Миронова. Экология.2010

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ КИСЛОТНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ СИЛЬНЫХ КИСЛОТ

Цель работы: Определить кислотность сточной воды.

Кислотностью называется содержание в воде веществ, вступавших в реакцию с сильными щелочами (едким натром, едким кали), т. е. с гидроксилионами. К этим веществам относятся:

1)сильные кислоты, полностью диссоциирующие в разбавленных растворах с образованием ионов водорода (хлористоводородная кислота, азотная кислота и др.);

2)слабые кислоты: уксусная кислота, сернистая кислота, угольная кислота, свободный сероводород и т. п.;

3)катионы слабых оснований: ионы аммония, железа, алюминия, органических оснований и др. Соединения, содержащие эти катионы, гидролизуются с образованием ионов водорода:

NH4+ + H2O = NH4OH + H+.

В конце титрования веществ второй группы едким натром раствор должен содержать соответствующие этим слабым кислотам отрицательно заряженные ионы, которые, гидролизуясь, придают раствору слабощелочную реакцию, например:

СНзСООН + ОН– → СНзСОО– + Н2О; Н2СО3 + ОН– → НСО3– + Н2О.

Слабощелочная реакция создается также и при полном превращении некоторых катионов, входящих в состав третьей группы, в слабые основания. Поэтому для определения общей кислотности воды надо применять индикаторы, цвет которых изменяется в слабощелочной среде (т. е. при довольно большом значении рН), или проводить титрование потенциометрическим методом.

Наиболее подходящим индикатором является тимолфталеин, хотя в большинстве случаев можно пользоваться и фенолфталеином. У первого окраска появляется при рН ≈ 9,4; а у второго – при рН ≈ 8,4.

Суммарное содержание веществ, создающих в водном растворе концентрацию ионов водорода, соответствующую рН < 3. Эту группу веществ определяют титрованием анализируемой воды щелочью с одним из следующих индикаторов: метиловым желтым, метиловым оранжевым,

41

бромфеноловым синим. В этих условиях титруются сильные кислоты – хлористоводородная, азотная, серная, фосфорная (до Н2РO4–) и катионы, которые образуют с ионами ОН– очень слабые основания (рК ≥ 12).

Реактивы: тимолфталеин или фенолфталеин, 1%-ный спиртовый раствор, метиловый желтый или один из замещающих его индикаторов, едкая щелочь, 0,1 н. раствор.

При определении кислотности сточных вод, содержащих большие количества солей алюминия или железа (III), требуются дополнительно: сульфат аммония, тиамочевина. Вместо сульфата аммония и тиомочевины можно пользоваться раствором фторида калия.

Фторид калия. Растворяют 30 г KF · 2Н2О в 100 мл воды; раствор нейтрализуют по тому индикатору, который применяют при титровании пробы.

Сульфат меди, кристаллический. Серная кислота, 0,1 н. раствор.

При определении кислотности сточных вод, содержащих большие количества солей железа (II), требуется дополнительно:

Гексаметафосфат натрия, 2%-ный раствор, нейтрализованный по применяемому индикатору.

Ход определения. При определении кислотности титрование с разными индикаторами лучше проводить в отдельных порциях анализируемой воды.

Определение общей кислотности. К 25 мл анализируемой воды прибавляют 5 капель раствора тимолфталеина или фенолфталеина и титруют раствором едкого натра на белом фоне до появления неисчезающего синего (при использовании тимолфталеина) или розового (при использовании фенолфталеина) окрашивания.

Определение содержания сильных кислот. К другой пробе анализируемой воды (25 мл) прибавляют 5–6 капель фенолфталеина, метилового желтого (или одного из заменяющих его индикаторов). Затем пробу титруют раствором едкого натра до изменения окраски индикатора, не исчезающей в течение 1 мин.

Расчет на последней странице.

Контрольные вопросы и задания

1.Что называется кислотностью?

2.Почему катионы слабых оснований обуславливают кислотность?

3.Какие индикаторы применяют для определения кислотности?

4.Какие кислоты титруют с метиловым оранжевым?

5.Какие катионы придают растворам слабощелочную реакцию?

42

Лабораторная работа 2

ХИМИЧЕСКОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА (ХПК; ОКИСЛЯЕМОСТЬ)

Цель работы: Определить окисляемость сточной воды.

Химическим потреблением кислорода (ХПК) называется величина, характеризующая общее содержание в воде восстановителей (неорганических и органических), реагирующих с сильными окислителями. Ее обычно выражают в единицах количества кислорода, расходуемого на окисление.

