UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI CAMPUS AL A LTO PARAOPEBA
Determinação da dureza da água
Adriana de Castro Lopes – 104500054 Ana Cristina Garcia Silva Araújo Costa – 104500020 Maria Alice Gomes – 104500009 Taís Barros Borges - 104500049
Maté Matéria ria:: Fund Fundam amen ento toss de Qu Quím ímic icaa An Anal alít ític icaa Experimental ao curso de Engenharia Química sob responsabilidade responsabilidade da professora Ana Maria.
Ouro Branco - MG Novembro de 2011 2011
DETERMINAÇÃO DA DUREZA DA ÁGUA Resumo O composto de EDTA forma complexos estáveis de estequiometria 1:1 com um grande número de íons metálicos em solução aquosa. Uma das várias aplicações das titulações com EDTA é a determinação da dureza da água, que refere-se à concentração total de íons alcalino-terrosos presentes. Essa determinação é de suma importância já que fornece uma medida da qualidade da água para uso doméstico e industrial. Na indústria, a água dura, ao ser aquecida, precipita carbonato de cálcio, que obstrui as caldeiras e tubulações. O objetivo do experimento foi determinar primeiramente a dureza da água de torneira através de procedimentos complexométricos e a concentração de íons Ca 2+. Antes de serem feitas as titulações com EDTA e de ser adicionado o indicador, o meio teve que ser tamponado em pH 10, a fim de que pequenas quantidades de ferro presentes na amostra precipitassem na forma de hidróxido de ferro, impedindo sua reação com o indicador. Nas titulações feitas no experimento, o ponto final foi determinado a partir da observação da mudança de coloração, sendo que na determinação da dureza da água a cor mudou de vinho para azul e na determinação da concentração de íons Ca 2+ mudou de marrom para verde claro. Foram feitas duas titulações com água destilada, branco, a fim de que esse valor fosse subtraído do volume gasto de EDTA, para que assim pudesse ser calculada a concentração total de íons de metais alcalino terrosos presentes na água. Tal concentração foi igual a 0,0314 ( ±8,02 x 10 -4) g CaCO3 L-1 e então concluiu-se que a agua analisada pode ser considerada como mole já que possui concentração de CaCO 3 menor que 60 mg L -1. Na segunda etapa do experimento queria-se descobrir a concentração de íons Ca 2+ presentes na água de torneira. Utilizou-se então hidróxido de sódio para que os íons Mg 2+ precipitassem na forma do hidróxido Mg(OH) 2. Foram feitas quatro titulações em presença do indicador azul de hidroxinaftol, o branco foi subtraído do volume gasto de EDTA e então a concentração de Ca 2+ foi calculada e um valor de 1,986 x 10 -4(±1,510x 10-5) mol.L-1 foi encontrado. Para descobrir a concentração de íons Mg 2+, o valor da dureza da água foi diminuído da concentração de íons Ca2+ encontrando uma valor de 1,15 x 10-4 molL-1. Conclui-se que a água do experimento é considerada mole já que possui concentração menor que 60 mg CaCO 3/L e potável já que possui a concentração menor que 500 mg CaCO 3/L.
1.Introdução A utilização de EDTA como complexante iniciou-se logo após a 2ª Guerra Mundial. Tal composto forma complexos estáveis de estequiometria 1:1 com um grande número de íons metálicos em solução aquosa. Vários métodos gravimétricos, tradicionalmente utilizados na análise de muitos íons metálicos, já foram substituídos por titulações com EDTA. Uma importante aplicação deste método, em termos de número de análises realizadas, é a determinação da dureza da água que é o alvo do nosso experimento (Baccan et al., 1979). A dureza refere-se à concentração total de íons alcalino-terrosos (grupo 2) presentes na água. Como as concentrações de Ca² + e Mg²+ são normalmente muito maiores do que as concentrações dos outros íons alcalino-terrosos, a dureza pode ser
igualada a [Ca² +] + [Mg²+]. Uma dureza individual refere-se à concentração individual de cada íon alcalino-terroso (Harris, 2005). O solo do qual a água procede influencia diretamente a sua qualidade, sendo assim as águas brandas são encontradas em solos basálticos, areníferos e graníticos, enquanto que águas procedentes de solos calcários apresentam frequentemente durezas elevadas (Baccan et al., 1979). A determinação da dureza é um teste analítico útil que fornece uma medida da qualidade da água para uso doméstico e industrial. O teste é importante para a indústria porque a água dura, ao ser aquecida, precipita carbonato de cálcio, que obstrui as caldeiras e tubulações (Skoog et. al., 2007). A água dura é geralmente determinada por meio de uma titulação com EDTA após a amostra ter sido tamponada a pH 10. O magnésio, que forma o complexo menos estável com EDTA, dentre todos os cátions multivalentes comuns nas amostras típicas de água, não é titulado até que tenha sido adicionado reagente suficiente para complexar todos os outros cátions na amostra. Portanto, um indicador para o íon magnésio, como o Negro de Eriocromo T, pode servir como indicador nas titulações de água dura. Frequentemente, uma pequena quantidade de quelato magnésio-EDTA é incorporada no tampão ou no titulante para assegurar a presença de íons magnésio suficiente para uma ação satisfatória do indicador (Skoog et. al., 2007).
