030 – Chimica dell'acqua di fiume

Il monitoraggio della qualità dell'acqua è uno dei lavori analitici più routinari al mondo: laboratori municipali, agenzie ambientali e associazioni di bacino eseguono tutti la stessa breve serie di test su campioni di fiumi, laghi e pozzi, settimana dopo settimana. Quattro parametri trasportano la maggior parte delle informazioni. Il pH determina quali specie chimiche possono esistere nell'acqua e come si comportano i metalli; il durezza riporta la concentrazione totale di calcio e magnesio disciolti, che proviene dalla roccia che l'acqua ha attraversato; il nitrato e fosfato Le concentrazioni indicano quanto fertilizzante, letame o acqua reflua il bacino idrografico stia immettendo, poiché questi due ioni sono i nutrienti che limitano la crescita algale. Ciascun parametro viene misurato mediante una diversa famiglia di metodi: potenziometria e un indicatore acido-base per il pH, una titolazione complessometrica con EDTA per la durezza e due reazioni cromogene lette rispetto a una cartella colori stampata per i nutrienti. In questo laboratorio raccoglierete un campione di acqua di fiume dalla riva, quindi eseguirete tutte e quattro le determinazioni su quattro aliquote separate da 20 mL: leggerete il pH tramite un indicatore universale e un pH-metro, titolerete un'aliquota tamponata con EDTA 0,010 M usando il Nero Eriocromo T come indicatore di viraggio, ridurrete il nitrato e svilupperete il colorante azoico di Griess, e svilupperete il colore del fosfomolibdato con molibdato di ammonio e acido ascorbico. Tradurrete quindi le quattro letture grezze in una valutazione sulla salute del fiume, che è esattamente ciò che deve fare l'analista che firma il rapporto.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con il campionamento sul campo

• Raccogliere un campione rappresentativo di 100 mL di acqua superficiale e spiegare perché il punto e il momento del campionamento fanno parte del risultato.
• Misura quattro porzioni uguali da 20 mL con un cilindro graduato in modo che i quattro test siano eseguiti sulla stessa acqua.

Uso del piaccametro e delle tabelle colorimetriche

• Aggiungere un indicatore, mescolare e confrontare il colore ottenuto con una tabella di pH stampata, quindi sciacquare ed asciugare l'elettrodo tra un utilizzo e l'altro.
• Spiega perché una cartella colori viene letta su uno sfondo nero e perché è affidabile solo per circa una tinta.

Tecnica di titolazione complessometrica

• Tamponare un campione sopra pH 10, aggiungere Nero Eriocromo T e aggiungere EDTA 0,010 M in incrementi di 1 mL fino a quando l'indicatore cambia colore.
• Riconoscere l'estremità come il momento in cui l'ultimo $Ca^{2+}$ libero²⁺ è stato complessato e si registri il titolo in millilitri.

Determinazione colorimetrica dei nutrienti

• Ridurre il nitrato a nitrito e sviluppare il colorante azoico di Griess, quindi leggere la concentrazione in ppm di NO₃^- dalla carta.
• Sviluppare il complesso fosfomolibdico con molibdato di ammonio e ridurlo con acido ascorbico, quindi leggere la concentrazione in ppm di PO₄₄³⁻.

Trattamento quantitativo dei dati

• Convertire un titolo in una durezza espressa in mg/L di CaCO3₃ e in mmol/L di Ca²⁺.
• Convertire una lettura dei nutrienti in ppm dello ione nella concentrazione equivalente di azoto o fosforo.

Interpretazione e disciplina di laboratorio

• Confronta ciascun risultato con un valore guida pubblicato e indica se l'acqua è accettabile, al limite o problematica, con la relativa motivazione.
• Registra ogni lettura nel registro man mano che viene effettuata e smaltisci tutte e quattro le provette nel vassoio di recupero.

