030 – Chemia wody rzecznej

Monitorowanie jakości wody to jedno z najbardziej rutynowych zadań analitycznych na świecie: laboratoria miejskie, agencje ochrony środowiska i stowarzyszenia ochrony zlewni wykonują ten sam krótki zestaw testów próbkach z rzek, jezior i studni tydzień po tygodniu. Cztery parametry niosą większość informacji. pH określa, jakie gatunki chemiczne mogą występować w wodzie i jak zachowują się metale; twardość informuje o całkowitym stężeniu rozpuszczonego wapnia i magnezu, które pochodzi ze skały, przez którą przepłynęła woda; azotan i fosforan stężenia informują o tym, jak dużo nawóz, obornik lub ścieki dostarcza zlewnia, ponieważ te dwa jony są składnikami odżywczymi ograniczającymi wzrost glonów. Każdy parametr jest mierzony za pomocą innej grupy metod: potencjometrii i wskaźnika kwasowo-zasadowego dla pH, miareczkowania kompleksometrycznego z EDTA dla twardości oraz dwóch reakcji barwnych odczytywanych względem drukowanej karty barw dla składników odżywczych. W tym laboratorium pobierzesz próbkę wody rzecznej przy brzegu, a następnie wykonasz wszystkie cztery oznaczenia na czterech oddzielnych porcjach o objętości 20 ml: odczytasz pH za pomocą wskaźnika uniwersalnego i pH-metru, miareczkujesz buforowaną porcję 0,010 M EDTA, używając czerni eriochromowej T jako wskaźnika punktu końcowego, zredukujesz azotany i wytworzysz barwnik azowy Griessa oraz rozwinięto barwę fosforomolibdenianową za pomocą molibdenianu amonu i kwasu askorbinowego. Następnie przełożysz te cztery surowe odczyty na ocenę stanu zdrowia rzeki, co jest dokładnie tym, co musi zrobić analityk podpisujący raport.

Cele edukacyjne

Zapoznanie się z pobieraniem próbek w terenie

• Pobierz reprezentatywną próbkę o objętości 100 mL wody powierzchniowej i wyjaśnij, dlaczego miejsce oraz czas pobrania próbki są częścią wyniku.
• Odmerz cztery równe porcje po 20 mL za pomocą cylindra miarowego, tak aby cztery testy zostały przeprowadzone na tej samej wodzie.

Użycie pH-metru i wykresów kolorymetrycznych

• Dodaj wskaźnik, wymieszaj i dopasuj uzyskaną barwę do wydrukowanej skali pH, a następnie opłucz i osusz elektrodę między użyciami.
• Wyjaśnij, dlaczego wzornik kolorów odczytuje się na czarnym tle i dlaczego można mu zaufać tylko w zakresie około jednego pola.

Technika miareczkowania kompleksometrycznego

• Buforuj próbkę powyżej pH 10, dodaj czerń eriochromową T i dodawaj 0,010 M EDTA w porcjach po 1 ml, aż wskaźnik zmieni kolor.
• Rozpoznaj punkt końcowy jako moment, w którym ostatni wolny Ca²⁺ został skpleksowany, a miano zanotować w mililitrach.

Kolorymetryczne oznaczanie składników odżywczych

• Zredukuj azotany do azotynów i wytwórz barwnik azowy Griessa, a następnie odczytaj stężenie w ppm NO₃^– z karty.
• Rozwiń kompleks fosfomolibdenianowy za pomocą molibdenianu amonu i zredukuj go kwasem askorbinowym, a następnie odczytaj stężenie w ppm PO₄³⁻.

Ilościowe opracowanie danych

• Przeliczyć miano na twardość wyrażoną w mg/L CaCO3₃ i na mmol/L Ca²⁺.
• Przelicz odczyt składnika odżywczego w ppm danego jonu na równoważne stężenie azotu lub fosforu.

Interpretacja i dyscyplina laboratoryjna

• Porównaj każdy wynik z opublikowaną wartością wytyczną i określ, czy woda jest akceptowalna, graniczna czy problematyczna, podając uzasadnienie.
• Zapisuj każdy odczyt w dzienniku w momencie jego wykonania i umieść wszystkie cztery probówki w tacce odzysku.

