Щелочность воды определяются присутствием соединений, взаимодействующих с сильными кислотами. Это могут быть свободные гидроксиды (в производственных сточных водах) или соли, образованные слабыми кислотами и сильными основаниями (например, гидрокарбонаты, карбонаты, силикаты, сульфиды, ацетаты щелочных металлов). Щелочность, обусловленная наличием растворимых гидроксидов (ионами ОН -), называется гидратной щелочностью.
В природных водах щелочность обычно вызывается гидрокарбонатами НСО 3 - (гидрокарбонатная), в щелочных водах – также и карбонатами СО 3 2- (карбонатная).
Щелочность воды характеризуется количеством кислоты, необходимым для нейтрализации 1 л воды. Выражается она в мг-экв/л.
Различают свободную и общую щелочностью воды. Если рН исследуемой воды более 8,3, то считается, что вода имеет свободную щелочность. Ее величина определяется количеством кислоты, необходимым для нейтрализации компонентов щелочности (ОН - , SiO 3 -2 . CO 3 -2 и др.) до достижения величины рН исследуемой воды до 4,5 (или по изменению окраски метилоранжа). Если рН воды меньше 4,5, то щелочность воды принимается равной нулю. Считается, что воды, имеющие величину рН<8,3, не содержат свободной щелочности.
Определение щелочности воды проводится непосредственно после отбора пробы или не позднее 24 часов при условии хранения воды в закрытой посуде, заполненной под пробку.
Затруднения при проведении анализа и получение неточных результатов может быть вызвано наличием взвешенных веществ, свободной углекислоты, хлора и гипохлоритов, соединений, обуславливающих цветность воды. Мешающее влияние взвешенных веществ, устраняется фильтрованием воды. Гипохлориты и свободный хлор вызывают обесцвечивание кислотно-щелочных индикаторов, поэтому они предварительно восстанавливаются 0,1н раствором тиосульфата натрия, взятом в эквивалентном количестве. Иногда для удаления гипохлоритов используют 3%-ный раствор пероксида водорода. Цветность воды может быть снижена при фильтровании ее через слой активированного угля или макропористого анионита. Свободный углекислый газ удаляется путем продувания воздуха через анализируемую воду. Если в воде наряду с гидрокарбонатами в заметном количестве присутствуют гидросиликаты, силикаты, гидросульфиты, сульфиды или другие соединения, вызывающие щелочность воды, то для вычислений карбонатной (гидрокарбонатной) щелочности необходимо вычесть из полученного результата данные, полученные при определении этих компонентов (в мг-экв/л). Для вод с малой величиной щелочности для получения более точного результата (менее 0,2 мг-экв/л) необходимо использовать 0,05 н растворы кислот (соляной или серной).
Определение щелочности воды может проводиться объемным методом нейтрализации и электрометрическим (по величине рН).
Мутность – показатель качества воды, обусловленный присутствием в воде нерастворенных и коллоидных веществ неорганического и органического происхождения. Причиной мутности поверхностных вод являются илы, кремниевая кислота, гидроокиси железа и алюминия, органические коллоиды, микроорганизмы и планктон. В грунтовых водах мутность вызвана преимущественно присутствием нерастворенных минеральных веществ, а при проникании в грунт сточных вод – также и присутствием органических веществ. В России мутность определяют фотометрическим путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результат измерений выражают в мг/дм3 при использовании основной стандартной суспензии каолина или в ЕМ/дм3 (единицы мутности на дм3) при использовании основной стандартной суспензии формазина. Последнюю единицу измерения называют также Единица Мутности по Формазину (ЕМФ) или в западной терминологии FTU (Formazine Turbidity Unit). 1FTU=1ЕМФ=1ЕМ/ дм3. В последнее время в качестве основной во всем мире утвердилась фотометрическая методика измерения мутности по формазину, что нашло свое отражение в стандарте ISO 7027 (Water quality - Determination of turbidity). Согласно этому стандарту, единицей измерения мутности является FNU (Formazine Nephelometric Unit). Агентство по Охране Окружающей Среды США (U.S. EPA) и Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) используют единицу измерения мутности NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Соотношение между основными единицами измерения мутности следующее: 1 FTU(ЕМФ)=1 FNU=1 NTU.
ВОЗ по показаниям влияния на здоровье мутность не нормирует, однако с точки зрения внешнего вида рекомендует, чтобы мутность была не выше 5 NTU (нефелометрическая единица мутности), а для целей обеззараживания – не более 1 NTU.
Мера прозрачности – высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах.