Protocollo

Preparazione

Per raccogliere l'acqua di fiume, hai due opzioni:

• Scelta 1: Utilizzando un becher vuoto da 100 mL, raccogli un campione di acqua del fiume ai tuoi piedi
• Scelta 2: Usare direttamente l'acqua già raccolta stamattina nel becher “acqua di fiume”

PARTE A: Misurazione del pH

1. Usando il cilindro graduato, misura 20 mL di acqua di fiume.
2. Trasferisci i 20 mL di acqua di fiume nella provetta 1.
3. Usando il contagocce, aggiungere 2 gocce di indicatore universale di pH (pH i) nella provetta 1.
4. Svuotare l'eccesso dal contagocce nella vaschetta di recupero.
5. Immergere l'elettrodo del pHmetro nella provetta 1.
6. Usando una bacchetta di vetro, mescolare il contenuto della provetta 1.
7. Confronta il colore ottenuto con la scala di pH.
8. Risciacquare l'elettrodo del pHmetro con acqua distillata.
9. Asciugare l'elettrodo del pHmetro con un tovagliolo di carta.

PARTE B: Misurazione della durezza dell'acqua

1. Usando il cilindro graduato, misura 20 mL di acqua di fiume.
2. Trasferire i 20 ml di acqua di fiume nel provetta 2.
3. Usando il contagocce, aggiungi 10 gocce di soluzione tampone nel provettino 2.
4. Svuotare l'eccesso dal contagocce nella vaschetta di recupero.
5. Controlla il pH della soluzione usando il pHmetro. Assicurati che sia maggiore di 10.
6. Con la pipetta, versare 10 mL di Eriochrome Black (EB) 0,5% nella provetta 2.
7. Mescolare con la bacchetta di vetro e osservare il colore della soluzione.
8. Usando la pipetta, aggiungere 1 mL di soluzione di EDTA 0,010 M nella provetta 2.
9. Mescolare la soluzione con la bacchetta di vetro.

Nota: Assicurarsi che il campione sia posizionato davanti a uno sfondo di cartoncino nero per distinguere chiaramente i cambiamenti di colore.

10. Ripetere i passaggi 8 e 9 finché la soluzione non cambia di colore di nuovo. Annotare il numero di mL aggiunti.
11. Il volume di EDTA aggiunto si trova nella tabella dei risultati.
12. In base alla quantità aggiunta, determinare la durezza dell'acqua di fiume.

• Bassa durezza: sono stati aggiunti 5,0 mL o meno di EDTA (fino a 250 mg/L come CaCO₃)
• Media durezza: superiore a 5,0 mL e fino a 10,0 mL (da 250 a 500 mg/L come CaCO₃)
• Elevata durezza: da più di 10,0 mL a 15,0 mL (da 500 a 750 mg/L come CaCO₃)
• Durezza altissima: superiore a 15,0 mL (oltre 750 mg/L come CaCO₃).

Nota: la scala colorimetrica è approssimativa, sono necessari ulteriori test quantitativi per determinare il risultato esatto.

13. Assicurarsi che la pipetta sia completamente vuota (0 ml).

PARTE C: Misurazione della concentrazione di nitrati

1. Usando il cilindro graduato, misura 20 mL di acqua di fiume.
2. Trasferisci i 20 mL di acqua di fiume nel provetta 3.
3. Utilizzando il contagocce, aggiungere 10 gocce di soluzione di agente riducente del nitrato (NO3 (R)).
4. Svuotare l'eccesso dal contagocce nella vaschetta di recupero.
5. Mescolare con la bacchetta di vetro.
6. Usando il contagocce, aggiungere 10 gocce di reagente di Griess.
7. Svuotare l'eccesso dal contagocce nella vaschetta di recupero.
8. Mescolare con la bacchetta di vetro.
9. Consulta la scala colorimetrica (ppm NO3) per determinare la concentrazione di nitrati nell'acqua del fiume.

Nota: Assicurarsi che il campione sia posizionato davanti a uno sfondo di cartoncino nero per distinguere chiaramente i cambiamenti di colore.

Nota: la scala colorimetrica è approssimativa, sono necessari ulteriori test quantitativi per determinare il risultato esatto.