Protokół

Przygotowanie

Aby zebrać wodę rzeczną, masz dwie możliwości:

• Opcja 1: Używając pustego 100 ml zlewki, pobierz próbkę wody rzecznej u swoich stóp
• Opcja 2: Użyć bezpośrednio wody zebranej dziś rano w zlewce “woda rzeczna”

CZĘŚĆ A: Pomiar pH

1. Użyj cylindra miarowego, aby odmierzyć 20 ml wody rzecznej.
2. Przenieś 20 ml wody rzecznej do probówki 1.
3. Używając zakraplacza, dodaj 2 krople uniwersalnego wskaźnika pH (pH i) do probówki 1.
4. Opróżnij nadmiar z pipety do tacki odbiorczej.
5. Zanurz elektrodę pH-metru w probówce 1.
6. Używając szklanej bagietki, wymieszaj zawartość probówki 1.
7. Porównaj uzyskany kolor z kartą pH.
8. Przepłucz elektrodę pH-metru wodą destylowaną.
9. Wytrzyj elektrodę pH-metru ręcznikiem papierowym.

CZĘŚĆ B: Pomiar twardości wody

1. Użyj cylindra miarowego, aby odmierzyć 20 ml wody rzecznej.
2. Przenieś 20 ml wody rzecznej do probówki 2.
3. Używając zakraplacza, dodaj 10 kropli roztworu buforowego do probówki 2.
4. Opróżnij nadmiar z pipety do tacki odbiorczej.
5. Sprawdź pH roztworu za pomocą pH-metru. Upewnij się, że jest ono większe niż 10.
6. Za pomocą pipety wlać 10 ml roztworu 0,5% Eriochrome Black (EB) do probówki nr 2.
7. Zmieszaj za pomocą bagietki i zanotuj kolor roztworu.
8. Za pomocą pipety dodaj 1 mL roztworu EDTA o stężeniu 0,010 M do probówki 2.
9. Wymieszaj roztwór za pomocą szklanej bagietki.

Uwaga: Upewnij się, że próbka jest umieszczona przed czarnym kartonowym tłem, aby wyraźnie rozróżnić zmiany koloru.

10. Powtarzaj kroki 8 i 9, aż roztwór ponownie zmieni kolor. Zapisz liczbę dodanych mL.
11. Objętość dodanego EDTA znajduje się w tabeli wyników.
12. Według dodanej ilości należy określić twardość wody rzecznej.

• Niska twardość: dodano 5,0 ml lub mniej EDTA (do 250 mg/L jako CaCO₃)
• Średnia twardość: więcej niż 5,0 mL do 10,0 mL włącznie (250 do 500 mg/L jako CaCO₃)
• Wysoka twardość: ponad 10,0 ml i do 15,0 ml (500 do 750 mg/L jako CaCO₃)
• Bardzo wysoka twardość: ponad 15,0 mL (powyżej 750 mg/L jako CaCO₃).

Uwaga: Skala kolorymetryczna jest przybliżona, do określenia dokładnego wyniku wymagane są dodatkowe testy ilościowe.

13. Upewnij się, że pipeta jest całkowicie pusta (0 ml).

CZĘŚĆ C: Pomiar stężenia azotanów

1. Użyj cylindra miarowego, aby odmierzyć 20 ml wody rzecznej.
2. Przenieś 20 ml wody rzecznej do probówki 3.
3. Za pomocą zakraplacza dodaj 10 kropli roztworu środka redukującego azotany (NO3 (R)).
4. Opróżnij nadmiar z pipety do tacki odbiorczej.
5. Wymieszaj szklaną bagietką.
6. Za pomocą zakraplacza dodaj 10 kropli odczynnika Griessa.
7. Opróżnij nadmiar z pipety do tacki odbiorczej.
8. Wymieszaj szklaną bagietką.
9. Skonsultuj się ze skalą kolorymetryczną (ppm NO3), aby określić stężenie azotanów w wodzie rzecznej.

Uwaga: Upewnij się, że próbka jest umieszczona przed czarnym kartonowym tłem, aby wyraźnie rozróżnić zmiany koloru.

Uwaga: Skala kolorymetryczna jest przybliżona, do określenia dokładnego wyniku wymagane są dodatkowe testy ilościowe.

