Determinación de la dureza total del agua. Objetivos

Determinación de la dureza total (calcio y magnesio) en una muestra de agua utilizando la técnica de valoración por formación de complejos, con EDTA (Na2 EDTA) como reactivo valorante.

Fundamento

El concepto de “dureza” probablemente sea de los más conocidos cuando se habla de un agua, natural o tratada, asociándose intuitivamente al contenido en sales de esa agua.

La dureza del agua la constituyen todos los cationes polivalentes (divalentes y trivalentes, sobre todo) disueltos. No obstante debido a la alta proporción de sales de Ca+2 y de Mg+2 (éste en menor proporción) frentes a los demás cationes, se suele asociar dureza con contenido en sales cálcicas y magnésicas.

La determinación de la dureza del agua proporciona una medida de la calidad de las aguas de interés doméstico o industrial ya que, por ejemplo, al calentar las aguas duras se produce la precipitación de carbonato de calcio, que obstruye las tuberías y los calentadores. Tradicionalmente, la dureza del agua ha estado asociada a la capacidad de los cationes presentes en la misma para sustituir a los iones sodio y potasio de los jabones, lo cual da lugar a grumos insolubles que pueden consumir una cantidad importante del jabón que se utiliza en la limpieza. Sin embargo, la dureza del agua es beneficiosa para el riego por que los iones alcalinotérreos tienden a flocular las partículas coloidales del suelo (favorecen la formación de agregados de dichos coloides) lo cual aumenta la permeabilidad del suelo al agua.

En las aguas naturales, la concentración de cationes calcio y magnesio es generalmente muy superior a la de otros cationes metálicos con cargas múltiples capaces de presentar esa propiedad.

Se define la “dureza del agua” en términos de la concentración de carbonato de calcio, que va a ser equivalente a la concentración de todos los cationes multivalentes de la muestra. Se suele expresar en mg/l de CaCO3 (ppm). Deben comentarse por su uso el “grado francés” y el “grado alemán”.

1 grado francés = 10 mg/l de CaCO3

1 grado alemán = 10 mg/l de CaO

Se han establecido muchas clasificaciones de aguas atendiendo a su dureza. Se presenta a continuación una clasificación muy simple y de bastante utilidad práctica:

Aguas blandas, con dureza menor de 60 mg/l de CaCO3. Aguas semiduras, con dureza comprendida entre 60 y 270 mg/l de

CaCO3

Aguas duras, con dureza mayor de 270 mg/l de CaCO3

La determinación de la dureza del agua suele realizarse valorando con EDTA, tras tamponar la muestra a pH 10 con una disolución amortiguadora cloruro de amonio/amoniaco. Las reacciones de complejación que tienen lugar y sus correspondientes constantes de equilibrio son las siguientes:

ya que a pH 10 la especie del EDTA que predomina es el HY3-. El pH no debe ser muy elevado, ya que puede producirse la precipitación de hidróxidos metálicos, y la reacción con el EDTA sería muy lenta.

El indicador empleado en dicha determinación es el negro de eriocromo T (NET). El negro de eriocromo T es un indicador complejométrico, ampliamente utilizado cuya fórmula abreviada es H2In

-.

Se trata de un ácido débil cuyo color depende del pH de la disolución. Su comportamiento como ácido débil se puede describir a partir de las ecuaciones:

H2In- + H2O HIn2- + H3O

+ K2 = 5,0·10-7

HIn2- + H2O In3- + H3O+ K1 = 2,5·10-12

La ionización de este colorante conduce a valores de pK1 = 6,3 y pK2 = 11,5. Así, el negro de eriocromo T es rojo, a valores de pH menores que 6,3; azul, a valores entre 7 y 11; y amarillo naranja, por encima de 11,5. Es decir, el color del indicador depende de la concentración hidrogeniónica, como se ha comentado anteriormente, y presenta el siguiente equilibrio ácido-base:

Cuando se adiciona una pequeña cantidad del indicador negro de eriocromo T a la disolución de la muestra, éste reacciona con ambos cationes dando productos de color rojo, de los cuales es más estable el que origina el Mg2+.

ya que a pH = 10 la especie que predomina del indicador es el HIn2-.

H2In-

HIn2-

Rojo AzulpK1= 6.3

+ H+ In

3-

NaranjapK2= 11.5

+ H+

-O3S

NO2

OH

N=N

Negro de Eriocromo T (H2In- )

El ácido etilendiaminotetraacético o EDTA, es una sustancia utilizada como agente quelante que puede crear complejos con un metal que tenga una estructura de coordinación octaédrica. Coordina a metales pesados de forma reversible por cuatro posiciones acetato y dos amino, lo que lo convierte en un ligando hexadentado, y el más importante de los ligandos quelatos.

