul de calciu cu cuartul (metamorfismul carbonatilor). Astfel iau nastere din nou prin eliminarea bioxidului de carbon silicatii.

Determinarea carbonatilor se face prin: reactia efervescenta a carbonatului de calciu cu acidul clorhidric.

Raspandire si utilizare

Carbonatul de calciu este prezent in calcare, ciment, beton, sau ingrasaminte chimice (amendamente).

Se afla de asemenea carbonat de calciu ca:

in marmura utilizat in constructii

in creta folosit in scoli

in medicina este folosit ca antiacid ii hiperaciditatea gastrica, sau tratarea rahitismului

in farmacologie ca emulgator la prepararea de pulberi, alifii, drageuri

in industria alimentara fiind notat E 170 (colorant netoxic)

in cosmetica ca pulberi sicative

in tehnica si agricultura, ingrasaminte chimice, ca prisme pentru aparate optice

in biologie, in natura este folosit de organismele marine pentru alcatuirea cochiliilor

Carbonatii mai importanti

Carbonatul de potasiu

Carbonatul de sodiu (soda)

Carbonatul de calciu (calcar, creta)

Carbonatul de magneziu și calciu (dolomitul)

Ca și carbonat organic pot fi amintite:

o      bimetil carbonatul (C₃H₆O₃)

o      polimerele ca policarbonatele

1 Recoltarea probelor de apa

         Recoltarea probelor de apa este o etapa deosebit de importanta in desfasurarea procesului de analiza fizico-chimica a apei, deoarece probele recoltate trebuie sa fie reprezentative si totodata nu trebuie sa introduca modificari in compozitia si calitatile apei datorita unei tehnici defectuoase sau a unor conditii incorecte de pregatire a materialului.

Analiza: Marii de Coral, insulele Referat: Inaintarea clasica in traverseu - munte

1.1 Pregatirea materialului pentru recoltare

         Recoltarea apei pentru analiza fizico-chimica se face in flacoane de sticla sau polietilena prevazute cu dop rodat sau inchise ermetic. Vasele de recoltare trebuie spalate foarte bine pentru a indeparta orice urma de substante organice sau alte impuritati ar denatura compozitia probei .

         Spalarea se face cu amestec sulfocromic si detergenti, apoi se clatesc bine cu apa de robinet, cu apa distilata si in final se usuca.

1.2 Tehnica recoltarii probelor de apa

         In momentul recoltarii, flaconul se va clati de 2-3 ori cu apa ce urmeaza a fi recoltata apoi se umple cu apa de analizat pana la refuz, iar dopul se va fixa iin asa fel incat saa nu ramana bule de aer in interiorul vasului.

         Modul cum se face recoltarea este in functie de sursa de apa, astfel:

din reteaua de distributie apa se recolteaza dupa ce s-a curatat robinetul cu un tampon curat, atat pe dinafara cat si pe dinauntru si apoi s-a lasat sa curga aproximativ 5 minute apa stagnata pe conducta;

in cazul distributiei intemeiate, o proba se va recolta la primul jet de apa, pentru a avea prima apa care circula prin robinet, si a doua proba se va lua dupa doua ore de curgere continua;

din rezervoare de inmagazinare, probele se vor recolta de la punctele de iesire;

din fantani cu extragerea apei prin pompare probele de apa se recolteaza dupa o pompare de minimum 10 minute;

din fantani cu galeata, recoltarea se face introducadu-se galeata la 10-30 cm sub oglinda apei si apoi se toarna apa in flacoane de recoltare;

din apele de suprafata recoltarea se face fixand flaconul la un suport special care-i confera greutatea necesara pentru a patrunde cu usurinta sub nivelul apei.

         Recoltarea se face pe firul apei unde este cea mai mare adancime, in amonte.

1.3 Prezentarea analizelor

         Analiza fizico-chimica a apei consta in determinarea proprietatilor organoleptice si fizice precum si compozitiei chimice.

