Щелочность воды определение. Щелочность воды

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.

Определение жесткости. В колбу вместимостью 250 см 3 помещают первую часть пробы анализируемой воды объемом 100 см 3 , 5 см 3 буферного раствора, от 5 до 7 капель раствора индикатора хромового темно-синего или от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора и титруют раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке от винно-красной (красно-фиолетовой) до синей (сине-фиолетовой).

Вторую часть пробы объемом 100 см 3 помещают в колбу вместимостью 250 см 3 , добавляют 5 см 3 буферного раствора, от 5 до 7 капель раствора индикатора или от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора, добавляют раствор трилона Б, которого берут на 0,5 см 3 меньше, чем пошло на первое титрование, быстро и тщательно перемешивают и титруют (дотитровывают) до изменения окраски в эквивалентной точке от винно-красной (красно-фиолетовой) до синей (сине-фиолетовой).

Обработка результатов определения. Жесткость воды Ж, °Ж (жесткость общая) вычисляют по формуле:

Ж = M·F·K·V т p /V np , (7)

где: М - коэффициент пересчета трилона Б, равный 2 С тр, где С тр - концентрация раствора трилона Б, моль/м 3 (ммоль/дм 3), (как правило М = 50);

F - множитель разбавления исходной пробы воды при консервировании (как правило F = 1);

К - коэффициент поправки к концентрации раствора трилона Б, вычисленный по формуле (1);

V тр - объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, см 3 ;

V пр - объем пробы воды, взятой для анализа, см 3 .

За результат измерения принимают среднеарифметическое значение результатов двух определений. Приемлемость результатов определений оценивают исходя из условия:

|Ж 1 - Ж 2 | ≤ r , (8)

где r - предел повторяемости (таблица 3);

Ж 1 и Ж 2 - результаты определений, °Ж (общая жесткость).

Если расхождение между двумя результатами превышает установленное значение, то определение жесткости воды повторяют.

Определение щелочности. Налить 100 мл анализируемой пробыв коническую колбу емкостью 250 мл.

Добавить в колбу 1...2 капли раствора фенолфталеина и взболтать

Таблица 3

жидкость, если после добавления указанного индикатора жидкость окрасилась в красный цвет, следу­ет приступить к титрованию раствором соляной кислоты.

Зафиксировать уровень раствора кислоты в бюретке.

Титровать жидкость раствором кислоты до ее обесцвечи­вания. Титрование вести при интенсивном и частом пе­ремешивании жидкости и капельном добавлении раствора кислоты в колбу.

Определить количество раствора кислоты, израсходован­ного из бюретки для титрования пробы по фенолфталеину - Ф, мл.

Ввести в колбу 2 капли раствора метилоранжа и взбол­тать жидкость.

Титровать жидкость раствором кислоты до перехода ок­раски от желтой к оранжевой (но не красной), добавляя в колбу раствор кислоты по каплям и хорошо взбал­тывая жидкость.

Определить количество раствора кислоты, израсходован­ного из бюретки для титрования пробы по метилоранжу - М, мл.

Вычислить общую щелочность пробы воды: количество израсходованного на титрование пробы раствора кислоты в мл (Ф+М) соответствует значению общей щелочности Щ о (щелочность общая) воды в мг-экв/кг.

Вычислить значение бикарбонатной щелочности воды (Щ б) по формуле:

Мг-экв/кг (9)

Оборудование и материалы:

Термометр спиртовой (электронный), рН-метр, химические реактивы, химическая посуда, дистиллированная вода, шрифт Снеллена, штативы, баня водяная.

Форма отчёта:

Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о качестве воды и области её применения в водопользовании.

Литература:

1. РД 52.24.496-2005 Температура, прозрачность и запах поверхностных вод суши. Методика выполнения измерений. [Текст]. – Введ. 2005-07-01. – М. : Изд-во стандартов, 2005 – 6 с.

2. ГОСТ Р 52769-2007 Вода. Методы определения цветности. [Текст]. – Введ. 2009-01-01. – М. : Стандартинформ, 2010 – 7 с.

3. ГОСТ Р 52407-2005 Вода питьевая. Методы определения жесткости. [Текст]. – Введ. 2007-01-01. – М. : Стандартинформ, 2010 – 13 с.

4. ГОСТ Р 52963-2008 Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов. [Текст]. – Введ. 2008-09-29. – М. : Стандартинформ, 2009 – 30 с.

5. ГОСТ 3351-74 Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности. [Текст]. – Введ. 1975-07-01. – М. : Изд-во стандартов, 2003 – 6 с.

6. ГОСТ 18164-72 Вода питьевая. Метод определения сухого остатка [Текст]. – Введ. 1974-01-01. – М. : Изд-во стандартов, 1974 – 3 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Из огромного количества физико-химических факторов, влияющих на окружающую природную среду, сравнительно немногие имеют ведущее экологическое значение. К таким факторам прежде всего относятся физико-химические свойства воды, растворенные и взвешенные в ней вещества, а также загрязнение водоемов, вызванное деятельностью человека.

