030 – Chemie říční vody

Monitorování kvality vody je jednou z nejrutinnějších analytických prací na světě: městské laboratoře, environmentální agentury a povodňové spolky provádějí stále stejnou krátkou řadu testů vzorků z řek, jezer a studní týden co týden. Čtyři parametry nesou většinu informací. pH určuje, které chemické druhy mohou existovat ve vodě a jak se chovají kovy; tvrdost uvádí celkovou koncentraci rozpuštěného vápníku a hořčíku, která pochází horniny, kterou voda prošla; dusičnan a fosfát Koncentrace ukazují, kolik hnojiva, hnoje nebo odpadní vody povodí přivádí, protože tyto dva ionty jsou živiny, které omezují růst řas. Každý parametr se měří jinou skupinou metod: potenciometrií a acidobazickým indikátorem pro pH, komplexometrickou titrací s EDTA pro tvrdost a dvěma barevnými reakcemi vyhodnocenými oproti vytištěné barevné kartě pro živiny. V této laboratorní úloze odeberete vzorek říční vody u břehu a poté provedete všechna čtyři stanovení na čtyřech samostatných 20ml podílech: pH odečtete pomocí univerzálního indikátoru a pH metru, pufrovaný podíl titrujete 0,010 M EDTA s eriochromovou černou T jako indikátorem bodu ekvivalence, redukujete dusičnany a vytvoříte Griessovo azobarvivo a vytvoříte fosfomolybdenovou modř pomocí molybdenanu amonného a kyseliny askorbové. Poté převedete čtyři naměřené hodnoty na posouzení stavu řeky, což je přesně to, co musí udělat analytik, který podepisuje zprávu.

Vzdělávací cíle

Seznámení se sběrem vzorků v terénu

• Odeberte reprezentativní 100ml vzorek povrchové vody a vysvětlete, proč jsou místo a čas odběru součástí výsledku.
• Odměřte čtyři stejné 20 ml podíly odměrným válcem, aby bylo možné provést čtyři testy se stejnou vodou.

Použití pH metru a kolorimetrických tabulek

• Přidejte indikátor, porovnejte získanou barvu s vytištěnou tabulkou pH a mezi jednotlivými použitími elektrodu opláchněte a osušte.
• Vysvětlete, proč se vzorník barev čte na černém pozadí a proč mu lze důvěřovat pouze na přibližně jeden barevný vzorek.

Komplexometrická titrační metoda

• Vzorek pufrujte nad pH 10, přidejte eriochromovou čerň T a přidávejte 0,010 M EDTA po 1 ml, dokud indikátor nezmění barvu.
• Rozpoznejte koncový bod jako okamžik, kdy se poslední volné Ca²⁺ byl zkomplexován a titr zaznamenejte v mililitrech.

Kolorimetrické stanovení živin

• Redukujte dusičnany na dusitany a vytvořte Griessovo azošarvivo, poté odečtěte koncentraci v ppm NO₃⁻ z karty.
• Vytvořte fosfomolybdenový komplex s molybdenanem amonným a zredukujte jej kyselinou askorbovou, poté odečtěte koncentraci v ppm PO4.₄³⁻.

Kvantitativní zpracování dat

• Převést titr na tvrdost vyjádřenou v mg/L CaCO3₃ a na mmol/l Ca²⁺.
• Převést hodnotu živin v ppm iontu na ekvivalentní koncentraci dusíku nebo fosforu.

Interpretace a laboratorní disciplína

• Porovnejte každý výsledek s publikovanou hodnotou směrné hodnoty a uveďte, zda je voda přijatelná, hraniční, nebo problematická, včetně odůvodnění.
• Zaznamenejte každé měření do deníku ihned po jeho provedení a všechny čtyři zkumavky odložte do záchytného podnosu.

Protokol

Příprava

Na sběr říční vody máte dvě možnosti:

• Volba 1: Pomocí prázdného 100ml kádinky odeberte vzorek říční vody u svých nohou
• Možnost 2: Použít přímo vodu, která byla dnes ráno sebrána do kádinky “říční voda”.”

ČÁST A: Měření pH

1. Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
2. Přeneste 20 ml říční vody do zkumavky 1.
3. Pomocí kapátka přidejte 2 kapky univerzálního pH indikátoru (pH i) do zkumavky 1.
4. Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
5. Ponořte elektrodu pH metru do zkumavky 1.
6. Pomocí skleněné tyčinky promíchejte obsah zkumavky 1.
7. Porovnejte získanou barvu s pH tabulkou.
8. Opláchněte elektrodu pH metru destilovanou vodou.
9. Osušte elektrodu pH metru papírovým ručníkem.

