Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

1. Почему природные воды обладают свойством окисляемости? Какие вещества в природных водах обусловливают окисляемость перманганатную, другие виды окисляемости?

2. В чем заключается сущность явления редокс-буферности природных вод?

3. Какие процессы в природных водах протекают при участии редокс-буферной системы «кислород-вода»?

4. Почему природные воды отличаются по величине окислительно-восстановительных потенциалов? Существует ли зависимость между качеством воды и величиной потенциала?

5. Как измеряют величину окислительно-восстановительного потенциала воды?

6. Что понимают под самоочищением вод? Какие физико-химические и биохимические процессы в водоемах обеспечивают самоочищение воды от загрязнений?

Работа 4. «Водородный показатель рН, кислотность природных вод»

Цель работы: определить количественные характеристики кислотно-основных равновесий ( , кислотность) в зависимости от условий формирования химического состава природных вод.

Кислотно-основные свойства природных вод количественно характеризуют величиной и общим содержанием в воде кислот, реагирующих со щелочами, и оснований, реагирующих с сильными кислотами. Водородный показатель является наиболее значимым нормируемым показателем качества воды. Для химически чистой воды величину водородного показателя можно рассчитать, используя величину – ионного произведения воды. Вода – типичный амфотерный электролит, электролитическая диссоциация которого упрощенно отражается уравнениями вида:

 (1)

Константа ионизации воды 1,810^-16 (при 25⁰С)

моль/л

1,810^-16

Ионное произведение воды = = (при 25⁰С)

= (2)

В химически чистой воде , (среда нейтральная). В природных водах значение водородного показателя может быть больше или меньше 7 в зависимости от условий, определяющих формирования химического состава воды. В естественных условиях природных вод определяют следующие факторы:

• растворение в воде газов атмосферы с образованием кислот, оснований,

• растворение в воде солей, подвергающихся гидролизу,

• растворение в воде минеральных и органических компонент почвы,

• образование в воде кислотно-основных буферных систем, препятствующих изменению среды

Растворение в воде газов атмосферы приводит к подкислению природных вод (осадков, вод поверхностных водоемов). Величина осадков, контактирующих с газами атмосферы, определяется парциальным давлением соответствующего газа и электролитической диссоциацией образующихся кислот в разбавленных растворах. Так при парциальном давлении в атмосферном воздухе 0,035 атм и растворении его в воде осадков с образованием слабой угольной кислоты (в естественной незагрязненной атмосфере) значение рН осадков определяется концентрацией ионов , образующихся по первой стадии диссоциации угольной кислоты.

 

 = 410^-7

 =510^-11

, (3)

Равновесная концентрация угольной кислоты равна равновесной концентрации растворенного углекислого газа, которая, в свою очередь, определяется величиной – парциального давления углекислого газа в воздухе; – константа Генри для .

, (4)

жидких атмосферных осадков будет равно  5,7. Из естественной незагрязненной атмосферы, содержащей 0,035% , «кислотный» дождь не выпадает. Увеличение концентрации , загрязнение атмосферы сернистым газом, оксидами азота может привести к существенному закислению осадков, выпадению «кислотного дождя» (с ≤4,5). В реальных условиях осадков зависит от степени загрязнения атмосферного воздуха.

Растворение в воде органических компонент почвы: гуминовых, фульвокислот, других органических кислот с константами диссоциации, соизмеримыми с константой диссоциации угольной кислоты, также приводит к формированию слабокислой реакции среды континентальных поверхностных вод. Естественная кислотность природных вод обусловлена содержанием слабых органических кислот природного происхождения. Кислотно-основные свойства почвенно-грунтовых вод будут определяться химической природой минералов, с которыми контактирует соответствующий вид вод. Повышенную кислотность природным водам придают различного вида техногенные загрязнения.

Природные воды в зависимости от рН рационально делить на семь групп:

сильнокислые воды	рН < 3	результат гидролиза солей тяжелых металлов (шахтные и рудничные воды)
кислые воды	рН = 3...5	поступление в воду угольной кислоты, фульвокислот и других органических кислот в результате разложения органических веществ
слабокислые воды	рН = 5...6.5	присутствие гумусовых кислот в почве и болотных водах (воды лесной зоны)
нейтральные воды	рН = 6.5...7.5	наличие в водах Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2
слабощелочные воды	рН = 7.5...8.5	то же
щелочные воды	рН = 8.5...9.5	присутствие Na2CO3 или NaHCO3
сильнощелочные воды	рН > 9.5	то же

ЗАДАНИЕ 1. Определение водородного показателя природных вод потенциометрическим методом.

Метод измерения – основан на потенциометрическом определении , как функции ЭДС гальванического элемента, состоящего из стеклянного индикаторного электрода и электрода сравнения (хлорсеребряного). Потенциал стеклянного электрода определяется концентрацией (активностью) ионов водорода.

Стеклянный электрод относится к мембранным электродам, представляет собой тонкостенный стеклянный шарик, заполненный раствором соляной кислоты (или буферным раствором), внутри шарика помещают вспомогательный хлорсеребряный э электрод. Если два раствора (внутренний раствор в стеклянном шарике электрода и наружный исследуемый раствор) разделены тонкой стеклянной мембраной, то между ее внешней и внутренней поверхностями возникает разность потенциалов, величина которой зависит от активности ионов водорода в исследуемом растворе. Потенциал стеклянного электрода определяется активностью ионов водорода.