Вода как физико-химическое тело оказывает непрерывное воздействие на жизнедеятельность живых организмов. Она не только удовлетворяет физиологические потребности организмов, но и обеспечивает комфортную окружающую среду.

Температура воды - важнейший фактор, влияющий на протекающие в водоеме физические, химические, биохимические и биологические процессы, от которого в значительной мере зависят кислородный режим и интенсивность процессов самоочищения. Значения температуры используют для вычисления степени насыщения воды кислородом, различных форм щелочности, состояния карбонатно-кальциевой системы, при многих гидрохимических, гидробиологических, особенно лимнологических исследованиях, при изучении тепловых загрязнений.

Для измерения температуры используются ртутные, спиртовые и контактные электронные термометры.

Прозрачность (или светопропускание) природных вод обусловлена их цветом и мутностью, т.е. содержанием в них различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ.

Воду в зависимости от степени прозрачности условно подразделяют на прозрачную, слегка мутную, мутную, сильно мутную. Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в водоем белую пластину определенных размеров (диск Секи) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (как правило, шрифт средней жирности высотой 3,5 мм). Результаты выражаются в сантиметрах с указанием способа измерения.

Ослабление интенсивности света с глубиной в мутной воде приводит к большему поглощению солнечной энергии вблизи поверхности. Появление более теплой воды у поверхности уменьшает перенос кислорода из воздуха в воду, снижает плотность воды, стабилизирует стратификацию. Уменьшение потока света также снижает эффективность фотосинтеза и биологическую продуктивность водоема.

Определение прозрачности воды – обязательный компонент программ наблюдений за состоянием водных объектов. Увеличение количества грубодисперсных примесей и мутности характерно для загрязненных и эвтрофных водоемов.

Запах - свойство воды вызывать у человека и животных специфическое раздражение слизистой оболочки носовых ходов. Запах воды характеризуется интенсивностью, которую измеряют в баллах. Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в воду в результате процессов жизнедеятельности водных организмов, при биохимическом разложении органических веществ, при химическом взаимодействии содержащихся в воде

компонентов, а также с промышленными, сельскохозяйственными и хозяйственно-бытовыми сточными водами.

На запах воды оказывают влияние состав содержащихся в ней веществ, температура, значения рН, степень загрязненности водного объекта, биологическая обстановка, гидрологические условия и т.д.

Показателями запаха служат характер и его интенсивность которые определяются органолептически. Для определения запаха обычную пробирку наполняют исследуемой водой примерно на ¾ объёма, закрывают её корковой пробкой, несколько раз встряхивают, затем вынимают пробку и сразу определяют запах.

Вкус и привкус воды, их интенсивность и характер определяют органолептическим методом только для воды питьевого назначения при температурах около 20°.

Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами.

Характер вкуса или привкуса определяют ощущением воспринимаемого вкуса или привкуса (соленый, кислый, щелочной, металлический и т. д.).

Испытуемую воду набирают в рот малыми порциями, не проглатывая, задерживают 3-5 с.

Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20 о С и оценивают по пятибалльной системе (нет, очень слабая, слабая, заметная, отчетливая, очень сильная).

Факторами формирования рН являются содержание ионов водорода (гидроксония – H 3 O+) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов:

CO 2 + H 2 0 ⇔ H+HCO 3 - ⇔ 2H+CO 3 2 .

При диссоциации гидрокарбонатов Ca(HCO 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 также образуются ионы НСО 3 -. Увеличение их концентрации ведет к увеличению рН вследствие гидролиза.

Для удобства выражения содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком:

Для поверхностных вод, содержащих наибольшие количества двуокиси углерода, характерна слабо щелочная реакция. Изменения величины рН тесно связаны с процессами фотосинтеза (из-за потребления СО2 водной растительностью) и распада органических веществ.

Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в кислых почвах, перегное и болотных водах.

Величина концентрации ионов водорода (рН) в речных водах обычно колеблется в пределах 6,0-6,5, океане 7,9-8,3 рН. рН воды шахт и рудников достигает иногда единицы, а содовых озер и термальных источников десяти. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина рН для большинства речных вод составляет 6,8-7,4, летом 7,4-8,2.

Сухой остаток характеризует содержание в воде нелетучих растворенных веществ (главным образом минеральных) и органических веществ, температура кипения которых превышает 105–110°С. Сухой остаток определяют гравиметрическим и расчетным методами. Перед определением сухого остатка

пробу необходимо фильтровать либо отстаивать для отделения от взвешенных веществ.

Основными ионами, определяющими сухой остаток, являются карбонаты, бикарбонаты, хлориды, сульфаты, нитраты, натрий, калий, кальций, магний. Данный показатель влияет на другие показатели качества питьевой воды, такие как привкус, жесткость, коррозирующие свойства и тенденция к накипеобразованию.

