Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

1. Что является основным источником сульфатов в незагрязненных природных водах?

2. Каковы антропогенные источники поступления сульфат-ионов в природные воды?

3. Чем опасно повышенное содержание сульфат-ионов в питьевой воде?

4. Каковы естественные пути поступления хлорид-ионов в природные воды?

5. Как влияет повышенное содержание хлорид-ионов в воде на ее вкусовые качества?

6. Каким методом определения сульфат-ионов можно пользоваться в полевых условиях?

7. Какова основная аналитическая реакция используемая для определения сульфатов всеми предложенными в работе методами?

8. Для чего используется хромат калия в определении хлорид-ионов методом Мора? работа 8. «Определение содержания в воде различных форм азота».

Цель: количественное определение в природных водах суммарного содержания ионов аммония и аммиака, содержания нитратов и нитритов.

Одним из важнейших показателей способности водоема к самоочищению является соотношение форм азота. Резервуаром азота в биосфере является атмосфера. В результате ряда превращений он переходит в форму, участвующую в образовании аминокислот и протеинов. В природных водах содержание ионов аммония не превышает 0,1 мг/л, нитрит ионов - 0,001-0,01 мг/л и нитрат ионов - 0,01-0,5 мг/л. Это соотношение меняется по сезонам года: летом нитрат ионы составляют сотые доли мг/л, осенью и зимой - несколько десятых мг/л, что объясняется значительным употреблением нитратов растениями.

В результате загрязнения водоемов хозяйственно-бытовыми стоками количество азота в воде по сравнению с природным его содержанием может возрастать в сотни и тысячи раз. Например, по данным профессора Н.С. Строганова, для водоемов, в которые поступали бытовые стоки, содержание азота аммонийных солей составляло примерно 84 мг/л. Превращение разных форм азота осуществляется в водоеме различными микроорганизмами. Указанные процессы четко прослеживаются на схеме, представленной на рис.1.

 

 

Рис.1. Превращение форм азота в водоеме (по М.М. Телитченко и К.А. Кокину)

Аммиак накапливается в воде в процессе дезаминирования в результате протеолиза белков растительного и животного происхождения, осуществляемого гетеротрофными (аммонифицирующими) бактериями в аэробных и анаэробных условиях и вследствие автолиза клеток. Затем аммиак окисляется микроорганизмами до нитратов - основы питания растений. Этот процесс называется нитрификацией. Микроорганизмы нитрификаторы были открыты Виноградским в 1880 году.

Процесс нитрификации протекает в две фазы в аэробных условиях и осуществляется двумя группами бактерий.

Первая (р.Nitrosomonas) характеризуется способностью окислять аммиак до нитритов:

- органическое вещество.

Вторая (р.Nitrobacter):

- органическое вещество до нитратов. Энергия, выделенная при окислении аммиака и нитритов, используется нитрификаторами для ассимиляции углекислого газа и других процессов жизнедеятельности. Таким образом гнилостные бактерии и нитрификаторы осуществляют процесс самоочищения водоема.

Все микроорганизмы, накапливающие азот, способствуют эвтрофикации водоема, что бывает нежелательно для водопользователей. Эвтрофикация - это повышение биопродуктивности водоема в результате накопления в воде биогенных веществ под воздействием природных и, главным образом, антропогенных факторов. В результате усиленного развития в водном объекте растений и микроорганизмов и затем их гибели ухудшаются физико-химические свойства воды: уменьшается ее прозрачность, вода приобретает зеленый или желто-бурый цвет, появляется неприятный вкус и запах, повышаются значения рН, в осадок выпадает карбонат кальция и гидроксид магния, наблюдается дефицит кислорода и возникают заморные явления.

