Tema Página 1
ANÁLISIS VOLUMÉTRICOS: DETERMINACIÓN DE LA ALCALINIDAD
1.- OBJETIVOS 2.- TEORÍA 3.- PROCEDIMIENTO 4.- RESULTADOS 5.- APARATOS 6.- REACTIVOS
1.- OBJETIVOS
Se pretende que el alumno: realice las diferentes operaciones que comprende un análisis volumétrico, determine las diferentes formas de la alcalinidad de las aguas, y discuta sobre la distribución de estas formas. 2.- TEORÍA
La alcalinidad de un agua se debe, principalmente, a la presencia de los iones bicarbonato (HCO 3-), carbonato (CO32-) e hidróxido (OH-), y constituye su capacidad para neutralizar ácidos. La alcalinidad es la medida de una propiedad agrupada del agua, y puede interpretarse en términos de sustancias específicas sólo cuando se conoce la composición química de la muestra. Principio del análisis: La medida de la alcalinidad se efectúa con una solución valorada de un ácido
estándar en presencia de indicador de fenolftaleína (grado fenolftaleína (grado alcalimétrico simple TA o alcalinidad P) o de indicador de naranja de metilo (grado metilo (grado alcalimétrico total o alcalinidad M).
pH Ca(OH)2 + H2SO4 ↔ CaSO4 + 2H2O (1) 2CaCO3 + H2SO4 ↔ Ca(HCO3)2 + CaSO4 (2)
rojo 8
Ca(HCO3)2 + H2SO4 ↔ CaSO4 + 2CO2 + 2H2O (3)
incoloro
fenolftaleína
7 6 5 4
amarillo naranja
naranja de metilo
Figura 1. Reacciones Reacciones de la alcalinidad
Autores:
J. Molina; A. Jácome
Universidade da Coruña
Asignatura: TÉCNICAS EXPERIMENTALES DE CALIDAD Y TRATAMIENTO TRATAMIENTO DE AGUAS
MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA
Tema Página 2
El cambio de color de la fenolftaleína del rojo al incoloro se produce cuando el pH es igual a 8.3, las reacciones (1) y (2) se han completado y la reacción (3) comienza a este pH, apareciendo CO 2 en la solución (Fig. 1). Con el TA se determinan, por tanto, la totalidad del contenido de hidróxido y la mitad del contenido de carbonato, ya que se valoran solo hasta su transformación en bicarbonato. El cambio del color amarillo al naranja, de la solución indicadora de naranja de metilo, se produce a un pH ≈ 4.4 - 4.2, momento en el que acusa la presencia de trazas de ácido fuerte libre, cuando la reacción (3) se ha completado. El TAC permite determinar el contenido en bicarbonatos. A partir de los valores del TA y TAC, se deduce el contenido en el agua de cada uno de los tres grupos que constituyen su alcalinidad: OH -, CO32- y HCO3-. Selección del método: Se determina la alcalinidad de un agua a partir del volumen de ácido
estándar requerido para titular una muestra hasta un pH determinado. Se debe titular a temperatura ambiente bien con un medidor de pH adecuadamente calibrado (método potenciométrico) o utilizando soluciones indicadoras (método del cambio de color). Los indicadores de color pueden utilizarse para titulaciones habituales y de control en ausencia de color y/o turbidez que puedan interferir, o en titulaciones preliminares para seleccionar el volumen de muestra y la concentración del reactivo. No se debe filtrar, diluir, concentrar o alterar la muestra, cualquiera que sea el método utilizado. Interferencias: Los jabones, las materias oleosas y los sólidos en suspensión o precipitados pueden
recubrir el electrodo de vidrio (método potenciométrico) y causar una respuesta retardada. Déjese pasar un tiempo entre adiciones del reactivo para que el electrodo recupere el equilibrio, o límpiese aquél en su caso. 3.- PROCEDIMIENTO
Las siguientes muestras podrán analizarse: • •
Agua del grifo Agua residual urbana
Los procedimientos específicos para la alcalinidad se describen a continuación: 3.1.- Método del cambio de pH
En aguas con turbidez o color, como las aguas residuales urbanas, es preferible utilizar un método potenciométrico, empleando un medidor de pH para controlar los cambios críticos del pH (8.3 y aprox. 4.3) 3.2.- Método del cambio de color
a.- Determinación del TA o alcalinidad P. 1.
