15

Щелочность

Щелочностью называется содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами. К этим веществам относятся:

– сильные основания;

– слабые основания: аммиак, анилин, пиридин и т.п.;

– анионы слабых кислот: , анионы гуминовых кислот.

Различают три формы щелочности: свободную, карбонатную и общую.

Свободная щелочность обусловлена гидроксильными и карбонатными ионами. Ее определяют количеством кислоты, идущей на титрование воды до pH 8,3.

Карбонатная щелочность зависит от наличия в воде только ионов угольной кислоты, т.е. карбонатных и гидрокарбонатных ионов, и определяется количеством кислоты, идущей на титрование воды до pH ≈ 4.

Общая щелочность обусловлена присутствием в воде анионов слабых кислот органического и неорганического происхождения, а также гидроксильных ионов.

В пресных незагрязненных водах карбонатная щелочность настолько велика по сравнению со щелочностью, вносимой другими анионами, что ее можно принимать равной общей щелочности.

Основным источником карбонатных и гидрокарбонатных ионов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород типа известняков, доломитов. Например,

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ ↔ Са²⁺ + 2;

МgCO₃ + Н₂О + СО₂ ↔ Mg²⁺ + 2.

Некоторая часть гидрокарбонатных ионов появляется в результате метаморфизации продуктов химического выветривания изверженных пород:

+ CO₂ → + SiO₂;

OH^– + CO₂ → .

Значительные количества гидрокарбонатных ионов поступают с атмосферными осадками и грунтовыми водами.

Гидрокарбонатные и карбонатные ионы выносятся в водоемы со сточными водами предприятий химической, силикатной, содовой промышленности и т.д.

По мере накопления гидрокарбонатных и особенно карбонатных ионов последние, образуя малорастворимые соединения с ионами кальция, могут выпадать в осадок:

Са(НСО₃)₂ → СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂;

Са²⁺ + = СаСО₃↓.

Этот процесс имеет очень важное значение в природе, поскольку от него зависит образование толщ карбонатных пород.

В поверхностных водах гидрокарбонатные и карбонатные ионы присутствуют главным образом в растворенном состоянии. Некоторая часть карбонатных ионов может находиться во взвешенном состоянии и близком к коллоидному состоянию в виде высокодисперсных частиц карбоната кальция.

В растворе между гидрокарбонатными и карбонатными ионами существует подвижное равновесие, определяемое константами диссоциации, характеризующими первую и вторую ступень диссоциации угольной кислоты

Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + ↔ Н⁺ + .

В речных водах содержание гидрокарбонатных ионов колеблется от 30 до 400 мг/дм³, в озерах – от 1 до 500 мг/дм³. Концентрация их в морских водах колеблется в более узких пределах от 100 до 200 мг/дм³, в атмосферных осадках она составляет 30 – 100 мг/дм³, в грунтовых водах − от 150 до 300 мг/дм³. В подземных водах их содержание заметно возрастает от 150 до 900 мг/дм³.

Щелочность является важной характеристикой поверхностных вод, по которой можно судить о важнейших гидрохимических и геохимических процессах, таких как формирование химического состава вод, эрозия земной поверхности, образование карбонатных пород и т.д.

В технике величина щелочности весьма существенна, поскольку от нее зависит коррозия бетона и выпадение карбонатной накипи в котлах, питающих различные паросиловые установки.

Для определения щелочности вод используют следующие методы: прямого титрования, обратного титрования и потенциометрические.

Методы прямого титрования основаны на титровании пробы воды сильной кислотой (НСl, H₂SO₄) в присутствии различных индикаторов, имеющих переход окраски в точке эквивалентности в области рН от 3 до 4. К ним относятся метиловый оранжевый, бромфеноловый синий, метиловый желтый. Недостатком этого наиболее простого и быстрого метода являются неопределенность значения рН в конечной точке титрования. Для определения свободной щелочности обычно используют фенолфталеин, имеющий интервал перехода рН и окраски индикатора 8,2 – 10,0.

Более точны методы обратного титрования, которые основаны на прибавлении к пробе воды избытка сильной кислоты и его титриметрическом определении в присутствии индикатора. Эти методы находят наибольшее распространение, однако при анализе вод с низкой величиной щелочности (менее 10 мг/дм³ ), а также окрашенных и мутных вод, возможны значительные погрешности, составляющие до 20 %.

В этих случаях предпочтительны различные варианты потенциометрических методов, в которых пробу исследуемой воды титруют сильной кислотой до определенного значения рН, определяемого с помощью рН-метра. На результаты не оказывают влияние следы активного хлора, мутность и окраска воды.