тюменцева пособие

71

Опыт № 3. Определение перманганатной окисляемости

Под окисляемостью воды понимают количество кислорода, искусственно введенного окислителя (например, КМпО4 или К2Сr2О7), идущее на окисление содержащихся в воде органических веществ. Различают перманганатную (КМпО4) и бихроматную (К2Сr2О7) окисляемость.

Кроме органических веществ могут окисляться некоторые неорганические восстановители, например, NO2-, Fe2+, Мп2+, H2S и др. При значительном содержании восстановителей их влияние на величину окисляемости учитывается при расчете.

Происхождение и содержание органических веществ, находящихся в природных водах, разнообразно. Различны и их химические свойства по отношению к кислороду: одни вещества устойчивы к окислению, другие, наоборот, легко окисляются. Прямое определение органических веществ в природных водах является сложной и трудоемкой задачей, поэтому пользуются более простыми косвенными методами. Один из них – это метод перманганатной окисляемости, дающий представление о содержании в воде легко окисляющихся органических веществ. Метод бихроматной окисляемости соответствует полному окислению органических веществ (легко и трудно окисляющихся), за исключением некоторых белковых соединений. Обычно перманганатная окисляемость составляет 40–50 % от истинной окисляемости органических веществ.

Повышенная окисляемость может указывать на загрязнение воды. Наименьшую окисляемость (до 1–2 мг О2/л) имеют глубокие подземные воды, относящиеся к 1-му классу. Окисляемость подземных вод, относящихся ко 2-му и 3-му классам, может быть повышена, но не более 5 и 15 мг О2/л соответственно. В грунтовых водах окисляемость обычно выше (до 2–4 мг O2/л). В воде открытых водоемов окисляемость повышается до 5–6 мг O2/л в реках и до 6–8 мг O2/л в водохранилищах, достигая еще больших величин в водах болотного происхождения. Вода считается пригодной для хозяйственных и питьевых целей, если перманганатная окисляемость ее не превышает

3,0 мг О2/л.

Установлено, что с повышением содержания в воде органических веществ увеличивается и ее бактериальное загрязнение.

Определение перманганатной окисляемости основано на том, что КМпО4, будучи в кислой среде сильным окислителем, реагирует с присутствующими в воде восстановителями (органические вещества,

72

соли железа (II), нитриты). Ион МпО4- принимает при этом 5 электронов и переходит в двухвалентный катион Мп2+ по уравнению:

MnO4- + 8H+ + 5 е Mn2+ + 4H2O.

Избыток КМпО4- реагирует с вводимой в раствор щавелевой кис-

лотой:

2MnO4- + 5H2C2O4 + 6H+ 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O.

Не вступившая в реакцию щавелевая кислота оттитровывается КМпО4 по приведенному уравнению.

Точность метода – 0,4 мг О2/л, если окисляемость не превышает 4 мг О2/л, при более высокой окисляемости – 10 %.

Материалы, реактивы, оборудование: бюретка для титрования;

пипетки на 10 мл, 15 мл, 50 мл, 100 мл; колба коническая термостойкая на 250 мл; электроплитка; стеклянная воронка; 0,01 н. раствор перманганата калия КМпО4; 0,01 н. раствор щавелевой кислоты H2C2O4; 1:3 раствор серной кислоты H2SO4 (предварительно ее окисляют на холоде раствором KMnO4 до слабо-розовой окраски для удаления возможных восстановителей); исследуемая вода.

Вколбу отмеряют пипеткой 100 мл (или меньше) исследуемой пробы в зависимости от содержания в ней органических веществ (при

окисляемости до 10 мг O2/л можно брать 100 мл пробы). При объеме пробы меньше 100 мл доводят общий объем до 100 мл дистиллиро-

ванной водой. В колбу приливают 5 мл H2SO4 (1:3) и 15 мл 0,01 н. раствора КМпО4. Нагревают пробу до кипения и кипятят 10 мин с начала появления первых пузырьков. Во избежание разбрызгивания содержимого колбы при нагревании необходимо в горло колбы вставить стеклянную воронку.

