اسیدیته (acidity) و روش‌های اندازه‌گیری آن در آب

در این متن به بررسی اسیدیته (acidity) و روش‌های اندازه‌گیری آن در آب می‌پردازیم. اسیدیته (acidity)، ظرفیت کمی آب برای واکنش با یک باز قوی و خنثی‌سازی آن تا رسیدن به یک pH مشخص است. میزان اسیدیته به pH نقطه پایانی یا شناساگر مورد استفاده بستگی دارد. اسیدیته یک محلول حاوی اسید قوی و محلولی حاوی اسید ضعیف با غلظت‌های یکسان با هم برابرند هرچند دارای pHهای کاملاً متفاوتی هستند. اسیدهای معدنی قوی مانند اسید کلریدریک، اسیدهای ضعیف مانند اسید کربنیک و اسید استیک و نمک‌های هیدرولیرشونده مانند سولفات‌های آهن یا آلومینیوم در میزان اسیدیته نقش دارند. تعیین میزان اسیدیته از این دیدگاه مهم است که حضور اسیدها در خوردگی و سرعت واکنش‌های شیمیایی و بیولوژیکی نقش دارد. میزان اسیدیته همچنین نشان‌دهنده تغییر در کیفیت منبع آب می‌باشد. بنابراین بررسی میزان اسیدیته آب و روش‌های اندازه‌گیری آن مهم می‌باشد.

یون‌های هیدروژن موجود در یک نمونه که حاصل تفکیک اسید یا هیدرولیز نمک‌ها می‌باشند، با باز استاندارد اضافه شده به نمونه واکنش می‌دهند. رسم منحنی تیتراسیون با ثبت pH نمونه پس از افزودن متوالی مقادیر کم تیترانت، امکان شناسایی نقاط عطف و ظرفیت بافری (در صورت وجود) را می‌دهد و باعث می‌شود که استدیته با توجه به هر pH تعیین شود. در تیتراسیون یک گونه اسیدی، دقیق‌ترین نقطه پایانی از نقطه عطف منحنی تیتراسیون به‌دست می‌آید. نقطه عطف، pHای است که در آن، شکل منحنی از محدب به مقعر یا برعکس تغییر می‌کند. از آن‌جا که شناسایی دقیق نقاط عطف ممکن است در مخلوط‌های بافری یا پیچیده، دشوار یا غیرممکن باشد، تیتراسیون در چنین مواردی در pH پایانی دلخواه مانند 8/3 یا 3/7 انجام می‌شود. برای تعیین سریع اولیه اسیدیته، ممکن است از تغییر رنگ یک شناساگر برای تعیین نقطه پایانی استفاده شود. نقطه پایانی تیتراسیون اسیدیته باید به نقطه هم‌ارزی استوکیومتری برای خنثی‌سازی اسیدهای موجود مطابقت داشته باشد. pH نقطه هم‌ارزی به نوع نمونه، انتخاب در بین نقاط عطف متعدد و در نظرگرفتن داده‌های مورد استفاده بستگی دارد.

روش‌های اندازه‌گیری اسیدیته

اسیدیته به دو دسته تقسیم می‌شود:

• اسیدیته معدنی[1] یا اسیدیته متیل اورانژ[2]
• اسیدیته کل[3] (TA) یا اسیدیته فنول‌فتالئین[4]

روش‌های اندازه‌گیری اسیدیته در آب برای دو دسته اسیدته معدنی یا اسیدیته متیل اورانژ و اسیدیته کل (TA) یا اسیدیته فنول فتالئین در زیر توضیح داده می‌شود.

1- اسیدیته معدنی یا اسیدیته متیل اورانژ

اسید سولفوریک (H₂SO₄)، سید نیتریک (HNO₃) و اسید کلریدریک (HCl) که اسیدهای معدنی آزاد[5] (FMA) نامیده می‌شوند، عامل ایجادکننده اسیدیته معدنی در آب می‌باشند. اسیدهای معدنی آزاد در صورتی که pH آب کمتر از 4/3 باشد حضور دارند، بنابراین احتمال یافتن آن‌ها در آب‌های خام طبیعی بسیار کم است.

برای به‌دست آوردن مقدار اسیدیته معدنی، نمونه مورد نظر با سدیم هیدروکسید یا سدیم کربنات در حضور شناساگر متیل اورانژ یا برموفنول آبی[6] تا pH=3/7 تیتر می‌شود. ترجیح بر آن است که به جای شناساگر، از تیتراسیون پتانسیومتری برای رسم منحنی و تعیین نقطه هم‌ارزی استفاده شود.

