Vízminőség, vízvédelem
5. előadás
Vízanalitikai elméleti alapok
Az előadás vázlata A laboratóriumi munka szabályai Tömegmérés Térfogatmérés Mennyiségi kémiai analízis térfogatos (titrimetriás) analitika fotometriás analitika elektroanalitika
A laboratóriumi munka szabályai „Rend, tisztaság, fegyelem” Elméleti felkészültség Minden vegyszert méregnek tekintünk! nem kóstoljuk, nem nyaljuk meg a tároló edényéből kikerült anyagot nem rakjuk vissza kihullott, kiömlött vegyszert azonnal feltakarítjuk Savak, lúgok, maró anyagok szembe kerülve kimossuk a szemmosó-palackkal bőrre csöppenve letöröljük, lemossuk, semlegesítjük
A gyakorlatvezető utasításait mindig be kell tartani! Eszközök nem eszünk,nem iszunk belőlük sérült eszközökkel nem dolgozunk csak tiszta eszközt használunk felesleges eszköz ne legyen a munkaasztalon a közösen használt eszközt mindig visszatesszük a helyére használat után azonnal elmosogatunk, desztillált vizes öblítéssel befejezve
Műszerek a használati utasítást pontosan betartjuk esetleges hibát azonnal jelezzük Baleset elsősegély felszerelés helye, alkalmazása vészjelző használata vészzuhany használata
A legkisebb balesetet is jelezzük a gyakorlatvezetőnek!
Mértékegységek SI alapegységek (1960-tól 7 alapvető fizikai mennyiség) Fizikai mennyiség
SI egység
Metrikus egység
Hosszúság (l)
méter(m)
Tömeg (m)
kilogramm (kg) gramm(g)
Hőmérséklet (T)
kelvin(K)
Idő (t)
másodperc(s)
Elektromos áram (I)
amper (A)
Fényerősség (Iv)
kandela (cd)
Anyagmennyiség (n) mól (mol)
Átváltás
méter (m) Celsius fok(oC)
1kg=103g K=273+..oC
Származtatott mennyiségek Fizikai mennyiség
SI egység
Térfogat (V)
köbméter (m3)
Nyomás (P)
pascal(Pa)
1Pa=1N/m2
Atmoszféra(atm)
1atm=101325Pa
Torr(Hgmm)
1torr=133,3 Pa
Bar
1bar=105Pa
Energia (E)
joule(J)
Metrikus egység liter (l)
kg/m3
1l=10-3m3=1dm3
1J=1 kgm2/s2 Kalória(cal)
Sűrűség (ρ)
Átváltás
1cal=4,184 J
A leggyakrabban használt prefixumok. Deka Hekto Kilo Mega Giga Tera Peta Exa
da h k M G T P E
101 102 103 106 109 1012 1015 1018
Deci
d
10-1
Centi
c
10-2
Milli
m 10-3
Mikro
µ
10-6
Nano
n
10-9
Piko
p
10-12
Femto
f
10-15
Atto
a
10-18
Tömegmérés Tömeg: az anyag tehetetlensége jele: m mértékegysége: kilogramm (kg) tömegetalon: Pt-Ir ötvözet (Párizs melletti Sévres-ben őrzik) Súly = erő (súlyerő) a tömeg és a nehézségi gyorsulás szorzata (a földrajzi hely és a magasság függvénye) jele: G Mértékegysége: newton (N) G=mg g: nehézségi gyorsulás (9,806 m/s2)
Tömegmérés Ismert tömegű testekkel, súlyokkal (mérősúly) való összehasonlítás (a mérendő testre ható súlyerő ↔ ismert tömegű testre ható súlyerő) Eszköze: mérleg Neve táramérleg analitikai mérleg
Méréshatára 500-5000 g 100-200 g
Érzékenysége 10-100 mg 0,1 mg
Táramérleg
Digitális táramérleg
Analitikai mérleg
Digitális analitikai mérleg
Térfogatmérés meniszkusz
Parallaktikus hiba
Betöltésre kalibrált eszközök
Mérőlombik (normállombik)
Winkler-palack
Kifolyásra kalibrált eszközök Hasas pipetta
Adagoló pipetta
Automata pipetta
Kifolyásra kalibrált eszközök
Mérőhenger
Büretta
Nem kalibrált, hőálló eszközök
Erlenmeyer-lombik
Főzőpohár
Mennyiségi analízis Térfogatos (titrimetriás) kémiai analízis Irányított (specifikus) kémiai reakció segítségével a mérendő anyag mennyiségi meghatározása A reakció legyen gyors és menjen végbe teljesen
Ismert töménységű mérőoldat A vizsgálandó minta pontos térfogata Indikátor (jelző)