2.Objetivo Determinar a dureza da água de torneira, através de procedimentos complexométricos.
3.Materiais e Métodos 1.Materiais e reagentes -Tampão NH3/NH4Cl pH 10 - Indicador negro de eriocromo T - Solução de Na 2H2EDTA.2H 2O 0,0006 mol L -1 - Béquer de 100 mL - Erlenmeyer de 250 mL - Pipeta volumétrica de 50 mL - Pipeta graduada de 3,0 mL - Pêra - Pipeta Pasteur - Bureta de 50,00 mL - Suporte universal - Garra e mufa
2.Procedimento 3.2.1. Determinação da dureza da água
Pipetou-se aproximadamente 50,00 mL de amostra desconhecida (água de torneira) em um erlenmeyer de 250 mL e então foi adicionado 3,00 mL de solução tampão NH3/NH4Cl de pH 10 e duas gotas do indicador negro de eriocromo T. Titulouse a amostra com solução de EDTA 0,0006 mol L -1 usando uma bureta de 50,00 mL e observou-se quando a cor mudou de vinho avermelhado para azul. A titulação foi repetida com três amostras. Em seguida fez-se uma titulação usando 50,00 mL de água destilada (branco). 3.2.2. Determinação da concentração de Ca 2+
Pipetou-se quatro amostras de aproximadamente 50 mL de água de torneira em erlenmeyers de 250 mL. Adicionou-se 30 gotas de solução de NaOH 50 % m/m em cada alíquota e agitou-se por 2 minutos para que o Mg(OH) 2 precipitasse (o que pode não ser visível). Adicionou-se então, aproximadamente 0,1 g de azul de hidroxinaftol em cada frasco. Titulou-se a primeira amostra rapidamente para que o ponto final fosse visualizado. Titularam-se então as outras três amostras cuidadosamente. Depois de atingido o ponto final azul, as amostras ficaram em repouso durante 5 minutos, com agitação ocasional, de modo que qualquer precipitado de Ca(OH) 2 pudesse ser redissolvido. Observou-se que a solução permaneceu azul. Caso fosse observado a volta da coloração vermelha, deveria ser feita uma nova titulação até que a solução permanecesse azul. Por fim, fez-se uma titulação em branco com 50 mL de água destilada.
4.Resultados e discussão O método titrimétrico do EDTA é o mais comumente utilizado na determinação da dureza da água sendo baseado na reação do ETDA, ou seus sais de sódio, que formam complexos solúveis quelatos com certos cátions metálicos. A reação ocorre em um pH de aproximadamente 10, apesar da nitidez do ponto final da titulação aumentar com o aumento do pH. Entretanto este não pode ser aumentado indefinidamente para não ocorrer precipitação de CaCO 3 ou Mg(OH)2, além do fato de que o complexo muda de cor em pH elevados. A reação ocorre também na presença do indicador negro de eriocromo T para assinalar o ponto final da reação (Oliveira, 2009). Antes de iniciar o processo de titulação, fez-se ambiente na bureta, a fim de eliminar quaisquer resíduos de titulações realizadas anteriormente na mesma. Colocou-se uma folha branca sob o erlenmeyer com o objetivo de facilitar a visualização da mudança de coloração e tornar mais precisa a determinação do ponto final da titulação. Os experimentos foram realizados em triplicata (Dureza da água) e quadruplicata (Determinação da concentração de Ca 2+) objetivando-se minimizar os possíveis erros.
