Экология

Концентрацию хлорид-иона необходимо рассчитать по формуле

СХЛ = ∙ С ∙35,5 ∙1000,

п

где V – объем раствора азотнокислого серебра, израсходованного на титрование, мл;

С – концентрация раствора азотнокислого серебра, моль/л; 35,5 – молярная масса эквивалента хлора, г/моль; 1000 – коэффициент пересчета из граммов в миллиграммы; Vп – объем пробы, взятой для анализа, мл.

Контрольные вопросы

1.Где обнаруживается присутствие хлоридов?

2.Влияние хлоридов на окружающую среду.

3.ПДК хлоридов в воде.

4.К какому показателю вредности относятся «хлориды»?

5.Каким методом определяют показатель вредности?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА В ВОДЕ

Железо – один из наиболее распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо с точки зрения его распространенности в природе принято называть макроэлементом. Известно свыше 300 минералов, содержащих соединения железа. Среди них – магнитный железняк α-FeO(ОН), бурый железняк Fe2O3 ∙Н2O, гематит (красный железняк), гемит (бурый железняк), гидрогетит, сидерит FeCO3, магнитный колчедан FeSх (х = 1 + 1,4), железомарганцевые конкреции

идр. Железо также является жизненно важным микроэлементом для живых организмов и растений, т. е. элементом, необходимым в малых количествах

для жизнедеятельности.

Железо образует два рода растворимых солей, содержащих ионы Fe2+

иFe3+, однако в растворе железо может находиться и во многих других формах, в частности в виде:

1)истинных растворов (аквакомплексов) [Fe(H2O)6]2+, содержащих железо (II). На воздухе железо (II) окисляется до железа (III), растворы которого

имеют бурую окраску из-за быстрого образования гидроксосоединений (сами растворы Fe2+ и Fe3+ практически бесцветны);

2)коллоидных растворов из-за пептизации (распада агрегированных частиц) гидроксида железа под воздействием органических соединений;

21

3) комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами. К ним относятся карбонилы, ареновые комплексы (с нефтепродуктами, другими углеводородами), гексацианоферраты [Fe(CN)6]4– и др.

Внерастворимой форме железо может находиться в виде взвешенных

вводе твердых минеральных частиц различного состава.

Таким образом, в природных водах, в зависимости от условий, могут происходить сложные превращения соединений железа в разных его формах: как в растворе, так и в твердой (взвешенной) фазе. Важными факторами при этом являются кислотность среды, концентрация растворенного кислорода и т. п. Поэтому точные результаты могут быть получены только при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого общего железа.

Раздельное определение железа (II) и (III), их нерастворимых и растворимых форм дает менее достоверные результаты относительно загрязнения воды соединениями железа, хотя иногда возникает необходимость определить железо в его индивидуальных формах.

ПДК общего железа в воде составляет для водоемов хозяйственнобытового назначения 0,3 мг/л, рыбохозяйственного назначения – 0,05 мг/л.

Лимитирующий показатель вредности – органолептический.

Метод определения

Метод определения железа общего является колориметрическим (ГОСТ

1011–72, МВИ–014–190–09, ПНД Ф 14.1:2:4.259–2010) и пригоден для анали-

за питьевой и природных вод. Определение основано на способности катиона железа (II) в интервале рН 3–9 образовывать с ортофенантролином комплексное оранжево-красное соединение.

Метод практически селективен при анализе природных поверхностных вод и питьевой воды. Проведению анализа мешают: медь и кобальт в концентрациях более 5 мг/л; никель – более 2 мг/л; марганец – более 50 мг/л; большие концентрации цианидов, нитритов, полифосфатов.

Окрашенная проба колориметрируется визуально – колориметрически либо фотоколориметрически (502 нм).

Диапазон определяемых концентраций железа в воде: при визуальноколориметрическом определении – от 0,1 до 1,5 мг/л; при фотоколориметрическом определении – от 0,005 до 2 мг/л.

Реактивы и оборудование: вода дистиллированная; раствор ортофенантролина; раствор буферный ацетатный (рН = 4,5); раствор гидроксида натрия (10 %); раствор соляной кислоты (1:10); раствор гидроксиламина.