Характеристика вод по прозрачности (мутности)
Цветность
Цветность – показатель качества воды, обусловленный главным образом присутствием в воде гуминовых и фульфовых кислот, а также соединений железа (Fe3+). Количество этих веществ зависит от геологических условий в водоносных горизонтах и от количества и размеров торфяников в бассейне исследуемой реки. Так, наибольшую цветность имеют поверхностные воды рек и озер, расположенных в зонах торфяных болот и заболоченных лесов, наименьшую – в степях и степных зонах. Зимой содержание органических веществ в природных водах минимальное, в то время как весной в период половодья и паводков, а также летом в период массового развития водорослей – цветения воды - оно повышается. Подземные воды, как правило, имеют меньшую цветность, чем поверхностные. Таким образом, высокая цветность является тревожным признаком, свидетельствующим о неблагополучии воды. При этом очень важно выяснить причину цветности, так как методы удаления, например, железа и органических соединений отличаются. Наличие же органики не только ухудшает органолептические свойства воды, приводит к возникновению посторонних запахов, но и вызывает резкое снижение концентрации растворенного в воде кислорода, что может быть критично для ряда процессов водоочистки. Некоторые в принципе безвредные органические соединения, вступая в химические реакции (например, с хлором), способны образовывать очень вредные и опасные для здоровья человека соединения.
Цветность измеряется в градусах платино-кобальтовой шкалы и колеблется от единиц до тысяч градусов – Таблица 2.
Характеристика вод по цветности
Вкус и привкус
Вкус воды определяется растворенными в ней веществами органического и неорганического происхождения и различается по характеру и интенсивности. Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами (щелочной, металлический, вяжущий и т.п.). Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20 °С и оценивают по пятибалльной системе, согласно ГОСТ 3351-74*.Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений – привкуса – выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее. Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький – сульфатом магния, кислый – избытком свободного диоксида углерода и т.д. Порог вкусового восприятия соленых растворов характеризуется такими концентрациями (в дистиллированной воде), мг/л: NaCl – 165; CaCl2 – 470; MgCl2 – 135; MnCl2 – 1,8; FeCl2 – 0,35; MgSO4 – 250; CaSO4 – 70; MnSO4 – 15,7; FeSO4 – 1,6; NaHCO3 – 450.
По силе воздействия на органы вкуса ионы некоторых металлов выстраиваются в следующие ряды:
O катионы: NH4+ > Na+ > K+; Fe2+ > Mn2+ > Mg2+ > Ca2+;
O анионы: ОН- > NO3- > Cl- > HCO3- > SO42- .
Характеристика вод по интенсивности вкуса
|
Интенсивность вкуса и привкуса |
Характер появления вкуса и привкуса |
Оценка интенсивности, балл |
|
Вкус и привкус не ощущаются |
||
|
Очень слабая |
Вкус и привкус не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при лабораторном исследовании |
|
|
Вкус и привкус замечаются потребителем, если обратить на это его внимание |
||
|
Заметная |
Вкус и привкус легко замечаются и вызывают неодобрительные отзывы о воде |
|
|
Отчетливая |
Вкус и привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья |
|
|
Очень сильная |
Вкус и привкус настолько сильные, что делают воду непригодной к употреблению |
Запах
Запах – показатель качества воды, определяемый органолептическим методом с помощью обоняния на основании шкалы силы запаха. На запах воды оказывают влияние состав растворенных веществ, температура, значения рН и целый ряд прочих факторов. Интенсивность запаха воды определяют экспертным путем при 20 °С и 60 °С и измеряют в баллах, согласно требованиям.Следует также указывать группу запаха по следующей классификации:
По характеру запахи делят на две группы:
- естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.)
- искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод).
Запахи естественного происхождения
|
Обозначение запаха |
Характер запаха |
Примерный род запаха |
|
Ароматический |
Огуречный, цветочный |
|
|
Болотный |
Илистый, тинистый |
|
|
Гнилостный |
Фекальный, сточный |
|
|
Древесный |
Запах мокрой щепы, древесноый коры |
|
|
Землистый |
Прелый, запах свежевспаханной земли, глинистый |
|
|
Плесневый |
Затхлый, застойный |
|
|
Запах рыбьегожира, рыбный |
||
|
Сероводородный |
Запах тухлых яиц |
|
|
Травянистый |
Запах скошенной травы, сена |
|
|
Неопределенный |
Запахи естественного происхождения, не попадающие под предыдущие определения |
Интенсивность запаха по ГОСТ 3351-74* оценивают в шестибальной шкале – см. следующую страницу.
Характеристика вод по интенсивности запаха
|
Интенсивность запаха |
Характер появления запаха |
Оценка интенсивности, балл |
|
Запах не ощущаются |
||
|
Очень слабая |
Запах не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при лабораторном исследовании |
|
|
Запах замечаются потребителем, если обратить на это его внимание |
||
|
Заметная |
Запах легко замечаются и вызывают неодобрительные отзывы о воде |
|
|
Отчетливая |
Запах обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья |
|
|
Очень сильная |
Запах настолько сильные, что делают воду непригодной к употреблению |
Водородный показатель (рН)
Водородный показатель (рН) - характеризует концентрацию свободных ионов водорода в воде и выражает степень кислотности или щелочности воды (соотношение в воде ионов Н+ и ОН- образующихся при диссоциации воды) и количественно определяется концентрацией ионов водорода pH = - IgЕсли в воде пониженное содержание свободных ионов водорода (рН>7) по сравнению с ионами ОН-, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н+ (рН<7)- кислую. В идеально чистой дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга. В таких случаях вода нейтральна и рН=7. При растворении в воде различных химических веществ этот баланс может быть нарушен, что приводит к изменению уровня рН.