Восстановление нитратов в анаэробных условиях осуществляет в водоеме весьма неоднородная в физиологическом отношении группа микроорганизмов денитрификаторов. Однако общим для них является способность использования в анаэробных условиях нитрат-иона в качестве конечного акцептора электронов при окислении разных органических субстратов и молекулярного водорода:

В процессе денитрификации нитраты восстанавливаются до аммиака или молекулярного азота. В водоемах, предназначенных для водопользования, это не страшно, в рыбохозяйственных - нежелательно, так как это обедняет их связанным азотом, доступным для растений и микроорганизмов. Процессу денитрификации препятствует наличие растворенного кислорода. По наличию в водоеме азота в той или иной форме можно судить о степени органического загрязнения вод и об интенсивности их самоочищения. Присутствие в воде ионов аммония и нитритов часто является признаком недавнего загрязнения, а нитрат ионов - признаком более раннего загрязнения воды.

Ионы аммония. Содержание ионов аммония в природных водах варьирует в интервале от 10 до 200 мкг/дм³ в пересчете на азот. Присутствие в незагрязненных поверхностных водах ионов аммония связано в основном с процессами биохимического разложения белковых веществ, аминокислот, мочевины. Присутствие аммония в концентрациях порядка 1 мг/л снижает способность гемоглобина рыб связывать кислород. Признаки интоксикации – возбуждение, судороги, рыба мечется по воде и выпрыгивает на поверхность. Механизм токсического действия – возбуждение центральной нервной системы, поражение жаберного эпителия, гемолиз (разрыв) эритроцитов. Токсичность аммония возрастает с повышением pH среды. Основными источниками поступления ионов аммония в водные объекты являются животноводческие фермы, хозяйственно-бытовые сточные воды, поверхностный сток сельхозугодий в случаи использования аммонийных удобрений, а также сточные воды предприятий пищевой, коксохимической, лесохимической, химической и других отраслей промышленности.

В стоках промышленных предприятий содержится до 1 мг/л аммония, в бытовых стоках – 2-7 мг/л; с хозяйственно-бытовыми сточными водами в канализационные системы ежесуточно поступает до 10 г аммонийного азота (в расчёте на одного жителя). Повышенная концентрация ионов аммония может быть использована в качестве индикаторного показателя, отражающего ухудшение санитарного состояния водного объекта. ПДК для воды используемой в рыбохозяйственных целях 0,3 мг/л азота аммонийного (или 0,39 мг/л в виде иона аммония), а для культурно-бытовых целей ПДК составляет 2 мг/л азота нитратного (или 2,6 мг/л в виде иона аммония).

Содержание аммония в водоемах с различной степенью загрязненности может быть следующим:

Таблица 1 - Зависимость степени загрязненности от концентрации аммония

Степень загрязнения (классы водоемов)	Аммонийный азот, мг/л
Очень чистые	0,05
Чистые	0,1
Умеренно загрязненные	0,2-0,3
Загрязненные	0,4-1,0
Грязные	1,1-3,0
Очень грязные	> 3,0

Нитрит-ины. Нитриты попадают в воду как из-за антропогенного воздействия, так и из-за разложения органических азотсодержащих веществ. Нитриты представляют собой промежуточную ступень в цепи бактериальных процессов окисления аммония до нитратов (нитрификация – только в аэробных условиях) и, напротив, восстановления нитратов до азота и аммиака (денитрификация – при недостатке кислорода). Подобные окислительно-восстановительные реакции характерны для станций аэрации, систем водоснабжения и собственно природных вод. Попадая в организм млекопитающих, нитриты снижают способность гемоглобина переносить кислород. Кроме того, при высоких концентрациях, нитриты могут вызывать кишечные отравления. Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления в , что указывает на загрязнение водного объекта, т.е. является важным санитарным показателем. ПДК нитротов для воды используемой в рыбохозяйственных целях составляет 0,02 мгN/л.

Нитрат-ионы. Нитраты являются не столь токсичными как нитриты. В природную воду нитраты попадают чаще всего через почву, в которую активно вносятся нитратосодержащие удобрения. Т.е. основным источником нитратов как загрязнителей природных вод является аграрная отрасль.

