Кислотное титрование воды показало расход реагента. Всегда ли это означает, что известна именно её карбонатная жёсткость?
Учителю: подготовка и план на 45 минут
Готовые расходы HCl, данные о составе модели, калькулятор. Предпосылки: c = n/V, коэффициенты реакции, единицы мг/л. Никакой питьевой воды учеников, пробования или домашнего титрования. Все серии учебные. Для основной задачи задано, что щёлочность создают только гидрокарбонаты кальция и магния; иных оснований и кислот нет, конечная точка и методика уже установлены.
| Минуты | Работа | Проверяемый продукт |
|---|---|---|
| 0–5 | Проблемная ситуация | Вопрос и проверяемое предположение |
| 5–14 | Понятия и разобранный пример | Пояснение величин и метода |
| 14–25 | Практика 1 | Расчёт, схема или протокол по данным |
| 25–33 | Практика 2 | Решение на новых условиях |
| 33–40 | Обсуждение | Аргумент, альтернатива и вывод |
| 40–45 | Индивидуальная проверка | Самостоятельный ответ и исправление |
Все тексты, рисунки и данные включены. Без регистрации: распечатайте ученическую часть PDF или используйте доску. Ответы открывайте после самостоятельной попытки. Минуты включают чтение, записи и переходы. В конце соберите индивидуальную работу. 0–1 балл: разобрать пример повторно; 2–3: уточнить пропущенное звено; 4: объяснить ограничение модели. Это обратная связь, не обязательная школьная отметка.
01. Проблемная ситуация
0–5 минут · Вопрос и проверяемое предположение
Проба А содержит только Ca(HCO3)2, проба Б — только NaHCO3. Обе могут расходовать кислоту. За 2 минуты найдите, какая проба содержит катион жёсткости, за 3 объясните, почему одинаковый расход HCl сам по себе не доказывает одинаковую жёсткость.
02. Объяснение и разобранный пример
5–14 минут · Понятия, расчёт и ограничения
Жёсткость воды связана прежде всего с Ca2+ и Mg2+. Щёлочность характеризует способность нейтрализовать кислоту и может создаваться веществами, не содержащими этих катионов. В общем случае кислотное титрование даёт сведения о щёлочности, а не автоматически о жёсткости. Карбонатную жёсткость сопоставляют с общей жёсткостью и щёлочностью в одинаковых эквивалентных единицах.
В упрощённой модели урока вся щёлочность обусловлена Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Реакция иона: HCO3− + H+ → CO2 + H2O. Для соли: Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2 + 2H2O. Один моль HCl соответствует одному молю HCO3−; один моль Ca2+ здесь связан с двумя такими ионами.
Отчёт в мг/л в пересчёте на CaCO3: H = c(HCl) × ΔV/Vпробы × 50 000, где ΔV = Vтитрования − Vхолостой; оба объёма в одинаковых единицах. Число 50 000 мг/моль H+ получено из M(CaCO3) ≈100 г/моль и двух эквивалентов кислоты на моль. Пример: 0,01000 моль/л, ΔV = 10,00 мл, проба 100,0 мл → H = 50,0 мг/л как CaCO3. Это единица пересчёта, не масса осадка в пробе.
03. Практика 1: данные и доказательство
14–25 минут · Первая серия
| Повтор | Проба воды, мл | Расход HCl, мл | Холостой, мл |
|---|---|---|---|
| 1 | 100,0 | 12,20 | 0,20 |
| 2 | 100,0 | 12,30 | 0,20 |
| 3 | 100,0 | 12,10 | 0,20 |
c HCl = 0,01000 моль/л; состав соответствует основной модели. За 3 минуты найдите исправленные расходы и H, за 3 среднее и размах, за 3 напишите отчёт из четырёх строк: метод, результат, единица, допущение, за 2 проверьте, нет ли оценки питьевой безопасности. Критерии: поправка, все повторы, правильная единица и предел вывода.