Sendo o ponto de equivalência em uma titulação um ponto teórico alcançado quando a quantidade adicionada de titulante é quimicamente equivalente à quantidade de analito na amostra, não é possível determiná-lo experimentalmente, podendo-se apenas estimar sua posição pela observação de algumas variações físicas associadas com a condição de equivalência, o que caracteriza o ponto final. Nos experimentos, observou-se a mudança de coloração das soluções de vermelho-vinho para azul, o que significa que os íons causadores de dureza foram complexados (Baccan et. al., 1979). O fato de a solução tampão NH 3/NH4Cl ter sido adicionada antes do indicador negro de eriocromo T é a fim de que pequenas quantidades de ferro presentes na amostra precipitem na forma de hidróxido de ferro, impedindo sua reação com o indicador. Se tal procedimento não fosse adotado, o ferro formaria um complexo muito estável com o negro de eriocromo T e assim o indicador seria bloqueado (Baccan et. al., 1979). As reações entre os íons Ca 2+ e Mg2+ com o titulante utilizado, representado por H2Y2-, são: Ca2+ + H2Y2- CaY2- + 2H+ Mg2+ + H2Y2- MgY2- + H+ Visto que o experimento para a determinação da dureza da água foi realizado em triplicada com água de torneira e uma única vez com água destilada, os volumes de EDTA utilizados nas titulações foram listados na Tabela 1.
Tabela 1: Volume de EDTA utilizado nas titulações Titulações
Volume (mL)
1
29,5
2
28,8
3
28,2
4 (branco)
2,7
O V branco corresponde ao volume de EDTA utilizado para titular uma amostra de água destilada – uma solução onde o analito não esta presente – portanto o valor encontrado foi decrescido de todas as medições feitas, pois se refere à titulação de outros componentes presentes na água que não são o foco deste estudo. Assim o volume real de titulante utilizado para alcançar o ponto final da titulação com EDTA foi relacionado na Tabela 2 e calculado a partir da expressão V = V EDTA-V branco. Tem-se: 1.V1calc = V1 - V branco
V1calc = 29,5 – 2,7 V1calc = 26,8 mL = 0,0268 L Os cálculos foram feitos para as 3 amostras e os resultados foram resumidos na Tabela 2.
Tabela 2: Volume de EDTA utilizado nos cálculos do relatório Titulações
Volume (L)
1
0,0268
2
0,0261
3
0,0255
Sabendo-se os novos volumes de EDTA de cada titulação, o volume da amostra e a concentração do EDTA foi possível calcular a concetração dos íons Ca 2+ e Mg 2+ de cada amostra através da seguinte relação: CEDTA . VEDTA = Camostra . Vamostra Assim tem-se: 1.V1calc(EDTA) = 0,0268 L
C(EDTA) = 0,0006 mol L-1 nCa2+, Mg2+ = n(EDTA) n1(EDTA) = C(EDTA) x V1calc(EDTA) = 0,0006 mol L -1 x 0,0268 L = 1,608 x 10-5 mol C1(Ca2+, Mg2+) = n1(EDTA) / Vamostra = 1,608 x 10-5 / 0,05 L = 3,216 x 10-4 mol L-1 Os resultados foram das concentrações das amostras estão na tabela 3.
Tabela 3: Concentração dos cátions determinantes da dureza da água Amostra
Concentração
1
3,216 x 10-4 mol L-1
2
3,132 x 10-4 mol L-1
3
3,06 x 10-4 mol L-1
Calculou-se a média para as três concentrações encontrdas:
= (3,216 x 10-4 + 3,132 x 10-4 + 3,06 x 10-4) / 3 = 3,136 x 10-4 mol L-1
Após obtidos os valores da concentração de Ca 2+ e Mg2+, calculou-se a dureza da água D (g CaCO 3/L) através da massa molecular de CaCO 3, como mostrado a seguir: 1.1 mol CaCO 3 ______________________ 100,09 g
3,216 x 10-4 mol L-1 _____________ D 1 (g CaCO3 L-1) D1 = 0,0322 g CaCO 3 L-1 Foram encontrados os valores: D1 = 0,0322 g CaCO 3 L-1 D2 = 0,0313 g CaCO 3 L-1 D3 = 0,0306 g CaCO 3 L-1 Calculou-se a média das durezas: X = (0,0322 + 0,0313 + 0,0306) / 3 = 0,0314 g CaCO 3. L-1 Portanto, a dureza é dada por 0,0314 ( ±8,02 x 10-4) g CaCO3 L-1. De acordo com o valor calculado para a dureza da água da amostra e com a Tabela 4, assim a água da torneira utilizada no experimento é mole.