CZĘŚĆ D: Pomiar stężenia fosforanów

1. Użyj cylindra miarowego, aby odmierzyć 20 ml wody rzecznej.
2. Przenieś 20 ml wody rzecznej do probówki numer 4.
3. Użyj pipety i dodaj 10 kropli roztworu molibdenianu amonu (MoO42-).
4. Opróżnij nadmiar z pipety do tacki odbiorczej.
5. Wymieszaj szklaną bagietką.
6. Używając zakraplacza, dodaj 10 kropli roztworu kwasu askorbinowego (wit. C).
7. Opróżnij nadmiar z pipety do tacki odbiorczej.
8. Wymieszaj szklaną bagietką.
9. Skonsultuj skalę kolorymetryczną (ppm PO4), aby określić stężenie fosforanów w wodzie rzecznej.

Uwaga: Upewnij się, że próbka jest umieszczona przed czarnym kartonowym tłem, aby wyraźnie rozróżnić zmiany koloru.

Uwaga: Skala kolorymetryczna jest przybliżona, do określenia dokładnego wyniku wymagane są dodatkowe testy ilościowe.

10. Opróżnij probówki do tacy zrzutowej.

Przewidywane wyniki

Cztery niezależne oznaczenia są przeprowadzane dla tej samej wody rzecznej, więc wynikiem jest mały zbiór danych zamiast pojedynczej liczby. Poniższe wartości to te zarejestrowane podczas sesji referencyjnej tej symulacji; odczyty karty kolorów dokonywane przez klasę będą się różnić o około jeden wzornik w każdą stronę.

Trzy wykresy referencyjne używany do odczytu probówek 1, 3 i 4:

Co oznaczają te cztery liczby

pH. pH to ujemny logarytm stężenia jonów hydroniowych, pH = −log[H₃O⁺], więc pH 5.9 odpowiada [H₃O⁺] = 10^−5,9 = 1,3 × 10⁻⁶ mol/L, około osiem razy więcej niż 1,0 × 10⁻⁷ mol/L czystej wody w temperaturze 25 °C. Wskaźnik uniwersalny to mieszanina barwników będących słabymi kwasami i zasadami, których kolejne zmiany barwy pokrywają całą skalę, dlatego daje on ciągłą tęczę zamiast jednej ostrej zmiany; każdy barwnik nadaje swój kolor, gdy pH mieści się w przybliżeniu w granicach jednej jednostki jego własnej wartości pK_a. Ponieważ jest to mieszanina, sprawdza się ona dobrze tylko w zakresie około połowy jednostki pH, co jest dokładnie powodem, dla którego protokół nakazuje również zanurzenie elektrody pH-metru: metr mierzy potencjał szklanej membrany, E = E⁰ − 0.059 · pH woltów w temperaturze 25 °C i rozróżnia 0,01 jednostki.

Twardość metodą miareczkowania EDTA. EDTA (anion Y⁴⁻ kwasu etylenodiaminotetraoctowego) owija sześć atomów donorowych wokół dwuwartościowego jonu metalu i tworzy chelat 1:1, więc stechiometria miareczkowania wynosi jeden mol EDTA na jeden mol Ca²⁺ lub Mg²⁺: Ca²⁺ + T⁴⁻ → CaY²⁻. Titr przekształca się zatem bezpośrednio w mole. Przy użyciu 6,0 ml roztworu EDTA o stężeniu 0,010 M, n(EDTA) = C · V = 0,010 mol/l × 6,0 × 10⁻³ L = 6.0 × 10⁻⁵ mol, a ponieważ próbka miała objętość 20,0 mL, całkowite stężenie jonów powodujących twardość wynosi 6,0 × 10⁻⁵ mol ÷ 0,0200 L = 3,0 × 10⁻³ mol/L. Twardość jest tradycyjnie wyrażana tak, jakby cała pochodziła z węglanu wapnia: 3,0 × 10⁻³ mol/L × 100,09 g/mol = 0,300 g/L, to jest 300 mg/L jako CaCO3₃. To samo 3,0 mmol/L wyrażone jako magnez wynosiłoby 3,0 × 10⁻³ mol/L × 24,31 g/mol = 73 mg/L Mg²⁺ — ten sam pomiar w innych ubraniach, a nie drugi wynik, ponieważ miareczkowanie nie odróżnia wapnia od magnezu.