Titrálás: A mérőoldat adagolás bürettából addig, míg az indikátor színváltozása jelzi a folyamat, reakció végét – „elfogy” a mintából a mért ion A bürettáról leolvasott érték: fogyás
Mérőoldat Ismert töménységű (normálos vagy mólos oldat) Az adott meghatározásnál csak a vizsgálandó anyaggal lép reakcióba Hatóértékét (oldottanyag-tartalmát) nem változtatja
Mólos oldat mól-tömegű anyag oldása 1000 cm3 végtérfogatú oldószerben (pl. NaCl móltömege: 20+37,3 = 57,3 g → 1 M oldat: 57,3 g / 1000 cm3 H2SO4 mól-tömeg: 98 g → 1 M oldat: 98 g / 1000 cm3)
Normál oldat Egyenérték-tömegű anyag oldása 1000cm3 végtérfogatú oldószerben Egyenérték-tömeg: mól-tömeg és a vegyérték hányadosa (pl. NaCl móltömege: 57,3 g, egyenérték-tömeg 57,3 / 1 = 57,3 g → 1 n oldat: 57,3 g / 1000 cm3 H2SO4 mól-tömeg: 98 g, egyenérték-tömeg: 98/2 = 49 g → 1 n oldat: 49 g / 1000 cm3)
A mérőoldat faktora (f) A mérőoldathoz felhasznált anyagot nem minden esetben lehet pontosan bemérni (a vegyszer tisztasága, hatóanyagtartalma változhat), ezért az elkészült oldatot faktorozni szükséges. A faktor az a szám, amely megmondja, hogy a mérőoldat 1 cm3-e pontosan hány cm3 hatóanyagnak felel meg F = 1, pontos F < 1, kisebb F > 1, nagyobb a koncentráció
pl. f=0,988 12,5 cm3 észlelt fogyás a faktorral korrigálva 12,5 x 0,988 = 12,35 cm3 lesz a valós fogyás értéke (hígabb oldatból több kellett, mert 1cm3 oldatnak csak 0,988 cm3-nek megfelelő anyagtartalma van)
Indikátor (jelző): A kémiai reakció során színváltozással jelzi a folyamat befejeződését
A mérőoldat titere Az adott reakcióban a mérőoldat 1cm3-e hány mg anyagot mér Meghatározása a reakció-egyenlet alapján történik Pl: kénsav-tartalom meghatározása Mérőoldat: 1 n NaOH H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O 98,08 g 2x40,01g 40 g NaOH egyenérték-tömegű 98,08/2=49,04 g kénsavat közömbösít
1000 cm3 1 n NaOH (40 g/l) mér 49,04 g kénsavat 1 cm3 1 n NaOH tehát: 49,04 mg kénsavat mér
Büretta fogyása: 3,8 cm3 Számolás: H2SO4 tartalom: 3,8 cm3 x 49,04 mg = 187,84 mg fogyás
x titer
DE! 1 n NaOH f = 0,997 3,8 cm3 x 0,997 x 49,04 mg = 187,26 mg H2SO4 fogyás x faktor x
titer
A vizsgált minta térfogata (bemérés): 100 cm3 100 cm3 mintában 187,26 mg kénsavat mutattunk ki, akkor 1000 cm3 mintában 1872,6 mg van H2SO4 = 1872,6 mg/l 3) x faktor x titer (mg) fogyás (cm H2SO4 mg/l = bemérés (cm3)
x 1000 cm3
Acidi-alkalimetria Sav-bázis titrálás CO2
CO2
HCO3-
H2CO3
H2CO3
CO3-
HCO3-
+ hidroxidok
4,5 ≤ pH ≤ 8,3
pH ≥ 8,3
+ huminsavak
pH ≤ 4,5
Szabad savasság (m,) Acidimetria
Szabad lúgosság(p)
Összes savasság (p,) Összes lúgosság (m)
Alkalimetria
Összes lúgosság meghatározása (L°, HCO3-ion, karbonát-, változó-, kiforralható-keménység)
Mérőoldat: 0,1 n HCl (erős sav) Indikátor: metilnarancs, vagy keverék-indikátor L° = 100 cm3-re fogyott 0,1 n HCl mennyisége = mgeé/l HCO3 (1000 cm3-re fogyott 1 n HCl) HCO3- mg/l = mgeé/l HCO3- (L°) x 61 (HCO3- iontömege)
Komplexometriás titrálás Összes keménység meghatározása Mérőoldat: 0,05 M (0,1 n) EDTA (etilén-diamin-tetraecetsav dinátrium sója – Komplexon III) pH 10-nél stabil komplexet képez Puffer: pH 10-es bórax-oldat Indikátor: Eriokrómfekete T Magnézium jelenléte nélkül nem ad pontos eredményt! Ök mgeé/l = 100 cm3-re fogyott 0,05 M (0,1 n) EDTA mennyisége (1000 cm3-re fogyott 1 n EDTA) Ök nk° = mgeé/l x 2,8
