2.4.2. Химико-органолептические свойства воды

Химические вещества, определяющие органолептические свойства воды. Кроме органолептических показателей основной группы (физико-органолептических), следует обратить внимание на группу химико-органолептических показателей.

К показателям, характеризующим природный химический состав воды, относятся: сухой остаток, водородный показатель (рН), жесткость общая, содержание железа, сульфатов, хлоридов, марганца, меди, цинка.

Сухой остаток - это количество растворенных веществ, преимущественно минеральных солей, в 1 л воды. Количество органических веществ в сухом остатке составляет не более 10%, поэтому можно считать, что этот показатель характеризует общую минерализацию воды.

 При определении сухого остатка сначала проводят выпаривание основной массы пробы, которая может составлять 250–500 мл. Далее оставшуюся часть пробы высушивают во взвешенной, доведенной до постоянной массы чашке (стакане, тигле) в сушильном шкафу в стандартных условиях в два этапа. На первом этапе высушивание проводят при температуре 103–105°С в течение 1–2 часов. При этом удаляются влага и все летучие органические вещества, однако сохраняется почти вся кристаллизационная вода солей – кристаллогидратов. На втором этапе высушивание проводят при температуре 178–182 °С также в течение 1–2 часов. В этих условиях разлагаются кристаллогидраты, более полно испаряются и разлагаются органические вещества, разлагаются также некоторые соли – например, гидрокарбонаты до карбонатов и далее до оксидов (частично или полностью). Величину сухого остатка определяют по разности масс остатка пробы до и после высушивания, причем, иногда выполняют промежуточное взвешивание – после высушивания при температуре 103–105°С. Взвешивание выполняют на аналитических весах с погрешностью не более ±1 мг (лучше ±0,1 мг). Перед взвешиванием тигель необходимо охладить до комнатной температуры.

Воду с сухим остатком до 1000 мг/л называют пресной. Именно такая минерализация свойственна воде рек, большинства пресных озер и водохранилищ. Воду называют солоноватой, если ее минерализация составляет 1000—3000 мг/л, и соленой при минерализации свыше 3000 мг/л, что характерно для воды морей и океанов [8] .

Водородный показатель (рН) является основой кислотно-основного состояния, которое достигается в воде благодаря наличию различных растворимых соединений.

Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺и ОН^-, образующихся при диссоциации воды. Если ионы ОН^-в воде преобладают - то есть рН>7, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н⁺- рН<7- кислую (см. Таблица 6). В дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга и рН будет приблизительно равен 7. При растворении в воде различных химических веществ, как природных, так и антропогенных, этот баланс нарушается, что приводит к изменению уровня рН [4].

Таблица 6

Тип воды	Величина рН
сильнокислые воды	< 3
кислые воды	3 - 5
слабокислые воды	5 - 6,5
нейтральные воды	6,5 - 7,5
слабощелочные воды	7,5 - 8,5
щелочные воды	8,5 - 9,5
сильнощелочные воды	> 9,5

В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и многое другое.

Обычно уровень рН находится в пределах, при которых он не влияет на потребительские качества воды. При высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, способна вызывать раздражение глаз и кожи. Низкий уровень pH < 4 тоже может вызывать неприятные ощущения. Влияет pH и на жизнь водных организмов. Для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальным считается уровень рН в диапазоне от 6 до 9 единиц [3].

Жесткость. Различают общую, карбонатную, постоянную и устранимую жесткость.

Общая жесткость —это природное свойство воды, обусловленное наличием так называемых солей жесткости, т.е. всех солей кальция и магния в сырой воде (сульфатов, хлоридов, карбонатов, гидрокарбонатов и др.).

Карбонатная жесткость —это жесткость, обусловленная присутствием гидрокарбонатов и карбонатов Са₂₊иMg₂₊, растворенных в сырой воде.

Устранимая, или гидрокарбонатная, жесткость — это жесткость, которую удается устранить при кипячении воды. Она обусловлена гидрокарбонатами Са²⁺иMg²⁺, которые во время кипячения воды превращаются в нерастворимые карбонаты, и выпадают в осадок:

Са(НСО₃)₂= СаСО₃+ Н₂О +CО₂↑

Mg(HCО₃)₂=MgCО₃+ Н₂О +CО₂↑

Под постоянной жесткостью понимают жесткость кипяченой воды в течение 1 часа, которая обусловлена наличием хлоридов и сульфатов Са₂₊иMg₂₊, не выпадающих в осадок. Сегодня общую жесткость воды выражают в единицах ммоль/дм³.