Вынос нитратов приходится, в основном, на осень и раннюю зиму, когда растения усваивают их лишь в малой степени. Сокращение объемов выноса нитратов достигается путем ограниченного применения удобрений и органики.

Угрожает рекам и химизация земледелия, прирост урожая достигается в основном за счет внесения минеральных удобрении. То, что не усваивается растениями, попадает в грунтовые воды, а оттуда в водоемы и реки. Еще один фактор загрязнения - животноводческие комплексы, которые, загрязняют не только грунтовые, но и глубоко залегающие напорные воды.

Негативные последствия для речных систем может вызвать рост в поверхностных водах содержание нитратного азота – одного из элементов эвтрофикации водоемов и водотоков.

ПДК для воды используемой в рыбохозяйственных целях 9,03мг/л азота нитратного (или 40 мг/л в виде нитрат-иона), а для культурно-бытовых целей ПДК составляет 10 мг/л азота нитратного (или 45 мг/л в виде нитрат-иона).

ЗАДАНИЕ 1. Фотометрическое определение содержания ионов аммония в природных водах.

Средства измерения, вспомогательные устройства, реактивы и оборудование:

1. Раствор сегнетовой соли - растворяют 50 г соли при на­гревании в дистиллированной воде, доводят раствор до 100 мл, перемешивают, фильтруют, добавляют 5 мл 10%-ного раствора и кипятят 30 мин (для уда­ления следов ). Объем раствора вновь доводят до 100 мл.

2. Реактив Несслера (щелочной раствор тетраиодмеркурата калия, торговый препарат).

3.Безаммиачная вода - дистиллированную воду с добавкой щелочи (25 мл 5%-ного раствора на 1 л воды) кипятят 1 час;

4. Стандартный раствор Основной раствор: растворяют в безаммиач­ной воде 296,5 мг безводного , высушенного при 100° С, и разбавляют такой же водой до 100 мл; 1 мл полученного раствора содержит 100 мкг . Рабочий раствор: разбавляют безаммиачной дистиллированной водой 5 мл основного стан­дартного раствора до 100 мл; 1 мл полученного раствора содержит 5 мкг .

Метод измерения. Ионы аммония определяют фотометрически по реакции с реактивом Несслера. Принцип метода основан на том, что аммоний с реактивом Несслера образует йодид меркураммония, который окрашивает раствор в желто-коричневый цвет. Интенсивность окраски пропорциональна содержанию аммония в воде.

Так как соли кальция и магния, обычно содержащиеся в природных водах, при взаимодействии с реактивом Несслера могут выпасть в осадок, их связывают рас­твором виннокислого натрия-калия (сегнетовой солью).

Выполнение измерений. К 100 мл пробы воды добавляют 0,2 мл раствора сегнетовой соли и 0,2 мл реактива Несслера, перемешивают и через 10 мин изме­ряют оптическую плотность раствора при 425 нм в кювете толщиной 1 см. Из полученного значения оптической плотности вычи­тают оптическую плотность холостой пробы. Концентрацию ионов аммония в пробе определяют по калибровочному графику. Холостая проба содержит безаммиачную воду, сегнетову соль и реактив Неслера.

Построение калибровочного графика. В мерные колбы на 50 мл наливают 0,1, 2, 3, 4, 6 и 10 мл стандартного раствора концентрации 5 мкг в 1 мл. Разбавляют до метки безаммиачной водой, перемешивают, отбирают из каждой колбы по 10 мл и переносят в пробирки. Концентрация ионов аммония в растворах составляет 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 и 1 мг/л. В каждую из пробирок добавляют по 0,2 мл сегнетовой соли и по 0,2 мл реактива Несслера, перемешивают, и через 10 мин измеряют оптическую плотность растворов при 425 нм в кювете толщиной 1 см. Из полученных значений оптических плотностей вычи­тают оптическую плотность холостого раствора (в качестве холостого раствора используется нулевая проба).

ЗАДАНИЕ 2. Фотометрическое определение содержания нитритного азота в природных водах.