EDTA, ácido etilendiaminotetraacético, tiene cuatro carboxilo y dos grupos amino;

grupos que pueden actuar como donantes de pares electrones, o bases de Lewis. La

capacidad de EDTA para potencialmente donar sus seis pares de electrones para la

formación de enlaces covalentes coordinados a cationes metálicos hace al EDTA un

ligando hexadentado. Sin embargo, en la práctica EDTA suele estar parcialmente

ionizado, y, por tanto, formar menos de seis enlaces covalentes coordinados con

cationes metálicos.

El Disodio EDTA se utiliza comúnmente para estandarizar las soluciones acuosas de

cationes de metales de transición. Tenga en cuenta que la forma abreviada de Na4-

xHxY se puede utilizar para representar a cualquier especie de EDTA, con la

designación de x número de protones ácidos enlazados a la molécula de EDTA.

EDTA forma un complejo octaédrico con la mayoría de cationes metálicos 2+, M2+, en

solución acuosa. La razón principal de que el EDTA se utiliza de manera amplia en la

normalización de los cationes metálicos de soluciones es que la constante de

formación para la mayoría de complejos cationes metálicos con EDTA es muy alta, lo

que significa que el equilibrio de la reacción:

M2+ + H4Y → MH2Y + 2H+

se encuentra ahora a la derecha. Llevar a cabo la reacción en una solución

tampón básico elimina H+, cuando este se forma, lo que también favorece la

formación de los complejos de EDTA con cationes metálicos como producto de la

reacción. Para la mayoría de los propósitos se puede considerar que la formación

de los complejos EDTA con cationes metálicos es completa, y esta es la principal

razón por el cual el EDTA se utiliza en valoraciones/estandarizaciones de este

tipo.

El EDTA se asocia antes con el Ca2+, destruyendo antes el complejo CaIn-. Finalmente, el EDTA se asocia con el Mg2+. La detección del punto final se realiza empleando la siguiente reacción indicadora:

donde HIn2- corresponde al indicador negro de eriocromo T.

El indicador negro de eriocromo T es inestable en soluciones acuosas y por ello se emplea en forma sólida, en relación 1:200 con cloruro de sodio.

La concentración individual de calcio y magnesio (durezas específicas) se pueden determinar mediante la eliminación de uno de los dos cationes (Ej. Para la determinación de la concentración de magnesio, podremos eliminar el calcio haciendo que precipite en forma de oxalato cálcico, CaC2O4).

Materiales y reactivos

Matraz aforado de 100 mL

Pipeta

Matraces Erlenmeyer

Espátula

Bureta.

Soporte y pinzas

EDTA 0,02 M como patrón primario

Disolución tampón de pH 10 de NH3/ NH4Cl. Se prepara disolviendo 6.56 gr. de NH4Cl y 57 ml de NH4OH en agua destilada y aforando a 100 ml.

Agua destilada

Indicador: Negro de eriocromo T (NET) al 1 % en NaCl. Se mezcla 1 g de indicador puro con 99 g de NaCl, y se homogeneíza en un mortero de vidrio.

Procedimiento

Verter 100 mL del agua problema en un erlenmeyer y añadir 5 mL de disolución reguladora a pH 10.

Añadir unos miligramos del indicador NET y mezclar.

Valorar con la disolución de EDTA hasta viraje del indicador desde rojizo hasta azul.

Anotar el volumen de EDTA consumido.

(*) Esta práctica hay que hacerla con dos tipos de aguas y se hacen tres determinaciones con cada una de las muestras.

Cálculos y resultados

Calcula el valor de la dureza total de las muestras de agua a partir de los resultados

obtenidos, expresando la misma en miligramos de CaCO3 por litro de agua. Exprésala

además en grados franceses y grados alemanes.

EDTAmolesdisoluciónLdisoluciónL

EDTAmoles.....00028.0..014.0

..

..02.0

OHmlengrCaCOmol

grCaCOCaCOdemoles 2

3

3

3 ....100....028.0..1

100......00028.0

Dureza en p.p.m : mppLmggr

mg

L

gr..280/280

1

1000

1

28.0

Dureza en Grados Alemanes (ºdH): 1 grado Aleman equivale a 17.9 mg CaCO3/L

H2O

Por tanto 280 mg CaCO3/L = 15.642 ºdH

Dureza en Grados Franceses (ºfH): 1 grado Francés equivale a 10 mg CaCO3/L H2O

Por tanto 280 mg CaCO3/L = 28 ºfH

Paloma Arjona Mudarra 1º Bachillerato D.