Воду с сухим остатком свыше 1000 мг/л называют минерализованной, до 1000 мг/л – пресной. Воду, содержащую до 50 – 100 мг/л, считают слабоминерализованной (дистиллированная),100 – 300 мг/л–удовлетворительно минерализованной, 300 – 500 мг/л – оптимальной минерализации и 500 – 1000 мг/л – повышенно минерализованной. Минерализованной водой является морская, минеральная, пресной – речная, дождевая, вода ледников.

Цветность питьевой воды обусловлена содержанием органических и неорганических веществ природного и техногенного происхождения (гуминовые и фульвокислоты, трехвалентное железо, марганец и др.).

Цветность воды определяют визуально или фотометрически, сравнивая окраску пробы с окраской условной 1000-градусной шкалы цветности воды, приготавливаемой из смеси бихромата калия K 2 Cr 2 O 7 и сульфата кобальта CоSO 4 . Для воды поверхностных водоемов этот показатель допускается не более 20 градусов по шкале цветности.

Если окраска воды не соответствует природному тону, а также при интенсивной естественной окраске, определяют высоту столба жидкости, при котором обнаруживается окраска, а также качественно характеризуют цвет воды. Соответствующая высота указанного столба воды не должна превышать: для воды водоемов хозяйственно-питьевого назначения – 20 см; культурно-бытового назначения – 10 см.

Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей – нерастворимых или коллоидных частиц различного происхождения.

Мутность - это количественная мера света, рассеянного и поглощенного водой из-за присутствия в ней частиц суспензии.

Существует опасность перепутать мутность и окрашенность. Мутность - это недостаток прозрачности воды. Вода может быть сильно окрашенной, она даже может быть темно-коричневой, но все-таки прозрачной и не содержать частиц суспензии.

В России мутность воды определяют фотометрическим путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результат измерений выражают в мг/литр при использовании основной стандартной суспензии каолина или в ЕМ/литр (единицы мутности на литр) при использовании основной стандартной суспензии формазина. Последнюю единицу измерения называют также Единица Мутности по Формазину (ЕМФ) или в западной терминологии FTU (Formazine Turbidity Unit).

Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»).

Вода с большим содержанием солей называется жёсткой, с малым содержанием - мягкой.

Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО 3) 2 ; Mg(НСО 3) 2 , и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO 4 , CaCl2, MgSO4, MgCl2).

Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.

Щелочность воды (water alkalinity), мг-экв/л, определяется суммой содержа­щихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот - угольной, органических, а также бикарбонатных и карбонатных ионов.

Общая щелочность воды обычно определяется только анионами угольной кислоты (карбонатная щелочность). Анионы, гидролизуясь, образуют гидроксид-ионы:

CO 3 2- + H 2 O <=> HCO 3- + OH -

HCO 3- + H 2 O <=> H 2 CO 3 + OH -

Щелочность определяется количеством сильной (соляной, серной) кислоты, необходимой для нейтрализации 1 дм3 воды. Щелочность большинства природных вод определяется только гидрокарбонатами кальция и магния, pH этих вод не превышает 8,3.

Лабораторная работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БПК 5 СТОЧНЫХ ВОД

Время: 2-ч.

Цель работы: ознакомиться с методами определения биохимического потребления кислорода.

Перед выполнением работы необходимо изучить РД 52.24.420-2006 Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом, ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК полн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах.

Порядок выполнения:

Метод определения биохимического потребления кислорода основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении органических и неорганических веществ в воде.

Биохимическое потребление кислорода определяют количеством кислорода в мг/дм 3 , которое требуется для окисления находящихся в воде углеродосодержащих органических веществ, в аэробных условиях в результате биохимических процессов.

Определение БПК проводиться в некоторых стандартных условиях. В качестве таковых приняты следующие: продолжительность инкубации 5 сут., температура (20 +/- 1) °C, отсутствие доступа света и воздуха.

1. Определение начинают с заполнения и инкубации склянок. Если проба не содержит визуально заметного количества взвешенных веществ, 1,0 - 1,4 дм 3 , ее помещают в достаточно большую (2 дм 3) колбу.

2. Устанавливают pH в пределах 6 - 8 по универсальной индикаторной бумаге добавлением раствора соляной кислоты или гидроксида натрия 1 моль/ дм 3 и доводят температуру пробы до (20 +/- 1) °C, нагревая (при помощи водяной бани) или охлаждая ее (под струей водопроводной воды).

3. Энергично взбалтывают пробу не менее 10 мин., чтобы насытить ее кислородом. Насыщение пробы кислородом можно также осуществить, пропуская через нее воздух с помощью аквариумного микрокомпрессора. После завершения процедуры насыщения пробу следует оставить на 3 - 5 мин. для удаления избытка воздуха (до отсутствия поднимающихся к поверхности мелких пузырьков).

4. Если проба содержит грубую взвесь, ее наливают в склянку (лучше цилиндр) вместимостью не менее 1 дм 3 и отстаивают 0,5 - 1 ч.

