Выполнение анализа

1. В склянку с меткой «10 мл» налейте до метки анализируемую воду.

2. Далее из раствора удаляется гидрокарбонат-анион. Для этого в склянку прибавьте по каплям раствор соляной кислоты (1:100) при интенсивном перемешивании стеклянной палочкой до достижения величины рН раствора 4-5 (при перемешивании удаляется и большая часть диоксида углерода, мешающего определе­нию).

Величину рН контролируйте с помощью бумаги индикаторной универсальной. 3. К пробе прибавьте пипеткой-капельницей 13-14 ка­пель (около 0,5 мг) раствора гидроокиси натрия и содержимое одной капсулы (0,02-0,03 г) индикатора мурексида. Раствор перемешайте стеклянной палочкой. 4. Затем проведите титрование раствором трилона Б из пипетки на 5 мл на черном фоне до перехода окраски в точке эквивалентности из оранжевой в сине-фиолетовую. Определите объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование кальция (VКА, мл). 5. Рассчитайте массовую концентрацию кальция (СКА) в мг-экв/л по уравнению: СКА = VКА 5.

Примечание. После изменения окраски пробу необходимо выдержать еще 0,5 мин. для полного проте­кания реакции, после чего принять решение об окончании титрования (окраска раствора может не­сколько восстановиться. В этом случае необходимо добавить еще некоторое количество раствора трилона Б).

Магний. В поверхностные воды магний поступает в основном за счет процессов химического выветривания и растворения доломитов, мергелей и других минералов. Значительные количества магния могут поступать в водные объекты со сточными водами металлургических, силикатных, текстильных и других предприятий.

В речных водах содержание магния обычно колеблется от нескольких единиц до десятков миллиграммов в 1 дм³.

Содержание магния в поверхностных водах подвержено заметным колебаниям: как правило, максимальные концентрации наблюдаются в меженный период, минимальные — в период половодья.

ПДК_вр ионов Мg²⁺ составляет 40 мг/дм³.

Для определения содержания магния в незагрязненных по­верхностных и грунтовых природных водах, как и в большинстве речных вод, можно применять расчетный метод по разности ре­зультатов определения общей жесткости и концентрации катиона кальция. Для анализа загрязненных вод на содержание магния необходимо применять прямое определение магния.

Определение магния

Массовую концентрацию катиона магния (С_мг) в мг/л оп­ределяют расчетным методом, производя вычисления по формуле:

С_МГ = (С_ОЖ – С_КА•0,05) •12,16,

где С_ОЖ и С_КА – результаты определения общей жесткости (мг-экв/л) и массовой концентрации катиона кальция (мг/л) соответственно; 0,05 – коэффициент пересчета концентрации катиона кальция в миллиграмм-эквивалентную форму; 12,16 – эквивалентная масса магния.

Полученный результат округлите до целых чисел (мг/л).

Карбонаты и гидрокарбонаты. Основным источником гидрокарбонатных и карбонатных ионов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород типа известняков, мергелей, доломитов, например:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O  Сa²⁺ + 2HCO₃^-;

MgCO₃ + CO₂ + H₂O  Mg²⁺ + 2HCO₃^-.

Некоторая часть гидрокарбонатных ионов поступает с атмосферными осадками и грунтовыми водами. Гидрокарбонатные и карбонатные ионы выносятся в водоемы со сточными водами предприятий химической, силикатной, содовой промышленности и т.д.

По мере накопления гидрокарбонатных и особенно карбонатных ионов последние могут выпадать в осадок:

Ca(HCO₃)₂  CaCO₃ + H₂O + CO₂;

Сa²⁺ + CO₃^2-  CaCO₃.

В речных водах содержание гидрокарбонатных и карбонатных ионов колеблется от 30 до 400 мг HCO₃^-/дм³, в озерах – от 1 до 500 мг HCO₃^-/дм³, в морской воде – от 100 до 200 мг/дм³, в атмосферных осадках – от 30 до 100 мг/дм³, в грунтовых водах – от 150 до 300 мг/дм³, в подземных водах – от 150 до 900 мг/дм³.