Tabela 4: Dureza da água (Harris, 2005) Concentração de CaCO 3 (mg L-1) Água Mole Água Dura
< 60 Muito
> 300
Nessa etapa do experimento utilizou-se NaOH para que os íons Mg 2+ precipitassem na forma Mg(OH)2 e então a titulação envolvesse apenas os íons Ca 2+. Para calcular a concentração individual de íons Ca 2+, considerou-se a relação: nCa2+ = n(EDTA)
Tabela 5: Volume de EDTA utilizado nas titulações Titulações
Volume (mL)
1
20,0
2
17,6
3
17,8
4
17,2
5 (branco)
1,6
Assim como anteriormente, novos volumes de EDTA para cada titulação foram calculados através da seguinte relação: V = VEDTA-V branco 1.V1calc = V1 - V branco
V1calc = 20 – 1,6 V1calc = 18,4 mL = 0,0184 L Os volumes encontrados foram: V1calc =0,0184 L V2calc =0,016 L V3calc = 10,0162 L V4calc = 0,0156 L Sabendo que C Ca2+ . Vágua = CEDTA . Vcalc tem-se: Para a primeira titulação, em que V 1calc = 18,4 mL = 0,0184 L: CCa2+ . 50,00 = 0,0006 . 18,4 CCa2+ = 2,208x10-4 mol L-1 Para as outras titulações, fez-se os cálculos e montou-se a Tabela 6 a seguir:
Tabela 6: Relação do volume e concentração de Ca 2+ de cada titulação
Titulação
Vcalc (mL)
CCa2+( mol L-1)
1
18,4
2,208x10-4
2
16
1,92x10-4
3
16,2
1,944x10-4
4
15,6
1,872x10-4
Calculando-se a média da concentração de íons Ca 2+:
= (2,208 x 10-4 + 1,920 x 10-4 + 1,944 x 10-4 + 1,872 x 10-4 ) / 4 = 1,986 x 10-4 mol L-1
O desvio padrão é dado por: S=i=15(x-x)2n-1 S=1,510×10-5
Portanto, a concentração é dada por 1,986 x 10 -4(±1,510x 10-5) mol L-1. Com esses resultados, pode-se calcular a concentração individual de íons Mg 2+, a partir da subtração entre a concentração total de Ca 2+ e Mg2+ e a concentração individual de Ca2+. Então: cCa2+, Mg2+= cCa2++cMg2+
cMg2+ = 3,136 x 10-4 - 1,986 x 10 -4 cMg2+ = 1,15 x 10-4 mol L-1
1.Conclusão Pode-se observar com a prática que a dureza da água está relacionada com a concentração de íons na mesma, e os íons que mais interferem nessa determinação são
os de cálcio e magnésio. Essa grandeza é medida com base na concentração de CaCO 3 na amostra, o que provou, a partir da comparação do valor encontrado para a dureza da água no experimento com valores tabelados, que a água em questão é mole. Como a dureza da água encontrada está dentro dos limites aceitáveis pela legislação (máximo de 500 mg CaCO3 L-1), a água usada no experimento é considerada potável.
2.Referências Bibliográficas 1.BACCAN,
N.; ANDRADE, J.C.; GODINHO, O.E.S.; BARONE, J.S. Química Analítica Quantitativa Elementar . 3ª edição. Unicamp: Campinas, 1979. 324 p. D.C. Análise Química Quantitativa. 6ª edição, Rio de Janeiro: LTC, 2005. 876 p. 2.HARRIS,
Fundamentos de Química Analítica. 8ª Edição, São Paulo: Thomson, 2007. 999 p. 3.SKOOG, D.A.; WEST, D.M.; HOLLER, F.J.; CROUCH, S.R.
4.Oliveira
ed., 2009.
M. Água conceitos e tratamentos , Belo Horizonte, SOGRAFE, 1
