тюменцева пособие

11

Снеллена таким образом, чтобы шрифт находился на расстоянии 4 см от дна. Добавляя или отливая воду из цилиндра, находят предельную высоту столба воды, при которой возможно определение шрифта. Определение производят в хорошо освещенном помещении на расстоянии 1 м от окна, не на прямом свету. Прозрачность выражается в сантиметрах высоты столба жидкости с точностью до 0,5 см. Прозрачность обычно определяется до 30 см.

Опыт № 6. Определение рН

Исследуемую воду наливают в стеклянный стакан емкостью 100 мл и определяют рН на рН-метре рН-150МИ. После настройки прибора (согласно инструкции) в стакан с водой погружают стеклянный электрод и солевой контакт электрода сравнения (либо один комплексный электрод), спустя 1,5 мин измеряют рН.

Быстро измерить рН можно с помощью универсальной индикаторной бумаги. Индикаторную бумагу опускают в воду на 1–2 сек, вынимают и сравнивают окраску со шкалой. Определение рН проводят по шкале от 1 до 14.

Опыт № 7. Взвешенные вещества

Беззольные фильтры средней плотности (белая лента) помещают предварительно в бюксы (каждый фильтр в отдельный бюкс) и высушивают с открытыми крышками в течение 2 часов при 105 0С. Затем охлаждают бюксы в эксикаторе и, закрыв их крышками, взвешивают на аналитических весах.

Через подготовленный таким образом фильтр пропускают 100– 1000 мл анализируемой сточной воды в зависимости от содержания в ней грубодисперсных примесей. Оставшийся на стенках стакана или колбы осадок смывают небольшой порцией воды в воронку, через которую проводят фильтрование. Фильтр помещают в тот же бюкс, в котором его взвешивали до фильтрования, высушивают 2 часа при 105 0С, охлаждают в эксикаторе и, закрыв бюкс крышкой, снова взвешивают. Высушивание, охлаждение и взвешивание повторяют до достижения постоянной массы через каждые полчаса.

Содержание взвешенных веществ вычисляют по формуле:

	Х	(А В) 1000		,
		V

где Х – содержание взвешенных веществ, мг/л; А – вес бюкса с фильтром и взвешенными веществами, мг;

12

В – вес бюкса с фильтром, мг;

V – объем воды, взятой для анализа, мл.

Опыт № 8. Сухой остаток

Сухим остатком называется высушенный при 105 0С остаток, получающийся при выпаривании досуха профильтрованной исследуемой воды. Сухой остаток характеризуется содержанием минеральных и частично органических примесей, температура кипения которых не превышает 105 0С и которые не разлагаются при указанной температуре.

В прокаленную, охлажденную и взвешенную фарфоровую чашку помещают 50–250 мл анализируемой сточной воды, предварительно профильтрованной. Воду выпаривают на водяной бане досуха. Затем переносят чашку с остатком в сушильный шкаф и высушивают в нем при 1050С до постоянного веса.

Содержание сухого остатка вычисляют по формуле:

	Х	(А В) 1000		,
		V

где А – масса чашки с сухим остатком, мг; В – масса пустой чашки, мг;

V – объем анализируемой сточной воды, мл; Х – содержание сухого остатка, мг/л.

Результаты всех анализов занесите в таблицу 4. Сравните полученные результаты со значением ПДК (Табл. П. 1.1).

Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод о пригодности воды для использования в хозяйственно-бытовых целях.

			Таблица 4
	Данные анализа воды
Показатель	Результаты	ПДК	Отклонение от ПДК
	анализа
Запах
рН и др.

После изучения данной темы студенты освоят методику проведения анализа физических свойств воды, научатся делать выводы о пригодности воды для различных областей хозяйства, выявлять основные источники загрязнения природных вод и влияние этих загрязнений на здоровье людей.

13

Контрольные вопросы

1.Почему вода является жизненной необходимостью?

2.Как классифицируют природные воды по видам использования?

3.Что такое ПДК? Что такое ЛПВ? Перечислите виды ЛПВ.

4.На какие группы делятся компоненты, входящие в состав природных

вод?

5. Приведите классификацию загрязнений водных источников.

[1, с. 43–70, 318–336; 2, с. 92–119, 305–311; 5; 6; 7; 8].