         Analiza apei se face dupa un plan bine stabilit, tinand cont de sensibilitatea mai mare sau mai redusa a proprietatilor si componentilor apei.

         In acest sens unele determinari se fac la locul de recoltare, astfel:

determinarile organoleptice (gust, miros) determinarea temperaturii, fixarea oxigenului dizolvat si a hidrogenului sulfurat, determinarea clorului rezidual, a dioxidului de carbon liber si agresiv, determinarea de pH.

         Alte determinari se fac in primele patru ore de la recoltare daca apele nu au fost conservate:

determinarea turbiditatii, a suspensiilor, determinarea reziduului fix, determinarea fosfatilor, a oxidabilitatii (CCO), a formelor de azot, determinarea fierului, a duritatii temporare, a manganului.

         Determinari care se efectueaza in primele 24 de ore de la recoltarea probelor:

determinarea alcalinitatii si aciditatii, determinarea duritatii totale, a calciului si magneziului, determinarea fluorului.

         Celelalte determinari se vor efectua in functie de stabilitatea substantelor respective in apa.

2 Detrminarea propietatilor fizice ale apei

3.1. Detrminarea temperaturii

         Generalitati: temperatura apelor de suprafata variaza in functie de temperatura aerului, in timp ce temperatura apelor de profunzime este constanta.

          Principiul metodei: citirea indicatorilor unui termometru gradat in zecimi de grad dupa introducerea lui in apa de analizat.

          Material necesar:

termometru gradat in zecimi de grad;

un vas izoterm de 5-10 litri.

          Modul de lucru: se introduce termometrul in apa de analizat si citirea temperaturii se face dupa 10 minute de la introducerea termometrului fara a-l scoate din apa.

Daca conditiile nu permit introducerea directa a termometrului la punctul de luare a probei de apa, se recolteaza un volum de 5-10 litri de apa intr-un vas care trebuie protejat de razele soarelui si in care se introduce direct termometrul, iar dupa 10 minute se face citirea temperaturii apei.

         Determinarea temperaturii apei se face direct la locul recoltarii si daca este posibil direct in sursa de apa.

         Paralel cu determinarea temperaturii apei se face si determinarea aerului.

3 Determinarea propietatile fizico-chimice

3.1 Detrminarea Ph-ului apei

          Generalitati: pH-ul apelor variaza putin fata de pH-ul neutru datorita prezentei CO2, bicarbonatilor si carbonatilor.

         Apele dure au pH-ul mai ridicat comparativ cu apele moi. pH-ul apelor reziduale poate fi acid sau alcalin si constituie o cauza a perturbarii echilibrului biologic al bazinului receptor, impiedicand desfasurarea normala a procesului de autopurificare.

         Pentru determinarea pH-ului se folosesc metodele colorimetrice si electrometrice.

          Principiul metodei: in proba de apa se introduce un indicator si se compara cu o scara de etalonare sau cu discuri colorate ce corespund la diferite valori ale pH-ului.

          Metoda colorimetrica are urmatoarele inconveniente:

nu se poate folosi in ape tulburi sau colorate,

apele cu salinitate crescuta pot modifica tenta indicatorului,

clorul rezidual poate distruge partial indicatorul sau poate influenta tenta lui.

         3.2 Determinarea alcalinitatii apei

         Generalitati: Alcalinitatea apei este data de prezenta bicarbonatilor, carbonatilor alcalini, alcalino-terosi si a hidroxizilor.

          Principiul metodei: neutralizarea unei cantitati din apa de analizat cu un acid diluat in prezenta de indicator.

         Alcalinitatea determinata in prezenta metil-oranjului ( pH=4,4 ) constituie alcalinitate totala si este data de bazele libere, carbonatii si bicarbonatii alcalini.

 NaOH + HCl → NaCl + H2O

 Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2CO3

           Interferenta: determinarea este interferata de prezenta clorului rezidual care este indepartat prin tratarea apei de analizat cu cateva picaturi de tiosulfat de sodiu 0,1 N.

