Определение физических свойств воды в лабораторных условиях

Цель работы. Познакомиться с основными способами определения физических свойств воды в лабораторных условиях.

Оборудование. Термометр, парные цилиндры с отшлифованным плоским дном, стан­дартная шкала для определения цветности воды, пикнометры.

Общие сведения. Прежде чем приступить к выполнению химического анализа воды, определяют некоторые ее физические свойства.

Температура воды является важнейшей ее характеристикой, определяющей скорость, а иногда и направление изменений ее качества, и поэтому обязательно из­меряется при любых гидрохимических исследованиях как in situ, т.е. в месте и в мо­мент отбора проб воды на химический анализ, так и перед началом анализа в лабора­тории. При достаточном выдерживании проб в лаборатории температура воды соот­ветствует температуре воздуха этой лаборатории и принимается по показанию тер­мометра, служащего для измерения последней.

Прозрачность воды обусловлена ее цветом и мутностью, т.е. содержанием в ней различных окрашенных и взвешенных: органических веществ. Прозрачность в ла­боратории определяют с помощью стандартного шрифта с высотой букв 2 мм и стек­лянного цилиндра. Цилиндр имеет внутренний диаметр 2,5 см, хорошо отшлифован­ное плоское дно, градуирован по высоте в сантиметрах (обычно до 30 см).

Испытуемую воду перед определением взбалтывают, наливают в цилиндр и ста­вят на листок со стандартным шрифтом. Высота воды в цилиндре должна быть такой, чтобы буквы стандартного шрифта читались с трудом. Определение повторяют не­сколько раз и записывают среднюю высоту столба жидкости (в см), которая и будет характеризовать величину прозрачности.

Мутность воды определяют визуально одновременно с лабораторным опреде­лением прозрачности. При этом воду характеризуют следующими терминами: про­зрачная, опалесцирует, слабая муть, мутная.

Еще одной характеристикой мутности является ее значение в мг SiO₂/л, которое определяют с помощью двух мерных цилиндров аналогичных цилиндрам для опреде­ления прозрачности, но большей высоты, и градуированных по высоте в сантиметрах (до 50 см). В один из цилиндров приливают хорошо перемешанную пробу, высота столба которой может быть в зависимости от мутности 10, 20, 30 или 40 см. Во вто­рой цилиндр приливают дистиллированную воду до высоты, несколько меньшей (на 5-10 см), чем высота пробы, и постепенно добавляют заранее приготовленную сус­пензию, содержащую при малой мутности воды 0,1 мг SiO₂ в 1 мл и при большой мутности 1 мг SiO₂ в 1 мл. Суспензию добавляют до тех пор, пока мутность в обоих цилиндрах не станет одинаковой (мутности сравнивать лучше на фоне черной бумаги, слегка приподнимая над ней цилиндры). После выравнивания мутности в обоих ци­линдрах доводят объем жидкости дистиллированной водой до 200 мл (до метки 40 см) и вновь выравнивают мутность, вводя стандартную суспензию в цилиндр с жид­костью меньшей мутности.

Мутность воды () вычисляют по формуле:

 = мг SiO₂/л (4)

где С - концентрация стандартной суспензии, мгSiO₂/мл; V₁ - количество суспензии, добавленное в цилиндр с дистиллированной водой, мл, V₁^/ - количество суспензии, добавленное в пробу, если при втором уравнивании мутности проба оказалась менее мутной; V₂ — объем исследуемой воды, взятой для определения мутности; 1000 - коэффициент пересчета на 1 л.

Цветность поверхностных вод обусловлена главным образом наличием гуму­совых веществ и соединений железа (Ш). Цвет воды в водоеме определяют путем сравнения с цветом пробирок стандартной шкалы.

Для приготовления такой стандартной шкалы могут быть рекомендованы сле­дующие растворы.