Как отмечалось выше (в разделе «Щелочность и кислотность»), карбонаты и гидрокарбонаты представляют собой компо­ненты, определяющие природную щелочность воды. Их содержание в воде обусловлено процессами растворения атмосферного СО₂, взаимодействия воды с находящимися в прилегающих грунтах известняками и, конечно, жизненными процессами дыхания всех водных организмов.

Определение карбонат- и гидрокарбонат-анионов является титриметрическим и основано на их реакции с водородными ионами в присутствии фенолфталеина (при определении карбонат-анионов) или метилового оранжевого (при определении гидрокарбонат-анионов) в качестве индикаторов. Используя эти два индикатора, удается наблюдать две точки эквивалентности: в первой точке (рН 8,0-8,2) в присутствии фенолфталеина полнос­тью завершается титрование карбонат-анионов, а во второй (рН. 4,1-4,5) – гидрокарбонат-анионов. По результатам титрования можно определить концентрации в анализируемом растворе основных ионных форм, обуславливающих потребление кислот (гидроксо-, карбонат- и гидрокарбонат-анионов), а также величины свободной и общей щелочности воды, т.к. они находятся в стехиометрической зависимости от содержания гидроксол-, карбонат- и гидрокарбонат-анионов. Для титрования обычно используют титрованные растворы соляной кислоты с точно известным значением концентрации 0,05 г-экв/л либо 0,1 г-экв/л.

Определение гидрокарбонат-анионов основано на реакции:

СО₃ ^2- + Н⁺ =НСО₃.

Присутствие карбонат-аниона в концентрациях, определя­емых аналитически, возможно лишь в водах, рН которых более 8,0-8,2. В случае присутствия в анализируемой воде гидроксо-анионов при определении карбонатов протекает также реакция нейтрализации:

ОН^-+Н⁺=Н₂О.

Определение гидрокарбонат-анионов основано на реакции:

НСО₃^-+Н⁺=СО₂+Н₂О.

Таким образом, при титровании по фенолфталеину в реак­ции с кислотой участвуют анионы ОН^- и СО₃ ^2- , а при титровании по метиловому оранжевому – ОН^- , СО₃^2- и НСО₃^- .

Величина карбонатной жесткости рассчитывается с уче­том эквивалентных масс участвующих в реакциях карбонат- и гидрокарбонат-анионов.

При анализе карбонатных природных вод правильность получаемых результатов зависит от величины потребления кис­лоты на титрование по фенолфталеину и метилоранжу. Если тит­рование в присутствии фенолфталеина обычно не вызывает труд­ностей, т.к. происходит изменение окраски от розовой до бесцветной, то в присутствии метилового оранжевого, при изме­нении окраски от желтой до оранжевой, определить момент окон­чания титрования иногда довольно сложно. Это может привести к значительной ошибке при определении объема кислоты, израсхо­дованной на титрование. В этих случаях, для более четкого выяв­ления момента окончания титрования, определение полезно прово­дить в присутствии контрольной пробы, для чего рядом с титруемой пробой помещают такую же порцию анализируемой воды (во вто­рой склянке), добавляя такое же количество индикатора.

В результате титрования карбоната и гидрокарбоната, ко­торое может выполняться как параллельно в разных пробах, так и последовательно в одной и той же пробе, для расчета значений концентраций необходимо определить общее количество кисло­ты (V₀) в миллилитрах, израсходованной на титрование карбоната (V_K) и гидрокарбоната (V_ГК). Следует иметь в виду, что при определении потребления кислоты на титрование по метилоранжу (V_мо) происходит последовательное титрование и карбонатов, и гидрокарбонатов. По этой причине получаемый объем кислоты V_мо содержит соответствующую долю, обусловленную присутствием в исходной пробе карбонатов, перешедших после реакции с катионом водорода в гидрокарбонаты, и не характеризует полностью концентрацию гидрокарбонатов в исходной пробе. Следовательно, при расчете концентраций основных ионных форм, обусловливающих потребление кислоты, необходимо учесть относительное потребление кислоты при титровании по фенолфталеину (V_ф) и метилоранжу (V_мо). Рассмотрим несколько возможных вариантов, сопоставляя величины V_ф и V_мо.