         Recoltarea probelor: se face in flacoane de pirex sau polietilena, care vor fi pastrate la rece pana se vor lua in lucru, determinarea facandu-se in prima zi de la recoltare.

          Reactivi:

acid clorhidric 0,1 N ;

metiloranj 0,1%  in apa ;

tiosulfat de sodiu 0,1 N ;

          Modul de lucru: se iau 100 ml apa de analizat intr-un flacon Erlenmayer, se adauga 2-3 picaturi de metiloranj si se titreaza cu HCl 0,1 N pana ce culoarea vireaza de la galben citric la galben portocaliu.

          Calcul:

 ml HCl  N/dm3=V · f

V= ml HCl 0,01 N folositi la titrare;

 f=  factorul acidului clorhidric 0,1 N.

4 Detrminarea substantelor chimice din compozitia naturala a apei

Elementele chimice din apa pot fi variate. Dintre acestea cateva sunt mai importante, atat prin constanta prezentei lor, cat si prin importanta pe care o au in caracterizarea generala a apei.

         Pentru o cat mai buna cuprindere a lor, aceste elemente se subimpart in anioni si cationi, suma totala a anionilor trebuind sa fie egala cu suma totala a cationilor.

         Elementele care intra in aceasta grupa au o influenta directa asupra sanatatii, de cele mai multe ori prin carenta lor din apa, si/sau prin exces.

         In acelasi timp insa excesul multora din aceste elemente produce modificari organoleptice si fizice ale apei care influenteaza consumul sau utilizarea apei in diverse scopuri gospodaresti si industriale.

         Desi unele din aceste elemente pot provenii si prin poluari, de cele mai multe ori cresterea concentratiilor in apa este naturala.

         In aceasta categorie intra CO2 (total, liber si legat), iodurile, clorurile, sulfatii, siliciul, sodiul, potasiul, calciul, magneziul si duritatea apei.

5 Determinarea bioxidului de carbon din apa

Generalitati: bioxidul de carbon se gaseste frecvent in apa sub forma de carbonati (complet legati), bicarbonati (semilegati) si mai rar sub forma de bioxid de carbon liber. Bioxidul de carbon liber se poate gasi in apa in cantitati in care poate mentine carbonatul de calciu in solutie si in acest caz nu are proprietatea de a ataca. Peste aceasta cantitate de echilibru se numeste bioxid de carbon agresiv si produce coroziunea conductelor.

5.1 Determinarea bioxidului de carbon liber

Principiul metodei: transformarea bioxidului de carbon liber din apa in bicarbonat, folosind o solutie de hidroxid de sodiu si apoi titrarea excesului de hidroxid cu acid clorhidric in prezenta fenolftaleinei, conform reactiei :

H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O

Recoltarea: determinarea bioxidului de carbon liber se face la locul de recoltare.

Reactivi:

• Hidroxid de sodiu 0,05 N;

• Acid clorhidric 0,05 N;

• Fenolftaleina 1 % ;

Mod de lucru:

• determinarea orientativa - se iau cativa ml de apa de analizat si se introduc intr-o capsula de portelan, apoi se adauga 2 picaturi de fenolftaleina; daca apare o coloratie roz nu este prezent CO₂ liber.

• In cazul in care nu apare coloratia roz se procedeaza astfel: se iau 200 ml apa de analizat intr-un flacon Erlenmayer cu dop rodat peste care se adauga cateva picaturi de fenolftaleina si se titreaza cu hidroxid de sodiu pana la aparitia coloratiei roz care persista cateva minute.

• determinarea propriu-zisa - intr-un flacon Erlenmayer cu dop rodat se introduce cantitatea de hidroxid de sodiu folosita la determinarea orientativa si un exces de 1-2 ml, si se completeaza volumul pana la 10 ml cu apa distilata. Se introduc apoi in acelasi vas 200 ml apa de analizat si se astupa vasul. Se agita, se adauga 2 picaturi de fenolftaleina si se titreaza cu HCl pana la decolorare.

