Veden kovuus. KOHDERYHMÄ: Työ on suunniteltu lukiolaisille. Se voidaan tehdä esimerkiksi kursseilla KE5 ja työkurssi.

Transkriptio

1 KOHDERYHMÄ: Työ on suunniteltu lukiolaisille. Se voidaan tehdä esimerkiksi kursseilla KE5 ja työkurssi. KESTO: n. 60 min. Työn kesto riippuu käsittelylaajuudesta ja ryhmän koosta. MOTIVAATIO: Huomaat, että vedenkeittimessäsi on valkoinen saostuma. Päättelet, että saostuma on peräisin vedestä. Haluat varmistaa, että vettä on turvallista juoda ja viet sitä tutkittavaksi laboratorioon. Laboratoriossa kemisti haluaa tarkistaa veden puskuripitoisuuden ja pyytää sinua auttamaan mittauksissa. Työssä voidaan käyttää mittausautomaatiota. TAVOITE: Työn tavoitteena on perehtyä puskuriliuoksiin ja niiden toimintaperiaatteeseen. Työssä käsitellään happojen ja emäksien neutralointireaktioita. Työn tarkoituksena on myös havainnollistaa talousveden happamuuteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä voidaan syventyä haluttaessa ph-mittarin toiminta periaatteeseen ja potentiaali käsitteeseen. AVAINSANAT: ph Pehmeä ja kova vesi Puskuriliuos Happo Emäs Neutralointi Arkipäivän kemia Huomaat, että vedenkeittimessäsi on valkoinen saostuma. Päättelet, että saostuma on peräisin vedestä. Haluat varmistaa, että vettä on turvallista juoda ja viet sitä tutkittavaksi laboratorioon. Laboratoriossa kemisti haluaa tarkistaa veden puskuripitoisuuden ja pyytää sinua auttamaan mittauksissa. TAUSTAA Suomessa vesi on useimmiten pehmeää. Vain muutamilla paikkakunnilla on keskikovaa tai kovaa vettä. Sen sijaan Keski-Euroopassa on tavallisesti kovaa vettä sisältäen huomattavan määrän kalsium- ja magnesiumsuoloja. Veden kovuudella siis tarkoitetaan lähinnä sen sisältämien kalsium- ja magnesiumsuolojen määrää. Kova vesi aiheuttaa ongelmia esimerkiksi kalkkisaostumien kertymisenä putkistoihin ja lämminvesilaitteisiin sekä vaatii runsasta pesuaineiden käyttöä pesutilanteessa. Toisaalta pehmeällä vedellä on omat ongelmansa. Liian pehmeä ja hapan vesi aiheuttaa korroosiota putkistoissa, mikä tarkoittaa sitä, että putkistoista irtoaa vettä värjääviä ja makuhaittoja aiheuttavia Ca- ja Fe-yhdisteitä, jolloin veden laatu ei ole enää hyväksyttävää. Veden kovuudella ja ph-arvolla on yhteys veden syövyttäviin ominaisuuksiin. Jos vesi on pehmeää ja sen ph-arvo on liian alhainen, vesi