Определение pH выполняется колориметрическим или электрометрическим методом. Вода с низкой реакцией рН отличается коррозионностью, вода же с высокой реакцией рН проявляет склонность к вспениванию.
В зависимости от уровня рН воды можно условно разделить на несколько групп:
Характеристика вод по рН
Контроль над уровнем рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его "уход" в ту или иную сторону может не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий. Оптимальная требуемая величина рН варьируется для различных систем водоочистки в соответствии с составом воды, характером материалов, применяемых в системе распределения, а также в зависимости от применяемых методов водообработки.
Обычно уровень рН находится в пределах, при которых он непосредственно не влияет на потребительские качества воды. Так, в речных водах pH обычно находится в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3. Поэтому ВОЗ не предлагает какой-либо рекомендуемой по медицинским показателям величины для рН. Вместе с тем известно, что при низком рН вода обладает высокой коррозионной активностью, а при высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, способна вызывать раздражение глаз и кожи. Именно поэтому для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальным считается уровень рН в диапазоне от 6 до 9.
Кислотность
Кислотностью называют содержание в воде веществ, способных вступать в реакцию с гидроксид-ионами (ОН-). Кислотность воды определяется эквивалентным количеством гидроксида, необходимого для реакции.В обычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободного диоксида углерода. Естественную часть кислотности создают также гуминовые и другие слабые органические кислоты и катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, алюминия, органических оснований). В этих случаях pH воды не бывает ниже 4.5.
В загрязненных водоемах может содержаться большое количество сильных кислот или их солей за счет сброса промышленных сточных вод. В этих случаях pH может быть ниже 4.5. Часть общей кислотности, снижающей pH до величин < 4.5, называется свободной.
Жесткость
Общая (полная) жесткость – свойство, вызванное присутствием растворенных в воде веществ, в основном - солей кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других катионов, которые выступают в значительно меньших количествах, таких как ионы: железа, алюминия, марганца (Mn2+) и тяжелых металлов (стронций Sr2+, барий Ba2+).Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов – и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния – общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов.
В России жесткость воды выражают в мг-экв/дм3 или в моль/л.
Карбонатная жесткость (временная) – вызвана присутствием растворенных в воде бикарбонатов, карбонатов и углеводородов кальция и магния. Во время нагревания бикарбонаты кальция и магния частично оседают в растворе в результате обратимых реакций гидролиза.
Некарбонатная жесткость (постоянная) – вызывается присутствием растворенных в воде хлоридов, сульфатов и силикатов кальция (не растворяются и не оседают в растворе во время нагревания воды).
Характеристика вод по значению общей жесткости
|
Группа вод |
Еденица измерения, ммоль/л |
|
Очень мягкая |
|
|
Средней жесткости |
|
|
Очень жесткая |
Щелочность
Щелочностью воды называется суммарная концентрация содержащихся в воде анионов слабых кислот и гидроксильных ионов (выражена в ммоль/л), вступающих в реакцию при лабораторных исследованиях с соляной или серной кислотами с образованием хлористых или сернокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов.Различают следующие формы щелочности воды: бикарбонатная (гидрокарбонатная), карбонатная, гидратная, фосфатная, силикатная, гуматная – в зависимости от анионов слабых кислот, которыми обусловливается щелочность. Щелочность природных вод, рН которых обычно < 8,35, зависит от присутствия в воде бикарбонатов, карбонатов, иногда и гуматов. Щелочность других форм появляется в процессах обработки воды. Так как в природных водах почти всегда щелочность определяется бикарбонатами, то для таких вод общую щелочность принимают равной карбонатной жесткости.
Железо, марганец
Железо, марганец - в натуральной воде выступают преимущественно в виде углеводородов, сульфатов, хлоридов, гумусовых соединений и иногда фосфатов. Присутствие ионов железа и марганца очень вредит большинству технологических процессов, особенно в целлюлозной и текстильной промышленности, а также ухудшает органолептические свойства воды.Кроме того, содержание железа и марганца в воде может вызывать развитие марганцевых бактерий и железобактерий, колонии которых могут быть причиной зарастания водопроводных сетей.
Хлориды
Хлориды – присутствие хлоридов в воде может быть вызвано вымыванием залежей хлоридов или же они могут появиться в воде вследствие присутствия стоков. Чаще всего хлориды в поверхностных водах выступают в виде NaCl, CaCl2 и MgCl2, причем, всегда в виде растворенных соединений.Соединения азота
Соединения азота (аммиак, нитриты, нитраты) – возникают, главным образом, из белковых соединений, которые попадают в воду вместе со сточными водами. Аммиак, присутствующий в воде, может быть органического или неорганического происхождения. В случае органического происхождения наблюдается повышенная окисляемость.Нитриты возникают, главным образом, вследствие окисления аммиака в воде, могут также проникать в нее вместе с дождевой водой вследствие редукции нитратов в почве.