Calcul: mg CO₂ liber = 2001000fV.FV2,2HClHClNaOHNaOH

V_NaOH = hidroxid de sodiu 0,05 N adaugati;

F_NaOH = factorul solutiei de NaOH 0,05 N;

V_HCl = ml solutie de HCl folositi la titrare;

f _HCl = factorul solutiei de HCl 0,05 N

2,2 = echivalentul in CO₂ al unui ml de NaOH 0,05 N

5.2 Determinarea bioxidului de carbon legat sub forma de carbonati

(CO₂ combinat)

A. Principiul metodei: neutralizarea carbonatilor prezenti in apa prin titrare cu un acid mineral in prezenta fenolftaleinei.

Reactivi:

• Acid clorhidric 0,05 N;

• Fenolftaleinei 1 % ;

Mod de lucru: intr-un flacon Erlenmayer se introduc 100 ml apa de analizat, 2 picaturi de fenolftaleina si se titreaza cu HCl 0,05 N pana ce culoarea rosie vireaza in slab roz.

Calcul: mg CO₂ liber = Vf221001000Vf2,2=⋅

V = ml HCl 0,05 N folositi la titrare;

f = factorul solutiei de HCl 0,05 N;

B. Principiul metodei: neutralizarea bicarbonatilor prezenti in apa prin titrare cu un acid mineral in prezenta metiloranjului ca indicator.

Reactivi:

• Acid clorhidric 0,1 N;

• Metiloranj 0,1 % ;

Mod de lucru: intr-un flacon Erlenmayer se introduc 100 ml apa de analizat, 2 picaturi de metiloranj si se titreaza cu HCl 0,1 N pana ce culoarea galben-citrin vireaza in galben-portocaliu.

Calcul: mg CO₂ liber = fVfV⋅⋅=⋅⋅⋅4410010004,4

mg HCO₃ liber = fVfV⋅⋅=⋅⋅⋅6110010001,6

V = ml HCl 0,1 N folositi la titrare;

f = factorul solutiei de HCl 0,1 N;

4,4 = echivalentul in CO₂ corespunzator unui ml de HCl 0,1 N;

6,1 = echivalentul in HCO₃ corespunzator unui ml de HCl 0,1 N;

5.3. Determinarea bioxidului de carbon agresiv

Principiul metodei: bioxidul de carbon agresiv are proprietatea de a transforma carbonatul de calciu in bicarbonat care se determina prin titrare cu acid clorhidric.

Reactivi:

• Carbonat de calciu CaCO₃ fin pulverizat;

• Acid clorhidric 0,1 N;

• Metiloranj 0,1 % ;

Mod de lucru: se iau doua flacoane Erlenmayer cu dop rodat si se introduce in fiecare aceeasi cantitate din apa de analizat. Intr-unul din vase se introduce 3-5 g CaCO₃ , fin pulverizat si se agita, dupa care se lasa in repaus minim 24 ore (daca apele sunt dure se lasa in repaus 3-4 zile) agitand din cand in cand.

Din ambele flacoane Erlenmayer se iau din lichidul supernatant cate 100 ml si se introduc in alte 2 flacoane Erlenmayer. Se titreaza fiecare proba cu HCl 0,1 N in prezenta a 2 picaturi de metiloranj pana ce culoarea vireaza de la galben - citrin la galben - portocaliu .

Calcul: mg CO₂ agresiv = f)VV(441000f100)VV(4,4

V = ml HCl 0,1 N folositi la titrarea probei in care s-a adaugat carbonat de calciu;

V₁ = ml HCl 0,1 N folositi la titrarea probei fara carbonat de calciu;

f = factorul solutiei de HCl 0,1 N;

5.4. Determinarea bioxidului de carbon total

Bioxidul de carbon total in apa se poate calcula cunoscand concentratia bioxidului de carbon liber, alcalinitatea carbonatata si bicarbonatata in mg/ ml sub forma de CaCO₃.

Calcul: mg CO₂ total = mg CO₂ liber + 0,88 (alcalinitatea bicarbonatata mg + 1/2 alcalinitatea carbonatata mg).

