Химия воды. Методические указания

•кислотностью воды;

•щелочностью воды.

Вприродных водах концентрация ионов водорода обусловлена, как правило, соотношением концентраций свободной двуокиси углерода и гидрокарбонат-ионов. При этом рН колеблется от 4,5 до 8,3. На величину рН оказывает влияние повышенное содержание гуминовых веществ, карбонатов, гидроокисей и гидролизующихся солей. В сточных и загрязненных поверхностных водах, кроме того, могут содержаться и сильные кислоты и основания.

Величину рН определяют электрометрическим методом, измеряя потенциал, возникающий на измерительном электроде. Применяют лабораторный рН-метр (потенциометр) со стеклянным электродом измерения и каломельным или хлорсеребряным электродом сравнения. Необходимо проверять калибровку электродов рН-метраспомощьюбуферных растворовсизвестнымзначениемрН.

Ход определения

Перед началом измерения электроды промывают, погружая в стаканчик с дистиллированной водой, а затем помещают в исследуемую воду. Пробу следует предварительно тщательно перемешать.

Затем измеряют рН-метром величину потенциала, выраженную в единицах рН (или милливольтах). Полученные результаты округляют до 0,05–0,1 единицы рН. Если прибор не имеет шкалы измерения рН, то необходимо провести калибровку измерительных электродов по буферным растворам с известным значением рН. Для этого строят график зависимости потенциала от рН.

2.2. Определение щелочности

Щелочность характеризует содержание в воде веществ, создающих щелочную среду и, следовательно, вступающих в реакцию с ионами водорода, т. е. с сильными кислотами.

Общая щелочность в природных водах зависит, как правило, только от содержания гидрокарбонатов кальция и магния. В этом случае рН воды не превышает 8,3.

12

Наличие растворимых карбонатов и гидроокисей повышает значение рН (более чем 8,3).

Щелочность определяют титрованием воды раствором сильной кислоты (соляной или серной), используя два индикатора: фенолфталеин и метиловый оранжевый.

Определяют два вида щелочности: свободную и общую. Свободная щелочность является частью общей щелочности.

При нейтрализации примесей, создающих щелочную среду (рН > 7) раствором сильной кислоты, рН снижается.

Свободной щелочностью воды называют количество ионов водорода, ммоль/дм3, расходуемое на нейтрализацию примесей до рН 8,3.

Общей щелочностью называют количество ионов водорода, ммоль/дм3, израсходованных на нейтрализацию примесей до рН 4,5.

Щелочность воды, выраженная в ммоль/л, равна щелочности в мг-экв/л, так как масса эквивалента иона водорода равна атомной массе, следовательно, масса миллиграмм-эквивалента водорода равна массе миллимоля атома водорода.

Ход определения

Свободную щелочность определяют, титруя воду по фенолфталеину.

Пипеткой отбирают 25 мл анализируемой воды и переносят в колбу для титрования. Добавляют 2 капли фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором соляной кислоты до рН ≈ 8,3 – до перехода окраски раствора из малиновой (розовой) в бесцветную.

Свободную щелочность вычисляют по формуле

Щсв = н2V2 1000 ,

V1

где Щсв – свободная щелочность, ммоль/дм3; н2 – нормальность раствора соляной кислоты; V1 – объем аликвотной части воды, мл; V2 – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титро-

вание по фенолфталеину, мл.

Общую щелочность определяют, титруя воду по индикатору метиловому оранжевому.К 25 мл анализируемой воды добавляют

13

2 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором соляной кислоты до рН≈ 4,5 – до перехода окраски из желтой в оранжевую.

Общую щелочность вычисляют по формуле

Щобщ = н2V V3 1000,

1

где Щобщ – общая щелочность, ммоль/дм3; н2 – нормальность раствора соляной кислоты; V1 – объем аликвотной части анализируе-

мой воды, мл; V3 – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование по метиловому оранжевому, мл.

Описанный способ определения свободной и общей щелочности является параллельным титрованием двух аликвотных частей анализируемой воды.

Для определения общей щелочности можно использовать и другой способ титрования – последовательное титрование одной аликвотной части по двум индикаторам.

Для определения общей щелочности можно использовать раствор, оттитрованный по фенолфталеину после определения свободной щелочности. К полученному раствору с рН≈ 8,3 прибавляют 2 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором соляной кислоты до перехода окраски из желтой в оранжевую.

Общую щелочность, определяемую в пробе при последовательном титровании одной аликвотной части по фенолфталеину, а затем по метилоранжу, вычисляют по формуле

Щобщ = н2 (V2 +V4 ) 1000,

V1

где н2 – нормальность раствора соляной кислоты; V1 – объем аликвотной части анализируемой воды, мл; V2 – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование по фенолфталеину, мл; V4 – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование той же пробы по метиловому оранжевому, мл.