Впроцессе кипячения могут произойти следующие изменения первоначального фиолетового цвета раствора перманганата:

1) жидкость обесцвечивается, что свидетельствует о большом содержании в данном объеме пробы восстанавливающих веществ. В таком случае определение повторяют и берут меньший объем исследуемой пробы;

2)жидкость приобретает коричнево-бурый цвет, что свиде-

тельствует о недостаточном количестве H2SO4. В таком случае в раствор следует добавить еще 5 мл H2SO4 и продолжить определение;

3)жидкость приобретает красноватый оттенок или остается после 10-минутного кипячения окрашенной в фиолетовый цвет. Это свидетельствует о том, что определение идет правильно.

73

В горячий раствор приливают пипеткой 15 мл 0,01 н. раствора Н2С2О4 (количество раствора должно строго соответствовать первоначальному объему КМпО4, добавленному в пробу при кипячении). Содержимое колбы при этом обесцвечивается, Н2С2О4 окисляется атомарным кислородом, который образуется при распаде КМпО4. Так как частично КМпО4 расходуется на окисление органических веществ в исследуемой пробе, при добавлении в пробу 15 мл раствора Н2С2О4 создается ее избыток. Не доливая бюретки с раствором КМпО4, титруют пробу до появления устойчивой слабо-розовой окраски от одной прибавленной капли КМпО4. Записывают суммарное количество КМпО4, израсходованное как на окисление органических веществ в пробе, так и на окисление 15 мл Н2С2О4 (обозначим его через А).

Определение нормальности КМпО4: для определения поправоч-

ного коэффициента к нормальности КМпО4, затраченного на окисление 15 мл Н2С2О4 (обозначим его как В), в колбу, в которой производился анализ, приливают пипеткой 15 мл стандартного 0,01 н. раствора Н2С2О4 (в зависимости от первоначально прилитого объема КМпО4) и пробу титруют вновь до слабо-розовой окраски (температура пробы при титровании должна быть 50–60 0С).

Поправочный коэффициент к нормальности КМпО4 вычисляют по формуле:

КV1 , V2

где V1 – объем H2C2O4, мл; V2 – объем KMnO4, мл.

Вычисление результатов (Х, мг О2/л) производят по формуле:

Х	8 N K (A	B) 1000	,
	V

где 8 – эквивалентная масса кислорода; К – поправочный коэффициент к нормальности КМпО4;

N – нормальность раствора КМпО4 (0,01 н.);

А – количество КМпО4, затраченное на окисление органических веществ и 15 мл Н2С2О4, мл;

В – количество КМпО4, пошедшее на окисление 15 мл Н2С2О4, мл; V – объем пробы воды, взятой для анализа, мл.

Результаты химического анализа воды занесите в таблицу 4. Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод о возможности применения исследуемой воды.

74

Опыт № 4. Количественное определение содержания в воде общего железа

Материалы, реактивы, оборудование: мерные колбы на 50 мл,

пипетки на 1 мл, 5 мл, 10 мл с делениями; фотоколориметр; исследуемая вода; 50 %-ный раствор роданида аммония NH4CNS или роданида калия KCNS; кристаллический персульфат аммония (NH4)2S2O8; раствор соляной кислоты HCl (пл. 1,19 г/см3); стандартные растворы железа (прил. 2); 10 %-ный раствор аммиака.

Количественное определение. В мерную колбу вместимостью

50 мл отбирают 25 мл тщательно перемешанной исследуемой воды. Если проба минерализовалась, то ее доводят 25 %-ным или 10 %-ным аммиаком до рН 4–5, контролируя по индикаторной бумаге. Затем добавляют 1 мл соляной кислоты (плотностью 1,19 г/см3), несколько кристалликов персульфата аммония, перемешивают и добавляют 1 мл роданида калия или аммония. Доводят объем дистиллированной водой до 50 мл.

После перемешивания сразу же измеряют оптическую плотность, применяя сине-зеленый светофильтр (λ490 нм) в кюветах с толщиной оптического слоя 2–5 см по отношению к дистиллированной воде, обработанной как проба.