2 syövyttää putkistoja ja liuottaa putkistoista metalleja, kuten rautaa. Putken ohentumisesta seuraa ennen pitkää sen rikkoontuminen. Suuressa osassa Suomea raakavedet ovat ennen käsittelyä happamia, mikä tarkoittaa, että ph-arvo on alle 7. Jotta putkistoissa tapahtuva korroosio saataisiin minimoitua, raakaveteen lisätään kalsiumhydroksidia, jolloin sen ph-arvo nousee 9:ään ja samalla veden kovuus lisääntyy. Tämän jälkeen veteen syötetään hiilidioksidia, kunnes veden ph-arvo laskee ja asettuu tasolle 8,0 8,5. Hiilidioksidi muodostaa veden kanssa reagoidessaan hiilihappoa H 2 CO 3, joka hajoaa osittain - vetykarbonaatiksi HCO 3 ja edelleen karbonaatti-ioneiksi CO - 3. Vetykarbonaattiioni tuo veteen puskurikapasiteetin, joka vähentää ph:n heilahteluja. Nyt veden sisältämät kalkki ja hiilihappo ovat tasapainossa keskenään. Tällä tavoin käsitelty vesi kykenee vastustamaan ph-muutoksia eli sen puskurikapasiteetti lisääntyy ja samalla putkistojen korroosio sekä metallien liukeneminen on minimissään. Lisäksi kalsiumkarbonaatista muodostuu ohut suojaava kerros putkistojen seinämille ajan kuluessa. POHDITTAVAKSI ENNEN TYÖTÄ Mitä hapon ja emäksen reagoidessa keskenään tapahtuu? Happo luovuttaa vetyionin (protonin) emäkselle. Millaisia seurauksia siitä on, jos juomavettä ei käsitellä kalsiumhydroksidilla ja hiilidioksidilla? Jos veteen ei lisätä kalsiumhydroksidia, kasvaa putkistossa korroosion riski. Kalsiumhydroksidia lisättäessä veden ph arvo kohoaa ja samalla veden kovuus lisääntyy. Hiilidioksidi taas muodostaa veden kanssa reagoidessaan hiilihappoa - H 2 CO 3, joka hajoaa osittain vetykarbonaatiksi HCO 3 ja edelleen karbonaattiioneiksi CO - 3. Vetykarbonaatti-ioni tuo veteen puskurikapasiteetin, joka vähentää ph:n heilahteluja. Mihin ph-mittarin toiminta perustuu? Miksi ph-mittari ei toimi ionivaihdetulla vedellä? ph-mittarin sisällä on elektrodi, joka mittaa liuoksen potentiaalia. Potentiaali-

3 muutoksen aiheuttavat erikokoiset ja varauksella olevat ionit. Mittarissa näkyvä lukema on potentiaaliero, joka saadaan vähentämällä elektrodin arvo vertailuelektrodin arvosta. Ionivaihdetussa vedessä ei ole ioneja, joten liuoksen potentiaalia ei voi mitata. Mitä tarkoittaa puskuriliuos? Entä puskurikapasiteetti? Puskuriliuos on liuos, jonka ph arvo ei muutu huomattavasti, kun siihen lisätään pieniä määriä happoa tai emästä. Puskuriliuos siis pystyy vastustamaan ph:n muutoksia tiettyyn rajaan asti. Puskuriliuos sisältää heikkoa happoa ja sen vastinemästä tai heikkoa emästä ja sen vastinhappoa. Liuoksessa on siis hiukkasia, jotka toimivat emäksenä ja hiukkasia, jotka toimivat happona. Liuoksen puskurikapasiteetti kuvaa liuoksen kykyä vastustaa ph:n muutoksia. Liuoksen puskurikapasiteetti on paras silloin, kun liuos sisältää lähes yhtä suuret konsentraatiot heikkoa emästä ja sen vastinhappoa. Mihin puskuriliuoksia käytetään? Anna esimerkki puskuriliuoksesta. Puskuriliuoksia hyödynnetään muun muassa monissa kemian ja biokemian käytännön töissä sekä lääketieteessä. Esimerkiksi biomolekyylejä eristettäessä ja niitä tutkittaessa näyteliuoksen ph säädetään vastaamaan solunesteen ph-arvoa käyttämällä puskuriliuoksia. Puskuriliuoksia käytetään myös ph mittareiden kalibrointiin. Esimerkiksi veri on puskuriliuos. Esimerkki heikosta haposta ja sen vastinemäksestä muodostuvasta puskurisysteemistä on etikkahappo CH 3 COOH ja asetaattiioni CH3COO -. Vastaavat heikolle emäkselle ja sen vastinhapolle ovat ammoniakki NH 3 ja ammonium-ioni NH + 4. Mistä vedenkeittimen valkoinen saostuma voisi johtua? Keittimessä on luultavasti kalkkisaostuma, joka johtuu veden suuresta kovuudesta.