Разбор практики 1 и критерии
ΔV: 12,00; 12,10; 11,90 мл. H: 60,0; 60,5; 59,5 мг/л как CaCO3. Среднее 60,0, размах 1,0 мг/л. В модели это карбонатная жёсткость; эквивалентная концентрация гидрокарбоната 1,20 ммоль/л, сумма Ca2+ и Mg2+ 0,600 ммоль/л при заданном составе. Результат не оценивает питьевую безопасность и не разделяет кальций и магний.
04. Практика 2: перенос на новые условия
25–33 минуты · Самостоятельный перенос
Независимый анализ дал общую жёсткость 40 мг/л как CaCO3, а кислотное титрование — щёлочность 60 мг/л как CaCO3. Для этой задачи используйте правило карбонатная жёсткость = меньшее из общей жёсткости и щёлочности в этих единицах. За 3 минуты найдите карбонатную и некарбонатную части, за 3 проверьте применимость основной модели, за 2 объясните возможную роль NaHCO3.
Ответ и объяснение практики 2
Карбонатная жёсткость 40 мг/л как CaCO3; некарбонатная 40 − 40 = 0. Щёлочность больше общей жёсткости на 20 мг/л в эквивалентном пересчёте; предположение «вся щёлочность только от гидрокарбонатов Ca и Mg» не подходит. Возможен вклад гидрокарбоната натрия, но его присутствие этими двумя числами однозначно не доказано.
05. Обсуждение: аргумент и альтернатива
33–40 минут · Аргумент и обоснованный вывод
По результату 60 мг/л команда хочет написать «вода безопасна и полезна». За 2 минуты найдите неподтверждённый переход, за 3 перечислите, какие группы свойств не измерялись, за 2 предложите честный заголовок отчёта. Альтернатива — узкий вывод о карбонатной жёсткости в пределах заданного состава.
Опора для обсуждения
Измерение не проверяет микроорганизмы, токсичные примеси и полный химический состав. Даже правильная оценка жёсткости не является заключением о питьевой пригодности. Подходящий заголовок: «Расчёт карбонатной жёсткости учебной гидрокарбонатной пробы». Слово «безопасна» не следует из данных урока.
06. Индивидуальная проверка
40–45 минут · Собственное решение
Проба 50,0 мл, c HCl = 0,01000 моль/л, расход 8,20 мл, холостой 0,20 мл. Состав соответствует основной модели. За 5 минут найдите ΔV, H и количество HCl, затраченное на пробу; укажите ограничение вывода. По 1 баллу за элемент.
Ключ и критерии индивидуальной работы
ΔV = 8,00 мл. H = 0,01000 × 8,00/50,0 × 50 000 = 80,0 мг/л как CaCO3. n HCl = 0,01000 × 0,00800 = 0,0000800 моль = 0,0800 ммоль. Вывод зависит от гидрокарбонатной модели состава; питьевую безопасность он не устанавливает.
07. Соответствие исходной программе
Пункт программы → действие ученика → проверяемый результат
| Пункт программы | Действие ученика | Проверяемый результат |
|---|---|---|
| Определение временной (карбонатной) жёсткости методом ацидометрии | Вычесть фон и рассчитать отчёт | Результат с единицей и допущением состава |
| Количественный анализ; представление результатов | Сопоставить щёлочность и общую жёсткость | Не подменять ограниченный анализ полным заключением |
Опора — раздел «Количественный химический анализ» опубликованной программы на 64 часа. Это самостоятельный урок на 45 минут. Подробный сценарий, распределение времени и учебные числовые серии — методическая разработка. Предоставленные данные не выдаются за опыт, проведённый авторами или этим классом.
Источники и права на изображения
- USGS: жёсткость воды и её причины
- USGS: щёлочность и кислотное титрование
- OpenStax: стехиометрия кислотно-основного титрования
Источники проверены 16.10.2026. Числовые наборы — учебные данные, не результаты проведённых авторами опытов. Схемы и графики подготовлены порталом «Школы России». Ответы и примечания учителю в PDF выделены отдельно.