Esperienza III: Titolazione complessometrica per determinare la durezza di un'acqua

Considerati singolarmente, il carbonato di calcio si dissocia in ioni e il diossido di carbonio in acqua forma bicarbonato:

CaCO_3(s) Ca² _aq) + CO₃^2-_(aq)

CO₂ + H₂O H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-

Un'acqua "dura", a causa della deposizione dei sali di calcio e magnesio, quando questi ioni sono molto concentrati, può causare problemi sia a livello fisiologico, provocando l'accumulo di CaCO₃ nei reni, sia a livello industriale, con la diminuzione dell'efficienza dei saponi.   

Per tale esperienza abbiamo utilizzato un complessante ottaedrico esadentato, l'EDTA (Acido Diammino Tetra Acetico), dato che tale molecola forma dei complessi di coordinazione (composti formati da un atomo o uno ione centrale, circondato da leganti, ioni o molecole, che forniscono legami dativi) in cui si avvolge intorno a uno ione bivalente. Può avere sei posizioni complessanti, quindi gli ioni che può legare sono tenuti insieme da sei leganti, assumendo una conformazione spaziale ottaedrica. L'EDTA in forma pura si trova sotto forma di sale bisodico diidrato, in cui due dei quattro acidi acetici risultano essere deprotonati, andando a formare acetato di sodio:

HOOC-CH₂ CH₂-COO^- ∙∙∙ Na⁺

2H₂O  ∙∙∙∙ N-CH₂-CH₂-N

HOOC-CH₂    CH₂-COO^- ∙∙∙ Na⁺

Grazie a questo complessante abbiamo effettuato una titolazione che ci ha permesso di determinare dapprima la durezza totale dell'acqua, ovvero [Ca²⁺] + [ Mg²⁺], e in un secondo momento la concentrazione dei soli ioni Ca²⁺.

L'esperienza si può distinguere in tre fasi:

o   preparazione del complessante EDTA e della soluzione contenente il campione;

o   determinazione della durezza totale;

o   determinazione della [Ca²⁺].

Preparazione dell'EDTA e della soluzione contenente il campione

Il PM è uguale al Peq dato che i reagenti reagiscono in proporzioni stechiometriche uguali

Per prima cosa abbiamo calcolato il PM dell' EDTA disodico diidrato, al fine di determinare i grammi necessari per preparare 1l di una soluzione 0,01M:

PM = (10x12) + (2x14) + (1x18) + (10x16) + (2x23) + 18 = 372 uma

P = Peq x M x V = 372uma x 0,01M x 1l = 3,72g

Questi grammi di EDTA sono stati solubilizzati con H₂O distillata. Dopo aver agitato la soluzione con una bacchetta di vetro, solubilizzandola completamente, e dopo averla travasata con un imbuto nel matraccio da 1l, è stato raggiunto tale volume con l'aggiunta delle acque di lavaggio del becher e di altra acqua distillata. Con l'aiuto di un imbuto, abbiamo travasato all'interno di una buretta circa 50ml del liquido.

In una beuta abbiamo versato mediante una pipetta tarata, precedentemente avvinata, 25ml del campione di H₂O, più 5ml di un tampone ammoniacale, avente un pH≈10 e quindi un pOH compreso tra 4 e 5, NH4⁺/NH₃ (formato da una base debole, con pK_NH pari a 1,8x10^-5, e dal sale dell'acido forte). L'ambiente basico così ottenuto ha consentito la deprotonazione dell'EDTA (che solo in questa forma può complessare gli ioni contenuti nel campione) senza però provocare la precipitazione di Mg²⁺. Al tutto abbiamo aggiunto l'indicatore nero eriocromo T, una sostanza organica colorata che può fungere da legante polidentato e che reagisce con gli ioni secondo la reazione: Ind+Ca²⁺ CaInd^2-n. Dopo aver versato cinque gocce di eriocromo, la soluzione ha assunto una colorazione fucsia: questo è il colore in cui l'indicatore si presenta in forma indissociata, cioè quando forma un complesso con gli ioni calcio e magnesio. Questo complesso deve essere meno stabile di quello che deriva dall'EDTA, in modo che l'Acido Diammino Tetra Acetico sarà in grado di sottrarre gli ioni all'indicatore nel momento in cui avrà legato tutti gli ioni Ca²⁺ e Mg²⁺ liberi in soluzione.