4 REAKTIOT: 2 Fe + O H 2 O 2 Fe OH - H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 HCO H + (aq) CO H + (aq) Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 CaCO 3 + H 2 O Ca(OH) 2 + 2CO 2 Ca HCO 3 REAGENSSIT: Ionivaihdettua vettä Juomavettä hanasta Kylläistä Ca(OH) 2 - liuosta Hiilihapotettua vettä 0,1M Suolahappoa Puskuriliuoksia kalibrointiin ph 4 ja ph 10 TARVIKKEET: 4 kpl 400 ml dekantterilaseja 2 kpl 100 ml dekantterilaseja 500 ml mittalasi automaattipipetti (Finpipette) 10 ml mittapipetti ja pumpetti magneettisekoittaja ph-mittari statiivi, koura ja kaksoispuristin pesupullo ph-anturin huuhteluun Astia huuhteluvedelle TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTELY Laboratoriotakki, -lasit ja hanskat. Kalsiumhydroksidi on erittäin emäksistä. Roiskeiden sattuessa huuhdellaan ihoa ja silmiä runsaalla vedellä useiden minuuttien ajan. Suolahappo on syövyttävä aine. Jos happoa joutuu silmiin, niitä huuhdotaan luomet auki juoksevan veden alla useita minuutteja Tarvittaessa lääkäriin. Jätteet hävitetään neutraloimalla ne ja huuhtelemalla viemäriin.

5 TYÖOHJE Kylläinen kalsiumhydroksidiliuos kannattaa valmistaa etukäteen. Ionivaihdettuun veteen lisätään kiinteää kalsiumhydroksidia Ca(OH) 2 ylimäärin magneettisekoittajan sekoittaessa liuosta. Sekoitus lopetetaan ja annetaan ylimäärän laskeutua pohjalle. Liuoksen ollessa kirkasta se suodatetaan. ph-mittarin kalibrointi (tarvittaessa) Kalibroi ph-mittari tunnetuilla puskureilla. Käytä liuoksia ph 4 ja ph 10. Ionivaihdetun veden ja hanaveden puskurikapasiteetin lisääminen Ionivaihdetulle vedelle (300 ml) sekä juomavedelle (300 ml) tehdään samat toimenpiteet puskurikapasiteettia valmistettaessa / lisättäessä. 1. Mittaa mittalasilla ionivaihdettua vettä 300 ml (Dekantterilasi 400 ml). Mittaa toiseen lasiin juomavettä 300 ml. 2. Kiinnitä ph-anturi kouran avulla statiiviin. 3. Lisää molempiin kylläistä Ca(OH) 2 -liuosta vähitellen. Käytä lisäämiseen 10 ml:n mittapipettiä ja pumpettia magneettisekoittajan sekoittaessa liuosta. 4. Pidä kirjaa lisätystä liuoksen määrästä (taulukko 1). 5. Kalsiumhydroksidi on veteen niukkaliukoinen, joten kestää jonkin aikaa ennen kuin se hajoaa vedessä ioneiksi nostaen ph-arvoa. Lisää Ca(OH) 2 -liuosta, kunnes ph-arvo nousee tasolle yhdeksän (ph = 9). 6. Kirjaa lisäämäsi liuosten määrät sekä tarkat ph-arvot taulukkoon (taulukko 1). 7. Lisää edellisiin automaattipipetillä (Finnpipette) hiilihapotettua vettä, kunnes liuoksen ph-arvo laskee kahdeksaan (ph = 8). Kirjaa lisätyt määrät sekä pharvot taulukkoon. Nyt olet saanut aikaan ionivaihdetulle vedelle puskurikapasiteetin ja lisännyt juomaveden puskurikapasiteettia.

6 Taulukko 1 Vesinäyte Määrä [ml] ph Määrä [ml] ph Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 CO 2 (aq) CO 2 (aq) (aq) (aq) lisää- lisäämisen misen jäl- jälkeen keen Ionivaihdettu vesi Juomavesi Vesiliuosten puskurikapasiteetin tutkiminen ja vertailu Seuraavaksi tutkitaan valmistamiesi vesiliuosten sekä juomaveden ja ionivaihdetun veden puskurikapasiteettia. Kaikkien liuosten tilavuus tulee olla sama (300 ml), jotta tulokset ovat vertailukelpoisia. Tuloksista laaditaan graafinen esitys, jossa x-akselilla on lisätyn suolahapon tilavuus pisaroina ja y-akselilla liuoksen ph. Tee pyydetyt toimenpiteet kullekin näytteelle erikseen. Mittauksessa voi käyttää hyväksi mittausautomaatiota. 1. Mittaa ja kirjaa liuosten ph-arvot taulukkoon 2 ennen suolahapon lisäämistä. 2. Lisää suolahappoa pisara kerrallaan ja piirrä ph-arvoa vastaava piste jokaisen lisäyksen jälkeen kuvaajaan. 3. selvitä, miten paljon kukin näyte sietää 1M suolahapon lisäämistä ennen kuin sen ph laskee neljään (ph = 4). 4. Kirjaa lisättyjen suolahappopisaroiden kokonaismäärä taulukkoon. 5. Yhdistä kuvaajan pisteet käyräksi.