Поскольку содержание в воде неорганических веществ (каждого в отдельности) можно точно определить специальными методами, то, вычитая из общего значения ХПК расход окислителя, соответствующий содержанию в воде неорганических восстановителей, можно по разности с достаточной точностью найти содержание органических веществ в исследуемой воде.

Из всех предложенных в разное время окислителей наиболее эффективным и удобным в применении оказался; бихромат калия в 18 н. (разбавление 1:1) серной кислоте:

Cr2O72– + 14Н+ + 6e– = 2Cr3+ + 7Н2O.

Окисление органических веществ бихроматом в этих условиях ускоряется и охватывает практически все органические вещества, если в качестве катализатора вводить в реакционную смесь сульфат серебра.

Ускоренный метод

Этот метод предназначен для постоянных ежедневных анализов, проводимых для контроля работы очистных сооружений или за состоянием воды в водоеме. Результаты определения, как правило, получаются несколько ниже, чем при пользовании арбитражным методом, но они обычно достаточно хорошо воспроизводимы. Рекомендуется периодически проводить определения обоими методами, ускоренным и арбитражным, для нахождения приблизительного коэффициента пересчета. Следует учитывать, что расхождения между результатами обоих методов особенно велики, когда проба содержит трудно окисляемые вещества, такие, как уксусная кислота, аланин, бензол и т. п.

Главная особенность ускоренного метода – повышенная концентрация Н2SO4. Нагревания извне не требуется, температура повышается за счет тепла, выделяющегося при смешении воды с концентрированной серной кислотой:

Ход определения. Если окисляемость анализируемой воды – в пределах 500–4000 мг О/л, берут для анализа 1 мл пробы; если окисляемость

43

50–500 мг О/л, отбирают 5 мл пробы; если окисляемость выше 4000 мг О/л, пробу предварительно разбавляют; если же окисляемость ниже 50 мг О/л, метод этот применять нельзя.

В пробу вводят 2,5 мл 0,25 н. раствора бихромата калия, затем 0,2 г сульфата ртути (II) и при перемешивании – концентрированную серную кислоту (7,5 мл на 1 мл пробы, 15 мл на 5 мл пробы). При этом температура раствора поднимается выше 100 °С. Через 2 мин охлаждают раствор до комнатной температуры, приливают 100 мл дистиллированной воды и титруют избыток бихромата, титрованным раствором соли Мора:

3Fe+2 + Cr2O72– + 14Н+ → 3Fe+3 + 2Cr+3 + 7Н2O.

Расчет проводят так же, как при арбитражном методе.

Расчет. Химическое поглощение кислорода (ХПК), выраженное числом миллиграммов кислорода на 1 л сточной воды, вычисляют по формуле:

ХПК = (a − b) N 8 1000 ,

V

где a – объем раствора соли Мора, израсходованного на титрование в холостом опыте, мл; b – объем того же раствора, израсходованного на титрование пробы, мл; N – нормальность титрованного раствора соли Мора; V – объем анализируемой сточной воды, мл; 8 – эквивалент кислорода.

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое ХПК? Что она характеризует?

2.В чем выражается ХПК?

3.Какова роль сульфата серебра, (сульфата ртути)?

4.Какова особенность ускоренного метода?

Лабораторная работа 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ «АКТИВНОГО ХЛОРА»

Цель работы: Определить содержание «активного хлора» в сточной воде.

Под термином «активный хлор» понимают суммарное содержание в воде: свободного хлора Cl2, хлорноватистой кислоты НСlO, гипохлоритионов ClO– (относительные количества этих веществ определяются рН воды) и хлораминов NH2Cl, NHCl2. При подкислении анализируемой вода и прибавлении к ней иодида калия все перечисленные вещества выделяют иод:

Cl2 + 2I– = I2 + 2Cl–;

ClO– +2H+ + 2I– = I2 + Cl– + H2O;

44

HClO + 2I– + H+ + I2 + Cl– +H2O;

NH2Cl + 2H+ + 2I– = I2 + NH4+ + Cl–.

I2 + 2S2O32– →2I– + S4O62–.

Выделившийся иод оттитровывают, как обычно, тиосульфатом натрия в присутствии крахмала:

I2 + 2S2O32– → 2I– + S4O62–.