5. После отстаивания отбирают сифоном осветлившийся средний слой воды в колбу для насыщения кислородом. Если пробу отстаиванием в течение часа осветлить не удается, ее фильтруют через бумажный фильтр "белая лента". Всегда в результатах анализа следует указывать принятый способ предварительной обработки воды.

6. Подготовленную пробу наливают в 3 сухие кислородные склянки, заполняя их до края так, чтобы внутри склянки не образовывалось пузырьков. В одной из 3-х склянок сразу же фиксируют и определяют концентрацию растворенного кислорода. Время между аэрацией пробы и фиксированием кислорода при определении его концентрации не должно быть более 15 мин.
Две другие склянки закрывают, помещают пробками вниз в наполненную дистиллированной водой фотографическую кювету или кристаллизатор (гидрозатвор) и устанавливают в термостат. При использовании склянок БПК колпачок заполняется той же пробой. Склянки выдерживают при отсутствии доступа света в термостате при (20 +/- 1) °C в течение 5 сут. По истечении этого срока в инкубированных склянках определяют концентрацию неизрасходованного растворенного кислорода.

7. Сразу же после заполнения склянки (или после инкубации) фиксируют растворенный кислород, для чего в склянку с пробой воды вводят отдельными пипетками 1 см 3 (при вместимости склянки до 150 см 3) или 2 см 3 (при вместимости более 150 см 2) раствора хлорида (сульфата) марганца и 1 или 2 см 3

щелочного раствора йодида калия (при вместимости склянки до 150 см 3 и более 150 см 3 соответственно).

Пипетку погружают каждый раз до половины склянки и поднимают вверх по мере истечения реактива из нее. Затем быстро закрывают склянку стеклянной пробкой таким образом, чтобы в ней не оставалось пузырьков воздуха, и содержимое тщательно перемешивают 15 – 20 - кратным переворачиванием склянки до равномерного распределения осадка в воде по всему объему склянки. Склянки с зафиксированным в них кислородом помещают в темное место для отстаивания (на время не менее 10 мин. и не более 24 ч).

8. После того, как опустившийся на дно осадок будет занимать менее половины высоты склянки, к пробе приливают 5 или 10 см 3 (в зависимости от вместимости склянки) раствора соляной кислоты, погружая при этом пипетку до дна склянки к осадку (не взмучивать) и медленно поднимая ее вверх по мере опорожнения. Вытеснение из склянки части прозрачной жидкости для анализа значения не имеет.

Склянку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают. После полного растворения бурого осадка пипеткой с одной отметкой отбирают 50 см 3 раствора, предварительно ополаскивая пипетку этим же раствором, переносят его в колбу для титрования и титруют раствором тиосульфата натрия из бюретки вместимостью 10 см 3 до тех пор, пока он не станет светло-желтым. Затем прибавляют 1 см 3 раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения синей окраски.
В склянках после инкубации повторяют определение растворенного кислорода, отбирая аликвоту из второй (следующей) склянки.

9. Вычисление и оформление результатов измерений БПК 5 .

Массовую концентрацию растворенного в воде кислорода X , мг/ дм 3 , находят по формуле:

, (10)

где: C m - концентрация раствора тиосульфата натрия, моль/дм 3 КВЭ;

V m - объем раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование, см 3 ;

V - вместимость кислородной склянки, куб. см;

V 1 - суммарный объем растворов хлорида марганца и йодида калия,

добавленных в склянку при фиксации растворенного кислорода, см 3 ;

М - молярная масса КВЭ кислорода, равная 8 мг/ммоль.

БПК 5 , мг/дм 3 , для неразбавленных проб (или потребление кислорода разбавляющей воды (БПК 5 р), мг/дм 3) находят по формуле:

или (11)
где: Х н - массовая концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды (или разбавляющей воды) до инкубации, мг/дм 3 ;

Х к - массовая концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды (или разбавляющей воды) после 5 сут. инкубации, мг/дм 3 .

Биохимическое потребление кислорода БПК 5 , мг/дм 3 , для подвергавшихся разбавлению проб находят по формуле:

(12)
где: Х н - концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды до инкубации, мг/дм 3 ;

Х к - концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды после 5 сут. инкубации, мг/дм 3 ;

БПК 5 - биохимическое потребление кислорода в пробах разбавляющей воды, мг/дм 3 ;

Р - степень разбавления пробы, равная 1000/V, где V – объем анализируемой воды в 1 дм 3 смеси после разбавления пробы.

За результат БПК 5 принимают среднее арифметическое измерения в двух склянках, подвергавшихся инкубации, если расхождение между ними не превышает величины предела повторяемости.

Оборудование и материалы:

Химические реактивы, химическая посуда, дистиллированная вода, водяная баня, рН-метр (универсальная индикаторная бумага).

Форма отчёта:

Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о биохимической потребности кислорода.

Литература:

1. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК полн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах.

2. РД 52.24.420-2006 Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Биологическое потребление кислорода (БПК) - количество кислорода, израсходованное на аэробное биохимическое окисление под действием микроорганизмов и разложение нестойких органических соединений, содержащихся в исследуемой воде.