Нитраты - это продукт биохимического окисления аммиака и нитритов или же они могут быть выщелочены из почвы.
Сероводород
O при pH < 5 имеет вид H2S;
O при pH > 7 выступает в виде иона HS-;
O при pH = 5: 7 может быть в виде, как H2S, так и HS-.
Воде. Они поступают в воду вследствие вымывания осадочных горных пород, выщелачивания почвы и иногда вследствие окисления сульфидов и серы – продуктов расклада белка из сточных вод. Большое содержание сульфатов в воде может быть причиной болезней пищеварительного тракта, а также такая вода может вызывать коррозию бетона и железобетонных конструкций.
Двуокись углерода
Сероводород придает воде неприятный запах, приводит к развитию серобактерий и вызывает коррозию. Сероводород, преимущественно присутствующий в подземных водах, может быть минерального, органического или биологического происхождения, причем в виде растворенного газа или сульфидов. То, под каким видом проявляется сероводород, зависит от реакции pH:
- при pH < 5 имеет вид H2S;
- при pH > 7 выступает в виде иона HS-;
- при pH = 5: 7 может быть в виде, как H2S, так и HS-.
Сульфаты
Сульфаты (SO42-) – наряду с хлоридами являются наиболее распространенными видами загрязнения в воде. Они поступают в воду вследствие вымывания осадочных горных пород, выщелачивания почвы и иногда вследствие окисления сульфидов и серы – продуктов расклада белка из сточных вод. Большое содержание сульфатов в воде может быть причиной болезней пищеварительного тракта, а также такая вода может вызывать коррозию бетона и железобетонных конструкций.Двуокись углерода
Двуокись углерода (CO2) – в зависимости от реакции pH воды может быть в следующих видах:- pH < 4,0 – в основном, как газ CO2;
- pH = 8,4 – в основном в виде иона бикарбоната НСО3- ;
- pH > 10,5 – в основном в виде иона карбоната CO32-.
Растворенный кислород
Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды и др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л. В артезианской воде кислород практически отсутствует.Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания и называется степенью насыщения кислородом. Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации. Вычисляется по формуле: M = (ax0,1308x100)/NxP, где
М – степень насыщения воды кислородом, %;
А – концентрация кислорода, мг/дм3;
Р – атмосферное давление в данной местности, МПа.
N – нормальная концентрация кислорода при данной температуре и общем давлении 0,101308 МПа, приведенная в следующей таблице:
Растворимость кислорода в зависимости от температуры воды
|
Температура воды, °С |
|||||||||
Окисляемость
Окисляемость – это показатель, характеризующий содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых сильным окислителем. Окисляемость выражается в мгO2 необходимого на окисление этих веществ, содержащихся в 1 дм3 исследованной воды.Различают несколько видов окисляемости воды: перманганатную (1 мг KMnO4 соответствует 0,25 мг O2), бихроматную, иодатную, цериевую. Наиболее высокая степень окисления достигается бихроматным и иодатным методами. В практике водоочистки для природных малозагрязненных вод определяют перманганатную окисляемость, а в более загрязненных водах – как правило, бихроматную окисляемость (называемую также ХПК – химическое потребление кислорода). Окисляемость является очень удобным комплексным параметром, позволяющим оценить общее загрязнение воды органическими веществами. Органические вещества, находящиеся в воде весьма разнообразны по своей природе и химическим свойствам. Их состав формируется как под влиянием биохимических процессов протекающих в водоеме, так и за счет поступления поверхностных и подземных вод, атмосферных осадков, промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Величина окисляемости природных вод может варьироваться в широких пределах от долей миллиграммов до десятков миллиграммов О2 на литр воды.
Поверхностные воды имеют более высокую окисляемость, а значит в них содержится высокие концентрации органических веществ по сравнению с подземными. Так, горные реки и озера характеризуются окисляемостью 2-3 мг О2/дм3, реки равнинные – 5-12 мг О2/дм3, реки с болотным питанием – десятки миллиграммов на 1 дм3.
Подземные же воды имеют в среднем окисляемость на уровне от сотых до десятых долей миллиграмма О2/дм3 (исключения составляют воды в районах нефтегазовых месторождений, торфяников, в сильно заболоченных местностях, подземных вод северной части РФ).
Электропроводность
Электропроводность – это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость природной воды зависит в основном от степени минерализации (концентрации растворенных минеральных солей) и температуры. Благодаря этой зависимости, по величине электропроводности можно с определенной степенью погрешности судить о минерализации воды. Такой принцип измерения используется, в частности, в довольно распространенных приборах оперативного измерения общего солесодержания (так называемых TDS-метрах).Дело в том, что природные воды представляют собой растворы смесей сильных и слабых электролитов. Минеральную часть воды составляют преимущественно ионы натрия (Na+), калия (K+), кальция (Ca2+), хлора (Cl–), сульфата (SO42–), гидрокарбоната (HCO3–).
