1. Теоретические основы гидрохимического анализа пресноводных и морских акваторий

1. Определение жесткости природной воды

Из-за широкой распространенности кальция, его соли почти всегда содержатся в природной воде. Из природных солей кальция только гипс несколько растворим в воде, однако, если вода содержит диоксид углерода, то карбонат кальция тоже может переходить в раствор в виде гидрокарбоната Са(НСО₃)₂. Природная вода, содержащая в растворе большое количество солей кальция и магния, называется жесткой водой в противоположность мягкой воде, содержащей мало солей кальция и магния или совсем не содержащей их. Суммарное содержание этих солей в воде называется ее общей жесткостью. Она подразделяется на карбонатную и некарбонатную жесткость. Первая из них обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния, вторая – присутствием солей сильных кислот – сульфатов или хлоридов кальция и магния. При длительном кипячении воды, обладающей карбонатной жесткостью, в ней появляется осадок, состоящий главным образом из СаСО₃, и одновременно выделяется СО₂. Оба эти вещества появляются вследствие разложения гидрокарбоната кальция:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

Поэтому карбонатную жесткость называют также временной жесткостью. Количественно временную жесткость характеризуют содержанием гидрокарбонатов, удаляющихся из воды при ее кипячении в течение часа. Жесткость, остающаяся после такого кипячения, называется постоянной жесткостью.

Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в разных водоемах, а в одной и той же реке изменяется в течение года.

Присутствие в воде значительного количества солей кальция или магния делает воду непригодной для многих технических целей. Она может служить причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла. Жесткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например при крашении.

Таким образом, существует необходимость удаления из воды, применяемой для технических целей, солей кальция и магния. Удаление этих солей, называемое водоумягчением, входит в систему водоподготовки – обработки природной воды, используемой для питания паровых котлов и для различных технологических процессов. В ходе водоподготовки вода освобождается от грубодисперсных и коллоидных примесей и от растворенных веществ. Взвешенные и коллоидные примеси удаляют коагуляцией их добавляемыми к воде солями (обычно Al₂(SО₄)₃) с последующей фильтрацией. Для водоумягчения применяют методы осаждения и ионного обмена. Путем осаждения катионы Са²⁺ и Mg²⁺ переводят в малорастворимые соединения, выпадающие в осадок. Это достигается либо кипячением воды, либо химическим путем – введением в воду соответствующих реагентов. При кипячении гидрокарбонаты кальция и магния превращаются в СаСО₃ и Mg(ОН)₂

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃↓ + СО₂↑ + Н₂О

Mg(НСО₃)₂ = Мg(ОН)₂↓ + 2СО₂↑

в результате чего устраняется только карбонатная жесткость.

При химическом методе осаждения чаще всего в качестве осадителя пользуются известью или содой. При этом в осадок (также в виде СаСО₃ и Мg(ОН)₂) переводят все соли кальция и магния.

Для устранения жесткости методом ионного обмена или катионирования воду пропускают через слой катионита. При этом катионы Са²⁺ и Mg²⁺, находящиеся в воде, обмениваются на катионы Nа⁺, содержащиеся в применяемом катионе. В некоторых случаях требуется удалить из воды не только катионы Са²⁺ и Mg²⁺, но и другие катионы и анионы. В таких случаях воду пропускают через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (Н – катионит), и анионит, содержащий гидроксид – ионы (ОН – анионит). В итоге вода освобождается как от катионов, так и от анионов солей. Такая обработка воды называется ее обессоливанием.

Содержание кальциевых и магниевых соединений в литре воды, выраженное в мг-экв или мкг-экв, носят название жесткости воды. Такое название возникло вследствии того, что промывание тканей в воде с высокой концентрацией ионов Ca и Mg делает волокна ломкими, неэластичными, словно жесткими. Это обусловлено образованием на волокнах кальциевых и магниевых солей жирных кислот, входящих в состав мыла, а также углекислых солей.