В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть растворенного кислорода потребляется на биохимическое окисление, лишая таким образом кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию растворенного кислорода, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процессе

биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации растворенного кислорода, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ.

Определение БПК основано на измерении концентрации растворенного кислорода в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значение растворенного кислорода) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления. Так как скорость биохимической реакции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1)°С, причем от точности поддержания значения температуры зависит точность выполнения анализа на БПК.

Погрешность в определении БПК может внести также освещение пробы, влияющее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некоторых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инкубацию пробы проводят без доступа света (в темном месте).

Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органических веществ в воде приведена на рис. 1.

Рис.1 Динамика биохимического потребления кислорода:

а – легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества – сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.;

в – нормально окисляющиеся вещества – нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.;

с – тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества – неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.

Таким образом, БПК – количество кислорода в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся в 1л воды органических веществ в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов. Ориентировочно принимают, что БПК 5 составляет около 70% БПК полн, но может составлять от 10 до 90% в зависимости от окисляющегося вещества.

Лабораторная работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МЕТОДОМ БИОИНДИКАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ

Время: 2-ч.

Цель работы: интегральная экспресс-оценка качества среды обитания живых организмов по флуктуирующей асимметрии лис­товой пластины березы повислой (Betula pendula).

Перед выполнением работы студентам необходимо изучить общие принципы биоиндикации и особенности использования растений в качестве биоиндикаторов.

Порядок выполнения:

1. Сбор материала. Выборку листьев древесных ра­стений необходимо делать с нескольких близко растущих деревь­ев на площади 10 х 10 м или на аллее длиной 30- 40 м, в исключительных случаях с 2-3 растений. Выборка листьев травянистых растений делается с нескольких экземпляров на площади 1 м 2 . Используются только средневозрастные растения, исключая мо­лодые и старые. Всего надо собрать не менее 25 листьев среднего размера с одного вида растения. Листья собирать из нижней части кроны, на уровне поднятой руки, с максимального количества доступных веток, направленных условно на север, запад, восток и юг. У березы использовать листья только с укороченных побегов. На каждой площадке исследуют максимальное количество видов (но не менее одного древесного и одного травянистого), однако конкретный объем выборки должен определяться на основе ста­тистических методов.

2. Обработка материала. Весь собранный материал должен быть снабжен точ­ной информацией о месте сбора, наличии вблизи возможного загрязнения интенсивности движения транспорта, времени сбора и исполнителе. Хранить собранный материал можно не более неде­ли на нижней полке холодильника.

3. Обработка заключается в измерении длин жилок на листьях справа и слева. На рис. 2 цифрами обозначены листья следую­щих деревьев: 1 - березы, измеряется первая жилка от основа­ния листа; 2 - тополя, первая жилка от основания листа; 3 - остролистного клена, средняя жилка боковых пластин справа и слева; 4 - мать-и-мачехи, вторая жилка от основания черешка; 5 - клена американского, первая жилка от основания черешка; 6 - сныти, первая жилка от основания черешка; 7 - клевера ползучего, первая жилка от основания черешка.

Жилки измеряются курвиметром или линейкой с точностью до 1 мм. Интерес представляют не размеры жилок, а разница их длины справа и слева.

С одного листа снимают показатели по пяти параметрам (рис. 3). Отдельно фиксируют «загнутость» макушки листа (рис. 4). Данные измерений заносят в табл. 3 Величину флуктуирую­щей асимметрии оценивают с помощью интегрального показате­ля - величины среднего относительного различия по

признакам (среднее арифметическое отношение разности к сумме промеров листа справа и слева, отнесенное к числу признаков).

Рис. 3. Параметры промеров листьев для детального расчета:

1 - ширина половинки листа (лист складывают пополам, потом разгибают и по образовавшейся складке проводят измерений); 2 - длина второй жилки от осно­вания листа; 3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок; 4 - расстояние между концами этих жилок; 5 - угол между главной и второй от основания жилками

Рис. 4. Примеры «загнутости» макушки листа:

1 - не загнута; 2 - загнута влево; 3 - загнута вправо; 4 - «ласточкин хвост»

Коэффициент флуктуирующей асимметрии определяют по формуле, предложенной В. М. Захаровым:

, (13)

где – среднее различие между сторонами;

– различие значений признаков между левой (l) и правой (r) сторонами;

n – число выборок.

Качественные признаки считают по проценту ассиметричных листьев:

где – число ассимитричных особей;

– число симметричных листьев.

Показатель асимметрии указывает на наличие в среде обита­ния живых организмов негативного фактора. Это может быть хи­мическое загрязнение, изменение температуры, обитание биоло­гического объекта на краю ареала и др. Показатель откликается повышением на изменение фактора и стабилен при адаптации к имеющимся условиям. Таким образом, на основании периодиче­ского вычисления показателя можно проследить изменения усло­вий обитания объекта.