PARTE D: Misurazione della concentrazione di fosfato

1. Usando il cilindro graduato, misura 20 mL di acqua di fiume.
2. Trasferisci i 20 mL di acqua di fiume nella provetta 4.
3. Utilizzando il contagocce, aggiungere 10 gocce di soluzione di ammonio molibdato (MoO42-).
4. Svuotare l'eccesso dal contagocce nella vaschetta di recupero.
5. Mescolare con la bacchetta di vetro.
6. Usando il contagocce, aggiungere 10 gocce di soluzione di acido ascorbico (vitamina C).
7. Svuotare l'eccesso dal contagocce nella vaschetta di recupero.
8. Mescolare con la bacchetta di vetro.
9. Consultare la scala colorimetrica (ppm PO4) per determinare la concentrazione di fosfati nell'acqua del fiume.

Nota: Assicurarsi che il campione sia posizionato davanti a uno sfondo di cartoncino nero per distinguere chiaramente i cambiamenti di colore.

Nota: la scala colorimetrica è approssimativa, sono necessari ulteriori test quantitativi per determinare il risultato esatto.

10. Svuotare le provette nel vassoio di recupero.

Risultati Previsti

Vengono eseguite quattro determinazioni indipendenti sulla stessa acqua di fiume, per cui il risultato è un piccolo set di dati anziché un singolo numero. I valori sottostanti sono quelli registrati nella sessione di riferimento di questa simulazione; la lettura delle schede cromatiche da parte di una classe varierà di circa una tonalità per lato.

I tre grafici di riferimento proveniva dalla lettura delle provette 1, 3 e 4:

Cosa significano i quattro numeri

pH. Il pH è il logaritmo negativo della concentrazione di ioni idronio, pH = −log[H₃O⁺], quindi il pH 5.9 corrisponde a [H₃O⁺] = 10^−5,9 = 1,3 × 10^{meno sei} mol/L, circa otto volte il valore di 1,0 × 10⁻⁷ mol/L di acqua neutra a 25 °C. L'indicatore universale è una miscela di coloranti acidi e basici deboli i cui successivi cambiamenti di colore coprono l'intera scala, motivo per cui produce un arcobaleno continuo anziché una sola transizione netta; ciascun colorante contribuisce con il proprio colore quando il pH si trova all'incirca entro un'unità dal proprio pK_a. Poiché si tratta di una miscela, è affidabile solo per circa mezzo'unità di pH, ed è esattamente per questo motivo che il protocollo prevede anche l'immersione dell'elettrodo di un pHmetro: il misuratore misura il potenziale di una membrana di vetro, E = E⁰ − 0,059 · pH volt a 25 °C, e risolve 0,01 unità.

Durezza mediante titolazione con EDTA. EDTA (l'anione Y⁴⁻ dell'acido etilendiamminotetraacetico) avvolge sei atomi donatori attorno a uno ione metallico divalente e forma un chelato 1:1, per cui la stechiometria della titolazione è di una mole di EDTA per mole di Ca²⁺ o Mg²⁺Ca²⁺ + Y⁴⁻ → CaY²⁻. Il titolo si converte quindi direttamente in moli. Con 6,0 mL di EDTA 0,010 M, n(EDTA) = C · V = 0,010 mol/L × 6,0 × 10^{meno tre} L = 6.0 × 10⁻⁵ mol, e poiché il campione era di 20,0 mL, la concentrazione totale degli ioni di durezza è 6,0 × 10⁻⁵ mol ÷ 0,0200 L = 3,0 × 10^{meno tre} mol/L. La durezza è convenzionalmente espressa come se fosse interamente carbonato di calcio: 3,0 × 10^{meno tre} mol/L × 100,09 g/mol = 0,300 g/L, ovvero 300 mg/L come CaCO3₃. Lo stesso valore di 3,0 mmol/L espresso come magnesio sarebbe 3,0 × 10^{meno tre} mol/L × 24,31 g/mol = 73 mg/L Mg²⁺ — la stessa misura con abiti diversi, non un secondo risultato, perché la titolazione non sa distinguere il calcio dal magnesio.