Medir 50 a 200 mL de agua problema y viértase en un matraz erlenmeyer. <>.
Autores: J. Molina; A. Jácome Universidade da Coruña
Asignatura: TÉCNICAS EXPERIMENTALES DE CALIDAD Y TRATAMIENTO DE AGUAS
MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA
Tema Página 3
2.
Añádanse 3 ó 4 gotas de solución de fenolftaleína. Se puede desarrollar una coloración rosa. En caso contrario el TA es nulo, lo cual sucede en general para las aguas naturales cuyo pH es inferior a 8,3.
3.
Valórese, añadiendo gota a gota el ácido estándar 0.020 N , sobre un fondo de color blanco hasta conseguir una decoloración completa de la solución, característica del punto equivalente. Anótese los mililitros de ácido utilizados para obtener la decoloración.
b.- Determinación del TAC o alcalinidad M. 1.
Utilizar la muestra tratada anteriormente. Añadir 8 gotas de solución indicadora de naranja de metilo.
2.
Titular de nuevo con H 2SO4 0.020 N hasta cambio de color del amarillo al naranja (pH 4.3 - 4.5). Anotar los mililitros de ácido estándar empleados desde el inicio de la determinación (consumo total de ácido).
3.3.- Cálculo
Las fórmulas para calcular la alcalinidad son: Alcalinidad P (mg CaCO 3 /L)
=
Alcalinidad M (mg CaCO 3 /L)
A × N × 50 000 mL de muestra
=
B × N × 50 000 mL de muestra
donde: A = mL utilizados de ácido estándar para el TA B = mL gastados de ácido estándar para el TAC (consumo total de ácido) N = normalidad del ácido estándar (= 0.02) 3.4.- Estimación de los componentes de la alcalinidad
Los resultados obtenidos a partir de las determinaciones de alcalinidad P y M ofrecen un medio de clasificación estequiométrica de las tres formas principales de alcalinidad presentes en muchas aguas. La clasificación adscribe la alcalinidad total a bicarbonato, carbonato e hidróxido, y acepta la ausencia de otros ácidos (débiles) orgánicos e inorgánicos, como el silícico, el fosfórico y el bórico. Presupone, además, la incompatibilidad de las formas hidróxido y bicarbonato. Dado que los cálculos se hacen sobre una base estequiométrica, las concentraciones iónicas en el sentido más estricto no están representadas en los resultados, que pueden diferir significativamente de las concentraciones reales, especialmente a pH > 10. Con arreglo a este esquema: 1)
La alcalinidad de carbonatos (CO3 2− ) se presenta cuando la de fenolftaleína es menor que la total, pero mayor que 0.
2)
La alcalinidad de hidróxidos (OH − ) se presenta si la de la fenolftaleína supera la mitad de la total.
3)
La alcalinidad de bicarbonatos (HCO3 − ) se presenta si la de la fenolftaleína es menor que la mitad de la total.
Autores:
J. Molina; A. Jácome
Universidade da Coruña
Asignatura: TÉCNICAS EXPERIMENTALES DE CALIDAD Y TRATAMIENTO DE AGUAS
MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA
Tema Página 4
Estas relaciones pueden calcularse mediante el siguiente esquema: Tabla 1. Estimación de los componentes de la alcalinidad
Resultado de la titulación P=0
Alcalinidad de hidróxidos como CaCO3 0
Alcalinidad de carbonatos como CaCO3 0
Alcalinidad de bicarbonatos como CaCO3 T
P < ½M
0
2P
T - 2P
P = ½M
0
2P
0
P >½M
2P - T
2(T - P)
0
P=M
T
0
0
4.- RESULTADOS
(a) Rellenar una tabla similar a la siguiente con los resultados de los análisis efectuados. Utilizar como unidad de expresión mg CaCO 3/L:
Parámetro
Alcalinidad P Alcalinidad M Bicarbonatos Carbonatos Hidróxidos
Unidad
AGUA GRIFO
ARU COMPUESTA
¿M3?