Содержание общего железа находят по калибровочному графи-

ку.

Построение калибровочного графика. В ряд мерных колб вме-

стимостью 50 мл вносят 0; 0,5; 1; 3; 5; 10 мл рабочего стандартного раствора, что соответствует содержанию железа 0; 2,5; 5; 15; 25; 50 мкг, доводят объем до 25–30 мл дистиллированной водой и проводят анализ по вышеуказанной методике. Окраска устойчива в течение

2 ч.

Калибровочный график строят в координатах оптическая плотность – содержание железа, мкг.

Концентрацию железа (мг/л) рассчитывают по формуле:

ХVА,

где А – содержание железа, найденное по калибровочному графику или визуально по шкале стандартных растворов, мкг;

V – объем пробы, взятой для анализа, мл.

Результаты биогенного анализа воды занесите в таблицу 4. Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод о возможности применения исследуемой воды.

75

Опыт № 5. Определение содержания нитратного азота в почве дисульфофеноловым методом

Об обеспеченности растений азотом судят по содержанию в почве его минеральных соединений, так как органические (азот гумуса) непосредственно не доступны растениям. Избыточный азот накапливается в почве обычно в форме нитратов. Так как в этой форме азот в почве не сорбируется, он легко вымывается почвенными водами. Неконтролируемый источник поступления соединений азота в почву – промышленность по производству азотных удобрений.

Одним из методов определения нитратного азота в почве является дисульфофеноловый, он позволяет определить только азот нитратов. Даже при большом содержании в почве нитратов он даст правильные показатели.

Материалы, реактивы, оборудование: почва разного типа;

фильтровальные бумажки для обтирания кювет; фильтры плотные; дисульфофеноловая кислота C6H5OH(HSO3)2; гидроксид натрия NaOH; 20 %-ный раствор азотной кислоты НNО3; 0,05 %-ный раствор сульфата калия K2SO4; эталонный раствор (в 1 мл раствора содержится 1 мг азота); дистиллированная вода; х. ч. нитрат калия KNO3; толуол C6H5CH3; хлороформ CHCl3; 1 %-ный раствор дифениламина в серной кислоте ((C6H5)2NH2)HSO4); мерная колба на 50, 100, 250 мл, 1 л; пипетки мерные на 5, 10, 15, 20, 25 мл; пипетка с грушей на 1 мл для дисульфофеноловой кислоты; чашка фарфоровая; стакан химический; водяная баня с электрообогревом; воронка; палочка стеклянная; промывалка; стеклянные пробки; фотоэлектроколориметр; весы технические; емкость для слива жидкости при колориметрировании.

В пробирку переносят 2 мл фильтрата водной вытяжки и по каплям добавляют раствор дифениламина в серной кислоте. При наличии нитратов раствор окрашивается в синий цвет.

Количественное определение нитратов в почве проводят фотоколориметрическим методом.

Метод основан на образовании в присутствии дисульфофеноловой кислоты и NaOH соли пикриновой кислоты (пикрата натрия), окрашивающей раствор в желтый цвет. Интенсивность окрашивания зависит от содержания нитратного азота.

НNО3 + C6H5OH(HSO3)2	C6H5OH(NO2)3+ 2H2S04 + H 2О,
C6H5OH(NO2)3+ NaOH	C6H2OH(NO2)3ONa + Н2О.

пикрат натрия

76

Взвешивают на технических весах 10 г воздушно-сухой почвы (или 10–20 г свежей почвы) и помещают в колбу емкостью 250 мл. К почве приливают 5-кратное количество 0,05 %-го раствора K2SO4, взбалтывают 3 мин, после чего фильтруют через складчатый фильтр из плотной бумаги.

Первые порции фильтрата отбрасывают, а если после фильтрования раствор мутный, его перефильтровывают через тот же фильтр.

Берут пипеткой 5–50 мл фильтрата (в зависимости от предполагаемого количества нитратов), помещают в фарфоровую чашку соответствующего объема и выпаривают на водяной бане с электрообогревом. Одновременно в фарфоровой чашке выпаривают 20 мл эталонного раствора (в 1 мл содержится 1 мг азота).