Этими ионами и обуславливается в основном электропроводность природных вод. Присутствие же других ионов, например трехвалентного и двухвалентного железа (Fe3+ и Fe2+), марганца (Mn2+), алюминия (Al3+), нитрата (NO3–), HPO4–, H2PO4– и т.п. не столь сильно влияет на электропроводность (конечно при условии, что эти ионы не содержатся в воде в значительных количествах, как например, это может быть в производственных или хозяйственно-бытовых сточных водах). Погрешности же измерения возникают из-за неодинаковой удельной электропроводимости растворов различных солей, а также из-за повышения электропроводимости с увеличением температуры. Однако, современный уровень техники позволяет минимизировать эти погрешности, благодаря заранее рассчитанным и занесенным в память зависимостям.
Электропроводность не нормируется, но величина 2000 мкС/см примерно соответствует общей минерализации в 1000 мг/л.
Окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал, Eh)
Окислительно-восстановительный потенциал (мера химической активности) Eh вместе с рН, температурой и содержанием солей в воде характеризует состояние стабильности воды. В частности этот потенциал необходимо учитывать при определении стабильности железа в воде. Eh в природных водах колеблется в основном от -0,5 до +0,7 В, но в некоторых глубоких зонах Земной коры может достигать значений минус 0,6 В (сероводородные горячие воды) и +1,2 В (перегретые воды современного вулканизма).Подземные воды классифицируются:
- Eh > +(0,1–1,15) В – окислительная среда; в воде присутствует растворенный кислород, Fe3+, Cu2+, Pb2+, Mo2+ и др.
- Eh – 0,0 до +0,1 В – переходная окислительно-восстановительная среда, характеризуется неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием кислорода и cероводорода, а также слабым окислением и слабым восстановлением разных металлов;
- Eh < 0,0 – восстановительная среда; в воде присутствуют сероводород и металлы Fe2+, Mn2+, Mo2+ и др.
Одним из показателей качества воды, позволяющих судить о химических и биологических процессах протекающих в ней, является значение рН. В природных водах, являющихся сложными растворами, концентрация ионов водорода зависит не только от диссоциации и гидролиза молекул воды, диссоциации и гидролиза солей, но и от содержания диоксида углерода и его производных, содержания гумусовых кислот и др.
Основной системой, регулирующей содержание ионов водорода в природных водоемах, является так называемая карбонатная система. Углекислый газ, растворяясь в воде, частично превращается в угольную кислоту, способную диссоциировать по уравнению:
Н 2 СО 3 ÛНСО 3 - +Н +
где К 1 – первая константа диссоциации, равна 4 . 10 -7 .
Существенное влияние на содержание ионов водорода оказывает имеющиеся в воде гидрокарбонаты Са(НСО 3) и Мg(НСО 3) 2 , которые в результате диссоциация увеличивают содержание в воде ионов НСО 3 - и уменьшают содержание Н + .
Ионы НСО 3 - также диссоциируют с образованием протонов:
НСО 3 - Н + + СО 3 2-
Условиям равновесия обычно отвечают следующие переходы:
СО 2 + Н 2 О Н + + НСО 3 - 2Н + + СО 3 2-
Из уравнения видно, что различное значение рН воды указывает на различное содержание в воде различных составляющих данного уравнения.
При нормальных условиях рН природных вод близко к значению 8,5. При этом значении распространен гидрокарбонатион НСО 3 - . В этой форме углерод легко усваивается водными организмами. Содержание ионов водорода в природных водах может меняться в довольно широких пределах (рН = 4...9). Количественное соотношение между различными соединениями углекислоты определяется уравнениями диссоциации I и II ступени, которые зависят от концентрации ионов водорода, поэтому существование различных форм углекислоты в растворе определяется рН. При рН до 3,7-4,0 вся находящаяся в воде углекислота представлена только диоксидом углерода. По мере повышения рН доля СО 2 уменьшается, а следовательно, возрастает доля гидрокарбонатов – НСО 3 - . При рН = 8,3-8,4 практически вся углекислота находится в виде гидрокарбонта (98%), а на долю СО 2 + СО 3 2- приходится менее 2%. При дальнейшем повышении рН свободного СО 2 в воде нет, а только НСО 3 - и СО 3 2- . При рН = 12 в растворе находятся только карбонаты. Зависимость содержания различных соединений углерода от рН приведена на рис. 2.
Защелачивание водоемов свидетельствует об интенсивном процессе фотосинтеза. Закисление говорит о наличии гумусовых кислот. Изменение рН может быть вызвано гидролизом солей тяжелых металлов, поступлением кислых или щелочных стоков и другими причинами.
