Relatorio 5 - QA - Dureza da água (1)

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Universidade Federal de São João Del-Rei
Campus Alto Paraopeba
Engenharia Química
Determinação da dureza da água
Relatório apresentado como parte das exigências
da disciplina Química Analítica Experimental sob
responsabilidade da Profª. Ana Maria de Oliveira.
Camila Magalhães Garcia – 124500039
Gabriel Renault de Mendonça – 124500024
Marcos Antônio Ramos – 124500023
Rafael Oliveira Paes de Lima – 124500029
Ouro Branco – MG
Outubro/2013
Determinação da dureza da água
RESUMO
Dureza da água é a propriedade relacionada com a concentração de íons de determinados minerais dissolvidos nesta substância. A dureza da água é predominantemente classificada peça presença de sais de Cálcio e Magnésio, de modo que o principais íons levados em consideração na medição são os de Cálcio (Ca2+) Magnésio (Mg2+). O trabalho realizado, tem o objetivo determinar a dureza da água da torneira através da titulação complexo métrica de três amostras, utilizando EDTA como titulante. Esta determinação é um dado muito importante, usado para avaliar a qualidade da água. Denomina-se dureza total a soma das durezas individuais atribuídas à presença de íons cálcio e magnésio. Outros cátions que se encontram associados ou precipitados antes da determinação. A composição química da Água é, portanto, a sua dureza e depende em grande parte do solo da qual procede. Assim águas brancas são encontradas em solos basálticos, areníferos e graníticos, enquanto que águas brancas que procedem de solos calcários apresentam frequentemente durezas elevadas (HARRIS, 2005).Na parte de determinação da dureza da água, preparou-se três amostras de água de torneira com a adição de solução tampão NH3/NH4Cl e indicador negro de eriocromo T. Após isso, realizou-se a titulação das três alíquotas e, também, de uma amostra de água destilada (branco) com EDTA 0,0006 mol L-1 com o auxílio de uma bureta até que o ponto de equivalência fosse atingida (alteração de cor de vinho avermelhado para azul). Para a segunda parte, quatro alíquotas de água de torneira foram preparadas com a adição de 30 gotas de hidróxido de sódio 50% m/m em cada uma e agitação durante 2 minutos para a precipitação de Mg(OH)2. Em cada frasco, foi adicionado o indicador complexométrico hidroxinaftol e posteriormente realizou-se a titulação com EDTA até que o ponto final azul fosse obtido. Caso houvesse precipitado na solução, presença de Ca(OH)2, seria necessário repetir a titulação até que todo o precipitado fosse solubilizado. Além disso, foi feita a titulação com água destilada também.
Resultados e discussão
	Para a determinação quantitativa de íons metálicos, um eficiente método é a titulação complexométrica. Nessa titulação, o íon reage com um ligante adequado formando um complexo e o ponto de equivalência é determinado com o auxílio de um indicador ou método instrumental (SKOOG et. al., 2008). O complexo formado, na prática realizada, foi um quelato, pois favorece a formação de produto na reação, uma vez que é um complexo mais estável.
PARTE I
	Na determinação da dureza da água, o uso da solução tampão foi importante para que a formação do complexo do cátion com o EDTA seja propiciada. Isso acontece, porque a solução tampão remove íons H+ do meio reacional, fazendo com que a reação 1 seja deslocada no sentido de formação do complexo.
	Reação 1: M2+ + H4Y MH2Y + 2H+
	Na reação 1, M é o metal, H4Y é a molécula de EDTA com quatro hidrogênios e MH2Y é o complexo formado. Outro motivo de uso da solução tampão, é que o aumento da alcalinidade do meio ocasionaria a reação de formação dos hidróxidos de cálcio e magnésio, o que dificultaria a análise almejada. A utilização desse tampão se torna ideal para o procedimento quando este não é suficiente para a formação destes hidróxidos. (SKOOG et al., 2008). Sendo assim, fora necessário utilizar um indicador complexométrico que possuísse uma faixa de viragem de pH que estivesse entre o pH do meio reacional, minimizando o erro da titulação. Assim, quando há a maior formação de íons metálicos, a sua coloração se modifica para a cor azul.