ČÁST B: Měření tvrdosti vody

1. Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
2. Přeneste 20 ml říční vody do zkumavky 2.
3. Pomocí kapátka přidejte 10 kapek pufrovacího roztoku do zkumavky 2.
4. Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
5. Zkontrolujte pH roztoku pomocí pH metru. Ujistěte se, že je vyšší než 10.
6. Pomocí pipety přidejte do zkumavky č. 2 10 ml roztoku 0,5% Eriochrome Black (EB).
7. Promíchejte skleněnou tyčinkou a zaznamenejte barvu roztoku.
8. Pomocí pipety přidejte 1 ml roztoku EDTA o koncentraci 0,010 M do zkumavky 2.
9. Rozmíchejte roztok skleněnou tyčinkou.

Poznámka: Ujistěte se, že je vzorek umístěn před černým kartonovým pozadím, aby bylo možné jasně rozlišit změny barvy.

10. Opakujte kroky 8 a 9, dokud se roztok znovu nezmění barvu. Poznamenejte si množství přidaných mL.
11. Objem přidané EDTA je uveden v tabulce výsledků.
12. Podle přidaného množství určete tvrdost říční vody.

• Nízká tvrdost: přidáno 5,0 ml nebo méně EDTA (do 250 mg/l jako CaCO₃)
• Střední tvrdost: více než 5,0 ml až 10,0 ml (250 až 500 mg/l jako CaCO₃)
• Vysoká tvrdost: více než 10,0 ml až 15,0 ml (500 až 750 mg/l jako CaCO₃)
• Velmi vysoká tvrdost: více než 15,0 mL (nad 750 mg/L jako CaCO₃).

Poznámka: Kolorimetrická stupnice je přibližná, pro stanovení přesného výsledku jsou nutné další kvantitativní testy.

13. Ujistěte se, že je pipeta zcela prázdná (0 ml).

ČÁST C: Měření koncentrace dusičnanů

1. Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
2. Přeneste 20 ml říční vody do zkumavky 3.
3. Pomocí kapátka přidejte 10 kapek roztoku redukčního činidla pro dusičnany (NO3 (R)).
4. Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
5. Míchejte skleněnou tyčinkou.
6. Pomocí kapátka přidejte 10 kapek Griessova činidla.
7. Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
8. Míchejte skleněnou tyčinkou.
9. Zkontrolujte kolorimetrickou stupnici (ppm NO3) a určete koncentraci dusičnanů ve vodě z řeky.

Poznámka: Ujistěte se, že je vzorek umístěn před černým kartonovým pozadím, aby bylo možné jasně rozlišit změny barvy.

Poznámka: Kolorimetrická stupnice je přibližná, pro stanovení přesného výsledku jsou nutné další kvantitativní testy.

ČÁST D: Měření koncentrace fosfátů

1. Pomocí odměrného válce nadávkujte 20 ml říční vody.
2. Převeďte 20 ml říční vody do zkumavky číslo 4.
3. Pomocí kapátka přidejte 10 kapek roztoku amonného molybdátu (MoO42-).
4. Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
5. Míchejte skleněnou tyčinkou.
6. Pomocí kapátka přidejte 10 kapek roztoku kyseliny askorbové (vitamín C).
7. Vylijte přebytek z kapátka do sběrné misky.
8. Míchejte skleněnou tyčinkou.
9. Nahlédněte do kolorimetrické stupnice (ppm PO4) a určete koncentraci fosfátů v řece.

Poznámka: Ujistěte se, že je vzorek umístěn před černým kartonovým pozadím, aby bylo možné jasně rozlišit změny barvy.

Poznámka: Kolorimetrická stupnice je přibližná, pro stanovení přesného výsledku jsou nutné další kvantitativní testy.

10. Vylijte zkumavky do sběrné misky.

Předvídané výsledky

Čtyři nezávislá stanovení jsou provedena na stejné říční vodě, takže výsledkem je malá datová sada namísto jediného čísla. Níže uvedené hodnoty jsou ty, které byly zaznamenány v referenční relaci této simulace; třída čtoucí barevné karty se bude rozptylovat o přibližně jeden vzorek na obě strany.