Dlaczego bufor i wskaźnik zachowują się tak, a nie inaczej. Eriochrom Czarny T jest sam w sobie słabym kwasem; w swojej wolnej formie przy pH 10 jest niebieski, a kompleks, jaki tworzy z Ca²⁺ i Mg²⁺ jest czerwone wino. EDTA wiąże metal znacznie silniej niż barwnik, więc dopóki w roztworze pozostają wolne jony metalu, mianownik usuwa je z roztworu i nic się nie zmienia; w punkcie równoważnikowym kolejna kropla EDTA wyciąga metal z samego barwnika i roztwór wraca do koloru wolnego wskaźnika. Bufor o pH 10 nie jest opcjonalny: EDTA jest kwasem wieloprotonowym i tylko w pełni deprotonowany Y⁴⁻ tworzy silne chelaty, więc użyteczną stałą stabilności jest stała warunkowa, K′ = α_Y · K_CaY, gdzie α_Y czy ułamek EDTA występuje jako Y⁴⁻. Przy pH 10 α_Y ≈ 0,35 oraz K_CaY = 5.0 × 10¹⁰, dając K′ ≈ 1,8 × 10¹⁰ i ostry punkt końcowy; o dwie jednostki pH niżej, α_Y spada o cztery rzędy wielkości, a punkt końcowy ulega rozmyciu. Powyżej pH około 11 pojawia się przeciwny problem i Mg(OH)₂ zaczyna się wytrącać, dlatego protokół wymaga potwierdzenia, że pH jest większe niż 10, ale nie wymaga niczego więcej.

Azotany metodą Griessa. Azotan sam w sobie jest bezbarwny i niereaktywny wobec odczynnika tworzącego barwę, więc najpierw jest redukowany do azotynu przez środek redukujący (odczynnik na bazie cynku lub kadmu): NO₃^– + 2 H⁺ + 2 e^– → NIE₂^– + H₂O. Odczynnik Griessa wykonuje następnie dwie czynności po kolei: azotyn diazotuje aminę aromatyczną (sulfanilamid), tworząc jon diazoniowy, a jon ten łączy się z drugą cząsteczką aromatyczną (N-1-naftyloetylenodiaminą), tworząc intensywnie zabarwiony barwnik azowy o maksimum absorpcji w pobliżu 540 nm. Barwa jest proporcjonalna do ilości barwnika, a zatem do azotanu, zgodnie z prawem Beera–Lamberta A = ε · ℓ · c; wydrukowana karta jest po prostu tą krzywą kalibracyjną przedstawioną w postaci próbek barw zamiast wykresu. Odczyt 60 ppm NO₃^– oznacza 60 mg/L ÷ 62.00 g/mol = 9,7 × 10⁻⁴ mol/l lub 60 × (14,01/62,00) = 13,6 mg/l w przeliczeniu na azot, co jest jednostką stosowaną w większości przepisów dotyczących wody pitnej.

Fosforany metodą błękitu molibdenowego. W roztworze kwasowym ortofosforan kondensuje z molibdenianem, tworząc jeden duży kwas heteropolimeryczny: PO₄³⁻ + 12 MoO₄²⁻ + 27 H⁺ → H₃[P(Mo₃O₁₀)₄] + 12 godz.₂O. Ten kompleks jest tylko słabo żółty; kwas askorbinowy redukuje następnie część jego Mo(VI) do Mo(V), a powstały jon o mieszanej walencji wykazuje intensywną absorpcję związaną z przeniesieniem ładunku – “błękit molibdenowy”, który nadaje metodzie nazwę i czułość. Ponieważ na jeden atom fosforu przypada dwanaście atomów molibdenu, metoda ta wzmacnia bardzo małą ilość fosforu do intensywnego zabarwienia, dlatego pozostaje standardowym oznaczaniem fosforu w wodach naturalnych. Odczyt 40 ppm PO₄³⁻ odpowiada 40 mg/L ÷ 94,97 g/mol = 4,2 × 10⁻⁴ mol/L, lub 40 × (30,97/94,97) = 13,0 mg/L w przeliczeniu na fosfor.