14

Тема 2 Химический анализ воды

При проведении химического анализа используют методы аналитической химии – науки о принципах и методах изучения химического состава вещества.

Для определения показателей воды часто применяют титриметрический (объемный) анализ, основанный на измерении объемов. Титрование – процесс приливания рабочего раствора с известной концентрацией, находящегося в бюретке, к исследуемому раствору для определения концентрации анализируемого вещества. В результате титрования устанавливают количество рабочего раствора, эквивалентного количеству определяемого вещества. Момент титрования, в который достигнуто это эквивалентное соотношение, называется точкой эквивалентности. Для экспериментального установления точки эквивалентности используются различные индикаторы. Индикаторы – вещества, изменяющие окраску, люминесценцию или образующие осадок при изменении концентрации того или иного компонента. Область концентрации компонентов раствора, при котором наблюдается изменение окраски индикатора, называется интервалом перехода. Конец титрования определяют по изменению окраски исследуемого раствора. При этом по бюретке отмечают объем рабочего раствора, израсходованного на титрование исследуемого раствора.

Ошибки в установлении конечной точки титрования зависят от соответствия интервала перехода индикатора и точки эквивалентности.

Методика выполнения лабораторной работы

Цель работы: определить содержание макрокомпонентов (Cl-, CO32-, HCO3-, Mg2+, Ca2+) в воде.

Материалы, реактивы, оборудование: колбы на 200 мл; пипет-

ки на 10 мл; цилиндры мерные на 100 мл; бюретки для титрования; дистиллированная вода; штатив с пробирками; исследуемая вода; 0,1 н. раствор серной кислоты H2SO4 или соляной кислоты HCl; раствор соляной кислоты HCl 1:5; метиловый оранжевый; фенолфталеин; 0,1 н. раствор едкого натра NaOH; 10 %-ный раствор азотной кислоты HNO3; 0,1 н. и 0,001 н. растворы нитрата серебра AgNO3; 0,01 н. раствор хлорида натрия NaCl; 5 %-ный раствор хромата калия K2CrO4;

15

5 %-ный раствор хлорида бария BaCl2; раствор № 1; раствор № 2

(прил. 3).

Опыт № 1. Щелочность

Под щелочностью понимают способность некоторых компонентов, содержащихся в воде, вступать в реакцию с сильными кислотами, т. е. с ионами водорода.

Общая щелочность природных вод обуславливается анионами слабых кислот: HCO3-, CO32-, HSiO3-, H2РО4- и другими анионами, гидролизующимися с образованием гидроксид-ионов.

Общая щелочность воды выражается в миллиграмм-эквивалентах кислоты, необходимой для ее нейтрализации до значения рН 4,5, что достигается титрованием с индикатором метиловым оранжевым.

1.1. Определение щелочности, вызываемой средними карбонатами (CO32-)

Если вода мутная, её отфильтровывают, а если окрашенная – разбавляют дистиллированной водой. Разбавление проводят в мерных колбах.

В две конические колбы на 200 мл наливают по 50–100 мл воды, прибавляют по 2–4 капли фенолфталеина, который изменяет окраску при щелочной реакции среды (рН 8,3). Окрашивание воды в розовый цвет указывает на присутствие средних карбонатов. В этом случае проводят титрование раствором 0,1 н. Н2SO4 или HCl до обесцвечивания. Колбы с раствором оставляют для дальнейшей работы. Реакция идет по уравнению:

2Nа2СО3 + H2SO4 = 2NаНСО3 + Nа2SO4.

Окраска фенолфталеина исчезает, когда весь карбонат (СО32-) перейдет в бикарбонат (НСО3-). Следовательно, величина щелочности от средних карбонатов во взятом объеме воды будет равна удвоенному числу миллилитров 0,1 н. H2SO4, пошедшему на титрование. Щелочность (Х, мг-экв/л) СО32- рассчитывают по формуле:

Х	V1	H 2 1000		,
		V

где V1 – объем H2SО4, затраченный на титрование, мл; Н – нормальность раствора Н2SO4;

16

2 – коэффициент для перевода бикарбонатов в карбонаты; V – объем пробы воды для титрования, мл;

1000 – коэффициент пересчета на 1 л (дм3) анализируемой воды. Для вычисления количества ионов СО32- в процентах число

мг-экв/л СО32- умножают на 0,03.