22

Бумага индикаторная универсальная; мерная склянка с меткой «10 мл»; пипетка градуированная на 10 мл; пипетка-капельница на 1 мл (5 шт.); контрольная цветовая шкала образцов окраски для определения железа общего

(0; 0,1; 0,3; 0,7; 1,0; 1,5 мг/л); фотоколориметр.

Ход определения

Ополоснуть мерную склянку несколько раз анализируемой водой. Налить в склянку пробу воды до метки «10 мл». Используя универсальную индикаторную бумагу и пипетку-капельницу, а также растворы гидроксида натрия либо соляной кислоты (в зависимости от рН среды), довести рН пробы до рН 4–5.

Добавить в ту же склянку пипеткой-капельницей 4–5 капель раствора солянокислого гидроксиламина (около 0,2 мл). Склянку закрыть пробкой и встряхнуть для перемешивания раствора.

Добавить разными пипетками поочередно 1,0 мл ацетатного буферного раствора и 0,5 мл ортофенантролина.

После каждого прибавления склянку закрыть пробкой и встряхнуть для перемешивания раствора. Раствор в склянке оставить на 20 мин для полного развития окраски. Провести колориметрирование пробы.

При визуально-колориметрическом определении склянку с пробкой поместить на белое поле контрольной шкалы. Освещая склянку рассеянным белым светом достаточной интенсивности, пронаблюдать окраску раствора сверху вниз. Определить ближайшее по окраске поле контрольной шкалы и соответствующее ему значение концентрации общего железа.

При фотометрическом определении окрашенную пробу поместить в кювету (10 мм) и определить значение ее оптической плотности на фотоколориметре при длине волны 502 нм относительно холостой пробы.

Далее с использованием градуировочной характеристики, заблаговременно построенной согласно МВИ-01-190–09, рассчитать массовую концентрацию железа общего.

Контрольные вопросы

1.В каком виде железо встречается в природе? Приведите примеры.

2.Назовите вещества, где железо находится в растворенном и нерастворенном виде в воде.

3.Почему железо называют макро- и микроэлементом?

4.ПДК железа в воде. К какому показателю вредности относится «железо»?

5.Каким методом определяют показатель вредности?

23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ

Общей жесткостью считается суммарная жесткость воды, то есть общее содержание растворимых солей кальция и магния.

Различают общую, временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жесткость.

Устранимая, или временная, жесткость обусловлена наличием бикарбонатов кальция и магния. При кипячении бикарбонаты переходят в малорастворимые карбонаты и выпадают в осадок, что приводит к образованию накипи, а жесткость воды уменьшается.

Неустранимая, постоянная (некарбонатная) жесткость обусловлена хлоридами, сульфатами и другими некарбонатными солями кальция и магния.

Суммы временной и постоянной жесткостей составляют общую жесткость воды.

Ввиду того, что солями жесткости являются соли разных катионов, имеющих разную молекулярную массу, концентрация солей жесткости, или жесткость воды, измеряется в единицах эквивалентной концентрации, то есть количеством 1 моль/л. С 2003 г. в РФ жесткость воды обозначается как (Ж)

ивыражается в градусах жесткости (˚Ж). Градус жесткости соответствует концентрации щелочноземельного элемента, преимущественно кальция (Са2+)

имагния (Mg2+), численно равной ½ его моля, выраженной в миллиметрах на метр. Таким образом, вместо использовавшейся ранее размерности общей

жесткости (ммоль/л) эквивалента следует использовать (˚Ж), при этом численные значения величины жесткости не изменяются. 1 ˚Ж = 20,04 мг/л [Са2+]

или 12,15 мг/л [Mg2+].

Допустимая величина общей жесткости для питьевой воды и источников централизованного водоснабжения составляет не более 7 ˚Ж (в отдельных случаях – до 10 ˚Ж).

Воду с общей жесткостью до 3,5 ˚Ж называют мягкой, от 3,5–7 ˚Ж – средней жесткости, от 7–10 ˚Ж – жесткой, свыше 10 ˚Ж – очень жесткой.

