Лабораторная работа. 
Химия в строительстве

В ходе выполнений заданий студент самостоятельно осуществляет химические опыты, записывает признаки и уравнения реакций, на основании проведенных исследований делает выводы о свойствах воды и составе природных вод.

Опыт 1. Определение общей жесткости воды и ее агрессивности по уровню магнезиальной коррозии бетона.

Сущность метода. Общую жесткость воды определяют титриметрическим методом, используя в качестве титранта комплексон III (ЭДТА).

Сначала титруют воду раствором комплексона III в присутствии индикатора хромогена черного, определяют суммарное содержание в ней ионов кальция и магния. Затем находят отдельно содержание кальция, титруя вытяжку комплексоном III в присутствии индикатора мурексида. По разности между результатами этих определений вычисляют содержание магния.

Индикатор хромоген черный образует с ионам магния и кальция комплексы винно-красного цвета в аммиачной среде:

Константы устойчивости комплексов равны соответственно 2,6−10⁶ и 1−10⁷ для Са²⁺ и Mg²⁺. Величина констант устойчивости комплексов Са²⁺ и Mg²⁺ с комплексоном Ш (ЭДТА) на порядок больше (3,7−10⁷ и 5−10⁸). Поэтому при титровании комплексы металлов с индикатором разрушаются и образуются более прочные комплексы с ЭДТА (при pH ~ 10):

Calnd- + Na₂[H₂Y] = Na₂[CaY] + HInd2- + H+.

В точке эквивалентности винно-красная окраска раствора сменяется синей вследствие накопления анионов индикатора.

Аналогично процесс протекает и с индикатором мурексидом — розовая окраска переходит в сине-фиолетовую.

Реактивы и оборудование: комплектен III (ЭДТА) 0,05 н., хромоген черный с NaCl, мурексид с NaCl, NaOH 2 н., аммиачный буфер (NH₄C1 20 г + NH₄OH 80 мл 25%-ного раствора), бюретка со штативом, коническая колба для титрования, пипетка на 100 мл.

Выполнение опыта. Подготовка бюретки к работе. Тщательно вымытую бюретку дважды ополосните небольшими порциями раствора ЭДТА для удаления остатков воды. Пользуясь воронкой, наполните бюретку титрантом так, чтобы мениск ее был несколько выше нулевого деления. Заполните раствором оттянутую трубку, вытеснив из нее пузырьки воздуха. Затем уберите воронку, так как с нее может капать раствор, и, выпуская лишний титрант ЭДТА, установите нижний край мениска на нулевом делении. В таком состоянии бюретка готова к работе.

Определение общей жесткости воды. Образец исследуемой воды объемом 100 мл переносят пипеткой в колбу для титрования, прибавляют 5 мл аммонийной буферной смеси, вносят на кончике шпателя 20—30 мг индикатора хромогена черного и титруют 0,05 н раствором комплексона III до перехода винно-красной окраски жидкости в синюю. Повторяют титрование 2—3 раза и из сходящихся отсчетов находят среднее.

Для определения содержания кальция 100 мл воды переносят пипеткой в колбу для титрования, приливают 2,5 мл 2 н раствора NaOH, вносят на конце шпателя 30—40 мг смеси индикатора мурексида с хлоридом натрия. Затем медленно титруют жидкость 0,05 н раствором комплексона III до перехода розовой окраски в сине-фиолетовую, не исчезающую в течение 3 мин. Повторяют титрование 2−3 раза и из сходящихся отсчетов находят среднее.

Задание. Запись данных опыта.

1. Занесите полученные данные по титрованию в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Результаты титрования воды.

2. Рассчитайте значение общей жесткости воды.

где С_ЭДТА — молярная концентрация эквивалентов раствора комплексона III, н; V_lcp — объем раствора комплексона, затраченный на титрование суммарного содержания ионов кальция и магния, мл; У_воды — объем воды, взятый для титрования, мл.

3. Рассчитайте концентрацию магния в анализируемой воде, мг/л:

где С (ЭДТА) — молярная концентрация эквивалентов раствора комплексона III, н; У_1ср — объем раствора комплексона, затраченный на титрование суммарного содержания ионов кальция и магния, мл; V_2cp — объем раствора комплексона, затраченный на титрование ионов кальция, мл; У_воды — объем воды, взятый для титрования, мл; М_эк Mg2+ — молярная масса эквивалентов ионов магния, г/моль-экв.

• 4. На основании классификации воды по жесткости (п. 1.6) оцените качество исследуемой воды и пригодность ее для пищевых и технических целей.
• 5. Учитывая нормативы содержания ионов магния по ГОСТ 31 384— 2008, оцените агрессивность исследуемой воды по отношению к бетону различных марок водонепроницаемости: W4 — 2000 мг/л Mg²⁺, W6 — 3000 мг/л, W8 — 4000 мг/л.

Опыт 2. Определение щелочности воды

Сущность метода. Содержание гидрокарбонатов и их трансформация определяется pH водного раствора:

• — pH < 4,5 — в воде присутствует только свободная углекислота
• (С0₂),
• — 4,6 < pH < 8,4 — щелочность определяется концентрацией гидрокарбонат-ионов,
• — 8,5 < pH < 12 гидрокарбонатная щелочность постепенно уменьшается при одновременном увеличении карбонатной щелочности.

Реактивы и оборудование. НС1 0,1 н; метиловый оранжевый, универсальный индикатор; анализируемая вода; мерная пипетка на 100 мл, штатив с бюреткой; коническая колба для титрования; стакан для слива.

Ход определения. 1. Определение pH анализируемой воды. Пользуясь универсальным индикатором, определяют pH воды.

• 2. Подготовка бюретки к работе. Тщательно вымытую бюретку дважды ополаскивают небольшими порциями кислоты для удаления остатков воды. Пользуясь воронкой, наполняют бюретку кислотой так, чтобы мениск ее был несколько выше нулевого деления. Заполняют раствором оттянутую трубку, вытеснив из нее пузырьки воздуха. Затем убирают воронку, так как с нее может капать раствор, и, выпуская лишнюю кислоту, устанавливают нижний край мениска на нулевом делении. В таком состоянии бюретка готова к работе.
• 3. Чистой мерной пипеткой вместимостью 100 мл переносят 100 мл анализируемой воды в коническую колбу. Прибавляют 2—3 капли метилового оранжевого, раствор окрасится в желтый цвет.
• 4. Приготовление раствора-«свидетеля». В отдельную коническую колбу вносят 100 мл дистиллированной воды, 1 каплю соляной кислоты НС1 и 1 каплю метилоранжа.
• 5. Титрование. Титруют воду раствором НС1 до перехода желтой окраски индикатора в бледно-розовую. Повторяют титрование 2—3 раза и заносят результаты титрования в таблицу.

Задание. Сделайте запись данных опыта.

1. Занесите результаты определений в табл. 1.3.

Чтобы вычислить гидрокарбонатную щелочность (град.) находят молярную концентрацию эквивалентов гидрокарбонат-ионов и умножают ее на 1000:

Запись данных опыта.

Таблица 1.3

• 2. На основании полученного значения гидрокарбонатной щелочности воды определите агрессивность воды по отношению к коррозии бетона (см. ГОСТ в табл. 4.7).
• 3. Запишите в молекулярном и ионно-молекулярном виде уравнения взаимодействия гидрокарбоната кальция с соляной кислотой
• 4. Составьте уравнение реакции в молекулярном и ионно-молекулярном виде, которое описывает процесс, повышающий плотность и устойчивость цементного камня к разрушению при высокой щелочности воды.