Если при добавлении фенолфталеина вода не окрашивается в розовый цвет (нет средних карбонатов), добавляют 2–3 капли метилового оранжевого и оттитровывают бикарбонаты (см. п. 1.2).

1.2. Определение общей щелочности (НСО3-)

В ту же колбу, где проводили определение аниона СО32-, прибавляют по 2–3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. H2SO4 (HCl) до перехода от желтоватой до едва заметной розовой окраски. Для сравнения рядом ставят колбу, в которую наливают столько же исследуемой воды и 2–3 капли раствора метилового оранжевого.

Реакция идет по уравнению:

Са(НСО3)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2СО2 + 2Н2О,

2NaHCO3 + H2SO4 = Na2SO4 + 2СО2 + 2Н2О.

Все количество 0,1 н. H2SO4, пошедшее на титрование в присутствии фенолфталеина и метилового оранжевого, будет соответствовать общей щелочности (Х, мг-экв/л) во взятом объеме воды. Её рассчитывают по формуле:

Х	(V1	V2 ) H 1000		,
		V

где V1 – объем H2SO4, затраченный на определение СO32-, мл; V2 – объем H2SO4, затраченный на определение НСО3-, мл; Н – нормальность раствора H2SO4;

V – объем пробы воды для титрования, мл;

1000 – коэффициент пересчёта на 1 л (дм3) анализируемой воды. Для вычисления количества ионов НСО3- в процентах число

мг-экв/л НСО3- умножают на 0,061.

Опыт № 2. Кислотность

Кислотностью называют содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными щелочами, т. е. с гидроксид-ионами.

К этим веществам относятся:

1. Сильные кислоты, создающие в водных растворах среду рН<3 (соляная кислота, азотная, серная и др.).

17

2.Слабые кислоты, создающие в воде концентрацию ионов водорода, соответствующую рН>3 (уксусная, сернистая, угольная кислоты, сероводород и т. п.).

3.Катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, алюминия, органических оснований и т. п.).

К50–100 мл анализируемой воды прибавляют 5–10 капель раствора фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором едкого натра на белом фоне до появления неисчезающего розового окрашивания.

Общую кислотность (Х, мг-экв/л) находят по формуле:

V1 Н 1000 ,

V

где V1 – объем 0,1 н. раствора NaOH, пошедшего на титрование, мл; Н – нормальность раствора;

V – объем исследуемого раствора воды, мл.

Процесс титрования повторяют дважды и для расчета общей кислотности берут среднее значение объема щелочи, пошедшего на титрование.

Опыт № 3. Определение содержания ионов хлора

Высокая растворимость хлоридов объясняет широкое распространение их во всех природных водах. В поверхностных водах количество хлоридов зависит от характера пород и варьируется в значительных пределах – от десятых долей до тысяч миллиграммов в одном литре. В реках северной части России хлоридов обычно немного, не более 10 мг/л, в южных районах эта величина повышается до десятков и сотен мг/л. Много хлоридов попадает в водоемы со сбросами хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Широкое применение NaCl для очистки автострад от снега и льда и в других технических целях привело к тому, что хлорид-ион стал входить в число наиболее распространенных загрязняющих веществ. Вода, содержащая хлориды в концентрации более 350 мг/л, имеет солоноватый привкус, а при концентрации хлоридов 500–1000 мг/л неблагоприятно влияет на желудочную секрецию. Показатель содержания хлорид-ионов очень важен при оценке санитарного состояния водоемов, т. к. ионы хлора образуют токсичные соли с любыми катионами.

18

Качественное определение хлоридов. В пробирку наливают 5 мл исследуемой воды, добавляют 3–4 капли 10 %-ой азотной кислоты и по каплям добавляют 0,1 н. раствор нитрата серебра.

При наличии хлоридов нитрат серебра реагирует с ними по схеме:

NaCl + AgNO3 = AgCl + NaNO3.

Хлорид серебра выпадает в виде осадка. Реакция эта достаточно чувствительна. Если хлорид-ионы обнаружены, то проводят их количественное определение (УИРС).

Опыт № 4. Определение сульфат-ионов

Для полуколичественного анализа сульфат-ионов применяют стандартную шкалу. Для приготовления шкалы используют раствор № 1, № 2 (прил. 3), 5 %-ый раствор хлорида бария и раствор соляной кислоты (1:5).