Лимитирующий показатель вредности – органолептический.

Метод определения

Метод определения общей жесткости (РД 52.24.395–2007, ИСО 6058, ГОСТ Р 52407–2005) как суммарной массовой концентрации катионов кальция и магния является титриметрическим и пригоден для анализа питьевой воды, природной и нормативно-очищенной сточной воды, а также водных почвенных вытяжек. Определение основано на реакции солей кальция и магния с реактивом – трилоном Б:

Са2++ Na2H2R = Na2H2R + 2H+ Mg2+ + Na2H2R = Na2MgR + 2H+,

где R

–

радикал

этилендиаминтетрауксусной

кислоты

–

(–OCCH2)2NCH2CH2N(CH2CO–)2.

24

Анализ проводят при рН 10–10,5 титриметрическим методом в присутствии индикатора хромового темно-синего кислотного (кислотно-хромового синего Т).

Метод определения массовой концентрации катиона кальция (РД 52.24.403–95, ИСО 6059) аналогичен методу определения общей жесткости с реактивом – трилоном Б с той разницей, что анализ проводится в сильнощелочной среде (рН 12–13) в присутствии индикатора мурексида. Диапазон измеряемых концентраций кальция составляет от 2 до 500 мг/л при объеме пробы 10 мл. Молярную концентрацию эквивалента кальция рассчитывают по результатам титрования по такой же формуле, что приведена для расчета общей жесткости. Определению кальция мешают карбонаты и диоксид углерода, удаляемые из пробы при ее подкислении.

Для определения содержания магния в незагрязненных поверхностных и грунтовых природных водах, как и в большинстве речных вод, можно применять расчетный (косвенный) метод, при котором концентрация магния рассчитывается как разность результатов определения общей жесткости и концентрации катиона кальция. Для анализа загрязненных вод на содержание магния необходимо применять прямое определение магния титриметрическим методом.

Реактивы и оборудование: раствор буферный аммиачный; раствор индикатора хромового темно-синего; раствор трилона Б (0,05 моль/л); раствор соляной кислоты (0,1 н.); раствор гидроксида натия; индикатор мурексид; индикатор метиловый оранжевый.

Пипетка-капельница полимерная; пипетка градуированная для титрования с соединительной трубкой и шприцем-дозатором или титровальная установка; конические колбы на 100 и 250 мл; склянка с меткой «10 мл».

Ход определения

1) общей жесткости.

Ополоснуть мерную склянку несколько раз анализируемой водой. Налить в склянку пробу воды до метки «10 мл». Добавить в склянку разными пипетками 2–3 капли раствора буферного аммиачного и 1–2 капли раствора индикатора хромового темно-синего. Закрыть склянку пробкой и встряхнуть для перемешивания. Провести титрование пробы с помощью титровальной установки либо градуированной пипеткой со шприцем-дозатором раствором трилона Б до перехода окраски в точке эквивалентности из винно-красной в ярко-голубую, наблюдая окраску на белом фоне при достаточной освещенности. Определить объем раствора, израсходованный на титрование общей жесткости Vож (мл).

25

Рассчитать значения общей жесткости Сож в градусах жесткости (ммоль/л-экв) по формуле

Сож = т ∙ ∙1000 ,

где Vm – объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, мл; C – концентрация раствора трилона Б, моль/л экв;

VA – объем воды, взятой для анализа, мл;

1000 – коэффициент пересчета из молей в миллимоли.

2) временной жесткости.

В коническую колбу на 250 мл отобрать 100 мл исследуемой воды, добавить 2–3 капли индикатора метилового оранжевого. Провести титрование пробы с помощью титровальной установки либо градуированной пипеткой со шприцем-дозатором 0,1 н. раствором соляной кислоты до появления оранжевой окраски.

Рассчитать значения временной жесткости Свж в градусах жесткости (ммоль/л-экв) по формуле

Свж = к ∙ ∙1000 ,

где Vк – объемрастворасолянойкислоты, израсходованногонатитрование, мл; C – концентрация раствора соляной кислоты, моль/л-экв;

VA – объем воды взятой для анализа, мл;

1000 – коэффициент пересчета из молей в миллимоли.