После выпаривания чашки снимают с бани и охлаждают. Затем сухой остаток тщательно растирают с дисульфофеноловой кислотой, приливая в каждую чашку точно по 1 мл кислоты. (Внимание! Нельзя набирать реактив всасыванием в пипетку ртом! Нужно пользоваться склянкой с притертой к ней пипеткой ёмкостью 1 мл или автома-

тической пипеткой). Растирание стеклянной палочкой проводят не только на середине чашки, но и по бокам, где не видно осадка. Стеклянная палочка остается в чашке до конца работы.

После растирания чашки с веществами оставляют стоять 10 минут, затем в каждую из них приливают по 15 мл дистиллированной воды, так как без добавления воды возможно разбрызгивание содержимого чашек при последующей обработке кислоты щелочью. Водой смачивают поверхность чашек полностью, чтобы собрать все продукты реакции.

Кислый раствор в чашках нейтрализуют добавлением по каплям 20 %-ного раствора NaOH до появления неисчезающей желтой окраски (щелочная реакция), после чего добавляют ещё одну каплю щелочи.

Окрашенные растворы переливают по палочке через маленькую воронку в мерные колбы емкостью 50 мл (или 100 мл), несколько раз обмывают чашки из промывалки дистиллированной водой и полученную жидкость по палочке также приливают к основному раствору. Раствор в колбах доводят до метки дистиллированной водой, закрывают стеклянными пробками и перемешивают.

Сравнение окрасок растворов производят сразу же, так как при стоянии цвет изменяется. Для этого применяют метод фотоколориметрирования.

77

При фотоколориметрировании используют синий светофильтр с областью светопропускания 400–450 нм. При работе на спектрофотометре длина волны 453 нм. В качестве раствора сравнения берут дистиллированную воду.

Одновременно колориметрируют серию рабочих эталонных растворов сравнения (прил. 3), необходимых для построения калибровочного графика.

Приготовление рабочей шкалы растворов сравнения: Для по-

строения калибровочного графика в мерные колбы емкостью 50 мл пипеткой берут 2,5; 5; 10; 15, 20, 25 мл рабочего эталонного раствора, доводят дистиллированной водой до метки, перемешивают и колориметрируют при синем светофильтре той же длины волны.

Подсчеты результатов анализа. По полученным при колори-

метрировании серии рабочих растворов сравнения строят калибровочный график в координатах: объем рабочего раствора (мл) – оптическая плотность или коэффициент пропускания (отсчеты на шкале прибора).

Находят по графику показания исследуемых растворов и подсчитывают содержание нитратного азота в мг на 1 кг почвы по формуле:

N-NO3- мг/кг= a 0,01 V 1000 ,

H V1

где Н – навеска почвы, г;

V1 – объем вытяжки, взятый для выпаривания, мл; V – общий объём фильтрата мл;

а – отсчет по графику, мл; 0,01 – содержание азота в 1 мл рабочего раствора, мг;

1000 – коэффициент пересчета на 1 кг почвы.

Исследуйте почвы разного типа на содержание в них нитратного азота. Результаты сравните со шкалой обеспеченности растений азо-

том (табл. 23).

78

Таблица 23

Шкала обеспеченности растений азотом и потребности полевых культур в азотных удобрениях (по Гамзикову Г. П., 1981)

Обеспеченность	Интервалы				Потребность	Ориентиро-
растений азотом	содержания N-NO3- в				растений в азотных	вочные дозы
	почвах, мг/кг в слое				удобрениях	внесения
						азота, кг/га
	0–20 м		0–40 см
Очень низкая	10		5		Очень сильная	60–90
Низкая	10–15		5–10		Сильная	45–60
Средняя	15–20		10–15		Средняя	30–45
Высокая	20		15		Отсутствует	0

В результате выполнения самостоятельных работ студенты приобретут необходимые навыки исследовательской деятельности, что в дальнейшем пригодится им при участии в научных исследованиях.

[5; 6; 7; 12; 13].