Таблица 5

Стандартная шкала для определения сульфат-ионов

№	Количество	Количество	Количество	Количество	Количество
пробирки	раствора	раствора	HCl, мл	раствора	сульфат-
	№ 1, мл	№ 2, мл		BaCl2, мл	иона, мг/л
1	–	1,6	0,5	2	80
2	–	3,2	0,5	2	160
3	–	6,4	0,5	2	320
4	2	–	0,5	2	1000
5	4	–	0,5	2	2000
6	8	–	0,5	2	4000

Для приготовления стандартной шкалы в 6 пробирок диаметром 14–15 мм наливают указанное в таблице 5 количество растворов № 1 и № 2, доводят объем до 10 мл. Затем в каждую пробирку добавляют по 0,5 мл соляной кислоты (1:5), по 2 мл 5 %-го раствора хлорида бария, закрывают пробками и перемешивают. В каждой пробирке образуется осадок сульфата бария, соответствующий определенному количеству сульфат-ионов (см. шкалу табл. 5).

Определение сульфат-ионов в воде проводят следующим образом: в точно такую же пробирку, какую использовали для приготовления стандартной шкалы, берут 10 мл исследуемой воды, прибавляют 0,5 мл соляной кислоты (1:5) и 2 мл 5 %-го раствора хлорида бария. Пробирку с исследуемой водой сравнивают со стандартной шка-

19

лой и делают соответствующие выводы о примерном количестве сульфат-иона в природной воде.

Опыт № 5. Определение жёсткости воды

Общая жёсткость – это природное свойство воды, обусловленное наличием в ней двухвалентных катионов (главным образом кальция и магния).

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

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

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

Сумма временной и постоянной жёсткости составляет общую жесткость воды.

Воду с общей жёсткостью до 3,5 мг-экв/л называют мягкой, от 3,5 до 7 мг-экв/л – средней жёсткости, от 7 до 10 мг-экв/л – жёсткой, свыше 10 мг-экв/л – очень жёсткой.

Вода с жёсткостью свыше 10 мг-экв/л часто имеет неприятный вкус. Резкий переход при использовании от мягкой воды к жёсткой (а иногда и наоборот) может вызвать у людей диспепсические явления.

Течение почечнокаменной болезни ухудшается при использовании очень жесткой воды. Жёсткая вода способствует появлению дерматитов. При повышенном поступлении в организм кальция с питьевой водой на фоне йодной недостаточности чаще возникает зобная болезнь. Для питьевых целей предпочитают воду средней жёсткости, для хозяйственных и промышленных целей – мягкую воду.

Исходя из этого общая жёсткость для воды, не подвергающейся специальной обработке, установлена на уровне 7 мг-экв/л.

Определение временной жёсткости. В коническую колбу на

200 мл отмеряют 100 мл исследуемой воды, добавляют 2–3 капли индикатора метилового оранжевого. Оттитровывают при постоянном взбалтывании 0,1 н. раствором соляной кислоты до появления оранжевой окраски.

20

Титрование повторяют 2–3 раза и для расчета берут средний объем кислоты.

Расчет (Жвр., мг-экв/л) производят по формуле:

VHCl		CHCl	1000		,
Жвр
		VH2O

где VHCl – объем кислоты, израсходованной на титрование, мл; VH2O – объем воды, мл;

СHCl – нормальная концентрация кислоты, мг-экв/л.

Результаты химического анализа воды занесите в таблицу 4, сравните с таблицей П. 1.1; таблицей П. 1.2. Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод о возможности применения исследуемой воды.

Определение общей жёсткости вынесено в УИРС.

После ознакомления с данной темой студенты освоят методы аналитической химии, научатся выявлять содержание макрокомпонентов в воде и устанавливать её жёсткость.

Контрольные вопросы

1.В чем сущность титриметрического метода анализа?

2.Какие примеси в воде относят к макрокомпонентам?

3.Что понимают под щелочностью и кислотностью воды?

4.Какие соли обуславливают временную жесткость?

5.Какие соли обуславливают постоянную жесткость?

6.Что называют общей жесткостью воды?

[1, с. 43–70, 318–336; 2, с. 92–119, 305–311; 5; 9].