	Com o início da titulação até o ponto de equivalência, os íons magnésio são deslocados do seu complexo com EDTA pelos íons cálcio e ficam livres para se combinar com o negro de eriocromo T e a solução se torna vinho avermelhada. Uma vez que os íons cálcio forem complexados, os íons magnésio são liberados novamente e se combinam com o EDTA formando o seu respectivo complexo até que o ponto final (coloração azul) seja observado (BACCAN et al., 2001).
	A fim de saber a exatidão do método, fez-se a determinação do branco. Sendo assim, é possível perceber os erros associados ao experimento devido às interferências causadas pelas vidrarias e reagentes empregados. Um branco contém os reagentes e solventes usados na determinação, mas não o analito (SKOOG et al., 2008).
	Para cada replicata realizada foi contabilizado o volume de EDTA utilizado na titulação subtraído do volume titulado para o branco, que foi de 3,3 mL. A tabela 1 mostra os valores de EDTA gastos nas titulações com o volume da titulação da água destilada retirado:
Tabela 1: Volumes gastos de EDTA em cada uma das titulações e seus respectivos volumes considerando a influência do branco.
	Replicata
	Volume de EDTA (mL)
	Volume de EDTA com a influência do branco (mL)
	1
	31,5
	28,2
	2
	30,8
	27,5
	3
	30,4
	27,1
	Branco
	3,3
	-
	Em águas naturais, a concentração de íons cálcio e magnésio geralmente excedem muito a de qualquer outro íon metálico. Consequentemente, a dureza é expressa em termos da concentração de carbonato de cálcio que é equivalente a concentração de todos os cátions multivalentes presentes na amostra (BACCAN et al., 2001)
	No ponto de equivalência da titulação, temos que a quantidade de matéria em mol do titulante (EDTA) é igual à quantidade de matéria em mol dos íons Ca+. Assim temos:
nEDTA = nCa+
Equação 1: MEDTA x VEDTA = MCa+ x Vamostra
Sendo:
MEDTA = molaridade do EDTA
VEDTA = volume titulado de EDTA retirado o branco
MCa+ = molaridade dos íons Ca+
Vamostra = volume de água de torneira utilizado
Para a primeira replicata (28,2 mL de EDTA), encontrou-se a molaridade dos íons cálcio, em mol L-1:
0,0006 molL-1 x 0,0282 L = MCa+ x 0,050 L
MCa+ = 3,384x10-4 molL-1
	Porém, como dito acima a dureza é expressa em termos da concentração de carbonato de cálcio, em mg L-1. Como a concentração dos ions cálcio é equivalente a concentração de carbonato de cácio, e a massa molar de CaCO3 é de aproximadamente 100 g mol-1, temos:
MCaCO3 = MCa+ x 100 g mol-1
MCaCO3 = 33,84 mg L-1
	O mesmo cálculo foi repetido para as replicatas 2 e 3, e as concentrações de carbonato de cálcio para cada replicata estão expressas na Tabela 2. Foi calculado então a média e o desvio padrão para a determinação da dureza da água.
Tabela 2: Concentrações de CaCO3 calculadas para cada replicata
	Replicata
	Concentrações (mg L-1)
	1
	33,84
	2
	33,00
	3
	32,52
Foi obtida a média e desvio padrão pelas Equações 2 e 3:
Equação 2: 
 mg L-1
Equação 3: s = 
s = 0,6681
Têm-se então que a concentração de CaCO3 é expressa como 33,12 ± 0,67 mg L-1.
Classificam-se então as águas de acordo com seus graus de dureza da forma mostrada na Tabela 3:
Tabela 3: Classificação de dureza da água de acordo com a concentração de carbonato de cálcio
	Grau de dureza da água
	Carbonato de cálcio mg/L
	Macia
	0 – 60
	Média 
	60 – 150
	Dura
	150 – 300
	Muito dura
	>300
Fonte: http://www.cm-serpa.pt/ficheiros/dureza_agua.pdf
Como a concentração calculada de carbonato de cálcio presente na água é 33,12 ± 0,6681 mg L-1, esta água pode ser classificada como macia, ou seja, possui uma pequena quantidade de íons de Cálcio (Ca2+) e Magnésio (Mg2+), representando assim uma menor formação de carbonatos.