Карбонатная система обладает буферными свойствами и способна поддерживать определенное значение рН и нейтрализовать поступление кислыхили щелочных стоков. К основным характеристикам природных вод относят их кислотность и щелочность. Под кислотностью понимают содержание в воде веществ, способных вступить в реакцию с сильными щелочами. К этим веществам можно отнести:
а) сильные кислоты, полностью диссоциирующие в воде;
б) слабые кислоты (уксусная, сернистая, угольная и др.);
в) катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, органических оснований и др.).
Соединения, содержащие эти катионы, гидролизуются с образованием ионов водорода. При аналитическом определении кислотности вода различают общую и свободную кислотность. Свободная кислотность – это кислотность, которую обнаруживают при титровании щелочью до рН = 4,5.
Общая кислотность определяется суммарным количеством щелочи (мг-экв/л), пошедшей на титрование до щелочной среды (до рН ~ 8,3), Полагают, что в этом случае будут нейтрализованы все вещества, обусловливающие кислотность.
Щелочность воды обусловлена наличием растворимых оснований, средними и кислыми солями, обычно гидрокарбонатами щелочных и щелочноземельных металлов. Определяется щелочность воды титрованием сильными кислотами. Различают свободную и общую щелочность.
Если рН воды > 8,3, то количество кислоты (мг-экв/л) необходимое для снижения рН до 8,3, будет характеризовать свободную щелочность.
При дальнейшем титровании до рН =4,5 определяют суммарное количество кислоты, которое характеризует общую щелочность воды.
Цель работы: научиться определять рН воды, кислотность и щелочность природных вод различными методами, анализировать причины, влияющие на данные свойства вод.
Оборудование и реактивы: иономер универсальный ЭВ-74; стеклянный и хлорсеребряный электроды; фенолфталеин, 1%-ный спиртовой раствор; метиловый оранжевый, 1%-ный спиртовой раствор; едкий натр (или калий), 0,1 н. раствор; серная кислота, 0,1 н. раствор.
Объемный (количественный) анализ. Объемный метод количественного анализа основан на точном измерении реагирующих веществ, концентрация одного из которых известна. Растворы с точно установленной концентрацией называются титрованными , т.к. они используются для определения концентрации исследуемых растворов, то их называют рабочими или стандартными . Процесс прибавления стандартного титрованного раствора к раствору исследуемого вещества называется титрованием. Титрование ведется до достижения точки эквивалентности , т.е. до того момента, когда количество прибавленного стандартного раствора будет эквивалентно количеству определяемого вещества согласно уравнению реакции. Необходимое условие объемного анализа – точная фиксация точки эквивалентности, поэтому используют реакции, конец которых характеризуется определенным внешним признаком (изменение окраски, выпадение осадка). Часто для фиксации точки эквивалентности употребляют специальные вещества, изменяющие цвет или другие свойства с изменением концентрации исследуемого иона. Такие вещества называются индикаторами .
Требования к реакциям, применяемым в объемном анализе:
Возможность тем или иным способом фиксировать точку эквивалентности;
Количественное течение реакции до равновесия, характеризующегося соответствующей величиной константы равновесия реакции;
Можно применять только те реакции, которые протекают с достаточной скоростью;
При титровании не должны протекать побочные реакции, делающие точное вычисление результатов анализа невозможным.
В зависимости от типа реакции, которая протекает при титровании, выделяют методы объемного анализа:
1 Нейтрализация. В основе метода лежит реакция нейтрализации:
Н + + ОН - = Н 2 О
Этим методом определяют кислотность, щелочность, карбонатную жесткость воды.
2 Окислительно-восстановительные методы, в основе которых применяют окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых исследуемое вещество количественно переводят в окисленную или восстановленную форму.
3 Осаждение. Объемные определения метода основаны на осаждении определенного иона в виде труднорастворимого соединения.
4 Комплексометрия. В методе исследуемый ион связывается водным реактивом в малодиссоциированный комплекс. Метод применяется при определении жесткости воды Mg 2+ , Ca 2+ , иона Fe 3+ .
Измерение объемов. Для точного измерения в объемном анализе используют бюретки, пипетки, мерные колбы.
1 Бюретки служат для титрования и представляют собой цилиндрические трубки с суженным концом, отсчет ведется сверху вниз.
2 Пипетки служат для точного отмеривания каких-либо определенных объемов исследуемого раствора.
3 Мерные колбы служат для разбавления исследуемого раствора до определенного объема.
Щелочность обусловлена присутствием в воде веществ, содержащих гидроксоанион, а также веществ, реагирующих с сильными кислотами (соляной, серной). К таким соединениям относятся:
1 сильные щелочи (KOH, NaOH) и летучие основания (например, NH 3 ×H 2 O), а также анионы, обуславливающие высокую щелочность в результате гидролиза в водном растворе при рН > 8,4 (СО 3 2– , S 2– , PO 4 3– , SiO 3 2– и др.);
2 слабые основания и анионы летучих и нелетучих слабых кислот (HCO 3 – , H 2 PO 4 – , HPO 4 2– , CH 3 COO – , HS – , анионы гуминовых кислот и др.).
