实验十二 水硬度的测定

一 实验目的                   

1、了解硬度的常用表示方法；

2、学会用配位滴定法测定水中钙镁含量，钙含量的原理和方法

3、掌握铬黑T，钙指示剂的使用条件和终点变化。

 

二、实验原理

1、  总硬度、钙硬度、镁硬度的概念及表示方法；

水的硬度主要是指水中含可溶性的钙盐和镁盐。总硬度通常以每L水中含的碳酸钙的mg数，即mg/L.

钙硬度即每1L水中含的钙离子的mg数，mg/L.

镁硬度即每1L水中含的镁离子的mg数，mg/L

2         总硬度的测定条件与原理

测定条件：以NH₃-NH₄Cl 缓冲溶液控制溶液pH＝10，以铬黑T为指示剂，用EDTA滴定水样。

原理：滴定前水样中的钙离子和镁离子与加入的铬黑T指示剂络合，溶液呈现酒红色，随着EDTA的滴入，配合物中的金属离子逐渐被EDTA夺出，释放出指示剂，使溶液颜色逐渐变蓝，至纯蓝色为终点，由滴定所用的EDTA的体积即可换算出水样的总硬度。

3         钙硬度的测定条件与原理；

测定条件：用NaOH溶液调节待测水样的pH为13，并加入钙指示剂，然后用EDTA滴定。

原理：调节溶液呈强碱性以掩蔽镁离子，使镁离子生成氢氧化物沉淀，然后加入指示剂用EDTA滴定其中的钙离子，至酒红色变为纯蓝色即为终点，由滴定所用的EDTA的体积即可算出水样中钙离子的含量，从而求出钙硬度。

4、相关的计算公式

总硬度＝(CV₁)_EDTAM_CaCO3/0.1    钙硬度＝(CV₂)_EDTAM_Ca/0.1  镁硬度＝C(V₁-V₂)M_Mg/0.1

 

三 实验步骤

实验步骤	思考题
总硬度的测定   用100mL吸管移取三份水样，分别加5mL NH3-NH4Cl 缓冲溶液，2～3滴铬黑T指示剂，用EDTA标准溶液滴定，溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点。	1、    水硬度的测定包括哪些内容？如何测定？ 2、    我国如何表示水的总硬度，怎样换算成德国硬度？ 3、    用Zn2+标准溶液标定EDTA标准溶液有二种方法，水硬度的测定实验中所用EDTA应用哪种方法标定？ 4、    怎样移取100mL水样？ 5、    为什么测定钙、镁总量时，要控制pH=10？叙述它的测定条件。 6、    测定总硬度时，溶液中发生了哪些反应，它们如何竞争 7、如果待测液中只含有Ca2+，能否用铬黑T为指示剂进行测定?
钙硬度测定   用100mL 吸管移取三份水样，分别加2mL 6mol·L-1 NaOH溶液，5～6滴钙指示剂，用EDTA标准溶液滴定，溶液由酒红色变为纯蓝色即为终点。	8、测定钙硬度时，为什么加2mL 6mol·L-1NaOH溶液使溶液的pH=12～13？叙述它的测定条件。 9、为什么钙指示剂能在pH=12～13的条件下指示终点？ 10、怎样减少测定钙硬度时的返红现象？ 11、怎样做空白实验，为什么要做空白实验，实验中为什么不做？ 12、怎样表示实验结果？ 13、如水样中含有Al3+、Fe3+、Cu2+，能否用铬黑T为指示剂进行测定，如可以，实验应该如何做？

四 实验数据记录与处理

总硬度的测定

 

序号	1	2	3
自来水体积V水/mL
V初/mL
V终/mL
V总/mL
平均体积V1/mL
总硬度/mg/L
平均值/mg/L(舍前)
S
T
平均值/mg/L(舍后)

 

 

 

 

钙硬度的测定

序号	1	2	3
自来水体积V水/mL
V初/mL
V终/mL
V总/mL
平均体积V2/mL
钙硬度/mg/L
平均钙硬度/mg/L(舍前)
S
T
平均钙硬度/mg/L(舍后)

镁硬度＝C(V₁-V₂)M_Mg/0.1

五、思考题

1、水硬度的测定包括哪些内容？如何测定？

〈1〉水硬度的测定包括总硬度与钙硬度的测定，镁硬度则根据实验结果计算得到；

   〈2〉可在一份溶液中进行，也可平行取两份溶液进行；

   ①．在一份溶液中进行；先在pH=12 时滴定Ca²⁺ ，再将溶液调至pH=10 （先调至pH=3，再调至pH=10，以防止Mg(OH)₂或MgCO₃等形式存在而溶解不完全），滴定Mg²⁺。

②．平行取两份溶液进行 ：一份试液在pH=10时测定Ca，Mg总量，另一份在pH=12时测定Ca，由两者所用EDTA体积之差求出Mg的含量。本实验采用第二种方法。

2、我国如何表示水的总硬度，怎样换算成德国硬度？

我国通常以1×10^-3g·L^-1 CaCO₃表示水的总硬度，德国以10×10^-3g·L^-1 CaO表示水的硬度，因此，如以我国1×10^-3g·L^-1 CaCO₃表示的总硬度换算成德国度时，需乘以系数0.056。德国度^oDH(10×10^-3g·L^-1 CaO) = 总硬度(g·L^-1 CaCO₃)×56.08/(100.09×10) = 总硬度(g·L^-1 CaCO₃)×0.056