برای حجم مصرف شده از تیترانت (V_titrant)، اسیدیته معدنی (FMA) بر حسب ppm CaCO₃ محاسبه می‌شود:

2- اسیدیته کل یا اسیدیته فنول‌فتالئین

که شامل تمام یون‌های هیدروژن موجود در نمونه می‌باشد. در این نوع اسیدیته، اسیدکربنیک حاصل از انحلال CO₂ در آب، اسیدهای ضعیف و نمک‌های هیدرولیزشونده بیشترین نقش را دارند.

برای به‌دست آوردن مقدار اسیدیته کل، نمونه مورد نظر با سدیم هیدروکسید در حضور شناساگر فنول‌فتالئین یا متاکروزول بنفش[7] تا pH=8/3 تیتر می‌شود (از سدیم کربنات نمی‌توان استفاده کرد). در صورت امکان، تیتراسیون پتانسیومتری به استفاده از شناساگر اولویت دارد.

براساس حجم مصرف شده از تیترانت (V_titrant) و غلظت تیترانت (N_titrant)، اسیدیته کل (TA) بر حسب ppm CaCO₃ محاسبه می‌شود:

در نمونه‌هایی که حاوی یون‌های فلزی هیدرولیزشونده یا فرم‌های کاهش‌یافته کاتیون‌های چندظرفیتی می‌باشند، برای اطمینان از اکسایش کاتیون‌های چندظرفیتی، عمل پیش‌تصفیه با هیدروژن پراکسید داغ انجام می‌شود. برای این منظور، ابتدا pH نمونه را اندازه می‌گیرند، اگر pH بالاتر از 4 باشد، 5 میلی‌لیتر از محلول اسیدسولفوریک 0/02 N اضافه کرده تا pH به 4 یا کمتر از 4 کاهش یابد. سپس 5 قطره پراکسید هیدروژن 30% را اضافه کرده و به مدت 2 تا 5 دقیقه می‌جوشانند. پس از آن‌که نمونه تا دمای اتاق سرد شد، با استفاده از باز استاندارد (سدیم هیدروکسید) تا pH=8/3 تیتر می‌شود. در این حالت میزان اسیدیته کل (TA) برحسب ppm CaCO₃ از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

تداخل‌ها: ممکن است گازهای محلول مانند کربن دی‌اکسید (CO₂)، هیدروژن سولفید (H₂S) یا آمونیاک (NH₃) در طول نمونه برداری، ذخیره یا تیتراسیون از بین بروند و یا تولید شوند. چنین تأثیراتی را می‌توان با تیتراسیون سریع تا نزدیکی نقطه پایانی بلافاصله پس از باز کردن درب ظرف نمونه، جلوگیری از تکان دادن شدید و محافظت از نمونه در برابر اتمسفر در حین تیتراسیون، به کمترین میزان رساند. در نمونه‌های حاوی یون‌های قابل اکسایش یا هیدرولیزشونده مانند ترکیبات آهن، آلومینیوم و منگنز، سرعت واکنش در دمای اتاق ممکن است خیلی کند باشد که باعث انحراف در نقاط پایانی می‌شود. همچنین کلر باقی‌مانده موجود در نمونه ممکن است شناساگر را بی‌رنگ کند، این تداخل را می‌توان با اضافه کردن 1 قطره سدیم تیوسولفات (Na₂S₂O₃) 0/1 مولار از بین برد. وجود مواد رنگی و مواد معلق کلوئیدی سبب خطا در تشخیص نقطه پایانی می‌شوند.

در صورت استفاده از تیتراسیون پتانسیومتری، مواد روغنی و معلق به سطح الکترود چسبیده و سبب کندی پاسخ می‌شود. این موارد را از نمونه حذف نکنید زیرا ممکن است در اسیدیته سهم داشته باشند. تیتراسیون را آهسته انجام داده تا الکترودها به تعادل برسند.

نمونه‌برداری و نگه‌داری:

نمونه‌ها در بطری شیشه‌ای پلی اتیلن یا بوروسیلیکات جمع‌آوری و در دمای پایین نگه‌داری شوند. بطری‌ها باید کاملا پر شده و درپوش آن محکم بسته شود. از آنجا که نمونه‌های پساب ممکن است در معرض فعالیت‌های میکروبی و از بین رفتن یا افزایش CO₂ یا سایر گازها باشد، باید بدون تأخیر (ترجیحاً در مدت یک روز) آنالیز شوند. اگر نمونه به فعالیت‌های بیولوژیک مشکوک است، می‌بایستی ظرف 6 ساعت آنالیز شود. از تکان دادن و قرار گرفتن نمونه در معرض هوا به مدت طولانی جلوگیری شود.

[1] mineral acidity

[2] methyl orange acidity

[3] total acidity

[4] phenolphthalein acidity

[5] free mineral acids

[6] bromphenol blue

[7] metacresol purple

منبع:

اسد آبادی، سمین و همکاران، (1399)، کنترل کیفیت آب مبانی و روش‌ها، انتشارات دانشگاه بوعلی سینا