Kalcium, magnézium meghatározás Mérőoldat: 0,05 M (0,1 n) EDTA (erősen lúgos közegben kalciummal stabil komplexet alkot, míg a magnézium-komplex bomlik) Puffer: pH 12-es NaOH-oldat (4%) Indikátor: murexid Ca2+ mgeé/l = 100 cm3-re fogyott 0,05 M (0,1 n) EDTA mennyisége Ca2+ mg/l = mgeé/l x 20,04 (Ca2+ atom-tömege 40,08) Mg2+ mgeé/l = (Ök mgeé/l – Ca2+ mgeé/l) Mg2+ mg/l = mgeé/l x 12,16 (Mg2+ atom-tömege 24,32)
Csapadékos titrálás Klorid-ion meghatározása
AgNO3 + Cl- = AgCl +NO3Mérőoldat: 0,1 n AgNO3 Indikátor: 5 % kálium-kromát
Cl- mgeé/l = 100 cm3re fogyott 0,1 n AgNO3 Cl- mg/l = fogyás x 34,45 (Cl- atom-tömege 34,45 g)
Oxidációs – redukciós titrálás Kémiai oxigénigény meghatározása Erős oxidálószerrel oxidálható anyagok → az elhasznált oxigén mennyisége egyenértékű az oxidáló szer mennyiségével → oxigénfogyasztás = kémiai oxigénigény (KOI) Oxidálószer alapján: Permanganometria (100 mg/l-ig, kevésbé szennyezett vizek) Kromatometria (100-2000 mg/l, szennyezett vizek)
KOIp meghatározása
2KMnO4 +3H2SO4 = K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O + 5O2A reakciót az oxigénre vonatkoztatjuk! 1 mól KMnO4 5 egyenérték-tömegnyi oxigént fordít oxidációra
KMnO4 egyenérték-tömeg: 158,025 / 5 = 31,605 g 1 n KMnO4 31,605 g / l
Meghatározás: visszatitrálással Mérőoldat: 0,01 n KMnO4 A visszatitráláshoz használt redukálószer: 0,01 n oxálsav Indikátor: nincs, a mérőoldat szinváltozása jelez 100 cm3 minta kénsavas közeg 10 cm3 0,01 n KMnO4 10 perces forralás 10 cm3 0,01 n oxálsav (az oxidáció után megmaradt KMnO4 semlegesítése) A redukció után megmaradt oxálsav visszamérése a 0,01 n KMnO4 mérőoldattal (fogyás „a”)
Vakpróba: oxidálható anyagtól mentes desztillált víz (fogyás „b”)
Számolás: Titer: 1000 cm3 1 n KMnO4 80 g egyenértéknyi oxigént, 1 cm3 0,01 n KMnO4 0,08 mg egyenértéknyi oxigént mér
KOIp, mg/l =
(a - b) x f x 0,08 bemérés
x 1000
Oldott oxigén meghatározása jodometria A levegővel érintkező víz egyensúlyi koncentrációban tartalmaz oxigént Mennyisége függ: légnyomás, hőmérséklet, oldott sótartalom Tényleges oxigén-tartalom eltérhet ettől: fizikai jelenségek (légnyomás, hőmérséklet gyors változása, zubogók, duzzasztó művek levegőztetése stb) kémiai jelenségek (bekerülő anyagok oxidációja) biokémiai jelenségek (szerves anyagok lebontása, mikroorganizmusok oxigén-termelése)
1. Oldott oxigén megkötése: MnSO4 + 2 KOH = Mn(OH)2 + K2SO4 4 Mn(OH)2 + 2 H2O + O2 = 4 Mn(OH)3 2. Mn(OH)3 csapadék kénsavas oldása kálium-jodid jelenlétében 2 Mn(OH)3 + 3H2SO4 + 2KI = 2MnSO4 + 6 H2O + I2 3. A felszabaduló jód nátrium-tioszulfát mérőoldattal való titrálása I2 + 2 Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6 A meghatározással az oldott oxigén mg/l-ben kifejezett értékét kapjuk, az oxigéntelítettség %-os értékét a hőmérséklet, a légnyomás és az oldott sótartalom értékeiből számítjuk ki, illetve korrigáljuk.
Fotometriás analitikai módszerek A mérendő anyaggal jellegzetes színreakció előállítása A szín intenzitása a mérendő anyag mennyiséggel arányos, fotoelektromos műszer segítségével mérhető
A minta fényelnyelését (abszorbanciáját) ismert koncentrációjú oldatokkal készített kalibráló-egyenes segítségével számoljuk át mg/l-re
Lángfotometria Egyes fémek a lángot jellemző színűre festik, a színintenzitás a mérendő anyag mennyiségével arányos
Elektrokémiai mérések pH mérés
Vezetőképesség-mérés