Содержание «активного хлора» выражают в мг/л в пересчете на хлор. Отметим, что в отношении хлорноватистой кислоты и гипохлоритионов такое выражение результатов анализа условно и может привести к некоторым недоразумениям, так как 1 моль хлорноватистой кислоты (или 1 моль ClO–) выделяет 2 моль иода и, следовательно, соответствует 2 моль «активного хлора». Иначе говоря, при содержании в воде 52,5 мг хлорноватистой кислоты или 51,5 мг гипохлорит-ионов в ней будет найдено 71 мг «активного хлора», т. е. больше, чем имеется в воде хлора в виде

указанных веществ.

В сточной воде могут содержаться и другие окислители, выделяющие иод из иодида калия: хроматы, нитриты, соли железа (III), хлораты и т. п.

Когда анализируемую воду подкисляют уксусной кислотой при обычной температуре, хлораты не выделяют иода из иодида калия; при большом содержании нитритов, гексацианоферратов (III) или солей меди и железа (III) надо проводить титрование в еще менее кислой среде; тогда прибавляют уксусно-ацетатный буферный раствор, имеющий рН = 4,5. Поправку на другие окислители (которые встречаются в сточных водах сравнительно редко), например хроматы, если необходимо, можно ввести, определив их отдельно специальными методами.

При определении остаточного «активного хлора» в сточных водах, очищенных от цианидов обработкой, их хлорной известью, надо учитывать следующее. Реакция между гипохлорит-ионами и цианид-ионами проходит настолько быстро, что присутствие в очищенной сточной воде остаточных гипохлорит-ионов может служить доказательством отсутствия в ней цианид-ионов и, обратно, присутствие цианид-ионов возможно лишь при отсутствии остаточных гипохлорит-ионов.

Реактивы: тиосульфат натрия, 0,01 н. раствор; иодид калия; уксусная кислота, 30%-ный раствор; крахмал, 0,5%-ный раствор; уксусно-ацетатный буферный раствор (рН = 4,5).

Приготовление уксусно-ацетатного буферного раствора: смешивают 102 мл 1 н. раствора уксусной кислоты и 98 мл 1 н. раствора ацетата натрия. Объем полученного раствора доводят дистиллированной водой до 1 л. Для приготовления 1 н. раствор уксусной кислоты разбавляют 57 мл ледяной уксусной кислоты до 1 л; 1н. раствор ацетата натрия при-

45

готовляют, растворяя 136 г ацетата натрия СНзСООNa · 3Н2O в воде и разбавляя полученный раствор до 1 л.

Ход определения. В коническую колбу, снабженную притертой стеклянной пробкой, наливают 100 мл анализируемой воды, приливают 5 мл 5%-го иодида калия и добавляют 10 мл уксусно-ацетатного буферного раствора. Через 5 мин оттитровывают, выделившийся иод 0,01 н раствором тиосульфата натрия (при содержании «активного хлора» выше 1мг/л) или 0,005 н. раствором тиосульфата натрия (при содержании «активного хлора» от 0,1 до 1 мг/л).

В конце титрования прибавляют 1–2 мл раствора крахмала.

Расчет. Содержание «активного хлора» (χ) в мг/л вычисляют по формуле

χ = a 0,355 1000,

V

где а – объем раствора тиосульфата натрия, израсходованного на титрование, мл; V – объем анализируемой воды, мл; 0,355 – количество хлора, эквивалентное 1 мл 0,01 н. раствора тиосульфата натрия, мг.

Контрольные вопросы и задания

1.Что понимают под термином «активный хлор»? 2.Какой метод используют в данной лабораторной работе?

3.Для чего при проведении анализа добавляют раствор крахмала?

4.В каких случаях при проведении анализа применяют уксусно-аце- татный буферный раствор?

Лабораторная работа 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ КОМПЛЕКСОМЕТРИЧЕСКИМ ТИТРОВАНИЕМ

Цель работы: Измерение концентрации ионов Са+2 и Mg+2, Fe+2 в промышленных сточных водах с помощью титриметрического метода анализа; сравнение концентрации ионов и ПДК.

Общая жесткость воды обусловлена наличием в ней ионов Са+2 и Mg+2, которые поступают со сточными водами металлургических, кузнечнопрессовых и термических цехов. Их количество зависит от типа производства, оборудования, его амортизации, вида используемых технологических процессов.