Perché il buffer e l'indicatore si comportano come fanno. Il nero eriocromo T è esso stesso un acido debole; nella sua forma libera a pH 10 è blu, e il complesso che forma con il Ca²⁺ e Mg²⁺ è rosso vino. L'EDTA lega il metallo molto più fortemente di quanto faccia il colorante, quindi finché rimangono liberi ioni metallici il titolante li sottrae dalla soluzione e nulla cambia; al punto di equivalenza la goccia successiva di EDTA rimuove il metallo dal colorante stesso e la soluzione ritorna al colore dell'indicatore libero. Il tampone a pH 10 non è opzionale: l'EDTA è un acido poliprotico e solo la forma completamente deprotonata Y⁴⁻ forma chelati fortemente, per cui la costante di stabilità utile è quella condizionale, K′ = α_Y · K_CaY, dove α_Y è la frazione di EDTA presente come Y⁴⁻. A pH 10 α_Y ≈ 0,35 e K_CaY = 5,0 × 10¹⁰, dando K′ ≈ 1,8 × 10¹⁰ e un punto finale netto; due unità di pH più in basso, α_Y cade di quattro ordini di grandezza e il punto finale si spalma. Al di sopra di circa pH 11 compare il problema opposto e Mg(OH)₂ comincia a precipitare, motivo per cui il protocollo chiede di confermare che il pH sia superiore a 10 ma non chiede altro.

Nitrato tramite la reazione di Griess. Il nitrato in sé è incolore e inattivo nei confronti del reagente formante il colore, perciò viene prima ridotto a nitrito dall'agente riducente (un reagente a base di zinco o cadmio): NO₃^- + 2 H⁺ + 2 e^- → NO₂^- + H₂O. Il reagente di Griess compie quindi due azioni in sequenza: il nitrito diazota un’ammina aromatica (sulfanilamide) dando uno ione diazonio, e tale ione si accoppia a un secondo composto aromatico (N-1-naftiletilendiammina) per dare un colorante azoico intensamente colorato con un massimo di assorbimento vicino a 540 nm. Il colore è proporzionale alla quantità di colorante, e quindi al nitrato, tramite la legge di Beer-Lambert A = ε · ℓ · c; la scheda stampata è semplicemente tale calibrazione espressa come campioni di colore anziché come grafico. Lettura 60 ppm NO₃^- significa 60 mg/L ÷ 62,00 g/mol = 9,7 × 10⁻⁴ mol/L, ovvero 60 × (14,01/62,00) = 13,6 mg/L espressi come azoto, che è l'unità di misura utilizzata dalla maggior parte delle normative sull'acqua potabile.

Fosfato con il metodo del blu di molibdeno. In soluzione acida, l'ortofosfato condensa con il molibdato per formare un unico grande eteropoliacido: PO₄³⁻ + 12 MoO₄²⁻ + 27 H⁺ → H₃[P(Mo₃O₁₀)₄] + 12 H₂O. Quel complesso è solo debolmente giallo; l'acido ascorbico riduce quindi parte del suo Mo(VI) a Mo(V), e lo ione a valenza mista risultante presenta un intenso assorbimento per trasferimento di carica — il “blu di molibdeno” che conferisce al metodo il suo nome e la sua sensibilità. Poiché vengono reclutati dodici atomi di molibdeno per ogni atomo di fosforo, il metodo amplifica una quantità minima di fosfato in una forte colorazione, motivo per cui rimane la determinazione standard per il fosforo nelle acque naturali. Lettura 40 ppm PO₄³⁻ corrisponde a 40 mg/L ÷ 94,97 g/mol = 4,2 × 10⁻⁴ mol/L, oppure 40 × (30,97/94,97) = 13,0 mg/L espressi come fosforo.

