2.12. Определение кислорода, растворенного в воде. Бпк

Количество растворенного кислорода в воде имеет большое значение для оценки санитарного состояния водоемов и его снижение указывает на резкое изменение биологических процессов в водоеме, а также на загрязнение водоемов веществами, биохимически интенсивно окисляющимися. Концентрация растворенного кислорода в воде зависит от природных факторов – атмосферного давления, температуры воды, содержания в ней растворенных солей. Содержание кислорода не определяют при анализе питьевых, грунтовых и большинства неочищенных сточных вод.

БПК – биохимическое потребление кислорода – количество кислорода (мг), необходимое для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях при 20С в результате протекающих в воде биохимических процессов за определенный период времени (БПК за 3, 5, 10, 20 суток и т.д.). Процесс биохимического окисления может быть относительно коротким (2-3 суток), когда в воде присутствуют вещества, легко усвояемые в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Но процесс может затянуться на 10-15 суток и более, если в воде присутствуют трудно усвояемые вещества. Поэтому определение БПК надо проводить до тех пор, пока содержание органических веществ в пробе практически не станет изменяться. В этом случае получают так называемое БПК полное. При анализе природных вод стандартной признана продолжительность времени инкубации 5 суток при температуре 20 С без доступа воздуха и света (БПК₅). Установлено, что при загрязнении водоемов преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами с относительно постоянным составом БПК₅ (5-суточное) составляет 70% БПК полного.

ПДК для природной воды (БПК₅) 3 мг/л. Для определения кислорода и БПК пробу воды не консервируют. Анализ проводят сразу после отбора пробы. Пробы воды отбирают стеклянные бутыли, хранят 3 часа или при температуре 4 С 1 сутки.

Сущность метода определения

Растворенный кислород и БПК определяют йодометрическим методом анализа. Стандартный раствор – тиосульфат натрия (Na₂S₂O₃·5H₂O), индикатор крахмал. Метод основан на окислении свежеосажденного гидроксида марганца в щелочной среде кислородом воздуха, растворенным в воде. Для выполнения анализа в калиброванные кислородные склянки отбирают две пробы воды рабочую и контрольную.

Рабочий опыт.

Пробу воды обрабатывают раствором хлорида или сульфата марганца и щелочным раствором иодид-иодатной смеси (КОН+КJ +KJO₃).

При этом протекают следующие реакции:

1) MnSO₄ + 2KOH = Mn(OH)₂↓ + K₂SO₄

бурый осадок

Mn(OH)₂ легко окисляется кислородом растворимым в воде.

2) 2Mn(OH) ₂ + O₂ + 2H₂O = 2Mn(OH)₄↓

бурый осадок

2 Mn(OH)₂ + 2OH^  2e^ = Mn(OH)₄ ↓

1 O₂ + 2H₂O + 4e^ = 4OH^

2Mn(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 2Mn(OH)₄

Mэ(О₂) = М/4 = 8г/моль; Мэ(О) = М/2 = 8 г/моль (мг/ммоль)

После образования осадка (Mn(OH)₂, Mn(OH)₄)) добавляют соляную кислоту.

3) KOH + HCl = KCl + H₂O

4) Mn(OH)₂ + 2HCl = MnCl₂ + 2H₂O

После добавления соляной кислоты окислительно-восстановительный потенциал φ⁰ Mn(OH)₄/Mn(OH)₂ будет увеличиваться в кислой среде до 1,28В, поэтому Mn(OH)₄ легко восстанавливается KJ.

5) Mn(OH)₄ + 2KJ + 4HCl = MnCl₂ + J₂ + 2KCl + 4H₂O

1 Mn(OH)₄ + 4H⁺ + 2e^ = Mn²⁺ + 4H₂O

1 2J^  2e^ = J₂

Mn(OH)₄ + 2J^ + 4H⁺ = Mn²⁺ + J₂ + 4H₂O

экв экв

Следовательно, О₂ → Mn(OH)₄ → J₂

Вода содержит окислители и восстановители (Cl₂, нитриты, Fe(HCO₃)₂, Na₂SO₃, Na₂S и др.)

Окислители в кислой среде будут взаимодействовать с KJ.

6) 2NaNO₂ + 2KJ + 4HCl = 2KCl + 2NaCl + J₂ + 2NO ↑ + 2H₂O

2 NO₂^ + 2H⁺ + 1e^ = NO + H₂O

1 2J^  2e^ = J₂

2NO₂^ + 4H⁺ + 2J^ = 2NO + J₂ + 2H₂O

7) Cl₂ + 2KJ = J₂ + 2KCl

1 Cl₂ + 2e^ = 2Cl^

1 2J^  2e^ = J₂

Cl₂ + 2J^ = 2Cl^ + J₂

Следовательно, йод выделяется не только за счет кислорода, но и за счет окислителей, содержащихся в воде.

Иодид - иодатная смесь в кислой среде также выделяет йод

8) 5КJ + KJO₃ + 6HCl = 3J₂ + 6KCl + 3 H₂O

3 2J^ 2e^ = J₂

1 JO₃^ + 6H⁺ + 6e^ = J^ + 3H₂O

5J^ + JO₃^ + 6H⁺ = 3J₂ + 3H₂O

Восстановители, содержащиеся в воде, реагируют с иодом.

9) 2Fe(HCO₃)₂ + J₂ + 6HCl = 2FeCl₃ + 4CO₂ ↑ + 2HJ + 4H₂O

2 Fe²⁺  1e^ = Fe³⁺

1 J₂ + 2e^ = 2J^

2Fe²⁺ + J₂ = 2Fe³⁺ + 2J^

10) Na₂SO₃ + J₂ + H₂O = Na₂SO₄ + 2HJ

1 SO₃^2 + H₂O  2e^ = SO₄^2 + 2H⁺

1 J₂ + 2e^= 2J^

SO₃^2 + J₂ + H₂O = SO₄^2 + 2J^ + 2H⁺

11) Na₂S +J₂ = S ↓ + 2NaJ

1 S^2  2e^ = S⁰

1 J₂ + 2e^ = 2J^

S^2 + J₂ = S⁰ + 2J^

Следовательно, количество выделившегося йода эквивалентно сумме растворенного в воде кислорода, окислителей, иодид - иодатной смеси минус расход йода на взаимодействие с восстановителями

[J₂]' экв [О₂] + [JO₃^-] + [окислит.] - [восстановит.]

Контрольный опыт.

Пробу воды обрабатывают сначала соляной кислотой, затем щелочным раствором иодид - иодатной смеси и хлоридом (сульфатом) марганца.

В кислой среде не образуется осадок Mn(OH)₂, значит реакции 2 и 5 протекать не будут, а количество выделившегося йода будет эквивалентно:

[J₂]'' экв [JO₃^-] +[окислит.] - [восстанов.]

Разность [J₂]' - [J₂]'' , эквивалентную количеству растворенного в воде кислорода, определяют путем титрования стандартным раствором тиосульфата натрия рабочего и контрольного опытов.

J₂ + 2Na₂S₂O₃ = Na₂S₄O₆ + 2NaJ

1 2S₂O₃^2  2e^ = S₄O₆^2

1 J₂ + 2e^ = 2J^

2S₂O₃^2 + J₂ = S₄O₆^2 + 2J^

Вывод. Весь процесс можно выразить схематично:

экв экв экв

О₂ → Mn(OH)₄ → J₂ → Na₂S₂O₃

Следовательно:

экв

О₂ → Na₂S₂O₃

Методика определения