2.3. Определение кислотности

Кислотность воды характеризует содержание примесей, создающих кислую реакцию, т. е. рН < 7. Эти вещества вступают в реакцию нейтрализации с гидроксил-ионами (сильными щелочами).

14

Кислотность воды выражают в ммоль/дм3. Следовательно, кислотностью называется количество гидроксил-ионов, вступающих в реакцию с примесями, содержащимися в 1 л воды.

Различают свободную и общую кислотность. Для определения свободной и общей кислотности используют титрование раствором NaOH по двум кислотно-основным индикаторам – метиловому оранжевому и фенолфталеину. При титровании пробы воды раствором сильного гидроксида (NaOH) рН повышается.

Свободной кислотностью называется количество гидроксилионов в ммоль/дм3, которое расходуется на повышение рН анализируемой воды до 4,5. Если в пробе воды рН 4,5, свободная кислотность равна нулю.

Общей кислотностью называется количество гидроксилионов, которое расходуется на нейтрализацию примесей воды до рН 8,3.

Кислотность воды, выраженная в ммоль/л, равна кислотности в мг-экв/л, так как масса миллиграмм-эквивалента иона-гидроксила равна массе его миллимоля. Следовательно, и число миллиграммэквивалентов и миллимолей ионов гидроксила, необходимых для нейтрализации одной и той же пробы, равны.

Ход определения

Свободную кислотность определяют, титруя воду по метиловому оранжевому.

Отбирают пипеткой аликвотную часть воды, равную 25 мл, добавляют 2–3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором едкого натра до рН 4,5 – до перехода розовой окраски раствора в оранжевую. Если при прибавлении к пробе индикатора раствор становится желтым, свободная кислотность равна нулю.

Рассчитывают свободную кислотность по формуле

Ксв = н2VV2 1000,

1

где Ксв – свободная кислотность, ммоль/дм3; н2 – нормальность раствора едкого натра; V1 – объем аликвотной части анализируемой воды, мл; V2 – объем раствора едкого натра, израсходованный на

титрование по метиловому оранжевому, мл.

15

Общую кислотность определяют, титруя воду по фенолфталеину.

25 мл анализируемой воды титруют 0,1 н. раствором едкого натра до рН 8,3, т. е. до перехода бесцветной окраски в розовую.

Общую кислотность воды вычисляют по формуле

Κобщ = н2VV3 1000,

1

где Кобщ – общая кислотность, ммоль/дм3; н2 – нормальность раствора щелочи; V1 – объем аликвотной части воды, мл; V3 – объем

раствора щелочи, израсходованный на титрование по фенолфталеину, мл.

Требования к оформлению лабораторных работ при определении химических показателей качества воды

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1)формулировку (термин) определяемого химического пока-

зателя;

2)уравнение химической реакции, на которой основано определение данного химического показателя;

3)формулу для расчетов результатов анализа – величины определяемого химического показателя (с обозначениями);

4)экспериментальные данные должны быть представлены

втабл. 2.

*Раствор, которым титруют.

16

2.4. Определение содержания гидрокарбонат- и карбонат-ионов

Двуокись углерода обычно присутствует во всех природных водах. Она встречается в виде недиссоциированных молекул СО2 (частично в виде молекул Н2СО3) и гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Углекислотное равновесие воды может иметь следующий вид:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3− ↔ H+ + CO32−

СоотношениеразличныхформСО2 вводезависитотрН(табл. 3).

Таблица 3

Соотношение различных форм СО2 в воде в зависимости от рН (мол. %)

Можно считать, что при рН ≈ 4,5 существует лишь свободная углекислота, при рН ≈ 8,3 в воде присутствуют только гидрокарбо- нат-ионы. В интервале рН от 4,5 до 8,3 в воде находятся свободная углекислота и гидрокарбонат-ион. При рН выше 8,3 в воде присутствуют только гидрокарбонат- и карбонат-ионы. При рН ≈ 12 в воде присутствуют только карбонат-ионы.

Для расчета содержания гидрокарбонат- и карбонат-ионов в воде используют результаты определения общей и свободной щелочности. Расчет основан на предположении, что щелочность вызывается только присутствием гидрокарбонат-, карбонат-ионов и гидроокисей. Присутствие анионов других слабых кислот мешает определению содержания в воде гидрокарбонат- и карбонат-ионов.

Реакция взаимодействия карбонат-ионов и кислоты имеет вид

CO32− + 2HCl → CO2 + H2O + 2Cl−

Эта реакция происходит в две стадии:

17

В первой стадии рН изменяется от 12 до 8,3, во второй стадии – от 8,3 до 4,5. Следует подчеркнуть, что количества кислоты, вступающей в реакцию в первой и во второй стадии, равны (коэффициенты молекул НСl одинаковы).