3)содержания катионов кальция.

Вмерную склянку или коническую колбу на 100 мл отобрать мерным цилиндром 10 мл анализируемой пробы. Прибавить по каплям раствор соляной кислоты до рН 4–5, помешивая стеклянной палочкой (при этом из пробы

удаляется гидрокарбонат-ион в виде СО2). Величину рН контролировать по универсальной индикаторной бумаге. К пробе прибавить пипеткой-ка- пельницей 13–14 капель (около 0,5 мл) раствора гидроксида натрия и содержание одной капсулы (0,02–0,03 г) индикатора мурексида. Раствор перемешать стеклянной палочкой.

Провести титрование пробы с помощью титровальной установки либо градуированной пипеткой со шприцем-дозатором раствором трилона Б, до перехода окраски в точке эквивалентности из розово-оранжевого в сине-

26

фиолетовую. Изменение окраски наблюдать на белом фоне при достаточной освещенности. Определить объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование кальция VCa (мл).

Рассчитать молярную концентрацию эквивалента кальция СCa (ммоль/л) по формуле

ССа = т ∙ С ∙1000 ,

п

где Vm – объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, мл; C – концентрация раствора трилона Б, моль/л-экв;

Vп – объем пробы воды, взятой для анализа, мл; 1000 – коэффициент пересчета из молей в миллимоли.

Массовую концентрацию катиона кальция рассчитать по формуле

XCa = CСа · ЭСа, мг/л

где ССа – молярная концентрация эквивалента кальция, ммоль/л; ЭСа – молярная масса эквивалента кальция (20,04 г/моль).

4) катионов магния.

Массовую концентрацию катиона магния СMg (мг/л) определить расчетным методом, произведя вычисления по формуле

СMg = (Cож – СCa) · 24,3,

где Cож и СCa – результаты определения общей жесткости и молярной концентрации эквивалента катиона кальция соответственно;

24,3 – молярная концентрация магния.

Контрольные вопросы

1.Что называют общей жесткостью воды? ПДК жесткости?

2.Какие соли обусловливают временную жесткость?

3.Какие соли обусловливают постоянную жесткость?

4.К какому показателю вредности относится «жесткость»?

5.Каким методом определяют показатель жесткости воды?

6.Чему равен показатель «постоянная жесткость»?

27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ ВОДЫ

Кислотность воды обусловлена содержанием в воде веществ, реагирующих с гидроксид-ионами. К таким соединениям относятся:

1)сильные кислоты: соляная (HCl), азотная (HNO3), серная (H2SO4);

2)слабые кислоты: уксусная (СН3СООН), сернистая (H2SO3), угольная (H2СO3), сероводородная (H2S) и т. п.;

3)катионы слабых оснований: аммоний (NH4+), катионы органических аммонийных соединений.

Кислотность пробы измеряется в молях на литр эквивалента или миллимолях на литр эквивалента и определяется количеством сильной щелочи, 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, HNO3, H2SO4, H2PO4.

Общая кислотность определяется при титровании до значений 8,1–8,3

вприсутствии фенолфталеина в качестве индикатора. В этом диапазоне оттитровываются слабые кислоты – органические, угольная, сероводородная, катионы слабых оснований. Если у воды рН › 8,3, то общая кислотность равна 0.

Вобычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания растворенного диоксида углерода. Естественно составляющую кислотности создают также гуминовые и другие слабые органические кислоты и катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, алюминия, органических оснований). В этих случаях рН воды не бывает ниже 4,5. Загрязнения, придающие воде повышенную кислотность, возникают при кислотных дождях, при попадании в водоемы не прошедших нейтрализацию сточных вод промышленных предприятий и др.

Кислотность определяют практически только для загрязненных поверхностных, технологических либо сточных вод.

Показатель ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого назначения составляет 7,5 ммоль/л.

Метод определения

Метод определения общей кислотности является титриметрическим и применяется для анализа питьевой, природной и нормативно-очищенной сточной воды. Определение основано на титровании анализируемой воды раствором гидроксида натрия известной концентрации в присутствии индикатора фенолфталеина. Общая кислотность анализируемой воды определяется количеством титрованного раствора, израсходованного на титрование до рН 8,1–8,3.