79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основоположником целостного учения о биосфере является гениальный русский ученый, академик В. И. Вернадский. Он отмечал, что наряду с круговоротом минералов, воздуха и воды существует и биотический круговорот веществ, связанный с жизнедеятельностью живых организмов. На протяжении миллионов лет эволюции произошла адаптация организмов к определенным экологическим факторам окружающей среды. Экологические факторы для каждого организма находятся в определенных границах, соответствующих наследственно закрепленным требованиям организма. Человек с помощью различных устройств и систем создал искусственную экологическую нишу. Однако эти системы и устройства в некоторых случаях являются источником неблагоприятных экологических факторов и наносят вред как человеку, так и другим организмам.

Основными путями снижения уровня загрязнения окружающей среды являются: рациональное управление природным ресурсами, применение безотходных и малоотходных производств, экологическое воспитание и просвещение.

В результате изучения теоретического курса пособия и выполнения практических работ студенты приобретут знания о влиянии экологических факторов на здоровье человека, экологических потребностях человека, об экологических принципах рационального использования природных ресурсов, основах экологического права и экологической безопасности окружающей среды. Также они научатся применять законы в области экологии в целях защиты окружающей среды, оценивать экологическое состояние территории и уровень негативного воздействия на окружающую среду в результате профессиональной деятельности, прогнозировать возможные проблемы со здоровьем при взаимодействии с окружающей средой, овладеют методами выбора рационального способа снижения воздействия на окружающую среду в процессе сервисной деятельности.

Вопросы безопасности человека в любой среде обитания, его взаимодействия со ней будут реализовываться в курсах «Краеведение», «Безопасность жизнедеятельности», «Валеология», «Человек и его потребности», «Потребительские свойства продовольственных товаров» и др.

Экологизация обучения является основной составляющей современной концепции образования. XXI век характеризуется усилением научнотехнического прогресса и увеличением влияния человека на окружающую среду. Это предполагает экологически и экономически грамотный выбор решения в профессиональной деятельности.

80

Библиографический список

Основная литература

1.Коробкин, В. И. Экология : учебник для вузов / В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. – 17-е изд., доп. и перераб. – Ростов н/Д :

Феникс, 2011. – 600 с.

2.Экология : учебное пособие / под общ. ред. А. В. Тотая. – 3-е изд., испр. и доп. – М. : Изд-во Юрайт, 2012. – 411 с.

3.Экология. Сборник задач, упражнений и примеров : учеб. пособие для вузов / под ред. О. Г. Воробьёва и Н. И. Николайкина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Дрофа, 2006. – 508 с.

Дополнительная литература

4.Горбатова, К. К. Биохимия молока и молочных продуктов / К. К. Горбатова. – М. : Высшая школа, 1984. – 283 с.

5.Лабораторный практикум по экологии: Учебно-методическое пособие для студентов и учащихся, изучающих экологию, преподавателей вузов, колледжей, техникумов, учителей школ и педагогов дополнительного образования / составитель Т. И. Пирогова. – Омск : Изд-во ОмГПУ, 2009. – 75 с.

6.Медведева, Н. В. Практикум по экологической химии / Н. В. Медведева, О. В. Сидорова, Л. В. Трубачева. – Ижевск : Издательский дом «Удмуртский университет», 1999. – 156 с.

7.Орлов, Д. С. Экология и охрана биосферы при химическом за-

грязнении: учеб. пособие / Д. С. Орлов,	Л. К.	Садовникова,
И. Н. Лозановская. – М. : Высшая школа, 2002.	– 334 с.

8.Осипов, Ю. Б. Управление природоохранной деятельностью в РФ : учеб. пособие / под ред. Ю. Б. Осипова. – М. : Изд-во Моск. ун-

та, 2001. – 439 с.

9.Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружаю-

щей среды : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / А. И. Федорова, А. Н. Никольская. – М. : Гуманит. изд. центр ВЛА-

ДОС, 2001. – 288 с.

10. Ягодин, Б. А. Практикум по агрохимии / Б. А. Ягодин, И. П. Дерюгин, Ю. П. Жуков ; под ред. Б. А. Ягодина. – М. : Агро-

промиздат, 1987. – 302 с.