Раствор № 1 (основной) готовят путем растворения в дистиллированной воде 0,0875 г дихромата калия К₂Cr₂О₇ и 2,000 г сульфата кобальта (П) СоSО₄, затем оба раствора смешивают, и объем доводят дистиллированной водой до 1 л. Этот раствор соответствует цветности 500°.

Раствор № 2 готовят путем разведения 1 мл концентрированной химически чис­той серной кислоты до 1 л дистиллированной водой.

Шкалу готовят в цилиндрах из бесцветного стекла, имеющих метку 100 мл. Об­разец приготовления шкалы приведен ниже.

СТАНДАРТНАЯ ШКАЛА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТНОСТИ ВОДЫ

Количество раствора № 1, мл

0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 14 16

Количество раствора № 2, мл

100 99 98 97 96 95 94 93 92 90 88 86 84

Цветность воды (град), которой соответствует окраска жидкости в цилиндре

0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 70 80

Шкалу следует хранить в темном месте, цилиндры необходимо закрывать проб­ками. Данной шкалой можно пользоваться в течение 1,5-2 мес., а потом следует при­готовить новую.

Для определения цветности 100 мл исследуемой воды наливают в такой же ци­линдр, в каких приготовлена шкала, и сравнивают на белом фоне окраску столбиков жидкости в цилиндрах, глядя сверху вниз. Результаты выражают в градусах шкалы. Если вода мутная, ее следует предварительно профильтровать. В том случае, когда вода имеет цветность более 80° и шкалы не хватает, предварительно разбавляют ис­следуемую воду дистиллированной водой в 2,4, 5 или 10 раз. При вычислении резуль­татов табличное значение градусов соответственно увеличивается в 2,4,5 или 10 раз.

Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в нее в про­цессе жизнедеятельности водных организмов, при биохимическом разложении орга­нических веществ, а также со сточными водами.

Естественные запахи могут быть классифицированы как:

1) ароматический, 2) болотный; 3) гнилостный; 4) древесный; 5) землистый; 6) плесневый; 7) рыбный; 8)сероводородный; 9) травянистый; 10) неопределенный. Искусственные запахи назы­вают по вызывающим их веществам, например фенольный, бензинный, нафталино­вый и т.п. Более детально виды запаха приводятся в таблице 2.

Таблица 2

Виды запаха

Сокращение	Классификация запаха	Примеры или возможные источники происхождения запаха
A Ae B Bg Bn C Co Ch Cm Cs D Df Dз E G M Mm V	Ароматный или пряный Огуречный Бальзамический, или цветочный Гераниевый Настурциевый Сладковатый Фиалковый Химический Хлорный Углеводородный Лекарственный Сернистый Неприятный или сильно выраженный неприятный Рыбный Гнилостный Землистый Торфяной Травянистый Затхлый Плесневой Овощной	Камфора, гвоздика, лаванда, лимон Synura Герань, ирис, ваниль Asterionella Aphanizomaenon Coelosphaerium Mallomonas Промышленные сточные воды или химическая обработка Свободный хлор Стоки нефтеочистительных заводов Фенолы и иодоформ Сероводород Uroglenopis and Dinobryon Застоявшиеся сточные воды Сырая земля Торф Лежалая трава Преющая солома Сырой подвал Корни овощей

Запах воды определяют следующим образом. Исследуемую воду наливают в колбу с широким горлом, наполнив ее на 2/3 объема, закрывают стеклом и слегка встряхивают. Сняв стекло, втягивают носом воздух из колбы. Можно проводить оп­ределение запаха в пробе, подогретой до 60°С, точно так же, как и без подогрева.

Оценку интенсивности запаха проводят по пятибалльной шкале (табл.3).