Dlaczego ta rzeka wygląda tak, a nie inaczej. Te trzy wskaźniki są ze sobą spójne i składają się na jedną całość. Całkowita twardość wynosząca 3,0 mmol/l oznacza, że woda pozostawała przez dłuższy czas w kontakcie ze skałą węglanową, rozpuszczając ją w wyniku równowagi CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃^–. Stężenia azotanów i fosforanów rzędu dziesiątek mg/l nie mają podłoża geologicznego: oba te składniki są charakterystyczne dla spływów nawozowych lub ścieków oczyszczonych lub nieoczyszczonych, a występują razem, ponieważ są one wprowadzane do środowiska jednocześnie. Jedynym wynikiem, który nie wpisuje się w ten schemat, jest pH, ponieważ rzeka o tak wysokiej twardości jest zazwyczaj buforowana przez własny wodorowęglan do wartości pH 7,5–8,3; wartość pH wynosząca 5,9 przy stężeniu twardości wynoszącym 3,0 mmol/l sugeruje dodatkowy dopływ kwasu, którego wodorowęglan nie zneutralizował w pełni, i jest to rodzaj wewnętrznej sprzeczności, którą student powinien dostrzec i wyjaśnić, a nie po prostu pominąć.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

Skupienie: obserwacja, słownictwo i idea, że kolor może być pomiarem. Uczniowie wykonują cztery testy, opisują każdą zmianę koloru własnymi słowami i umieszczają każdy wynik na wydrukowanej karcie. Aktywności: pH to miara kwasowości lub zasadowości roztworu w skali od 0 do 14. Twardość wody określa stężenie rozpuszczonych w niej jonów wapnia i magnezu. Azotany to związki chemiczne zawierające azot, które stymulują wzrost glonów i roślin w wodzie. Fosforany to pierwiastki odżywcze pochodzące głównie z nawozów i detergentów, które również pobudzają wzrost glonów. Probówka 1 otrzymała odczynnik pH, probówka 2 otrzymała odczynnik twardości, probówka 3 otrzymała odczynnik azotanowy, a probówka 4 otrzymała odczynnik fosforanowy. | Parametr | Odczyt | Ocena poziomu | Źródło w zlewni | | :--- | :--- | :--- | :--- | | pH | 7,5 | Normalny | Naturalne procesy geologiczne | | Twardość | 180 mg/L | Wysoka | Złoża wapienne i dolomitowe | | Azotany | 25 mg/L | Wysoka | Spływ nawozów rolniczych | | Fosforany | 0,05 mg/L | Niska | Oczyszczone ścieki komunalne |.

Klasa 11

Skupienie: traktowanie ilościowe. Studenci przeliczają miano na stężenie oraz stężenia na jednostki wymagane przez przepisy. Aktywności: oblicz n(EDTA) = C · V, a stąd twardość w mmol/L oraz w mg/L jako CaCO₃₃; skonwertuj 60 ppm NO₃^– na mol/L i na mg/L jako N, oraz 40 ppm PO₄³⁻ jako mg/L P; porównaj każdą wartość z wartością referencyjną w tabeli powyżej; wyjaśnij, dlaczego bufor musi utrzymywać pH powyżej 10; napisz krótką ocenę jakości wody, powołując się na wszystkie cztery parametry.

Klasa 12 / Poziom akademicki

Skupienie: wyprowadzenie, analiza błędów oraz niezależna interpretacja. Aktywności: wyprowadzić warunkową stałą tworzenia K′ = α_Y · K_CaY i pokaż ilościowo, dlaczego punkt końcowy ulega pogorszeniu przy pH 8; użyj prawa the Lamberta-Beera, aby wyjaśnić, dlaczego metoda błękitu molibdenowego jest wystarczającie czuła dla wód naturalnych, podczas gdy ludzkie oko nie; wytłumacz wewnętrzną sprzeczność pomiędzy twardością 3,0 mmol/L a pH 5,9 w kontekście węglanowego systemu buforowego; zaprojektuj kampanię pobierania próbek, która byłaby potrzebna do ustalenia, że ładunek biogenów pochodzi z konkretnego źródła, oraz określ wymagane dla niej próby kontrolne i replikaty.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Zlewka (100 ml)
• Cylinder miarowy (25 mL)
• Spuszczacz
• Pipeta (10 mL)
• Szklany pręt
• pH-metr
• Probówki (50 mL) × 4
• Stojak na probówki
• Tryskawka
• Ręcznik papierowy
• Taca ociekowa
• Czarne tło z kartonu

Produkty

• Woda rzeczna
• Woda destylowana
• Uniwersalny wskaźnik pH
• Roztwór buforowy (pH 10)
• Eriochrome Black T 0,5 % (roztwór)
• EDTA 0,010 M (roztwór)
• Środek redukujący azotany (NO₃ R)
• odczynnik Griessa
• Roztwór molibdenianu amonu (MoO₄²⁻)
• Roztwór kwasu askorbinowego (witamina C)