mg CaCO3/L mg CaCO3/L mg CaCO3/L mg CaCO3/L mg CaCO3/L
(b) Graficar el perfil horario del agua residual urbana (c) Explicar (discutir) las diferencias, entre la alcalinidad del agua de grifo y residual compuesta. (d) De forma aproximada, ¿cuánto sería la dureza temporal de las aguas del grifo y residual compuesta? 5. MATERIALES USADOS
a) Medidor de pH b) Erlenmeyer o vasos de precipitados de 250 mL c) Probetas: 50 y 100 mL d) Frascos goteros e) Buretas, cristal borosilicato o plásticas: 50, 25 o 10 mL
Autores: J. Molina; A. Jácome Universidade da Coruña
Asignatura: TÉCNICAS EXPERIMENTALES DE CALIDAD Y TRATAMIENTO DE AGUAS
MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA
Tema Página 5
6. REACTIVOS
a) Solución de carbonato sódico, aproximadamente 0,05N: Séquense entre 3 y 5 g de Na 2CO3 estándar primario a 250 ºC durante 4 h y enfríense en desecador. Se pesan 2,5 + 0,2 g (miligrámicos) y se transfieren a un matraz volumétrico de 1.000 mL, llenando hasta la marca con agua destilada y mezclando el reactivo. No debe conservarse más de una semana. b) Ácido sulfúrico, H 2SO4 , estándar, 0,1N: Dilúyase 2,8 mL de H 2SO4 concentrado a 1.000 mL con agua destilada o desionizada. Estandarícese frente a una solución de 40 mL de Na 2CO3 0,05 N más 60 mL de agua (en una probeta), titulando potenciométricamente a un pH aproximado de 5. Retírense los electrodos, enjuagando en la misma probeta, y hiérvase suavemente durante 3-5 min. cubriendo con un vidrio de reloj. Enfríese a temperatura ambiente, enjuáguese el vidrio en la probeta y conclúyase la operación titulando hasta el punto de inflexión de pH. Calcúlese la normalidad: Normalidad, N
=
A
×
53.00
B ×
C
donde: A = g de Na2CO3, pesados en el matraz de 1 L. B = mL de solución de Na 2CO3, tomados para titulación. C = mL de ácido empleados. Utilícese la normalidad que de en los cálculos o ajústese a 0,l000 N; 1 mL de solución 0,1000N = 5,0 mg de CaCO3. c) Ácido sulfúrico estándar, 0.02N: Dilúyanse 200,0 mL de ácido estándar 0.1000N hasta 1.000 mL con agua destilada o desionizada. Estandarícese mediante titulación potenciométrica de 15,0 mL de Na2CO3 0,05N , de acuerdo con el procedimiento del apartado 7.1b; 1 mL = 1.0 mg de CaCO3. d) Solución alcohólica de fenolftaleí na, indicador de pH 8,3: Disolver 5 g de fenolftaleína en 500 mL de alcohol etílico y añadir 500 mL de agua destilada. e) Solución de naranja de metilo al 0,50%, indicador de pH 4,6: Disolver 0,5 g del indicador en 50 mL de agua destilada y enrasar a 100 mL. f) Tiosulfato sódico, 0,1M: Dilúyanse 25 g de NaS2O3·5H2O y disuélvanse a 1.000 mL con agua destilada. BIBLIOGRAFÍA
APHA-AWWA-WPCF. (1992). “Métodos Normalizados para el Análisis de Aguas Potables y Residuales”. Ediciones Díaz de Santos, Madrid (España). ISBN 84-7978-031-2. CATALÁN, J. (1990). “Química del Agua”. Bellisco, Librería-Editorial. Madrid (España). ISBN 84-300-5132-5. DEGRÉMONT. (1973). “Manual Técnico del Agua”. © Degrémont. ISBN 84-400-6039-4. RODIER, J. (1990). “Análisis de las Aguas: aguas naturales, aguas residuales, aguas de mar”. Ediciones OMEGA, Barcelona (España). ISBN 84-282-0625-2. SNOEYINK V. L., JENKINS D. (1990). “Química del Agua”. Editorial LIMUSA, S.A. México, D.F. ISBN 968-18-16080. Autores:
J. Molina; A. Jácome
Universidade da Coruña
Asignatura: TÉCNICAS EXPERIMENTALES DE CALIDAD Y TRATAMIENTO DE AGUAS
MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA
