Определение ионов кальция воде

Определение ионов кальция в сточной воде по ГОСТу

О кальции

Кальций (Ca) – элемент № 20 второй группы четвертого периода таблицы Д. И. Менделеева.

Щелочноземельный металл Са характеризуется высокой химической активностью. В своей металлической форме кальций на Земле не существует. Пятый по распространенности элемент на планете образует соединения, встречаясь в составе горных пород (гранитов, гнейсов), в морской воде и коралловых рифах, в костях человека и животных (минерал гидроксиапатит). Кальцийсодержащие минералы кальцит и арагонит формируют раковины морских беспозвоночных, скорлупу яиц птиц и рептилий.

История открытия

Открыл кальций в 1808 году британский химик Гемфри Дэви. Ученый подверг электролизу влажную гашеную известь, смешанную с оксидом ртути, и получил амальгаму неизвестного металла. Дэви назвал обнаруженное веществом «кальций» от латинского «calx» – известняк, известь. Выделить чистый металл электролитическим методом из расплава хлорида кальция удалось позднее. Это сделал в 1855 году немецкий химик Роберт Бунзен.

Химические и физические свойства

В природе кальций обнаруживается в составе минералов-карбонатов – солей угольной кислоты. Если прокалить карбонаты и затем растворить получившиеся оксиды («земли» на языке алхимиков) в воде, рН раствора будет щелочным.

Кальций – белый блестящий металл, с температурой плавления 780 ⁰С, легко поддающийся обработке. Замечательное свойство этого щелочноземельного элемента – легкость. Кальций в пять раз легче железа и только в полтора раза тяжелее воды.

Влияние на организм человека

Содержание кальция в питьевой воде важно удерживать в оптимальном диапазоне, потому что этот элемент оказывает двойственное влияние на здоровье. Одинаково неполезно длительное время пить воду как с повышенной концентрацией кальция, так и умягченную, освобожденную от солей.

Постоянное употребление воды с большим содержанием кальция (100-500 мг/дм 3 ) влияет на организм человека в отдаленной перспективе и способствует:

• нарушению обмена веществ;
• накоплению солей в костях скелета;
• развитию атеросклероза;
• формированию камней в почках;
• усугублению хронических заболеваний пищеварительной системы;
• закупорке пор эпидермиса, образованию сыпи на коже.

Концентрация кальция в воде от 350-450 мг/дм 3 делает питье горьким на вкус, поэтому риск самостоятельно нанести вред здоровью минимален.

Недостаток ценного макроэлемента в воде приводит к дефициту кальция в организме, который проявляется:

• судорожными фибрилляциями сердца;
• увеличением проницаемости капилляров и нарушением свертываемости крови;
• неконтролируемым сокращением мышц тела;
• стимуляцией симпатоадреналовой системы;
• нарушением процессов образования и формирования костной ткани.

Влияние кальция на заболеваемость человека

Фактор	Заболевания (источник литературы)	Нижняя допустимая граница фактора	Верхняя допустимая граница фактора
Кальций	Желчнокаменная болезнь (Бышевский, Терсенов, 1994)	—	100-500 мг/дм 3 (Ливчак, Воронов, 2000)
	Сердечно-сосудистые заболевания, в частности, атеросклероз (Голубев, 1992; Зубарева и др., 2002)	—
	Злокачественные опухоли (Бышевский, Терсенов, 1994)	—
	Нарушения в адреналовой системе и проницаемости капилляров, ослабление окислительно-восстановительного потенциала в миокарде (Ливчак, Воронов, 2000)	—

Фактор износа водопроводных коммуникаций

Если рассмотреть на просвет старые водопроводные трубы, можно увидеть внутри плотные отложения накипи. В её составе обнаруживается в основном карбонат кальция.

При нагревании водопроводной воды растворенная в ней углекислота распадается на углекислый газ и воду:

Кальций, присутствующий в воде, вступает в реакцию с углекислым газом с образованием малорастворимого карбоната кальция:

К поверхности труб вместе с карбонатом кальция «прикипают» взвешенные частицы, усиливая мощность наслоений, снижая пропускную способность коммуникаций.

Сточные воды – что это?

Четкое определение понятию «сточные воды» дает Водный кодекс Российской Федерации.

Под водосборной площадью здесь подразумевается территория, задействованная человеком в его промышленной и бытовой деятельности. То есть, дождевые потоки, омывшие городские парки, скверы или карьеры и ушедшие в ливневую канализацию, относятся к сточным водам. А воды, выпавшие в виде осадков над природными лесными массивами, не будут считаться таковыми.

Сточные воды подразделяются на три класса по происхождению:

• Поверхностные. Атмосферные осадки выпадают над территориями, занятыми под хозяйственно-бытовую деятельность человека, собирают пыль различного состава, нефтепродукты, тяжелые металлы, и уносят собранное в поверхностные водоемы.
• Хозяйственно-бытовые стоки, образованные человеком. Это биогенные элементы (пищевые отходы, отмершие покровы, экскременты) и сопутствующие быту загрязнения, к примеру, ПАВ моющих средств.
• Промышленные. Состав сточных вод, идущих с производств, разнообразен и зависит от рода деятельности. Сочетания загрязнителей в таких стоках самые причудливые, а взаимодействия между компонентами зачастую непредсказуемые и потенциально опасные.

Откуда берётся в стоках?

В сточных водах кальций появляется в результате деятельности человека и в процессе вымывания из природных объектов. К примеру, накопленные отложения СаСО₃ в виде известняков лежат на большей части России, Европы и Северной Америки.

Природные источники

В природе кальций входит в состав метаморфических и осадочных пород, среди которых силикаты и алюмосиликаты, известняки, минералы (алебастр, апатит, гипс, доломит, кальцит).

Эрозивные процессы, особенно с участием подкисленной двуокисью углерода воды, высвобождают кальций из связанной формы.

Катионы кальция, взаимодействуя с молекулами воды, спускаются с гор и попадают в океаны. В морской воде кальций по распространенности занимает пятую позицию после хлорида, натрия, сульфата и магния.

В реки и озера кальций попадает в результате выщелачивания поверхностного слоя почв и эрозии кальцийсодержащих пород.

Естественное присутствие кальция в поверхностных водоемах зависит от сезона, но обычно не превышает 1 г Са 2+/ дм 3 . Весной в период таяния снегов выщелачивание почв происходит интенсивнее, поэтому в реках фиксируют повышение уровня кальция.

Антропогенные

Основные источники кальция в сточной воде – это горнодобывающая промышленность, предприятия, производящие неорганические химические вещества, силикатные заводы. Вносит свой вклад в загрязнение вод соединениями кальция и пищевая промышленность.

Оксид кальция СаО в качестве разрешенной пищевой добавки Е 529 применяется в производстве муки, изготовлении сахара и при хранении колбас. Оксид кальция попадает в стоки при изготовлении солидола на предприятиях нефтехимии, производстве огнеупорного материала и тормозных колодок.

Гашеная известь Са (ОН)₂ незаменима при производстве:

• бетона, силикатного кирпича в строительстве;
• известковых удобрений;
• кормов для животных.

Методы определения кальция в воде

В воде минеральной питьевой лечебной, лечебно-столовой и природной столовой концентрацию кальция определяют по ГОСТ 3268.5-78. Нормативный документ предлагает определять кальций в пробе титриметрическим и потенциометрическим методами.

Титриметрический метод

Метод основан на способности динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), которую иначе называют комплексоном III или трилоном Б, образовывать при рН 12-13 комплексные соединения с ионами кальция.

Точно отмеренный объем минеральной воды предварительно нейтрализуют соляной кислотой в присутствии индикатора, добиваясь розовой окраски раствора. Затем, добавив еще один миллилитр HCL, пробу кипятят для удаления двуокиси углерода. Далее прибавляют гидроокись натрия для установления необходимого pH – 12-13.

Пробу медленно тируют раствором трилона Б в присутствии индикатора (кальконкарбоновой кислоты) до перехода окраски из вишневого в синий.

Для определения кальция по ГОСТ 23268.5-78 можно также использовать заранее подготовленный индикатор мурексид, небольшое количество которого на кончике шпателя вносят в пробу воды перед титрованием. В этом случае титрование продолжают до перехода цвета анализируемого раствора из малинового в фиолетово-красный.

Титриметрический метод также подходит для определения массовой концентрации кальция в пробах природных и сточных вод по ПНД Ф 14.1:2:3.95-97

Нормативный документ	Природные (поверхностных и подземных)	Сточные	Очищенные сточные
РД 52.24.403-2018 от 1,0 до 2000 мг/дм 3	+	—	+
ПНД Ф 14.1:2:3.95-97 от 1,0 до 2000 мг/дм 3	+	+	+

Потенциометрический

Потенциометрический метод основан на измерении электродвижущей силы (ЭДС) электрохимической цепи, образованной ионоселективным и вспомогательным электродами, погруженными в анализируемую среду.

Ионоселективные электроды – это электрохимические преобразователи, в которых возникает потенциал, зависящий от активности ионов в данной среде, по отношению к которым селективен (избирателен) данный электрод.

Мембрана, проницаемая только для ионов кальция, разделяет растворы электролитов – внутренний стандартный (с точно известной концентрацией ионов Ca 2+ ) и анализируемый внешний. Во внутренний раствор погружен внутренний электрод сравнения. Растворы контактируют через полупроницаемую мембрану, на ее поверхностях возникают граничные потенциалы Е1 и Е2.

Между ними возникает стабильная разность потенциалов, пропорциональная логарифму определяемого иона кальция.

Для измерения ЭДС понадобится иономер – электронный высокоомный вольтметр.

Определив электродвижущую силу гальванического элемента, получится измерить концентрацию ионов Ca 2+ в исследуемом растворе.

подходит для измерения ионов Ca 2+ в технологических растворах и сточных водах любой отрасли промышленности.

Можно ли определить в быту?

Из-за повышенного содержания кальция в воде население испытывает ряд досадных трудностей в быту, среди которых:

• накипь в чайнике;
• плотные отложения в водопроводных трубах;
• известковый налет на нагревательных элементах стиральных машин, электрочайников, посудомоечных агрегатов;
• трудноудаляемые разводы на одежде;
• искажение вкуса приготовляемой пищи;
• неидеальный вид сантехники.

Определить точную концентрацию кальция в воде из-под крана можно только в химическом анализе с применением специальных реактивов, но в быту можно обойтись и без них.

О высоком содержании кальция судят по ряду признаков, а именно:

• душевая насадка и краны в белом налете;
• мыло и стиральный порошок почти не образуют пену, их расход возрастает;
• нагревательные элементы бытовых приборов покрыты желтоватой муфтой из накипи;
• чай долго заваривается и неприятен на вкус;
• мясо плохо разваривается.

На стеклянной посуде или зеркальной поверхности хорошо просматриваются белые разводы, если вода недостаточно очищена от примесей кальция.

В продаже встречаются тест-полоски для оперативного контроля показателей качества воды (в отделе товаров для аквариумистов, в фирменных салонах бытовой техники, кофемашин) или специальные наборы для определения кальция в воде, укомплектованные всем необходимым для проведения химического анализа в домашних условиях

Содержание кальция в воде жестко нормируется только для рыбохозяйственных водоемов, в которых предельная его концентрация установлена на уровне 180 мг/мд 3 .

В питьевой воде контролируется показатель «общей жесткости», определяемой в том числе и ионами кальция. Строгие нормативы в отношении содержания кальция выставлены для питания котлоагрегатов, в частности паросиловых установок. Это сделано с целью защитить оборудование от трудноудаляемой накипи, образованной в ходе химических реакций кальция и карбонатов, сульфатов и других анионов, присутствующих в природной воде.

Анализы воды «на кальций» делают аккредитованные лаборатории, куда при необходимости можно доставить воду из любого источника.

Источник

Определение ионов кальция воде

ВОДЫ МИНЕРАЛЬНЫЕ ПИТЬЕВЫЕ ЛЕЧЕБНЫЕ, ЛЕЧЕБНО-СТОЛОВЫЕ И ПРИРОДНЫЕ СТОЛОВЫЕ

Методы определения ионов кальция и магния

Drinking medicinal, medicinal-table and natural-table mineral waters. Methods of determination of calcium and magnesium ions

Дата введения 1980-01-01

ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 1 сентября 1978 г. N 2409

Ограничение срока действия снято по протоколу N 4-93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 4-94)

ИЗДАНИЕ с Изменениями N 1, 2, утвержденными в апреле 1983 г., июле 1986 г. (ИУС 8-83, 10-86)

Настоящий стандарт распространяется на лечебные, лечебно-столовые и природные столовые питьевые минеральные воды и устанавливает титриметрический метод определения ионов кальция и магния; потенциометрический метод определения ионов кальция и атомно-абсорбционный метод определения ионов магния.

1. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ

1.2. Объем минеральной воды, отобранный для определения ионов кальция и магния, должен быть не менее 250 см .

(Измененная редакция, Изм. N 2).

2. ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ

2.1.а. Сущность метода

Метод основан на способности комплексона III образовывать в щелочной среде в интервале рН 12-13 комплексные соединения с ионами кальция.

Метод позволяет определять более 1 мг ионов кальция в пробе с пределом погрешности измерений 0,02 мг при числе определений =5 с доверительной вероятностью =0,95.

(Измененная редакция, Изм. N 1, 2).

2.1. Аппаратуры, материалы и реактивы

Бюретки мерные вместимостью 10, 25 см .

Пипетки мерные вместимостью 1, 2, 5, 10, 25, 50 см .

Колбы мерные по ГОСТ 1770-74, вместимостью 100, 500, 1000 см .

Цилиндры мерные по ГОСТ 1770-74, вместимостью 50, 100 см .

Колбы стеклянные лабораторные конические по ГОСТ 25336-82, вместимостью 250 см .

Холодильник стеклянный лабораторный по ГОСТ 25336-82.

Весы лабораторные, не ниже второго класса точности, с наибольшим пределом взвешивания до 200 г по ГОСТ 24104-88* или другие весы, обеспечивающие необходимую точность взвешивания.

* С 1 июля 2002 г. введен в действие ГОСТ 24104-2001 (здесь и далее).

Весы лабораторные, не ниже четвертого класса точности, с наибольшим пределом взвешивания до 500 г по ГОСТ 24104-88 или другие весы, обеспечивающие необходимую точность взвешивания.

Плитка электрическая по ГОСТ 14919-83.

Воронки стеклянные по ГОСТ 25336-82.

Ступка фарфоровая по ГОСТ 9147-80.

Кислота соляная, фиксанал, раствор концентрацией 0,1 моль/дм .

Натрия гидроокись по ГОСТ 4328-77.

Гидроксиламина гидрохлорид по ГОСТ 5456-79.

Комплексон III, фиксанал, раствор концентрацией 0,05 моль/дм .

Спирт этиловый ректификованный по ГОСТ 5962-67*.

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 51652-2000.

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709-72.

Натрий хлористый по ГОСТ 4233-77.

Все реактивы должны быть квалификации х.ч. или ч.д.а.

(Измененная редакция, Изм. N 1, 2)

2.2. Подготовка к анализу

2.2.1. Приготовление раствора комплексона III

Раствор готовят из фиксанала. Содержимое ампулы количественно переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см , растворяют в дистиллированной воде и объем раствора доводят дистиллированной водой до метки концентрацией 0,05 моль/дм .

2.2.2. Приготовление раствора соляной кислоты

Раствор готовят из фиксанала. Содержимое ампулы количественно переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см и объем раствора доводят дистиллированной водой до метки концентрацией 0,1 моль/дм .

2.2.1-2.2.2. (Измененная редакция, Изм. N 2).

2.2.3. Приготовление индикатора метилового красного

0,1 г метилового красного взвешивают с погрешностью не более 0,01 г и растворяют в 100 см горячей дистиллированной воды.

2.2.4. Приготовление раствора гидроокиси натрия

80 г гидроокиси натрия взвешивают с погрешностью не более 0,01 г, помещают в мерную колбу вместимостью 1000 см , растворяют в дистиллированной воде, охлаждают до температуры 20 °С и доводят объем раствора дистиллированной водой до метки концентрацией 2 моль/дм .

(Измененная редакция, Изм. N 2).

2.2.5. Приготовление раствора гидроксиламина

4,5 г гидрохлорид гидроксиламина взвешивают с погрешностью не более 0,01 г и растворяют в 100 см этилового спирта.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

2.2.6. Приготовление раствора с массовой долей кальконкарбоновой кислоты 0,025%.

0,025 г кальконкарбоновой кислоты взвешивают с погрешностью не более 0,0002 г и растворяют в 100 см водно-глицериновой смеси 1:1.

(Измененная редакция, Изм. N 2).

2.2.7. Приготовление индикатора мурексида

0,1-0,2 г индикатора мурексида смешивают с 10 г хлористого натрия и тщательно растирают смесь в фарфоровой ступке.

(Введен дополнительно, Изм. N 2).

2.3. Проведение анализа

В коническую колбу вместимостью 250 см отмеривают от 10 до 100 см минеральной воды, разбавляют дистиллированной водой до 100 см , нейтрализуют раствором соляной кислоты концентрацией 0,1 моль/дм по индикатору метиловому красному до розового окрашивания раствора, добавляют еще 1 см соляной кислоты, кипятят 5 мин с обратным холодильником для удаления двуокиси углерода (холодильник можно заменить перевернутой воронкой). Раствор охлаждают до температуры 20 °С. Добавляя 2 см раствора гидроокиси натрия концентрацией 2 моль/дм , устанавливают рН от 12 до 13. В качестве индикатора вводят 1 см раствора кальконкарбоновой кислоты и пробу медленно титруют раствором комплексона III концентрацией 0,05 моль/дм до изменения цвета раствора из вишневого в синий.

При определении ионов кальция в железистых минеральных водах железо маскируют 2-3 каплями раствора гидроксиламина.

При использовании мурексида в качестве индикатора в обработанную по ранее описанной методике пробу вводят на кончике шпателя индикатор, приготовленный по п.2.2.7, и пробу медленно титруют раствором комплексона III концентрацией 0,05 моль/дм до изменения цвета раствора из малинового в красно-фиолетовый.

(Измененная редакция, Изм. N

2.4. Обработка результатов

Массовую концентрацию ионов кальция ( ), мг/дм , вычисляют по формуле

,

где — объем раствора комплексона III, пошедший на титрование, см ;

40,08 — молярная масса иона кальция, г/моль;

Источник