Таблица 3

Определение интенсивности запаха воды

Интенсивность запаха	Характеристика	Появление запаха
0 I II III IV V	Никакого запаха Очень слабый Слабый Заметный Отчетливый Очень сильный	Отсутствие ощутимого запаха Запах, не замечаемый потребителем, но обнаруживаемый специалистом Запах, обнаруживаемый потребителем, если обратить внимание на это Запах, легко обнаруживаемый; может быть причиной того, что вода неприятна для питья Запах, обращающий на себя внимание; может заставить воздержаться от питья Запах настолько сильный, что делает воду непригодной для питья

Вкус воды определяют только при исследованиях источников питьевой воды. Различают 4 вида вкуса: сладкий, горький, кислый, соленый, а также привкусы, на­пример металлический, щелочной, йодистый и т.п. Обычно определяют вкус сырой воды, за исключением источников, сомнительных в санитарном отношении, при температуре пробы в момент отбора, комнатной температуре или температуре 40°С. При этом набирают в рот немного воды и держат во рту в течение нескольких секунд (проглатывать воду не следует). Желательно, чтобы вкус определяли сразу несколько человек.

Плотность воды при гидрохимических исследованиях определяют крайне ред­ко, в тех случаях, когда происходит смешение вод с различной концентрацией рас­творенных веществ. Определяют плотность весовым методом с помощью пикномет­ров с хорошо притертыми пробками.

Тщательно вымытый и высушенный пикнометр взвешивают на аналитических весах с точностью до ± 0,001 г. Затем наполняют пикнометр водой и помещают в термостат, где поддерживается температура 20°С. После получения нужной темпера­туры воды пикнометр закрывают пробкой так, чтобы под ней не осталось пузырьков воздуха. Затем обтирают его снаружи, чтобы наружные стенки были сухими, и быст­ро взвешивают (чтобы вода в пикнометре не успела остыть более чем на 0,5°С). Плотность S₂₀ при 20°С вычисляют по формуле:

S₂₀ = (m₁ – m₂ ) / V , г/см³, (5)

где m₁ – масса пикнометра с водой, г; m₂ – масса высушенного пикнометра, г; V – вместимость пикнометра, мл (см³).

Порядок выполнения работы. Изучают принцип определения физических свойств воды в лабораторных условиях. Определяют некоторые физические свойства воды (по заданию преподавателя). Подготавливают отчет.

Отчет. Отчет по данной лабораторной работе состоит в устном собеседовании с преподавателем. Результаты измерений представляются по установленной форме.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Когда следует измерять температуру воды при гидрохимических исследованиях?

2. В чем состоит принцип определения прозрачности воды в лабораторных условиях?

3. Какими терминами можно характеризовать мутность воды? Как ее определить?

4. Каков принцип определения цветности воды в лаборатории?

5. Какими терминами можно характеризовать запах воды? Как его определить?

6. Как определить вкус воды?

7. Как определить в лаборатории плотность воды?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ УГОЛЬНОЙ

КИСЛОТЫ В ВОДЕ

Цель работы. Научиться определять содержание (СО₂+Н₂СОз) и СО₃^2- в воде и осуществлять первичную обработку результатов.

Реактивы и растворы.

1. 0,01 N раствор NаОН или 0,01 N раствор Nа₂СО₃ (желатель­но готовить из фиксаналов, причем фиксанал с NаОН не должен содержать выпавших хлопь­ев);

2. 0,1%-ный раствор фенолфталеина; готовят на чистом 96%-ном этиловом спирте.

3. Раствор НСl (желательно готовить из фиксанала).

Посуда.

1. Склянки из бесцветного стекла с притертыми пробками вместимостью 150-200 мл. Склянки должны иметь метку на определенный объем (например, 100 или 150 мл), которая наносится путем калибровки склянки в лаборатории — 2 склянки на 1 анализ.

2. Бюретка для титрования вместимостью 10 или 25 мл.

3. Пипетка на 1 мл.

Общие сведения. В природной воде определяют следующие формы угольной кислоты: 1) СО₂; 2) Н₂СО₃; 3) НСО₃¯ (гидрокарбонаты); 4) СО₃^2- (карбонаты).