Средства измерения, вспомогательные устройства, реак­тивы и оборудование.

1. Реактив Грисса, 10%-ный раствор. Если нет готового сухого препарата, то его готовят: 0,1 г а-нафтиламина растворяют в 100 мл дистиллированной воды при кипячении в течение 15 мин. Раствор охлаждают, добавляют 5 мл ледяной ук­сусной кислоты и 100 мл 1%-ного раствора сульфаниловой кислоты. Смесь хранят в склянке из темного стекла.

2. Уксусная кислота, 12%-ный раствор. 25 мл ледяной уксусной кислоты разбавляют дистиллированной водой до 200 мл.

3. Гидроксид аммония, суспензия для коагуляции.

4. Стандартные растворы нитрита натрия . Основной стандартный раствор: 4,927 г высушенного при 110 °С , растворяют в мерной колбе на 1 л в дистиллированной воде, доводят до метки. 1 мл раствора содержит 1000 мкг азо­- та нитритного.

5. Рабочий стандартный раствор. Разбавляют основной стандартный раствор дистиллированной водой в мерной колбе сначала в 50 раз, а затем полученный раствор еще в 10 раз. 1 мл рабочего стандартного раствора содержите мкг азота нитритного. Раствор консервируют прибавлением 1 мл хлороформа. Хранят в склянке из темного стекла.

Метод измерения. Метод основан на способности нитритных ионов давать интенсивно окрашенные диазосоединения с первичными ароматическими амина­ми. При определении используется реакция с сульфаниловой кислотой и -нафтиламином (реактив Грисса).

Существуют разные модификации реактива Грисса:

- собственно реактив Грисса. Содержит м-фенилендиамин (5 г/л), раствор подкислен серной кислотой;

- реактив Грисса-Илосвая. Состоит из двух растворов, содержащих сульфаниловую кислоту и нафтиламин в уксусной кислоте.

На первой стадии реакции сульфаниловая кислота образует с азотистой кислотой окрашенное диазосоединение (соль сульфанилдиазония), которое тут же вступает в реакцию азосочетания с нафтиламином, образуя уже довольно сложное вещество, - азокраситель - который и придаёт окраску раствору. Схема реакции для реактива Грисса-Илосвая приведена на рисунке.

Ограничения метода

1) Реактив Грисса неустойчив, поэтому растворы для анализа следует готовить непосредственно перед его проведением, как уже указывалось выше на уксусной кислоте.

2) Образующееся на первой стадии диазосоединение легко разрушается, поэтому необходимо следить за тем, что бы смесь не перегревалась.

3) Поскольку полученный краситель со временем разлагается, то основным ограничением метода является то, что шкалу стандартных окрасок надо готовить не задолго до определений и нельзя хранить длительное время.

Подготовка к выполнению измерений

Определению мешают взвешенные вещества, мутность, окраска воды, а так­же сильные окислители и восстановители. Мутность и цветность удаляют фильт­рованием и коагулированием. К 300 мл пробы прибавляют 0,5 г активированного угля или гидроксида аммония.

Выполнение измерений. 100 мл исследуемой осветленной или предва­рительно разбавленной воды (чтобы в ней содержалось до 0,004 мг азота) поме­щают в колбу или стакан, приливают 5 мл реактива Грисса и перемешивают. Ок­раска появляется через 40 мин и сохраняется неизменной в течение 3 часов. Через 40 мин растворы фотометрируют в кюветах толщиной 5 см с зеленым светофильт­ром (λ = 530 нм). Из полученного значения оптической плотности вычи­тают оптическую плотность холостой пробы. Холостая проба содержит дистиллированную воду и реактив Грисса.

Содержание нитритов находят по калибровочному графику.