Comparatie a nivelului de carbonati in diverse surse de apa

In special in zilele noastre, apa potabila indeplineste cele mai inalte standarde. Totusi, anumite proprietati ale apei sunt necesare pentru diferite domenii. Aceasta calitate se schimba in functie de analiza chimica a apei. Prin eliminarea elementelor nedorite, cum ar fi duritatea carbonatilor, gustul si mirosul apei (de exemplu clorul), ca si metalele grele (cum ar fi plumbul si cuprul), calitatea apei din bauturile este imbunatatita. In plus, mineralele importante sunt pastrate in apa.

 Duritatea de carbon dispare la incalzirea apei dar duce la depunerea de calcar in instalatiile industriale si casnice facand dificila intretinerea acestora, generand costuri mari si afectand calitatea vietii.

Diagrama depunerii de calcar si consumul suplimentar de energie (exprimat in procente) rezultat direct proportional intre cele doua elemente.

In discutiile cotidiene auzim despre modificarea valorilor pH-ului in cazul ploilor acide sau despre balanta pH-ului produselor cosmetice. Pentru experti, valoarea pH-ului reprezinta un parametru important ce caracterizeaza calitatea unei solutii apoase. Deoarece comportarea chimica a unei solutii este determinata de natura sa acida, neutra sau alcalina.

Este cunoscut faptul ca raurile sau lacurile care sunt prea acide nu sunt propice vietii animale si vegetale. Apa potabila care este prea acida este nesanatoasa si totodata corodeaza tevile de transport ale apei. Nu in ultimul rand, valoarea pH-ului este un factor decisiv pentru o mare varietate de procese din industria chimica, de la obtinerea plasticului pana la desulfurizarea gazului.

Aciditatea sau alcalinitatea solutiilor apoase se exprima cu ajutorul pH-ului.

Scara de pH este cuprinsa intre 0 si 14, aceasta din urma fiind valoarea pentru bazicitatea maxima. pH-ul nu masoara insa eventuala toxicitate a apei. El difera in functie de zona geografica: in regiunile granitice si forestiere, apa este in mod obisnuit mai acida, iar in cele cu sol calcaros este alcalina. In mod normal, pH-ul apei trebuie sa se situeze intre 6,5 si 9. Valoarea 7 reprezinta neutralitatea; sub aceasta valoare, apa este acida, iar peste aceasta valoare este bazica. Apa acida nu inseamna ca ea cantine acizi periculosi; in raurile si paraiele din paduri, apa se incarca cu materii organice acide, cu acizi humici, provenind din descompunerea plantelor (humus); ea se recunoaste dupa culoarea galben deschis. In general, viata acvatica nu este posibila decat intre valorile 5-9. Aceste valori extreme sunt rareori atinse in acvariu, acolo unde pH-ul variaza intre 6-8 in functie de tipul apei; cel mai des valorile se situeaza intre 6,5 si 7,5.

Variatiile de pH se datoreaza in principal variatiilor biologice; noaptea, dioxidul de carbon produs de vietuitoare acidifica apa, iar pH-ul scade usor. Odata cu utilizarea dioxidului de carbon de catre plante in procesul de fotosinteza, in timpul zilei, pH-ul creste.

pH-ul constituie un bun indicator al echilibrului din apa fiind un parametru care trebuie masurat in mod regulat.

Valoarea pH-ului este utilizata, in general, pentru a indica proprietatile acide sau bazice ale unor medii lichide. La concentratii mari ale ionilor de hidrogen solutia are proprietatile acidului, iar la concentratii mici solutia are proprietati alcaline. La variatia concentratiei ionilor de hidrogen de la valori minimale la valori maximale, solutia se schimba de la un caracter puternic alcalin pana la un caracter puternic acid.

Cu cat pH-ul este mai aproape de 0, lichidul este mai acid, astfel incat la valoarea 0 gasim, de exemplu, acizii puternici, precum acidul sulfuric.