В качестве индикаторов в комплексонометрии применяют так называемые металлоиндикаторы, которые позволяют визуально определить точку конца титрования (например, хромоген черный (эриохром), хромоген синий). Металлоиндикаторы – органические красители, образующие окра-

46

шенные комплексные соединения с ионами металлов (Са+2, Mg+2), менее прочные, чем комплекс металла с комплексоном (например, трилоном Б). При рН = 7–11 индикатор имеет синий цвет. В присутствии ионов Са+2 и Mg+2 индикатор образует с ними комплексы винно-красного цвета. Следовательно, если в раствор, содержащий соли кальция, магния внести кислотный хромововый темно-синий, то раствор окрасится в красный цвет. Если этот раствор титровать ЭДТА, который с Са+2, Mg+2 дает бесцветный, более прочный комплекс, чем комплекс Са+2 и Mg+2 с индикатором, то в конечной точке титрование раствор примет синий цвет, т. е. появится окраска свободного индикатора

[Са+2, Mg+2 + хромоген] + ЭДТА → [Са+2, Mg+2+ ЭДТА] + хромоген.

При жесткости от 0,5 до 20 мг-экв/л следует пользоваться 0,05 н. раствором трилона Б.

Объем отбираемой пробы воды зависит от содержания солей кальция и магния и колеблется от 10,00 до 100,00 мл.

Пример. Для титрования взято 100 мл воды, израсходовано 8,8 мл 0,048 н. раствора трилона Б. Определить общую жесткость воды:

Ж = 8,8 0,048 1 000 = 4,22 (мг-экв/л), 100

т. е. взята вода средней жесткости.

Реактивы: ЭДТА (трилон Б), 0,1H стандартный раствор; аммиачный буферный раствор (рН – 9–10); кислотный хромовый темно-синий (тв.).

Ход определения: Отбирают стаканом 25 мл сточной воды, переносят в колбу для титрования вместимостью 200–250 мл, добавляют 25 мл дистиллированной воды: и затем 5 мл аммиачного буферного раствора. В полученную смесь вносят 0,03 г хромогена черного.

Исследуемый раствор медленно титруют стандартным раствором ЭДТА до перехода красной окраски раствора в сине-фиолетовую.

Расчет. Жесткость воды выражают числом миллиграмм-эквивалентов Са+2 и Mg+2 в 1 л (в мг-экв/л) и рассчитывают по формуле

Ж = NЭДТА ∙ VЭДТА ∙ 1000 / H2O,

где Ж – жесткость воды, мг – экв/л; VЭДТА – объем израсходованного раствора ЭДТА, мл; NЭДТА – нормальность стандартного раствора ЭДТА, 0,1 Н; VH2O – объем взятой для исследования воды, 25 мл.

Контрольные вопросы и задания

1.Чем обусловлена жесткость воды? Метод определения.

2.Почему при определении жесткости воды используют индикатор? 3.Что такое точка эквивалентности?

47

4.Реакция, лежащая в основе метода определения жесткости воды.

5.Разница между титруемым и титрованным растворами? Использовать ход определения совместного содержания ионов кальция и магния.

Лабораторная работа 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА (FE+2) ПЕРМАНГАНАТОМЕТРИЧЕСКИМ ТИТРОВАНИЕМ

Цель работы: Определение ионов железа (Fe+2) в водных растворах методом титрования.

Метод перманганатометрии основан на реакциях окисления-востанов- ления (например, Fe+2 ионом перманганата МпО4–), т. е. основным веществом, применяемым в качестве титранта, в перманганатометрии является окислитель – перманганат калия. Обычно титрование раствором КМпО4 проводят в кислой среде.

MnO4– + 5Fe+2 + 8Н+ = Мп+2 + 5Fe+3 + 4H2O.

Эквивалент перманганата при титровании кислых растворов равен его молекулярному весу, деленному на 5. Титрование перманганатом проводят без индикатора, так как одна избыточная капля раствора КМпО4 окрашивает в конце титрования титруемый раствор в бледно – розовый цвет. В процессе титрования образуется ион Fe+3, который окрасил бы титруемый раствор в желто-бурый цвет, если бы к нему не добавить концентрированную фосфорную кислоту H3PO4.

Реактивы: раствор перманганата калия, 0,05H р-р. Для приготовления 1 л 0,05H раствора КМnО4 навеску 1,5803 г растворяют в мерной колбе на 1 л; раствор серной кислоты (1:3); кислота фосфорная концентрированная.

Ход определения. Из общего объема взятой для анализа сточной воды отбирают 25 мл переносят в коническую колбу вместимостью 200–250 мл. Добавляют 25 мл дистиллированной воды и затем 5 мл разбавленной серной кислоты (1:3).

К титруемому раствору добавляют несколько миллилитров концентрированной фосфорной кислоты Н3РО4 (15–20 кап) (в вытяжном шкафу!). Фосфорная кислота образует с Fe+3 бесцветное комплексное соединение и поэтому окраска раствора в конце титрования раствором перманганата калия переходит в розовую. При отсутствии Н3РО4 в растворе окраска его в конечной точке изменяется от желтой к розовой, что затрудняет наблюдение розовой окраски.