Parametr	Zkumavka	Činidla přidaná do 20 ml říční vody	Co je pozorováno	Zaznamenaná hodnota
pH	1	2 kapky univerzálního indikátoru; elektroda pH metru ponořena	Zelená barva, odečtená proti neutrální části pH stupnice	pH 5,9
Celková tvrdost	2	10 kapek pufru o pH 10, 10 ml roztoku 0,5 % Eriochrome Black T, poté 0,010 M EDTA v krocích po 1 ml	Po přidání indikátoru vínově červená, změna barvy v bodě ekvivalence	6 ml EDTA → 300 mg/l jako CaCO33
Dusičnan	3	10 kapek činidla pro redukci dusičnanů, poté 10 kapek Griessova činidla	Bledý nádech vůči ppm NO3− karta	60 ppm NO3−
Fosfát	4	10 kapek molybdenanu amonného, potom 10 kapek kyseliny askorbové	bledě žlutozelený nádech vůči ppm PO43− karta	40 ppm PO43−

Tři referenční grafy sloužil ke čtení zkumavek 1, 3 a 4:

Co těch čtyřicet čísel znamená

Parametr	Výsledek	Referenční hodnota	Čtení
pH	5.9	6,5 – 9,0 pro ochranu vodního života	Pod rozsahem: mírně kyselá voda a kovy jako Al3+ stát se rozpustilejším
Celková tvrdost	300 mg/l jako CaCO33 (3,0 mmol/l)	< 60 měkké · 60 – 120 středně tvrdé · 120 – 180 tvrdé · > 180 velmi tvrdé	Podle obvyklé klasifikace velmi tvrdá; bez obav o zdraví, ale s tvorbou vodního kamene a spotřebou mýdla
Dusičnan	60 ppm NO3− = 13,6 mg/l jako N	50 mg/L NO3− (11,3 mg/l jako N) v pitné vodě	Nad limitem pro pitnou vodu; naznačuje vnikání zemědělských odpadních vod nebo odpadních vod
Fosfát	40 ppm PO43− = 13,0 mg/l jako P	Řeky jsou ohroženy eutrofizací již při koncentraci celkového P nad přibližně 0,03 mg/l	Stokrát překročený spouštěč eutrofizace; očekává se řasový květ

pH. Hodnota pH je záporný logaritmus koncentrace hydroniových iontů, pH = −log[H₃O⁺], takže pH 5,9 odpovídá [H₃O⁺] = 10^−5,9 = 1,3 × 10⁻⁶ mol/l, což je přibližně osmkrát více než 1,0 × 10⁻⁷ mol/l neutrální vody při teplotě 25 °C. Univerzální indikátor je směsí barviv na bázi slabých kyselin a zásad, jejichž postupné barevné změny pokrývají celou stupnici, a proto nevytváří jeden ostrý přechod, ale plynulou duhovou škálu; každé barvivo přispívá svou barvou, když se hodnota pH pohybuje v rozmezí přibližně jedné jednotky od jeho vlastní hodnoty pK_a. Protože se jedná o směs, je přesná pouze na přibližně půl jednotky pH, což je přesně důvod, proč protokol také vyžaduje ponoření elektrody pH metru: metr měří potenciál skleněné membrány, E = E⁰ − 0,059 · pH voltů při 25 °C, s rozlišením 0,01 jednotky.

Stanovení tvrdosti titrací EDTA. EDTA (anion Y⁴⁻ (kyselina ethylendiamintetraoctová) obklopuje dvouvalentní kovový ion šesti dárcovskými atomy a vytváří chelát v poměru 1:1, takže stechiometrie titrace je jeden mol EDTA na jeden mol Ca²⁺ nebo Mg²⁺: Ca²⁺ + Y⁴⁻ → CaY²⁻. Titr se proto přímo přepočítá na moly. S 6,0 ml 0,010 M EDTA je n(EDTA) = C · V = 0,010 mol/l × 6,0 × 10⁻³ L = 6,0 × 10⁻⁵ mol, a jelikož objem vzorku činil 20,0 ml, celková koncentrace iontů tvrdosti je 6,0 × 10⁻⁵ mol ÷ 0,0200 L = 3,0 × 10⁻³ mol/L. Celková tvrdost se obvykle uvádí tak, jako by byla způsobena výhradně uhličitanem vápenatým: 3,0 × 10⁻³ mol/l × 100,09 g/mol = 0,300 g/l, tedy 300 mg/l jako CaCO3₃. Stejných 3,0 mmol/l vyjádřených jako hořčík by bylo 3,0 × 10⁻³ mol/L × 24,31 g/mol = 73 mg/L Mg²⁺ — stejné měření v jiném oblečení, nikoli druhý výsledek, protože titrace nedokáže rozeznat vápník od hořčíku.