(5)

Измеряемая при помощи иономера (рН-метра) ЭДС равна алгебраической сумме потенциалов стеклянного и хлорсеребряного электродов, зависит от активности ионов водорода в растворе:

. (6)

В общем случае при измерениях следует учитывать, что потенциал стеклянного электрода зависит не только от активности ионов водорода, но и от температуры, кислотно-основных свойств среды. В области сильнощелочных или сильнокислых сред возникают так называемые «щелочная ошибка» и «кислотная ошибка» соответственно. Для измерений следует применять стеклянные электроды, предназначенные для работы в определенных интервалах , указанных в их паспорте. В современных -метрах имеется ручная и автоматическая температурная компенсация, позволяющая устранить ошибки, если меняется температура анализируемых проб воды.

Требования безопасности. При измерениях следует выполнять правила работы с электроизмерительными приборами. При обнаружении неисправности прибор немедленно выключить, поставить в известность штатный персонал лаборатории.

Подготовка к выполнению измерений. Подготовить -метр к работе, выполнив мероприятия, указанные в паспорте прибора. Выбрать стеклянный электрод, соответствующий исследуемой воды. Новый стеклянный электрод вымочить в 0,1 н. растворе соляной кислоты в течение не менее 8 ч. Между определениями электрод хранить погруженным (только шарик) в дистиллированную воду. Хлорсеребряный электрод заполнить насыщенным раствором хлористого калия. Внутри электрода должно всегда находиться небольшое количество кристаллов хлористого калия. Провести коррекцию шкалы прибора по буферным растворам (в соответствии с паспортом прибора).

Выполнение измерений. Электроды, термометр ополаскивают дистиллированной, затем исследуемой водой. На штативе укрепляют стеклянный электрод, электрод сравнения и термометр или датчик термокомпенсации прибора. Электрод сравнения устанавливают так, чтобы его нижний конец был ниже шарика стеклянного электрода и предохранял его от механических повреждений. Электроды погружают в стакан с исследуемой водой. Раствор должен полностью покрывать шарик стеклянного электрода. На поверхности стеклянного шарика и в фитиле хлорсеребряного электрода не должно быть пузырьков воздуха. Измеряют . Через 3–5 минут повторяют измерения. Последние два показания прибора должны быть одинаковыми (время установления потенциала электрода около 2–3 мин).

Результаты измерений повторяют для всех проб, результаты вносят в таблицу:

пробы воды	показания прибора				пробы	Характеристика кислотно-основных свойств воды
	через 2 мин	через 3 мин	через 5 мин	через 10 мин
проба №1
проба №2
проба №3

ЗАДАНИЕ 2. Определение общей кислотности воды титриметрическим методом.

Метод измерения. Метод основан на измерении объема мл раствора (или ) известной концентрации , затраченного на титрование мл пробы воды в присутствии индикатора фенолфталеина до точки эквивалентности, определяемой по изменению окраски индикатора (кислотно-основное титрование).

Требования безопасности. При измерениях следует выполнять правила работы со щелочами. В случае пролива раствора, попадания на кожу, в глаза оказать пострадавшему первую доврачебную помощь: промыть пораженное место большим количеством водопроводной воды до исчезновения жжения или ощущения «мылящейся поверхности» на ощупь. Обратиться за специализированной медицинской помощью (возможно быстрее при поражении глаз).

Подготовка к выполнению измерений. Приготовить 200 мл 0,05 нормального раствора щелочи ( или ). Стандартные растворы щелочей нельзя приготовить по точной навеске вещества или точному объему более концентрированного раствора. Потому сначала готовят растворы приблизительной концентрации, а затем их стандартизируют – устанавливают точную концентрацию путем титрования раствором щавелевой кислоты , 0,01 н. в присутствии индикатора фенолфталеина.

+ 2 = + 2 (7)

Растворы титрантов точной концентрации могут быть приготовлены из фиксаналов.

Выполнение измерений. Заполнить бюретку раствором щелочи, отметить уровень раствора. Отмерить мерным цилиндром 100 мл анализируемой воды, внести в чистую коническую плоскодонную колбу для титрования (емкостью 250 мл), добавить 2–3 капли индикатора. Титровать раствором щелочи, периодически вращая колбу с пробой для перемешивания растворов. Титрование считать законченным, когда окраска раствора не исчезает после перемешивания добавленной капли раствора из бюретки. Окраску пробы рассматривать на белом фоне. Провести ориентировочное и точное титрование. Отметить объем раствора щелочи, затраченный на точное титрование. Рассчитать общую концентрацию кислот в исследуемой воде, моль/л.

Измерения повторить для всех проб, результаты внести в таблицу:

пробы воды	Объем тируемой пробы, мл	Объем раствора щелочи, затрченного на тирование, мл	Общая концентрация кислот в пробе, моль/л
проба №1
проба №2
проба №3

Сравнить результаты определения общей кислотности и значения для исследуемых проб воды.