1. V_ф = 0. Карбонаты, а также гидроксо-анионы в пробе отсутствуют, и потребление кислоты при титровании по метилоранжу может быть обусловлено только присутствием гидрокарбонатов.

1. V_ф  0, причем 2V_ф < V_мо. В исходной пробе отсутствуют гидроксо-анионы, но присутствуют и гидрокарбонаты, и карбонаты, причем доля последних эквивалентно оценивается как V_К = 2V_Ф, а гидрокарбонатов – как V_ГК = V_МО – 2V_Ф .

3. 2 V_Ф = V_мо. Гидрокарбонаты в исходной пробе отсутствуют, и потребление кислоты обусловлено содержанием практически только карбонатов, которые количественно переходят в гидрокарбонаты. Именно этим объясняется удвоенное, по сравнению с У_ф, потребление кислоты V_мо.

3. 2 V_Ф> V_мо. В данном случае в исходной пробе гидрокарбонаты отсутствуют, но присутствуют не только карбонаты, но и другие потребляющие кислоту анионы, а именно – гидроксо-анионы. При этом содержание последних эквивалентно составляет V_он = 2V_ф – V_мо. Содержание карбонатов можно рассчитать, составив и решив систему уравнений:

V_K + V_OH = V_MO

V_K = 2(V_MO – V_Ф)

V_OH = 2V_Ф – V_MO

5. V_Ф = V_мо. В исходной пробе отсутствуют и карбонаты, и гидрокарбонаты, и потребление кислоты обусловлено присутстви­ем сильных щелочей, содержащих гидроксо-анионы.

Присутствие свободных гидроксо-анионов в заметных ко­личествах (случаи 4 и 5) возможно только в сточных водах.

Массовые концентрации анионов (не солей!) рассчитыва­ются на основе уравнений реакций потребления кислоты кар­бонатами (С_к) и гидрокарбонатами (С_гк) в мг/л по формулам:

С_к= V_к • 60 •1000

2 • V_A

С_гк = (V_гк-V_к) • Н • 61• 1000 ,

V_A

где V_к и V_гк – объем раствора соляной кислоты, израсходованной на титрование карбоната и гидрокарбоната соответственно, мл; Н – точная концентрация титрованного раствора соляной кислоты (нормальность), г-экв/л; V_A – объем пробы воды, взятой для анализа, мл; 60 и 61 – эквивалентная масса карбонат- и гидрокарбонат-аниона соответственно, в соответствующих реакциях; 1000 – коэффициент пересчета единиц измерений.

Результаты титрования по фенолфталеину и метилоранжу позволяют рассчитать показатель щелочности воды, который чис­ленно равен количеству эквивалентов кислоты, израсходован­ной на титрование пробы объемом 1 л. При этом потребление кис­лоты при титровании по фенолфталеину характеризует свободную щелочность, а по метилоранжу – общую щелочность, которая измеряется в мг-экв/л. Показатель щелочности используется в Рос­сии, как правило, при исследовании сточных вод. В некоторых других странах (США, Канаде, Швеции и др.) щелочность опре­деляется при оценке качества природных вод и выражается мас­совой концентрацией в эквиваленте СаСО₃.

Следует иметь в виду, что при анализе сточных и загрязнен­ных природных вод получаемые результаты не всегда корректно отражают величины свободной и общей щелочности, т.к. в воде, кроме карбонатов и гидрокарбонатов, могут присутствовать соеди­нения некоторых других групп (см. «Щелочность и кислотность»).