Proč se vyrovnávací paměť a indikátor chovají tak, jak se chovají. Eriochromová čerň T je sama o sobě slabou kyselinou; ve své volné formě má při pH 10 modrou barvu a komplex, který tvoří s Ca²⁺ a Mg²⁺ je víno červené. EDTA váže kov mnohem silněji než barvivo, takže dokud v roztoku zůstávají volné kovové ionty, titrační činidlo je odstraňuje z roztoku a nic se nemění; v bodě ekvivalence další kapka EDTA odebere kov samotnému barvivu a roztok se vrátí k barvě volného indikátoru. Pufr o pH 10 není volitelný: EDTA je polyprotická kyselina a pouze plně deprotonovaná Y⁴⁻ tvoří silné cheláty, takže užitečnou konstantu stability představuje ta podmíněná, K′ = α_Y · K_CaY, kde α_Y je podíl EDTA přítomný jako Y⁴⁻. Při pH 10 α_Y ≈ 0.35 a K_CaY = 5,0 × 10¹⁰, přičemž K′ ≈ 1,8 × 10¹⁰ a ostrý koncový bod; o dvě jednotky pH nižší, α_Y klesá o čtyři řády a koncový bod se rozmazává. Nad hodnotou pH přibližně 11 se objevuje opačný problém a Mg(OH)₂ začne srážet, což je důvod, proč protokol požaduje potvrdit, že pH je větší než 10, ale nežádá nic víc.

Dusitany pomocí Griessovy reakce. Dusičnan je sám o sobě bezbarvý a nereaguje s barvicím činidlem, proto je nejprve redukován redukčním činidlem (činidlem na bázi zinku nebo kadmia) na dusitan: NO₃⁻ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → NE₂⁻ + H₂Griessovo činidlo pak provádí dvě věci v sekvenci: dusitan diazotuje aromatický amin (sulfanilamid za vzniku diazoniového iontu a tento iont se slučuje s druhým aromátem (N-1-naftylethylendiamin) za vzniku intenzivně zbarveného azo-barviva s absorpčním maximem kolem 540 nm. Barva je úměrná množství barviva, a tedy i dusitanu, prostřednictvím Lambertova-Beerova zákona A = ε · ℓ · c; vytištěná karta je jednoduše tato kalibrace vyjádřená jako vzorníky místo grafu. Hodnota 60 ppm NO₃⁻ znamená 60 mg/l ÷ 62,00 g/mol = 9,7 × 10⁻⁴ mol/L, nebo 60 × (14,01/62,00) = 13,6 mg/L vyjádřeno jako dusík, což je jednotka, kterou používá většina předpisů pro pitnou vodu.

Fosforečnany molybdenovou modří. V kyselém roztoku se ortofosfát kondenzuje s molybdátem a vytváří jednu velkou heteropolyovou kyselinu: PO₄³⁻ + 12 MoO₄²⁻ + 27 H⁺ → H₃[P(Mo₃O₁₀)₄] + 12 hodin₂Tento komplex je pouze slabě žlutý; kyselina askorbová pak redukuje část jeho Mo(VI) na Mo(V) a vzniklý ion s smíšenou valencí vykazuje intenzivní absorpci způsobenou přenosem náboje – “molybdenovou modř”, která metodě dodává její název a citlivost. Protože na jeden atom fosforu připadá dvanáct atomů molybdenu, metoda zesiluje velmi malé množství fosforečnanu na sytou barvu, což je důvod, proč zůstává standardním stanovením fosforu v přírodních vodách. Čtení 40 ppm PO₄³⁻ odpovídá 40 mg/l ÷ 94,97 g/mol = 4,2 × 10⁻⁴ mol/l, resp. 40 × (30,97/94,97) = 13,0 mg/l vyjádřeno jako fosfor.