Determinazione della durezza totale

Abbiamo quindi iniziato la titolazione aggiungendo l'EDTA contenuto nella buretta: inizialmente il colore non è cambiato molto, perché erano presenti più ioni Ca²⁺ e Mg²⁺ in forma libera; quando la soluzione è virata da rosa fucsia a blu, abbiamo interrotto l'erogazione chiudendo il rubinetto della buretta. Il cambiamento di colore è dovuto al fatto che l'indicatore era in forma dissociata, dal momento che tutti gli ioni si sono "staccati" da esso, preferendo reagire con l'EDTA. Ciò significa che è stata raggiunta l'equivalenza ed è avvenuta la reazione:

Y^4- + Ca²⁺ → CaY^2- Y^4- =EDTA deprotonato

I risultati ottenuti effettuando tre volte l'operazione sono stati: V₁ = 8,4ml, V₂ = 8,6ml, V₃ = 8,4ml, con V_m =(V₁+V₂+V₃)/3 = 8,46ml. Da cui:   

M(Ca²⁺+Mg²⁺) = (MEDTA*VEDTA)/V(Ca²⁺+Mg²⁺) = (0,01*8,46)/2,5 = 3,38*10^-3 mM

1 F°→10mg/l di CaCO3 PMCaCO = 100uma

Quindi abbiamo convertito il risultato in gradi francesi:

M*PMCaCO₃*1000 = 3,38*10^-3*10²*10² = 33,8 F^°

I gradi francesi si misurano così, considerando gli ioni calcio e magnesio come fossero tutti Ca²⁺ e assumendo che gli ioni Ca²⁺ corrispondono a CaCO₃.

Determinazione della concentrazione di calcio

Per determinare solo la concentrazione di Ca²⁺ del campione, abbiamo aggiunto a 25ml della nostra acqua 1ml di soluzione preparata con 2g di NaOH, sciolto in 10ml di H₂0 distillata; ciò ha provocato un ambiente basico avente pH=14, che ha consentito la precipitazione degli ioni Mg²⁺, sottraendoli così dall'ambiente di reazione (in modo da far reagire successivamente con l'EDTA solo gli ioni Ca²⁺):

Mg²⁺ + 2OH^- → Mg(OH)₂↓

Al tutto sono stati aggiunti alcuni cristalli di muresside, indicatore che forma complessi solo con Ca²⁺ (conferendo alla soluzione un colore rosa pallido), e altra acqua distillata portando la soluzione al volume di 50ml. Aggiungendo il titolante EDTA goccia a goccia, quando è stata raggiunta l'equivalenza, cioè quando metà degli equivalenti di EDTA hanno reagito con metà degli equivalenti della nostra soluzione, il colore ha virato da rosa pallido a violetto, ai seguenti volumi:

V₁ = 6,1ml, V₂ = 5,7ml, V₃ = 6ml, con V_m = (V₁+V₂+V₃)/3 = 5,93ml, da cui abbiamo calcolato la [Ca²⁺].

MCa²⁺ = (MEDTA *VEDTA)/VCa²⁺=(0,01*5,93)/25 = 2,372*10^-3 mM

Per differenza è stato possibile calcolare anche la concentrazione di Mg²⁺:

([Mg²⁺]+[ Ca²⁺]) - [Ca²⁺] = 3,38*10^-3 mM - 2,372*10^-3 mM = 1,008*10^-3 mM

Se la concentrazione di Mg²⁺ fosse stata maggiore di quella del Ca²⁺, avrebbe significato che l'acqua da noi analizzata sarebbe stata stagnante, cioè a contatto con dei vegetali in decomposizione, dato che il magnesio in essa contenuto deriva proprio dalla clorofilla delle piante.