3、怎样移取100mL水样？

⑴由于移取的水样体积大，因此移取时盛水样的烧杯为400mL ；

⑵吸取水样用水泵、真空泵，而不是洗耳球；

 ⑶将真空泵上的橡皮管微接（不是全部套住）100mL吸管的管口，使水以适中的速度进入吸管。若全部套住，进水速度快，会带入大量小气泡（水呈浑浊样），使移取的体积不准。

 ⑷注意右手食指的操作，因100mL吸管的上口管径大，溶液下流快，故调节液面至刻度线时，应微松食指使液面缓缓下降，以控制液面的最低点恰与刻度线相切，同时紧按食指，使液面不再下降，使移取水样的体积准确。

 ⑸每个实验室公用三支100mL无分度吸管，以及相配套的400mL烧杯及表面皿。

5、为什么测定钙、镁总量时，要控制pH=10？叙述它的测定条件。

⑴因稳定常数 CaY^2-> MgY^2-，滴定Ca²⁺的最低pH=8,滴定Mg²⁺的最低pH=10，指示剂铬黑T使用的最适宜pH范围为9～10.5,因此测定时pH=10。

  ⑵测定总量的条件为，在pH=10的氨性缓冲溶液中，以铬黑T为指示剂。

6、测定总硬度时，溶液中发生了哪些反应，它们如何竞争

在pH=10的缓冲溶液中，加入铬黑T指示剂后，指示剂先与Mg²⁺配位（为什么？）为MgIn^-，当滴加EDTA后，EDTA先与游离的Ca²⁺、Mg²⁺配位，最后夺取MgIn^-中的Mg²⁺ ：

MgIn^- + H₂Y^2- ＝ MgY^2- + HIn^2- + H⁺

溶液的颜色由酒红色变为纯蓝色。

7、  如果待测液中只含有Ca²⁺，能否用铬黑T为指示剂进行测定?

若按本实验条件用直接滴定法测定总硬度，则不能。经计算可知，在pH=10的氨性溶液中，以铬黑T为指示剂，用0.02mol·L^-1EDTA滴定0.02mol·L^-1Ca²⁺溶液，终点误差为-1.5%；若滴定的是0.02mol·L^-1 Mg²⁺溶液，终点误差为0.11%。此结果表明，采用铬黑T为指示剂时，尽管CaY比MgY稳定，但测定钙的终点误差较大，这是由于铬黑T与Ca²⁺显色不灵敏所致。

 若按照置换滴定法进行实验，则可以。只要在溶液中加入少量MgY，在pH=10的条件下，用铬黑T为指示剂就能进行测定

8 测定钙硬度时，为什么加2mL 6mol·L-1NaOH溶液使溶液的pH=12～13？叙述它的测定条件。

<1>在pH=12～13的条件，Mg²⁺形成Mg(OH)₂沉淀，不干扰钙的测定。

  <2>钙硬度的测定条件 ：pH=12～13，以钙指示剂为指示剂。

9为什么钙指示剂能在pH=12～13的条件下指示终点？

在溶液中，钙指示剂存在下列平衡 ：

	pKa2=7.4		pKa3=13.5
H2In-		HIn2-		In3-
酒红色		蓝色		酒红色

    由于MIn为酒红色，要使终点的变色敏锐，从平衡式看7.4 < pH < 13.5就能满足。为了排除Mg²⁺的干扰，因此在pH=12～13的条件下，滴定钙，终点呈蓝色。

10、怎样减少测定钙硬度时的返红现象？

测定钙硬度时，采用沉淀掩蔽法排除Mg²⁺对测定的干扰，由于沉淀会吸附被测离子Ca²⁺和钙指示剂，从而影响测定的准确度和终点的观察（变色不敏锐），因此测定时注意 ：

⑴在水样中加入NaOH溶液后放置或稍加热（298K），待看到Mg(OH)₂沉淀后再加指示剂。放置或稍加热使Mg(OH)₂沉淀形成，而且颗粒稍大，以减少吸附；

⑵近终点时慢滴多搅，即滴一滴多搅动，待颜色稳定后再滴加。

11、、怎样表示实验结果？

⑴总硬度 ：计算三份水样的总硬度（g·L^-1  CaCO₃），求平均值（包括S，T  等处理），将总硬度转化为德国度，说明水样是否符合饮用水标准；

⑵钙硬度 ：取三次测定钙硬度时所得的EDTA标准液体积V₂的平均值；计算钙硬度（g·L^-1  Ca²⁺）；

   ⑶镁硬度 ：取三次测定总硬度时所得的EDTA标准液体积V₁的平均值；由体积V₁的平均值和体积V₂的平均值计算镁硬度（g·L^-1  Mg²⁺）。

13、 如水样中含有Al3+、Fe3+、Cu2+，能否用铬黑T为指示剂进行测定，如可以，实验应该如何做？

由于Al³⁺、Fe³⁺、Cu²⁺等对指示剂有封闭作用，如用铬黑T为指示剂测定此水样，应加掩蔽剂将它们掩蔽 ：Al³⁺、Fe³⁺用三乙醇胺，Cu²⁺用乙二胺或硫化钠掩蔽。

    例 ：取适量体积的水样，加入3mL三乙醇胺（200g·L^-1水溶液），5mL氨性缓冲溶液，1mL 20g·L^-1Na₂S溶液，2～3滴铬黑T指示剂，用EDTA标准溶液滴定至溶液由紫红色变为纯蓝色即为终点。