При балльной оценке используют таблицу соответствия баллов качества среды значениям коэффициентов асимметрии (см. табл. 4).

Таблица 4

4. Занести данные по всем листьям в табл. 5. Провести статистическую обработку данных.

5. Провести экспресс-оценку загрязнения окружающей среды по результатам всех измерений. Сделать вывод о качестве среды обитания живых организмов в соответствии с табл. 4.

Таблица 5

6. Провести экспресс-оценку загрязнения окружающей среды по результатам всех измерений. Сделать вывод о качестве среды обитания живых организмов в соответствии с табл. 4.

Баллы соответствуют следующим характеристикам среды оби­тания живых организмов: 1 - чисто; 2 - относительно чисто («нор­ма»); 3 - загрязнено («тревога»); 4 - грязно («опасно»); 5 - очень грязно («вредно»).

Оборудование и материалы:

курвиметр (линейка), транспортир, гербарий листьев березы повислой.

Форма отчёта:

Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о качестве окружающей среды.

Литература:

1. Последствия Чернобыльской катастрофы: Здоровье среды / под ред. В. М. Захарова, Е. Ю. Крысанова. - М.: Моек. отд. Международного фон­да «Биотест», 1996.

2. Стрельцов А. Б. Региональная система биологического мониторинга. - Калуга: Изд-во Калужского ЦНТИ, 2003.

3. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб, пособие для студ. высш. учеб, заведений / О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др.; под ред. О. П. Мелеховой и Е. И. Егоровой. - М.: Издатель­ский центр «Академия», 2007. - 288 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оцен­ке механического и кислотного состава почв, их плодородия, ув­лажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержа­ние в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка - виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта - смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфоло­гическими реакциями - изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор­мы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изме­нение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ран­ним заморозком. Поэтому при определении морфологических из­менений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.

Определяют общую щелочность, щелочность по фенолфталеину и по метилоранжу.

Под щелочностью понимают способность некоторых компонентов, содержащихся в воде, связывать эквивалентное количество сильной кислоты. Щелочность воды выражается в мг-экв/л, необходимой для ее нейтрализации, что соответствует количеству миллилитров 1 н соляной кислоты на 1 л воды.

Общая щелочность природных вод обусловливается анионами слабых кислот: HCO, СО, HSiO, HBO и другими анионами, гидролизующимися с образованием гидроксид-ионов. В сероводородных водах заметное значение в щелочности воды приобретает гидросульфитный ион (HS), а в нефтяных водах - ионы органических кислот. В сточных водах щелочность может быть обусловлена гидроксил-ионами сильных оснований (NaOH, KOH).

Щелочность, обусловленная присутствием сильных оснований (гидратов), называется гидратной. Щелочность, обусловленная присутствием ионов HCO и СО называется бикарбонатной, или карбонатной. Таким образом, для природных вод характерна бикарбонатная щелочность.

Сущность метода

Раздельное определение ионов HCO, СО и ОН легко достигается титрованием кислотой (например, HСl) с различными индикаторами:

– фенолфталеином (точка эквивалентности при рН~8,3...8,4) - при определении СО и ОН

СО + Н+ ® HCO (7)

ОН+ Н+ ® H2O (8);

– и метиловым оранжевым (точка эквивалентности при рН~4) - при определении HCO

HCO + Н+ ® СО2 + H2O (9).

Ионы HCO, СО и ОН при их совместном присутствии определяются сначала титрованием вначале в присутствии фенолфталеина, затем - с метиловым оранжевым. Если щелочность по фенолфталеину равна 0, то общая щелочность обусловлена только ионами HCO. Поскольку щелочность природных вод практически соответствует концентрации гидрокарбонатных ионов HCO (если в воде отсутствуют карбонаты СО) то щелочность природных вод равна карбонатной жесткости, так как в природных водах ионы HCO связаны только с ионами кальция и магния.

Мешающие влияния. Определению щелочности мешает интенсивная окраска пробы. Ее устраняют разбавлением, прибавлением активированного угля или фильтрованием пробы перед анализом. Мутность воды устраняют фильтрованием. Мешающее влияние свободного хлора (обесцвечивает индикатор) удаляют прибавлением эквивалентного количества тиосульфата натрия. Высокие концентрации СО2 мешают правильному определению перехода окраски, поэтому углекислоту предварительно вытесняют продуванием воздуха через пробу.

Реактивы и оборудование

– фенолфталеин;

– 0,1 н раствор соляной кислоты.

Проведение анализа

Предварительно определяют наличие в воде карбонатов или гидроксид-ионов (карбонатная и гидратная щелочность) по фенолфталеину (щелочная реакция) или измеряют рН (рН>8). Если раствор окрасился в розовый цвет, к 100 мл исследуемой воды добавляют 3 капли раствора фенолфталеина (рН=8,4) и титруют 0,1 н раствором HCl до обесцвечивания (щелочность по фенолфталеину). Затем в ту же колбу добавляют 2...3 капли раствора метилового оранжевого и титруют 0,1 н раствором HCl до перехода желтой окраски в розовую(щелочность по метиловому оранжевому).