7 Taulukko 2 vesinäyte Ionivaihdettu vesi, jonka puskurikykyä on lisätty Juomavesi, jonka puskurikykyä on lisätty Ionivaihdettu vesi Juomavesi ph ennen HCl:n lisäystä HCl lisätty pisaramäärä POHDINTAA Mitä enemmän happoa voidaan lisätä ilman, että sen ph-arvo muuttuu, sitä parempi puskurikapasiteetti liuoksella on. Vertaile eri näytteiden kykyä vastustaa ph-muutosta happoa lisätessä ja mieti vastauksia seuraaviin kysymyksiin. Millä tutkimistasi liuoksista on vahvin puskurikapasiteetti? Miksi? Juomavesi, jonka puskurikapasiteettia on vahvistettu sisältää eniten Ca 2+ ja HCO - 3 -ioneja. Nämä ionit voivat tarvittaessa reagoida liuokseen tuodun hapon tai emäksen kanssa, niin ettei ph muutu. Mitä puskurikykyisessä liuoksessa tapahtuu, jos sinne lisätään vähäinen määrä happoa tai emästä? Puskuriliuos sisältää yhtä suuren määrän heikkoa happoa ja sen suolaa tai heikkoa emästä ja sen suolaa. Kun puskuriliuokseen lisätään happoa, kuluvat lisäyksestä liuokseen tulleet oksoniumionit vastinemäksen neutralointiin. Emäslisäyksen hydroksidi-ionit (OH - ) taas kuluvat heikon hapon neutralointiin. Liuoksen ph pysyy lähes samana niin kauan, kun liuos sisältää emästä, jonka kanssa happo voi reagoida. Vastaavasti emästä lisättäessä happoa, jonka kanssa emäs voi reagoida.

8 Mistä syystä valmistamasi puskurikykyinen ionivaihdettu vesi ja samalla tavalla käsittelemäsi juomavesi eivät käyttäytyneet samoin 1M HCl-liuosta lisättäessä? Tämä johtuu siitä, että lähtötilanteessa ionivaihdettu vesi ja juomavesi ovat puskurikapasiteetiltaan erilaisia. Vaikka ne tässä työssä käsiteltiin samalla tavalla, on juomavesiliuoksessa jäljellä myös siellä alkutilanteessa olleet ionit. Ne tekevät juomaveden puskurikyvyn ionivaihdettua vettä paremmaksi. Mitä voit päätellä vesinäytteistä piirtämiesi kuvaajien perusteella? Onko vettä turvallista juoda? Miten kalkki saadaan poistettua vedenkeittimestä? Vettä on turvallista juoda. Keitin voidaan puhdistaa esimerkiksi sitruunahapolla, etikalla tai soodalla. Mitä merkitystä veden puskurikapasiteetilla on arjen kannalta? Miten puskurikapasiteetin kävisi, jos käytössä olisi kraanaveden sijasta kaupan juomavesi? Entä sadevesi? Tehtäviä kotiin Pohdi seuraavia kysymyksiä ja yritä löytää niille vastaukset perusteluineen. Voit käyttää kirjallisuutta tai internet-lähteitä tiedon hakuun. 1. Miten voit vähentää kalkkisaostuman määrää veden keittimessäsi? 2. Hanasta tuleva vesi on sameaa ja hieman ruskehtavaa. Mistä tässä tilanteessa voisi olla kyse? 3. Hanasta tulee vihertävää vettä. Mistä veden vihreä väri voisi olla peräisin? 4. Millaisia vaikutuksia luonnonvesien paremmalla puskurikapasiteetilla olisi?