Щелочность пробы воды измеряется в моль-экв/л или моль-экв/л и определяется количеством сильной кислоты (обычно используют соляную кислоту с концентрацией 0,05 или 0,1 ммоль-экв/л), израсходованной на нейтрализацию раствора.
При нейтрализации до значений рН = 8,0 – 8,2 в качестве индикатора используют фенолфталеин. Определяемая таким образом величина называется свободной щелочностью . При нейтрализации до значений
рН = 4,2 – 4,5 в качестве индикатора используют метиловый оранжевый. Определяемая данным образом величина называется общей щелочностью . При рН = 4,5 проба воды имеет нулевую щелочность .
Соединения первой группы из приведенных выше определяются по фенолфталеину, второй – по метилоранжу.
Щелочность природных вод в силу их контакта с атмосферным воздухом и известняками обусловлена, главным образом, содержанием в них гидрокарбонатов и карбонатов , которые вносят значительный вклад в минерализацию воды. Соединения первой группы могут содержаться также в сточных и загрязненных поверхностных водах.
Экспериментальная часть
Определение свободной щелочности . В коническую колбу наливают 100 мл исследуемой воды, прибавляют 2 – 3 капли индикатора фенолфталеина и титруют раствором HCl до обесцвечивания раствора. Расчет производят по формуле:
где х – свободная щелочность воды, мг-экв/л;
V (HCl) – объем HCl, мл;
100 – объем взятой пробы.
Определение общей щелочности . В ту же колбу, где проводили титрование, добавляют 2 – 3 капли индикатора метилового оранжевого и продолжают титрование до тех пор, пока окраска индикатора из желтой не перейдет в оранжевую.
Эксперимент повторяют три раза, результаты эксперимента записывают в таблицу 1. Из полученных результатов находят среднее арифметическое значение объема рабочего раствора.
Таблица 1 – Результаты титрования
Перед каждым титрованием заполняют бюретку раствором до нулевого деления шкалы.
Расчет производят по формуле:
где х – общая щелочность воды, мг-экв/л;
V (HCl) – объем HCl, мл;
С H (HCl) – молярная концентрация эквивалента раствора HCl, моль/л;
V (H 2 О) – взятый объем воды, мл.
Аналогично щелочности при анализе сточных и технологических вод определяют кислотность воды.
Кислотность воды обусловлена содержанием в воде веществ, реагирующих с гидроксоанионами. К таким соединениям относятся:
1) сильные кислоты: соляная HCl, азотная HNO 3 , серная H 2 SO 4 ;
2) слабые кислоты: уксусная CH 3 COOH; сернистая H 2 SO 3 ; угольная H 2 CO 3 ; сероводородная H 2 S и т.п.;
3) катионы слабых оснований: аммоний NH 4 + ; катионы органических аммонийных соединений.
Кислотность пробы воды измеряется в моль-экв/л или моль-экв/л и определяется количеством сильной щелочи (обычно используют растворы КОН или NaOH с концентрацией 0,05 или 0,1 моль/л), израсходованной на нейтрализацию раствора.
Различают свободную и общую кислотность. Свободная кислотность определяется при титровании до значений рН = 4,3 – 4,5 в присутствии в качестве индикатора метилового оранжевого. В этом диапазоне оттитровываются HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 , H 3 PO 4 .
Общая кислотность определяется при титровании до значений рН = 8,2 – 8,4 в присутствии фенолфталеина в качестве индикатора. В этом диапазоне оттитровываются слабые кислоты – органические, угольная, сероводородная, катионы слабых оснований.
Естественная кислотность обусловлена содержанием слабых органических кислот природного происхождения (например, гуминовых кислот). Загрязнения, придающие воде повышенную кислотность, возникают при кислотных дождях, при попадании в водоемы не прошедших нейтрализацию сточных вод промышленных предприятий и др.
Экспериментальная часть
Определение свободной кислотности . В коническую колбу наливают 100 мл исследуемой воды, прибавляют 2 – 3 капли индикатора метилового оранжевого и титруют раствором щелочи до перехода оранжевой окраски раствора в желтую.
Эксперимент повторяют три раза, результаты эксперимента записывают в таблицу 2. Из полученных результатов находят среднее арифметическое значение объема рабочего раствора.
Таблица 2 – Результаты титрования
Расчет проводят по формуле:
V (NaOH) – объем раствра щелочи, мл;
С H (NaOH) – молярная концентрация эквивалента раствора щелочи, моль/л;
100 – объем взятой пробы.
Определение общей кислотности . В коническую колбу наливают 100мл исследуемой воды, прибавляют 2 – 3 капли индикатора фенолфталеина и титруют раствором щелочи появления малиновой окраски индикатора.
Эксперимент повторяют три раза, результаты эксперимента записывают в таблицу 3. Из полученных результатов находят среднее арифметическое значение объема рабочего раствора.