Записывают объем, раствора соляной кислоты, израсходованного на титрование с фенолфталеином и общий объем кислоты, израсходованный на титрование. Общую щелочность Щоб вычисляют по формуле:

Щоб = , (10)

где VHCl - общий объем соляной кислоты, израсходованный на титрование, мл; NHCl - нормальность раствора соляной кислоты; V воды- объем исследуемой воды, взятой на титрование, мл.

Щелочность по фенолфталеину Щф определяют аналогично по формуле (10), но VHCl в этом случае равен объему раствора соляной кислоты, израсходованному на титрование с фенолфталеином.

Лабораторная работа№2

ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ИСХОДНОЙ (СЫРОЙ) КОТЛОВОЙ ВОДЫ ПАРОВОЙ КОТЕЛЬНОЙ И СЕТЕВОЙ ВОДЫ ВОДОГРЕЙНОЙ КОТЕЛЬНОЙ И ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Цель работы: Практическое освоение методики аналитического контроля общей щелочности воды и отдельных форм щелочности; приобретение навыков анализа воды, используемой в теплоэнергетических установках.

Щелочность воды, реактивы, применяемые при ее определении

Щелочность воды – это общее содержание в воде веществ, обуславливающих при диссоциации или в результате гидролиза повышенную концентрацию ионов ОН - .

В исходной воде щелочность обычно связана с присутствием ионов . В умягченной и котловой воде, кроме перечисленных веществ, щелочность обусловливается также ионами В зависимости от того, какой анион присутствует в воде , щелочность называется соответственно бикарбонатной Щ б, карбонатной Щ к или гидратной Щ г.

Большая щелочность воды определяется количеством соляной кислоты, затраченной на титрование анализируемой пробы воды (100 мл пробы) в присутствии индикатора фенолфталеина (I этап) и метилоранжа (II этап) 0,1 н. Количество кислоты (мл), израсходованной при титровании, равно щелочности испытуемой воды при рН = 3...4 .

Малая щелочность воды определяется путем титрования 100 мл пробы в присутствии фенолфталеина (I этап) и метилрота или смешанного индикатора (II этап) 0,01 н. раствором серной или соляной кислоты. Величина щелочности при этом определяется по формуле:

где п – количество израсходованного 0,01 н. раствора кислоты, мл.

Анализы по определению отдельных форм щелочности основаны на том, что при титровании пробы воды сильной кислотой, реакции, протекающие между кислотой и различными анионами, обусловливающими форму щелочности, заканчиваются при различных значениях рН раствора. Титрование проводится в присутствии двух индикаторов, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон значений рН. Одним индикатором является метилоранж, окраска которого изменяется на желтую в кислой среде при рН=3...4, вторым - фенолфталеин, окраска которого изменяется на розовую в щелочной среде при рН > 8,4. Следует особо отметить, что значение рН=8,4 имеют растворы чистых гидрокарбонатов (НСО3), постоянно присутствующих в водах. При анализе пробы воды на первом этапе используется фенолфталеин, а на втором - метилоранж.

Оценка отдельных форм щелочности производится в соответствии с полученными при титровании данными. При этом возможны следующие случаи:

1) фенолфталеин не дает розового окрашивания, т.е. Ф = 0, где Ф - расход соляной кислоты, пошедшей на титрование пробы, окрашенной фенолфталеином, мл. Метилоранж дает желтое окрашивание пробы, которая затем титруется соляной кислотой до изменения окраски. В этом случае в воде присутствуют только бикарбонаты (бикарбонатная щелочность) Щб, которая подсчитывается по формуле (1), где А = М, а М - расход кислоты на титрование пробы воды, окрашенной метилоранжем, мг-экв/л;

2) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем при титровании пробы оказалось, что 2Ф < М. В этом случае в воде присутствуют как бикарбонаты, так и карбонаты. Расчет Щб производится по формуле (1), где А = М - 2Ф, для расчета Щк следует принять А = 2Ф;

3) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем 2Ф = М. В этом случае в воде присутствуют только карбонаты; для расчета Щк в формулу (1) следует подставить А = 2Ф;

4) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем 2Ф>М. В этом случае в воде присутствуют карбонаты и гидраты. Для расчета Щк в формулу (1) следует подставить А=2(М-Ф), а для расчета Щг - А = (2Ф - М);

5) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем М = 0 (т.е. после обесцвечивания фенолфталеина дальнейшее увеличение объема метилоранжа сразу вызывает оранжевую окраску пробы воды). В этом случае присутствуют только гидраты; для расчета Щг в формулу (1) следует подставить А = Ф. При Кн = 0,1 мг-экв/л и V = 100 мл для определения формы и численного значения щелочности удобно пользоваться таблицей.