Perché questo fiume scorre nel modo in cui fa. I tre segnali sono coerenti tra loro e raccontano un'unica storia. Una durezza totale di 3,0 mmol/L significa che l'acqua è rimasta a lungo a contatto con la roccia carbonatica, sciogliendola tramite l'equilibrio di CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃^-. Nitrati e fosfati a decine di mg/L non sono di origine geologica: entrambi sono l'indicatore del deflusso di fertilizzanti o di acque reflue trattate o non trattate, e arrivano insieme poiché vengono applicati insieme. L'unica lettura che non si adatta allo schema è il pH, poiché un fiume così duro è normalmente tamponato dal proprio bicarbonato a un pH di 7,5–8,3; un pH di 5,9 in presenza di 3,0 mmol/L di durezza implica un apporto acido aggiuntivo che il bicarbonato non ha completamente neutralizzato, ed è il tipo di tensione interna che uno studente dovrebbe essere invitato a notare e spiegare anziché edulcorare.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

Concentrazione: osservazione, vocabolario e l'idea che un colore possa essere una misurazione. Gli studenti eseguono i quattro test, descrivono ogni cambiamento di colore con parole proprie e posizionano ciascun risultato sulla scheda stampata. Attività: Il pH misura il grado di acidità o basicità di un'acqua in una scala da 0 a 14; la durezza indica la concentrazione di minerali di calcio e magnesio disciolti; il nitrato rappresenta la quantità di composti di azoto derivanti da fertilizzanti o rifiuti; il fosfato quantifica i sali di fosforo presenti, spesso provenienti da detersivi o dilavamento agricolo. I reagenti specifici sono stati aggiunti a ciascuna provetta secondo il protocollo del test kit specifico per ogni parametro. | Parametro | Lettura | Livello | Sorgente nel bacino idrografico | |---|---|---|---| | pH | [Inserire valore] | [Inserire livello] | [Inserire sorgente] | | Durezza | [Inserire valore] | [Inserire livello] | [Inserire sorgente] | | Nitrato | [Inserire valore] | [Inserire livello] | [Inserire sorgente] | | Fosfato | [Inserire valore] | [Inserire livello] | [Inserire sorgente] |.

Undicesimo anno

Concentrazione: trattamento quantitativo. Gli studenti convertono il titolo in una concentrazione e le concentrazioni nelle unità utilizzate dalle normative. Attività: calcolare n(EDTA) = C · V e quindi la durezza in mmol/L e in mg/L come CaCO₃₃; convertire 60 ppm di NO₃^- a mol/L e a mg/L come N, e 40 ppm PO4₄³⁻ in mg/L come P; confrontare ciascun dato con il valore di riferimento nella tabella sopra; spiegare perché il tampone deve mantenere il pH sopra 10; scrivere un breve giudizio sulla qualità dell'acqua citando tutti e quattro i parametri.

12ª classe / Livello universitario

Concentrazione: derivazione, analisi degli errori e interpretazione indipendente. Attività: ricavare la costante di formazione condizionale K′ = α_Y · K_CaY e mostra quantitativamente perché il punto finale si degrada a pH 8; usa la legge di Beer-Lambert per spiegare perché il metodo del blu di molibdeno è sufficientemente sensibile per le acque naturali mentre l'occhio umano non lo è; spiega la tensione interna tra una durezza di 3,0 mmol/L e un pH di 5,9 in termini del sistema tampone dei carbonati; progetta la campagna di campionamento necessaria per stabilire che il carico di nutrienti proviene da una particolare fonte e specifica i controlli e le repliche che richiederebbe.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Becher (100 mL)
• Cilindro graduato (25 mL)
• Contagocce
• Pipetta (10 mL)
• Bastoncino di vetro
• pHmetro
• Provette (50 mL) × 4
• Portaprovette
• Spruzzetta
• Carta da cucina
• Vassoio di recupero
• Sfondo di cartone nero

Prodotti

• Acqua del fiume
• Acqua distillata
• Indicatore universale di pH
• Soluzione tampone (pH 10)
• Eriochrome Black T 0,5 % (soluzione)
• EDTA 0,010 M (soluzione)
• Agente riducente dei nitrati (NO₃ R)
• Reagente di Griess
• Soluzione di molibdato di ammonio (MoO₄²⁻)
• Soluzione di acido ascorbico (Vitamina C)