Parte II
Neste procedimento foi determinada a concentração Ca2+ contido na água de torneira. Em cada replicata contendo 50 mL deágua de torneira, foi adicionado 30 gotas de solução de NaOH 50% m/m e, posteriormente, agitadas por cerca de 2 minutos, a fim de precipitar o Mg(OH)2. Assim, adicionou-se o indicador hidroxinaftol em cada solução. O meio reacional permanece alcalino até que se precipite todo Mg2+ em forma de hidróxido, que é possível devido à alta diferença entre as constantes de solubilidade dos hidróxidos de cálcio e magnésio, 6,5 x 10-6 e 7,1 x 10-12 respectivamente. (SKOOG et al., 2008). Com a redução dos íons magnésio, a complexação dos íons cálcio ocorrerá de forma mais acentuada, sendo possível aferir sua concentração.
A primeira titulação foi realizada rapidamente, com o intuito de se obter a visualização aproximada do ponto final da titulação, o que facilita as titulações subsequentes. Isto foi feito já que esta titulação deveria ocorrer rapidamente, uma vez que o NaOH é higroscópico e reage com CO2. (BACCAN et al., 2001). As outras titulações foram realizadas cuidadosamente e ao final de cada uma, foi deixado cada frasco em repouso e agitação ocasional para se observar a possível mudança de coloração para vinho avermelhado, sendo que este não ocorreu no experimento. A Tabela 4 mostra os volumes titulados com EDTA em cada replicata, além do volume titulado com EDTA sob a influência do branco, que também foi titulado com o mesmo reagente.
Tabela 4 – Volumes titulados de EDTA em cada replicata e volumes titulados considerando a influência do branco
	Replicatas
	Volume de EDTA (mL)
	Volume de EDTA sob influência do branco (mL)
	1
	17,9
	16,2
	2
	17,8
	16,1
	3
	17,6
	15,9
	Branco
	1,7
	–
	Quando se atinge o ponto final da titulação, temos que a quantidade de matéria em mol do titulante (EDTA) é igual à quantidade de matéria em mol dos íons Ca+. Assim, utilizando a Equação 1 para replicata 1, temos:
nEDTA = nCa+
0,0006 molL-1 x 0,0162 L = MCa+ x 0,050 L
MCa+ = 1,944x10-4 molL-1 
	Para se conhecer a concentração dos íons cálcio, calcularam-se os valores das concentrações de carbonato de cálcio, assim como feito na parte 1 do experimento.
	MCaCO3 = MCa+ x 100 g mol-1
MCaCO3 = 1,944 x 10-2 g mol-1
	Os resultados mostrados abaixo na Tabela 5 seguiram o mesmo cálculo acima para os volumes de EDTA titulados em cada replicata exibida na Tabela 4.
Tabela 5 – Concentrações de Ca2+ em cada replicata
	Replicata
	Concentração (mg mol-1)
	1
	19,44
	2
	19,32
	3
	19,08
Em seguida foi obtido a média junto com o desvio padrão a partir das equações 2 e 3 respectivamente, determinando-se a concentração de Ca2+ igual a 19,28 ± 0,18 mg L-1. Este resultado é plausível quando comparado com o resultado obtido pela parte 1, devido à precipitação do magnésio, sendo o valor esperado abaixo ao da dureza da água.
Para obter-se a quantidade de íons Mg2+, deve-se calcular a diferença da dureza da água e a concentração de carbonato de cálcio. Sendo uma adição algébrica, a incerteza na resposta é calculada a partir das incertezas absolutas das parcelas individuais. Logo:
(HARRIS, 2005)
[Mg2+] = 33,12 – 19,28 = 13,84 mg L-1.
O magnésio tem uma participação significativa na avaliação da dureza da água, uma vez que a concentração de seus íons é alta e próxima da concentração de íons cálcio encontrada.