Оценка точности значений щелочности, вычисленных по формуле (1), производится в случае однократного измерения с учетом погрешностей измерения объемов анализируемой пробы Av, мл, и кислоты АА, мл, пошедшей на титрование, мг-экв/л

2. Сухой остаток воды

Сухой остаток – это суммарное количество нелетучих веществ в воде, выраженное в мг/кг. Он получается путем осторожного выпаривания профильтрованной пробы с последующим высушиванием при температуре 110-120°С. Количество этих веществ, определенное взвешиванием и пересчитанное на 1 кг воды, составляет сухой остаток.

При оперативном обслуживании теплового оборудования, ХВО, тепловых сетей метод определения солесодержания воды путем выделения каждый раз сухого остатка не применяется из-за большого количества времени, затрачиваемого на него. Так как практически в каждой воде находятся ионы , солесодержание воды можно определить с достаточной степенью точности по концентрации хлоридов из соотношения

где K – коэффициент пропорциональности, Cl – концентрация хлоридов, мг/кг.

3. Концентрация хлоридов, реактивы, применяемые для ее определения.

Для определения концентрации хлоридов проба титруется раствором азотнокислой окисной ртути в присутствии спиртового раствора индикатора дифенилкарбазида. Для создания оптимального значения pH используется 5% раствор азотной кислоты.

Расчет концентрации хлоридов ведется по формуле

где a – расход раствора азотнокислой окисной ртути, мг; Т – титр раствора азотнокислой ртути по хлор-иону, мг/л; V – объем пробы воды на анализ, мл.

Относительная щелочность котловой воды паровых котлов.

Для правильного ведения режимов непрерывной и периодической продувок паровых котлов очень важно оптимальное соотношение щелочности и солесодержания котловой воды. Правилами Госгортехнадзора относительная щелочность нормируется:

где 40 – эквивалент NaOH, мг/кг*экв;

Щ – общая щелочность котловой воды, мг*экв/кг; S - сухой остаток, мг/кг.

Величина относительной щелочности более 50% вызывает межкристаллитную коррозию металла барабана котла.

5. Описание лабораторной установки

Установка состоит (рис. 2) из колбы-1, бюретки-3 со сливным устройством-2, емкости-4 с 0,1 н раствором HCI, мерной колбы-5 и пипеток с индикаторами (на рис. 2 не показаны).

Порядок выполнения лабораторной работы

Ознакомиться с лабораторной установкой, назначением и порядком включения двухходового крана-6, конструкцией и порядком работы со сливным устройством-2 бюретки-3. Записать технические и метрологические характеристики средств измерений, используемых в работе.

Определить общую щелочность анализируемой пробы воды; для этого:

а) мерной колбой - 5 отмерить 100 мл воды и перелить ее в колбу-1, добавить туда же 2-3 капли фенолфталеина до появления розовой окраски (при отсутствии реакции на фенолфталеин выполнить п."б" и переходить сразу к п."г");

б) открыть двухходовой кран-6 и заполнять бюретку-3 до тех пор, пока середина мениска кислоты в бюретке не совпадет с любой оцифрованной отметкой в диапазоне 15...20 мл; перекрыть кран, записать значение начального объема Ан в таблицу по форме 1; в эту же таблицу занести результаты последующих опытов и расчетов;

в) поставить колбу-1 под сливное устройство бюретки-3, сжимая пальцами шарик сливного устройства-2, титровать пробу соляной кислотой до обесцвечивания пробы; прекратить титрование, занести в таблицу значение объема кислоты, затраченной на титрование Аф;

г) добавить в анализируемую пробу воды 2-3 капли метилоранжа. Если проба воды окрасилась в оранжевый цвет, эксперимент считается законченным, следует занести в таблицу значение объема кислоты затраченной на титрование Ам=0, и перейти к расчетам, как это указано в п."д"; при появлении желтой окраски следует титровать пробу, как это указано в п."в", до появления оранжевой окраски; прекратить титрование, занести в таблицу значение объема кислоты, затраченной на титрование Ам!

д) вычислить расход кислоты Ф, затраченной на титрование пробы воды, окрашенной фенолфталеином; расход кислоты М, затраченной на титрование пробы воды, окрашенной метилоранжем; суммарный расход кислоты А; общую щелочность Що;

е) повторить еще два раза опыты и расчеты, как это указано в пп. "а...д", вычислить среднеарифметическое значение щелочности Що, доверительные границы и записать окончательный результат;

4. Определить отдельные формы щелочности и вычислить, пользуясь таблицей по форме 1, их численные значения.

1. Краткое описание лабораторной установки, технические и метрологические характеристики средств измерений, краткие пояснения проводимых опытов.

2. Результаты опытов и расчетов, таблицы.

3. Выводы по работе и анализ результатов (см. "Общие указания").

8. Литература

1. Белан Ф.И, Водоподготовка. М.: Госэнергоиздат 1958.

2. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка: Учебное пособие для вузов.

М. Издательство МГУ, 1996 г. 680 с; 178 ил.

3. Руководящие указания по водоподготовке и водно–химическому режиму тепловых сетей. / СЦНТИ Энергоатомиздат. М., 1973. С. 3 - 50