При титровании воды раствором соляной кислоты по фенолфталеину от рН ≈ 12 до рН ≈ 8,3 происходит первая стадия (1) и окраскараствора изменяется: измалиновойпереходит вбесцветную.

При этом карбонат-ионы натрия нейтрализуются «наполовину», так как произошла только первая стадия реакции и прореагировала половина кислоты.

Если в воде присутствовали гидроокиси, т. е. ион OH− , то при титровании по фенолфталеину происходит и их нейтрализация:

Затем бесцветный раствор дотитровывают кислотой в присутствии метилового оранжевого до рН ≈ 4,5, т. е. до перехода окраски раствора из желтой в оранжевую. При этом происходит вторая ста-

дия (2).

Нейтрализуется гидрокарбонат-ион, содержавшийся в исходной пробе и образовавшийся в результате нейтрализации карбонатиона.

Следует отметить, что при последовательном титровании возможны пять случаев:

1.Объемы раствора кислоты, израсходованные на титрование

сфенолфталеином и метиловым оранжевым, равны. В анализируемой воде содержится только карбонат. По фенолфталеину карбо- нат-ион титруется только «наполовину» до гидрокарбонат-иона, а с метиловым оранжевым оттитровывается образовавшийся гидро- карбонат-ион – вторая половина карбонат-иона.

2.Объем раствора кислоты, израсходованный на титрование

сфенолфталеином, больше объема кислоты, израсходованного на титрование с метиловым оранжевым. В этом случае в анализируемой воде содержатся карбонат-ион и ион гидроксила. По фенол-

фталеину титруется не только «половина»СО32− , но и ОН− .

3. Объем раствора кислоты, израсходованный на титрование с метиловым оранжевым, больше объема кислоты, расходуемого при

18

титровании с фенолфталеином. В этом случае в анализируемой воде находились карбонат- и гидрокарбонат-ионы. По метиловому

оранжевому титруется не только вторая «половина» СО32− , но

иНСО3− , присутствовавший в исходной пробе.

4.Объем раствора кислоты, израсходованный на титрование с фенолфталеином, равен нулю, а с метиловым оранжевым – больше нуля. В анализируемой воде имеется только гидрокарбонат-ион, не титруемый по фенолфталеину.

5.Объем раствора кислоты, израсходованный на титрование с фенолфталеином, больше нуля, а с метиловым оранжевым – равен

нулю. В этом случае анализируемая вода содержит только ОН− , который полностью титруется в присутствии фенолфталеина.

Обозначим свободную щелочность буквой Ф, а общую щелочность буквой М. Свободную щелочность определяют титрованием по фенолфталеину, общую щелочность – титрованием отдельной аликвотной части по метиловому оранжевому или дотитрованием по метиловому оранжевому аликвотной части, оттитрованной по фенолфталеину, т. е.

где н2 – нормальность раствора кислоты; V1 – объем аликвотной части анализируемой воды, мл; V2 – объем раствора кислоты, израсходованный на титрование по фенолфталеину, мл; V3 – объем раствора кислоты, израсходованный на титрование отдельной аликвотной части по метиловому оранжевому, мл; V4 – объем кислоты, израсходованный на титрование по метиловому оранжевому аликвотной части, оттитрованной по фенолфталеину, мл.

Щелочность выражена в мг-экв/л; для расчета содержания ионов в миллиграммах на 1 л число миллиграмм-эквивалентов умножают на массу миллиграмм-эквивалента:

1 мг-эквНСО3− = 61 мг; 1 мг-экв СО32− = 30 мг; 1 мг-экв OH− = 17 мг.

Формулы для расчета содержания гидрокарбонат- и карбонатионов в воде приведены в табл. 4.

19

Таблица 4

Формулы для расчета содержания гидрокарбонат- и карбонат-ионов по свободной (Ф) и общей (М) щелочности

При общей щелочности воды ниже 0,4 мг-экв/л пробу титруют 0,05 н. раствором кислоты.

2.5. Определение общей жесткости

Общая жесткость показывает концентрацию катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния. Вода, содержащая соли кальция и магния, при нагревании образует труднорастворимые соединения.

Са(НСО3 )2 → СаСО3 ↓ +СО2 + Н2О

Мg(НСО3 )2 + 2Н2О → Мg(ОН)2 ↓ + 2Н2СО3 или

Мg(НСО3 )2 → Мg(ОН)2 ↓ + 2CO2 ↑

Общей жесткостью называется суммарное содержание ионов кальция и магния, выраженное в миллиграмм-эквивалентах на 1 л. Различают три вида жесткости – общую, карбонатную и некарбонатную.

Карбонатной жесткостью называется часть общей жесткости, эквивалентная содержанию карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния.

20