Таблица 3 – Результаты титрования
Расчет проводят по формуле:
где х – свободная кислотность воды, мг-экв/л;
V (NaOH) – объем раствора щелочи, мл;
С H (NaOHl) – молярная концентрация эквивалента раствора щелочи, моль/л;
100 – объем взятой пробы.
Вопросы для самоконтроля
1 На титрование 100 мл исследуемой воды пошло 20 мл 0,1 н раствора соляной кислоты по метиловому оранжевому. Определите щелочность воды.
2 Вода содержит (мг/л): CaSO 4 – 50, Ca(HCO 3) 2 – 100, Mg(HCO 3) 2 – 25. Какова величина щелочности.
3 Какова общая щелочность воды, содержащей СО 3 2- – 50 мг/л, НСО 3 - – 122 мг/л.
4 При определении щелочности воды было израсходовано 0,1 н кислоты на титрование 100 мл пробы с индикатором фенолфталеином 3 мл и дополнительно с индикатором метиловым оранжевым 5 мл. Рассчитайте общую и отдельные виды щелочности воды.
5 Вода имеет жесткость равную 9 мг-экв/л. Постоянная жесткость составляет 60 % от общей жесткости (соли натрия отсутствуют). Какова величина щелочности воды.
6 В 1 л воды содержится 210 мг NaHCO 3 и 5,3 мг Na 2 CO 3 . Определите общую щелочность воды.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Похожая информация.
Сущность метода заключается в титровании пробы стандартным раствором кислоты в присутствии индикаторов фенолфталеина или метилового оранжевого.
Чувствительность метода 50 мкг-экв./дм 3 .
Диапазон определяемых значений - от 0,5 до 20 мг-экв./л.
Комплектация рассчитана на проведение 1000 определений.
Необходимые для проведения анализа приборы и материалы:
Посуда:
Колбы мерные 2-1000-2 по ГОСТ 1770.
Колбы Кн-250 ТХС по ГОСТ 25336Е.
Цилиндры мерные вместимостью 100 см 3 по ГОСТ 1770
Воронка коническая стеклянная по ГОСТ 23932.
Бюретка 1-2-25-0,1 по ГОСТ 29251.
Реактивы:
Вода дистиллированная по ГОСТ 6709 (вода обессоленная, конденсат).
Состав набора:
Кислота соляная, стандарт-титр для приготовления раствора с концентрацией 0,1 г-экв./дм 3 .
Метиловый оранжевый, индикатор, 0,1% водный раствор по ГОСТ 4919.1.
Фенолфталеин, индикатор, сухая смесь, по ГОСТ 4919.1.
Реактивы, входящие в состав набора, проверяются на соответствие требованиям действующих стандартов и технических условий.
Поправочные коэффициенты на нормальность стандартных растворов находятся в пределах 1±0,003.
Приготовление рабочих растворов.
Перед проведением анализа необходимо приготовить раствор соляной кислоты.
Для приготовления раствора соляной кислоты необходимо количественно перенести содержимое ампулы в мерную колбу, растворить примерно в 800-900 мл дистиллированной воды, хорошо перемешать и довести объем раствора до метки дистиллированной водой.
Время, затрачиваемое на проведение операции - около 20 минут.
Поправочный коэффициент для растворов, приготовленных из стандарт-титров, равен единице.
Готовый раствор перелить в емкости для хранения.
Проведение анализа.
1. В чистую коническую колбу Кн 2-250 мерным цилиндром отмеряют 100 см 3 анализируемой воды и прибавляют индикатор фенолфталеин.
Если проба имеет розовую окраску, ее титруют стандартным раствором соляной кислоты до обесцвечивания раствора. Результат титрования заносят в журнал. После чего к пробе прибавляют 3-4 капли раствора индикатора метилового оранжевого. Проба окрасится в желтый цвет.
Если после прибавления к пробе фенолфталеина окрашивание не проявляется. К пробе следует сразу прибавить 3-4 капли раствора индикатора метилового оранжевого. Проба окрасится в желтый цвет.
2. Окрашенную в желтый цвет пробу титруют стандартным раствором соляной кислоты до перехода окраски в апельсиновую.
3. Величина щелочности определяется по формулам:
Щфф=(a*C*1000)/V, где
Щ фф
- щелочность пробы по фенолфталеину, мг-экв./дм 3 ;
а фф
- расход кислоты на титрование с индикатором фенолфталеином, см 3
Щмо=(a*C*1000)/V, где
Щ мо
- щелочность пробы по метиловому оранжевому (общая щелочность), мг-экв./дм 3 ;
а мо
- расход кислоты на титрование с индикатором метиловым оранжевым (в случае последовательного титрования за объем кислоты, пошедший на титрования с метиловым оранжевым берется суммарный расход кислоты с начала титрования), см 3 ;
С - концентрация применяемого для титрования раствора соляной кислоты, г-экв./дм 3 (С=0,1 или 0,01);
V - объем взятой на титрование пробы, см 3 .