Построение калибровочного графика

В ряд мерных колб на 25 мл вносят рабочий стандартный раствор в количестве 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 мл. В колбу доливают дистиллированную воду до метки. Концентрация в растворах составляет 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 2 3; 4 мкг азота нитритов. Растворы переливают в конические колбы объемом более 25 мл (50 или 100 мл) и добавляют в каждую по 5 мл 10%-ного раствора реактива Грисса, перемешивают и через 40 мин фотометрируют. Холостая проба: 25 мл дистиллированной воды + 5 мл реактива Грисса.

По калибровочному графику находят содержание азота нитритов в пробе.

Содержание азота нитритов (мг/л) в исследуемой воде рассчитывают по формуле:

;

где:

А - количество азота нитритов, найденное по калибровочному графику (мкг);

V - объем пробы, взятой для анализа (мл).

ЗАДАНИЕ 3. Фотометрическое определение нитрат-ионов с салициловой кислотой.

Средства измерения, вспомогательные устройства, реак­тивы и оборудование:

1. 0,5% раствор салициловокислого натрия или 0,5% раствор салициловой кислоты. Раствор готовят растворением 0,5 г салициловокислого натрия или 0,5 г салициловой кислоты в 100 г дистиллированной воды

2. 10 М гидроксид натрия. 400 г растворяют в 200 мл дистиллированной воды, переносят в мерную колбу на 1 литр, и доводят дистиллированной водой до метки.

3. Основной стандартный раствор . Растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды 0,032 г нитрата калия. Количественно переносят раствор в мерную колбу на 200 мл и доводят объем дистиллированной водой до метки (концентрация составляет 0,1 мг нитрат-ионов в 1 мл).

4. Рабочий раствор готовят разведением основного стандартного раствора в 10 раз (концентрация составляет 0,01 мг нитрат-ионов в 1 мл).

5. Концентрированная серная кислота.

Метод измерения

Метод определения нитратов основан на способности салициловой кислоты (орто-гидроксибензрйной) в присутствии концентрированной серной кислоты вступать в реакцию нитрования с образованием нитросалициловой кислоты, которая в щелочной среде образует окрашенную в желтый цвет соль.

Подготовка к выполнению измерений

Определению мешает хлорид-анион при массовой концентрации более 500 мг/л и соединения железа при массовой концентрации более 0,5 мг/л. От влияния соединений железа освобождаются добавлением сегнетовой соли. От влияния хлорид ионов избавляются разбавлением пробы воды.

Выполнение измерений:

В фарфоровую чашку помещают 10 мл исследуемой воды, прибавляют 1 мл 0,5% раствора салицилата натрия или салициловой кислоты и выпаривают досуха на водяной бане. После охлаждения сухой остаток увлажняют 1 мл концентрированной серной кислоты, тщательно растирают стеклянной палочкой и оставляют на 10 мин. Затем добавляют 5-10 мл дистиллированной воды и количественно переносят в мерную колбу на 50 мл, прибавляют 7 мл 10М гидроксида натрия, доводят объем дистиллированной водой до метки и перемешивают.

Измеряют оптическую плотность раствора, значение концентрации нитрат-анионов определяют по предварительно построенному калибровочному графику.

Если значение оптической плотности выходит за пределы калибровочного графика, анализируемую воду разбавляют в 5 раз дистиллированной водой и определение повторяют. При вычислении результатов учитывают степень разбавления пробы.

Построение калибровочного графика

В фарфоровые чашки вносят 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20 и 25 мл рабочего раствора (что соответствует содержанию нитратов 0; 0,2; 0,4; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 и 5,0 мг/л), добавляют по 1 мл раствора 0,5% салицилата натрия, выпаривают досуха. После охлаждения сухой остаток увлажняют 1 мл концентрированной серной кислоты, тщательно растирают стеклянной палочкой и оставляют на 10 мин. Затем добавляют 5-10 мл дистиллированной воды и количественно переносят в мерную колбу на 50 мл, прибавляют 7 мл 10М гидроксида натрия, доводят объем дистиллированной водой до метки и перемешивают.