Proč se o této řece píše právě takhle. Tyto tři signály se navzájem shodují a vypovídají o stejné skutečnosti. Celková tvrdost 3,0 mmol/l znamená, že voda byla delší dobu v kontaktu s karbonátovou horninou, kterou rozpouštěla v rovnovážném stavu CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻. Obsah dusičnanů a fosfátů v řádu desítek mg/l není geologického původu: oba jsou charakteristickým znakem splachů hnojiv nebo vyčištěných či nevyčištěných odpadních vod a vyskytují se společně, protože se obě látky aplikují společně. Jedinou hodnotou, která do tohoto vzorce nezapadá, je pH, protože řeka s takovou tvrdostí je obvykle pufrována vlastním bikarbonátem na pH 7,5–8,3; hodnota pH 5,9 při přítomnosti 3,0 mmol/l tvrdosti naznačuje dodatečný přísun kyseliny, kterou bikarbonát nedokázal zcela neutralizovat, a právě tento druh vnitřního napětí by měl student rozpoznat a vysvětlit, místo aby jej zamlčoval.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

Zaměření pozorování, slovní zásobu a myšlenku, že barva může být měřením. Studenti provádějí čtyři testy, popisují každou změnu barvy vlastními slovy a umisťují každý výsledek na vytištěnou kartu. Aktivity: pH je měřítkem kyselosti nebo zásaditosti vodného roztoku. Tvrdost vody vyjadřuje koncentraci rozpuštěných minerálů, zejména vápníku a hořčíku. Dusičnany jsou sloučeniny dusíku, které slouží jako živiny pro rostliny, ale ve vysokých koncentracích mohou znečišťovat vodu. Fosforečnany jsou sloučeniny fosforu, které podporují růst řas a vodních rostlin. Zkumavka 1 obdržela činidlo pro pH, zkumavka 2 obdržela činidlo pro tvrdost, zkumavka 3 obdržela činidlo pro dusičnany a zkumavka 4 obdržela činidlo pro fosforečnany. | Parametr | Naměřená hodnota | | :--- | :--- | | pH | 7,2 | | Tvrdost | 120 mg/l | | Dusičnany | 25 mg/l | | Fosforečnany | 1,5 mg/l | pH je normální a jeho hodnotu může ovlivnit geologické podloží v povodí. Tvrdost je normální a může ji způsobovat přirozené vymývání vápencových hornin v povodí. Dusičnany jsou vysoké a mohou se do vody dostat ze zemědělských hnojiv aplikovaných v povodí. Fosforečnany jsou vysoké a jejich zdrojem může být splachování čististicích prostředků nebo hnojiv v povodí.

11. ročník

Zaměření kvantitativní zpracování. Studenti převádějí titr na koncentraci a koncentrace na jednotky používané v předpisech. Aktivity: vypočítáme n(EDTA) = C · V a z toho tvrdost v mmol/l a v mg/l jako CaCO₃; převést 60 ppm NO₃⁻ na mol/L a na mg/L jako N a 40 ppm PO₄³⁻ na mg/L jako P; porovnejte každou hodnotu s referenční hodnotou v tabulce výše; vysvětlete, proč pufr musí udržovat pH nad 10; napište krátký verdikt o kvalitě vody s citací všech čtyř parametrů.

12. ročník / Úroveň college

Zaměření odvození, analýza chyb a nezávislá interpretace. Aktivity: odvození podmínkové tvorbové konstanty K′ = α_Y · K_CaY a ukázat kvantitativně, proč se bod konverze zhoršuje při pH 8; vysvětlit pomocí Lambertova–Beerova zákona, proč je molybdenová modř dostatečně citlivá pro přírodní vody, zatímco lidské oko nikoliv; vysvětlit vnitřní pnutí mezi tvrdostí 3,0 mmol/l a pH 5,9 pomocí uhličitanového pufračního systému; navrhnout odběrovou kampaň potřebnou ke zjištění, že přísun živin pochází z konkrétního zdroje, a specifikovat kontroly a replikáty, které by vyžadovala.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Kádinka (100 ml)
• Odměrný válec (25 ml)
• Kapátko
• Pipeta (10 ml)
• Skleněná tyč
• pH metr
• Zkumavקות (50 mL) × 4
• Stojan na zkumavky
• Promývací láhev
• Papírová utěrka
• Záchytná vanička
• Pozadí z černého kartonu

Produkty

• Říční voda
• Deminerializovaná voda
• Univerzální pH indikátor
• Pufrový roztok (pH 10)
• Eriochrom Black T 0,5 % (roztok)
• EDTA 0,010 M (roztok)
• Nitraza redukující činidlo (NO₃ R
• Griessovo činidlo
• Roztok molybdenanu amonného (MoO₄²⁻)
• Roztok kyseliny askorbové (Vitamín C)