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 complejo métrico, 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:

H2In- HIn2-

Rojo AzulpK1= 6.3+ H+ In3-

NaranjapK2= 11.5

+ H+

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+.

-O3S

NO2

OH

N=N

Negro de Eriocromo T (H2In- )

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).

El EDTA (ácido etilendiaminotetraacético) cuya formula química es C10H16N2O8 reacciona primero con todo el Ca y luego con el Mg de la muestra de agua. Como el agua es transparente usamos un indicador NET (Negro de Eriocromo T) es un indicador de iones metálicos que reacciona con el Mg. El NET es color azul, y en presencia de Mg se torna color borra vino.

Los enlaces del EDTA con el Mg son más fuertes que los del NET con Mg. En concentración (0,01M) de EDTA: 1 mL EDTA equivale a 1 mg CaCO3.Primero cargamos el erlenmeyer una muerta de agua, y le agregamos el indicador.

Ca2+ + Mg2+ + NET - NET-Mg + Ca2+

En relación con la salud, la dureza del agua no suele ser un problema ni para el consumo humano ni para el de otras especies. Sin embargo tiene efectos adversos para muchos fines industriales, como por ejemplo, para el uso del agua en las calderas, debido a que las incrustaciones que ocasiona pueden provocar la explosión de las mismas. También para usos domésticos como el lavado de textiles, las aguas duras presentan inconvenientes debido a que los elementos alcalinotérreos forman sales insolubles con los ácidos carboxílicos que componen los jabones, precipitándolos y reduciendo de esta forma, su acción limpiadora.

Pese a ser la dureza una expresión de la concentración de los elementos alcalinotérreos en el agua, normalmente se toma esta como una medida casi exclusiva de la concentración de los iones de calcio y magnesio; esto, debido a que estos dos elementos son mucho mas abundantes y frecuentes en las aguas naturales, que todos los demás alcalinotérreos.

El complejo que se forma entre el Ca2+y el indicador es demasiado débil para que ocurra el cambio de color adecuado. Sin embargo, el magnesio forma un complejo más estable que el calcio y se obtiene un punto final apropiado en un amortiguador de amoniaco a pH 10. Si la muestra no contiene magnesio se puede agregar un poco de sal de magnesio al EDTA antes de estandarizarlo. De esta manera, el titulante (pH 10) es una mezcla de MgY2-y Y4-y cuando se agrega a la solución que contiene Ca2+, se forma la sal CaY2-, que es más estable, y se libera el Mg2+que reacciona con el indicador para formar el MgIn-de color rosa. Cuando todo el calcio se ha agotado, el titulante adicional convierte el MgIn-en MgY2-y el indicador regresa a la forma Hin2-de color azul.

La dureza del agua es causada por las sales solubles en ella; puede ser temporal o permanente. La dureza temporal es causada por bicarbonato cálcico o de magnesio y puede ser eliminada con la ebullición. Los bicarbonatos alcalinos generalmente son escasos en el agua. La dureza permanente del agua es causada por los sulfatos y los cloruros de calcio y magnesio. La suma de la dureza temporal y la permanente se llama dureza total del agua.

Materiales y reactivos

Matraz aforado de 100 mL Pipeta Matraces Erlenmeyer

Bureta, pie y pinzas

Espátula 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

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.

Cálculos y resultados

Conclusiones

Esta práctica me ha resultado muy interesante, ya que podiamos observar y calcular la dureza del agua a través de un cambio del color del agua. Le hemos tenido que añadir NET al principio y después hemos añadido el EDTA lentamente. A nosotros nos ha salido un azul muy claro porque no le hemos echado mucho NET, y

por lo tanto el rosa tampoco ha sido muy oscuro. Todo dependía de la cantidad de NET que echáramos. Creo que nos ha salido bien y los cálculos no han sido difíciles. Nos ha salido 394 ppm por lo que el agua del grifo tiene una dureza alta, por lo que es dura.

Cristina Ibáñez Muñoz 1º Bach-D