Расчет производится по формуле

48

где NKMnO4 ~ нормальность титрованного раствора, 0,05; VKMnO4 – объем

раствора KМnО4, пошедшего на титрование; Vисл – объем сточной воды, взятой для анализа, 25 мл; Nx – нормальность исследуемого раствора, содержащего Fe+2; Vk –100 мл; ЭFe+2 = 56.

Контрольные вопросы и задания

1.Какая реакция лежит в основе анализа Fe+2? Объяснить изменение цвета в точке эквивалентности.

2. Как определить жесткость воды? Чем она обусловлена?

3.Какой индикатор используют для определения ионов Fe+2 Правильно ли сформулирован вопрос?

4.Почему при определении жесткости воды используют металлоиндикатор, а при содержании Fe+2 нет?

5.Почему при определении ионов Fe+2 методом титрования добавляют фосфорную кислоту?

6.В чем сущность комплексометрического, перманганатометрического титрования.

7.На чем основан расчет содержания определяемого вещества в титриметрическом анализе?

8.Почему в процессе титрования при определении ионов Fe+2 происходит переход окраски?

9.Почему окраска индикатора хромогена черного изменяется из виннокрасного в синюю?

Лабораторная работа 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (FЕ+3) В ВОДЕ МЕТОДОМ КОЛОРИМЕТРИИ

Цель работы: Определить ионы железа в водопроводной воде.

Ионы трехвалентного железа образую окрашенные соединения с различными органическими и неорганическими реактивами.

Из органических реактивов для определения железа чаще, всего применяют салициловую кислоту.

Для получения максимальной интенсивности окраски необходимо применять большой избыток роданида. Очень важно, чтобы этот избыток был одинаков в анализируемом и стандартном растворах. В противном случае при одном и том же количестве железа окраска обоих растворов будет неодинакова, так как они будут содержать комплексы различного состава. Необходимо, чтобы раствор был хорошо подкислен. Увеличение рН при-

49

водит к гидролизу соли железа и образованию основных солей или гидроокиси. В этом случае окраска при добавлении роданистого калия может вовсе не появиться.

Для подкисления лучше всего брать разбавленную азотную кислоту. Серную и, особенно, соляную кислоты применять не следует, так как они ослабляют окраску.

В отсутствие мешающих ионов роданидная реакция достаточно чувствительна; этим методом можно определить 0,002 5 мг железа в 50 мл раствора. В эфире, ацетоне и других органических растворителях роданидный комплекс железа диссоциирует значительно меньше чем в воде, и реакция становится более чувствительной. Некоторые из этих растворителей, например ацетон, смешиваются с водой.

Интенсивность окраски полученного раствора сравнивают с интенсивностью окраски раствора с известным содержанием железа. Сравнение производят в колориметре. Можно также пользоваться методом колориметрического титрования.

Приготовление стандартного раствора. Чаще всего пользуются стандартным раствором, в 1 мл которого содержится 0, 1 мг железа. В воде, подкисленной 25 мл концентрированной азотной кислоты, растворяют навеску железоаммонийных квасцов Fe2(SO4)3 · (NH4)2SO4 · 24 H2O и разбавляют раствор водой до 1 л.

Величину навески квасцов легко рассчитать. Молекулярный вес квасцов 964,4; атомный вес железа 55,85:

964,4 г – 111,7 г; х – 0,1 г;

X = 964,4 0,1 = 0,863г. 111,7

Если для приготовления стандартного раствора взяты выветрившиеся кристаллы квасцов (т. е. содержащие меньше кристаллизационной воды), то концентрацию железа в таком растворе необходимо установить весовым или объемным методом. Иногда, при небольшом количестве железа в анализируемой пробе, стандартный раствор приходится разбавлять еще в 10 раз. Для этого отбирают пипеткой 25 мл стандартного раствора, переносят в мерную колбу емкостью 250 мл, приливают к раствору 5 мл азотной кислоты, затем доводят водой до метки и перемешивают.

Ход анализа. Методика определения железа в водопроводной воде: В два цилиндра вливают по 5 мл 10%-ного раствора роданистого ка-

лия или аммония* и хорошо перемешивают растворы. После этого цилиндр

* 10 г NH4SCN или KSCN растворяют в воде и разбавляют до 100 мл. Раствор сохраняют в склянке из темного стекла.

50