Характеристика вод по значению общей жесткости:

Таблица 7

Группа вод	Единица измерения, ммоль/дм3
Очень мягкая	до 1,5
Мягкая	1,5 - 4,0
Средней жесткости	4,0 - 8,0
Жесткая	8,0 - 12,0
Очень жесткая	более 12

Известно, что значительное содержание солей жесткости, особенно магния сульфата, придает воде горький вкус. Потребители ощущают этот вкус, если общая жесткость воды превышает 7 ммоль/дм³. Чтобы вода не имела горького вкуса интенсивностью выше 2 баллов, ее общая жесткость не должна превышать 7 ммоль/дм³. Иначе говоря, доброкачественная вода должна быть мягкой (с общей жесткостью до 3,5 ммоль/дм³) или умеренно жесткой (от 3,5 до 7 ммоль/дм³). То есть верхний предел общей жесткости питьевой воды - 7 ммоль/дм³- установлен на основании ее влияния на органолептические свойства.

Со временем было доказано, что в зависимости от жесткости вода по- разному влияет на здоровье людей. Резкий переход при пользовании от мягкой воды к жесткой, а иногда и наоборот, может вызвать у людей диспепсию. В районах с жарким климатом пользование водой с высокой жесткостью приводит к ухудшению течения мочекаменной болезни. Вода с высокой жесткостью способствует развитию дерматита.

К тому же надо учитывать, что с повышением жесткости воды усложняется кулинарная обработка пищевых продуктов, а именно: хуже развариваются мясо и бобовые, плохо заваривается чай, образуется накипь на стенках посуды.

Однако и очень мягкая вода может отрицательно влиять на организм вследствие уменьшения поступления, прежде всего кальция. Известно, что кальций выполняет в организме множество функций, в том числе пластическую: он крайне необходим для остеогенеза и репарации костей (в костях содержится 99% кальция), принимает участие в образовании дентина. Кальций необходим для поддержания нервно-мышечного возбуждения, участвует в процессах свертывания крови, влияет на проницаемость биологических мембран. Суточная потребность взрослого человека в кальции колеблется от 800 до 1100 мг (от 1000 мг/сут. в возрасте до 7 лет и почти 1400 мг - в возрасте 14-18 лет). Во время беременности потребность в нем повышается до 1500 мг/сут., во время грудного вскармливания - до 1800-2000 мг/сут.

Хлориды и сульфаты распространены в природе в виде солей натрия, калия, кальция, магния и других металлов. Они составляют большую часть сухого остатка пресных вод. Наличие хлоридов и сульфатов в воде водоемов может быть обусловлено природными процессами вымывания их из почвы, а также загрязнением водоема различными сточными водами.

Природное содержание хлоридов и сульфатов в воде поверхностных водоемов незначительно и в большинстве случаев колеблется в пределах нескольких десятков миллиграммов на литр.

Хлориды в воде — это лишние и вредные примеси в воде. И если анализ воды показал, что их количество больше, чем нужно, то — их нужно удалять из воды. Почти все природные воды, дождевая вода, сточные воды содержат хлорид-ионы. Присутствие хлоридов объясняется присутствием в породах наиболее распространенной на Земле соли – хлорида натрия [1]. 

ПДК хлоридов в воде согласно СанПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников» составляет 350 мг/дм³. Повышенные содержания хлоридов ухудшают вкусовые качества воды, делают ее малопригодной для питьевого водоснабжения и ограничивают применение для многих технических и хозяйственных целей, а также для орошения сельскохозяйственных угодий [9].

Если в питьевой воде есть ионы натрия, то концентрация хлоридов выше 250 мг/дм³придает воде соленый вкус. Концентрации хлоридов и их колебания, в том числе суточные, могут служить одним из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками.

Определение хлоридов в воде основано на осаждении хлора азотнокислым серебром в присутствии хромовокислого калия в качестве индикатора. При титровании хлора азотнокислым серебром вначале выпадает хлористое серебро и раствор сохраняет желтую окраску, обусловленную наличием ионов Сl⁺. Когда весь хлор будет осажден, при дальнейшей прибавлении азотнокислого серебра образуется красный осадок хромовокислого серебра и желтая краска перейдет в слабо-оранжевую. Качественное определение. В пробирку берется 5 мл исследуемой воды, добавляется 3 капли 10 %-го азотнокислого серебра (подкисленного азотной кислотой). При наличии хлоридов выпадает белый осадок или появляется муть, в зависимости от качества хлоридов.

Сульфаты, как и хлориды, влияют на органолептические свойства воды. Они придают ей горький вкус. Пороговые концентрации по влиянию на вкус воды составляют для натрия, кальция и магния сульфата соответственно 500, 900 и 600 мг/дм³. Горький вкус становится ощутимым для большинства потребителей, если содержание сульфатов в воде превышает 500 мг/л. Кроме того, сульфаты в количестве 1-2 г оказывают слабительное действие. Также влияет вода, если содержит 700 мг/дм³магния сульфата. Однако со временем организм человека адаптируется ктаким и даже более высоким концентрациям сульфатов в воде.

Принцип определения сульфатов основан на осаждении в кислой среде ионов хлористым барием ВаСl₂ в виде сернокислого бария Ba₂SO₄, нерастворимого в воде. Качественный анализ на сульфаты. В пробирку берут 5 мл исследуемой воды, добавляют 1-2 капли 25 % раствора соляной кислоты и 5 капель 10 % раствора хлористого бария, нагревают, получается белый осадок или муть в зависимости от количества сульфатов. По степени мутности, используя табл., можно определить приблизительное количество сульфатов.