Титриметрический анализ жесткости воды заключается в измерении объема титранта (раствора с точно известной концентрацией), затраченного на реакцию с определяемым веществом.

Процесс постепенного добавления титранта к анализируемой пробе называется титрованием, а момент завершения реакции – точкой эквивалентности.

Расчет в титриметрическом анализе основан на законе эквивалентов: количества вещества эквивалентов всех участвующих в реакции веществ равны.

В титриметрическом анализе могут использоваться не все химические реакции, а только те, которые отвечают определенным требованиям. Перечислим основные:

• реакция должна быть практически необратимой;

• реакция должна протекать в строгом соответствии с уравнением химической реакции, без побочных продуктов (это требование часто формулируется как «стехеометричность процесса»);

• реакция должна протекать достаточно быстро;

• должен существовать способ фиксирования точки эквивалентности.

Приливание титранта производится при помощи бюретки и заканчивается в тот момент, когда количество титранта, определяемого объемом израсходованного раствора и его концентрацией, полностью прореагирует с веществом анализируемого (титруемого) раствора. Этот момент окончания титрования называется точкой эквивалентности, так как при этом количества вещества в титранте и в анализируемом растворе становятся эквивалентными. Конец титрования устанавливается визуально по изменению цвета раствора в связи с образованием или израсходованием какого-либо окрашенного вещества или с помощью индикатора, изменяющего свой цвет в присутствии (или в отсутствие) каких-либо веществ, участвующих в титровании.

В ходе полевой практики в Байдарской долине студентами было отобрано 18 проб пресной воды в различных местах реки Черная, на водопаде «Козырек» и Чернореченском водохранилище. Впоследствии, в лабораторных условиях был произведен химический анализ с целью определения жесткости воды титрометрическим методом для выявления состояния природной воды в районе Байдарской котловины.

В ходе работы была проведена стандартизация раствора трилона Б: в конической колбе смешивается 20 см³ эталонного раствора кальция с концентрацией 10 ммоль/дм³, разбавленного до 50 см³, и 4см³ буферного раствора (РН=10), 3 капли хромового темно-синего раствора индикатора. В ходе стандартизации на титрование было израсходовано 12,4 см³. Для расчета концентрации (ммоль/дм³) используют уравнение:

С1=С2* (V1/V2)

где С2 – концентрация эталонного раствора кальция, V – объем эталоннного раствора кальция, V2 – объем израсходованного трилона Б.

Таким образом C1 = 16,1ммоль/дм³ – концентрация стандартизированного раствора трилона Б

В ходе титрометрического анализа были полученны следующие данные:

Таблица 1.1.1. Результаты по титрометрическому анализу (пробы пресных вод)

№ пробы	V израсходаванного титранта, см3	№ пробы	V израсходаванного титранта, см3
1	8,2	10	7,8
2	8,7	11	7,2
3	8,8	12	8,6
4	9,0	13	8,4
5	6,4	14	7,6
6	5,7	15	8,5
7	8,6	16	12,1
8	8,6	17	8,4
9	7,7	18	8,5

По данным, полученным в ходе титрования и приведенным в таблице выше произведены расчеты по следующей формуле:

С=С1*(V3/V0)

где С1 – концентрация трилона Б, ммоль/дм³, V3-объем трилона Б, пошедшего на титрование, V0 – объем пробы.

Итогом расчетов стали следующие данные:

Таблица 1.2.2. Содержание кальция и магния в пробах, отобранных из пресноводных источников

№ пробы	С1 – концентрация кальция и магния, ммоль/дм3	№ пробы	С1 – концентрация кальция и магния, ммоль/дм3
1	2,6404	10	2,5116
2	2,8014	11	2,3184
3	2,8336	12	2,7692
4	2,8980	13	2,7048
5	2,0608	14	2,4472
6	1,8354	15	2,7370
7	2,7692	16	3,8962
8	2,7692	17	2,7048
9	2,4794	18	2,7370

(Е. Л. Кузнецова)