Измеряют оптическую плотность растворов при 480 нм в кювете толщиной 2 см. Из полученных значений оптических плотностей вычи­тают оптическую плотность холостого раствора (в качестве холостого раствора используется нулевая проба).

ЗАДАНИЕ 4. Определение нитратного азота с фенолдисульфокислотой.

Средства измерения, вспомогательные устройства, реак­тивы и оборудование:

1) фотоколориметр; 2) водяная баня; 3) обратный холодильник; 4) фарфоровые чашки; 5) стеклянные палочки; 6) мерные колбы на . 100 мл, 1000 мл; 7) пипетки на 1 мл, 5 мл с делениями и на 1 мл, 5 мл без делений; 8) колбы на 100 мл; 9) фенолдисульфокислота. 25 г кристаллического бесцветного фенола (если препарат окрашен, то его необходимо очистить перегонкой) растворяют в 150 мл серной кислоты пл. 1,84 г/см³ и нагревают в течение 6 час на водяной кипящей бане в колбе с обратным холодильником. Раствор хранят в склянке из темного стекла с притертой пробкой; 10) сульфат серебра, раствор. 4,4 г растворяют в дистиллированной воде и доводят объем до 1 л в мерной колбе. 1 мл раствора эквивалентен приблизительно 1 мг хлорид-иона. Раствор хранят в склянке из тем ного стекла с притертой пробкой; 11) гидроксид аммония, суспен зия для коагуляции; 12) аммиак, 25 %-ный раствор; 13) стандартный раствор нитрата калия : 0,7216 г , высушенного при 105°С до постоянной массы, растворяют в дистиллированной воде в мер ной колбе и доводят объем до 1 л. Для консервации прибавляют 1 мл хлороформа. В 1 мл раствора содержится 0,1 мг нитратного азота.

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

Подготовка к выполнению измерений

Определению мешают хлориды в концентрациях более 10 мг/л, их влияние устраняется в ходе анализа добавлением сульфата серебра. Определению мешают цветность воды более 20-25°С; в этом случае к 150 мл исследуемой воды добавляют 3 мл суспензии гидроксида аммония, пробу тщательно перемешивают и после от стаивания в течение нескольких минут осадок отфильтровывают, выбрасывая первую порцию фильтра.

Выполнение измерений

Для анализа отбирают 100 мл (или менее) прозрачной воды или фильтрата, добавляют раствор в количестве, эквивалентном содержанию хлорид-иона в пробе. Выпаривают в фарфоровой чашке на кипящей водяной бане досуха (осадок отфильтровывают в том случае, если содержание хлоридов превышает 15 мг в исследуемом объеме). После охлаждения сухого остатка добавляют в чашку 1 мл фенолдисульфокислоты и сразу же растирают стеклянной палочкой до полного смешения с сухим остатком. Добавляют 15-20 мл дистиллированной воды и через 10-15 мин - 5 мл концентрированного аммиака до максимального развития окраски. Раствор переносят в мерную колбу на 100 мл, ополаскивают чашку небольшими порциями дистиллированной воды и сливают их в колбу, доводят до метки дистиллированной водой.

Оптическую плотность определяют на фотоколориметре с си ним светофильтром (λ = 480 нм) в кюветах с толщиной 2 см по от ношению к дистиллированной воде с добавлением всех реактивов.

Содержание азота нитратного определяют по калибровочному графику. Можно проводить визуальное определение, сравнивая интенсивность окраски пробы и шкалы стандартных растворов.

Построение калибровочного графика

0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мл стандартного раствора выпаривают в фарфоровых чашках досуха и продолжают, как при анализе пробы.

Получают шкалу растворов с содержанием 0,02; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 мг азота нитратов. Фотометрируют и строят калибровочный график в координатах: оптическая плотность - содержание азота нитратов (мг).

Содержание азота нитратов (мг/л) рассчитывают по формуле:

;

где:

А - количество азота нитратов, найденное по калибровочному графику или по шкале стандартных растворов (мг);

V- объем пробы, взятой для анализа (мл).