Кроме того, сульфаты и хлориды в питьевой водопроводной воде всегда содержатся одновременно. Поэтому они оказывают комбинированное воздействие на вкусовые рецепторы, результатом которого является усиление вкусовых ощущений. И если в отдельности хлориды в концентрации 350 мг/дм³, а сульфаты — 500 мг/дм³не ухудшают органолептических свойств воды, то присутствуя одновременно они придают ощутимый вкус интенсивностью свыше 2 баллов.

Нитраты. Нитраты — это соли азотной кислоты, наличие которых как правило вызвано поступлением в воду хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, а также стоков воды с сельскохозяйственных угодий, обрабатываемых азотосодержащими удобрениями, и с атмосферными осадками.

Метод определения содержания нитратов.

Объем пробы воды для определения содержания нитратов должен быть не менее 200 см³. Пробу отбирают в день проведения определения или ее консервируют, добавляя на 1 дм³исследуемой воды 2 - 4 см³хлороформа или 1 см³концентрированной серной кислоты.

Колориметрический метод с фенолдисульфокислотой

Метод основан на реакции между нитратами и фенолдисульфоновой кислотой с образованием нитропроизводных фенола, которые со щелочами образуют соединения, окрашенные в желтый цвет. Чувствительность метода 0,1 мг/дм³нитратного азота.

Приготовление основного стандартного раствора азотнокислого калия.

0,7218 г азотнокислого калия, высушенного при (105 ± 2) °С, растворяют в мерной колбе в дистиллированной воде, доводят объем до 1 дм³и добавляют 1 см³хлороформа. 1 см³этого раствора содержит 0,1 мг нитратного азота.

Приготовление рабочего стандартного раствора азотнокислого калия.

50 см³основного раствора выпаривают досуха на водяной бане, затем к охлажденному сухому остатку добавляют 2 см³фенолдисульфоновой кислоты и тщательно растирают стеклянной палочкой до полного смешения с сухим остатком. Затем добавляют несколько кубических сантиметров дистиллированной воды, количественно переносят в мерную колбу вместимостью 500 см³и доводят объем до метки дистиллированной водой. 1 см³этогораствора содержит 0,01 мг нитратного азота.

Приготовление суспензии гидроокиси алюминия:

125 г алюмоаммонийных квасцов NH₄Al(SO₄)₂· 12Н₂O или алюмокалиевых квасцов КА1

(SO₄)₂· 12Н₂0 растворяют в 1 дм³дистиллированной воды. Затем раствор подогревают до 60°С и постепенно, при постоянном помешивании, добавляют 55 см³концентрированного раствора аммиака. После отстаивания в течение 1 ч осадок переносят в большой стакан и промывают декантацией дистиллированной водой до отсутствия в промывной воде аммиака, хлоридов и нитратов.

Приготовление фенолдисульфокислоты:

25 г кристаллического бесцветного фенола (если препарат окрашен, необходима его очистка перегонкой) растворяют в 150 см³концентрированной серной кислоты и нагревают в течение 6 ч на водяной бане в колбе с обратным холодильником. Раствор хранят в склянке из темного стекла с притертой пробкой.

Приготовление раствора сернокислого серебра:

4,40 г сернокислого серебра Аg₂SO₄растворяют в дистиллированной воде и доводят в мерной колбе дистиллированной водой до 1 дм³. 1 см³раствора приблизительно эквивалентен 1 мг Сl¯. Раствор хранят в склянке из темного стекла с притертой пробкой.

Приготовление шкалы стандартных растворов:

Для визуального определения в колориметрические цилиндры вместимостью по 50 см³ вносят 0,0; 0,5; 0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 3,5; 6,0; 10; 15; 20 и 30 см³рабочего раствора азотнокислогокалия (1 см³- 0,01 мг N). Если используют цилиндры вместимостью по 100 см³, количество стандартного раствора удваивают, что соответствует содержанию нитратного азота в стандартных растворах шкалы от 0,1 до 6,0 мг/дм³нитратного азота. В каждый цилиндр добавляют по 2 см³фенолдисульфоновой кислоты и 5 - 6 см³щелочи (NН₄ОН) до максимального развития окраски. Объем раствора в цилиндрах доводят дистиллированной водой до метки и перемешивают. Приготовленная стандартная шкала может сохраняться в течение нескольких недель без изменения окраски раствора.

При определении нитратов с помощью электрофотоколориметра для построения калибровочного графика используют эти же стандартные растворы. Оптическую плотность окрашенных растворов измеряют на фотоэлектроколориметре с синим светофильтром (λ =480 нм) в кюветах с толщиной рабочего слоя 1 - 5 см. Из найденных значений оптических плотностей вычитают оптическую плотность нулевой пробы. Полученные результаты наносят на график [5].