28

Реактивы и оборудование: водно-спиртовой раствор фенолфталеина; 0,1 н. раствор гидроксида натрия; раствор индикатора метилового оранжевого.

Колба коническая на 100 мл; пипетка градуированная для титрования с соединительной трубкой и шприцем-дозатором или титровальная установка; пипетка-капельница полимерная; цилиндр мерный на 50 мл.

Ход определения

1) свободной кислотности.

В коническую колбу на 100 мл отобрать пробу анализируемой воды объемом 50 мл, добавить в колбу пипеткой-капельницей 1–3 капли индикатора метилового оранжевого. Содержимое колбы перемешать.

Провести титрование пробы с помощью титровальной установки либо градуированной пипеткой со шприцем-дозатором раствором гидроксида натрия до изменения в точке эквивалентности окраски раствора. Изменение окраски наблюдать на белом фоне при достаточной освещенности. Определить объем раствора гидроксида натрия, израсходованный на титрование свободной кислотности VЩ (мл).

Рассчитать содержание сильных кислот (свободную кислотность – КС) в миллимолях по формуле

КС = Щ ∙ С ∙1000 ,

п

где VЩ – объем раствора гидроксида натрия (щелочи), израсходованного на титрование, мл;

C – концентрация раствора гидроксида натрия, моль/л-экв; Vп – объем пробы воды, взятой для анализа, мл;

1000 – коэффициент пересчета из молей в миллимоли.

2) общей кислотности.

В коническую колбу на 100 мл отобрать пробу анализируемой воды объемом 50 мл, добавить в колбу пипеткой-капельницей 1–2 капли индикатора фенолфталеина. Содержимое колбы перемешать.

Провести титрование пробы с помощью титровальной установки либо градуированной пипеткой со шприцем-дозатором раствором гидроксида натрия до появления неисчезающей розовой окраски. Изменение окраски наблюдать на белом фоне при достаточной освещенности. Определить объем раствора гидроксида натрия, израсходованный на титрование общей кислотности кислотности VЩ (мл).

29

Рассчитать содержание слабых кислот (общую кислотность – КО) в миллимолях на литр по формуле

КО = Щ ∙ С ∙1000 ,

п

где VЩ – объем раствора гидроксида натрия (щелочи), израсходованного на титрование, мл;

C – концентрация раствора гидроксида натрия, моль/л-экв; Vп – объем пробы воды, взятой для анализа, мл;

1000 – коэффициент пересчета из молей в миллимоли.

Контрольные вопросы

1.Что понимают под кислотностью воды?

2.Какие вещества обусловливают кислотность воды?

3.Что понимают под свободной кислотностью воды?

4.Что понимают под общей кислотностью воды?

5.Каким методом определяют кислотность воды?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЩЕЛОЧНОСТИ ВОДЫ

Щелочностью считается способность некоторых компонентов воды взаимодействовать с водородными ионами сильной кислоты.

Общая щелочность природных вод обусловливается анионами слабых кислот НСО3–, СО32–, НSiО3–, Н2PО4– и другими анионами, гидролизующимися с образованием гидроксид-ионов.

Та часть щелочности, которая соответствует количеству кислоты, необходимой для понижения рН до 8,3, называется свободной щелочностью. Количество кислоты, необходимое для достижения рН = 4,5, эквивалентно общей щелочности. Если рН воды меньше 4,5, то ее щелочность равна нулю.

Показатель ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого назначения составляет 0,5–6,5 ммоль/л.

Метод определения

Метод определения общей щелочности является титриметрическим

(ГОСТ Р 52963, ПНД Ф 14.1:2.245–07, РД 52.24.493–2008) и пригоден для анализа питьевой, природной минеральной лечебно-столовой и других вод,

атакже почвенных вытяжек. Определение основано на реакции карбонат-

игидрокарбонат-ионов с водородными ионами в присутствии в качестве индикаторов фенолфталеина и метилового оранжевого.

30