Диоксид углерода (углекислый газ) находится в воде преимущественно в виде растворенных молекул СО₂, и только 1 % общего количества углекислого газа всту­пает во взаимодействие с водой, образуя Н₂СО₃. Поэтому при определении в воде общего содержания углекислого газа имеют в виду сумму (СО₂+Н₂СО₃).

Основным источником углекислого газа в воде являются различные биохимиче­ские процессы, протекающие в водной массе и в донных осадках водоема (такие, как окисление органических веществ, находящихся в воде и в донных идах, дыхание вод­ных организмов и т.д.). Происходит поглощение водой СО₂ и из атмосферы, что име­ет особо важное значение для морей и океанов н несколько меньшее — для вод суши.

СО₂ интенсивно расходуется при фотосинтезе. Кроме того, при значительном содержании углекислого газа в воде он выделяется в атмосферу. Расходуется СО₂ и на растворение карбонатов. Углекислый газ имеет огромное значение для раститель­ных организмов как источник углерода, без которого в природных водоемах была бы невозможна жизнь.

Однако большое количество СО₂, растворенное в воде, ведет к угнетению жиз­недеятельности животных организмов (например, при повышенном содержании СО₂ рыбы хуже используют кислород).

Ионы НСО₃^¯ в природной воде в основном образуются при диссоциации гидро­карбонатов кальция и магния Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂, причем при увеличении со­держания НСО₃^¯ увеличивается рН среды. Это происходит потому, что при гидроли­зе НСО₃^¯ происходит накопление в воде гидроксид-ионов ОН¯ по схеме:

НСО₃^¯ + НОН Н₂СОз +ОН¯ (6)

Наличие в воде ионов СО₃^2- — явление чрезвычайно редкое, поскольку при рас­творении карбонатов (в присутствии углекислого газа) они превращаются в гидро­карбонаты по схеме:

СаСОз + СО₂ + Н₂О Са²⁺ + 2НСО₃^¯. (7)

Если в воде практически отсутствует углекислый газ (например, во время ин­тенсивного фотосинтеза), то можно обнаружить присутствие в воде СО₃^2¯.

Выявляя наличие в воде солей угольной кислоты, определяют так называемую величину щелочности воды. Под щелочностью вообще понимают избыток в воде сильных оснований над сильными кислотами в эквивалентном выражении. Так как в пресной воде сильные основания эквивалентны в основном анионам слабой угольной кислоты (анионы других слабых кислот находятся, как правило, в незначительном количестве), то щелочность воды является показателем содержания в ней карбонатов и бикарбонатов.

Принцип определения содержания в воде (СО₂ + Н₂СО₃) и СО₃^2– следующий.

Наиболее простым методом определения (СО₂ + Н₂СО₃) является объемный метод, основанный на титровании пробы воды раствором щелочи, например NaOH. Химические процессы, происходящие при этом, могут быть выражены следующими уравнениями реакций:

CO₂ + H₂O H₂CO₃ HCO₃¯ + H⁺; (8)

H₂CO₃ + NaOHNaHCO₃ + H₂O. (9)

Раствор NaOH может быть заменен раствором Na₂CO₃, тогда

H₂CO₃+Na₂CO₃=2NaHCO₃. (10)

При титровании происходит увеличение рН в пробе, поэтому можно найти такой момент, когда весь углекислый газ будет переведен в HCO₃¯ . Это наблюдают при рН, равном 8,4. Подобную величину рН можно установить, применяя в качестве индикатора фенолфталеин, который при рН более 8,37 имеет розовую окраску. Поэтому появление розовой окраски у титруемого раствора в присутствии фенолфталеина свидетельствует о конце титрования.

Количество раствора NaOH (или Na₂CO₃), пошедшее на титрование, будет эквивалентно количеству СО₂, содержащемуся в пробе, причем 1 мл 0,01 N раствора NaOH (или Na₂CO₃) эквивалентен 44 г/(11001000) = 0,44 мг СО_2.

Если после добавления в склянку с исследуемой водой фенолфталеина раствор окрасится в густо-розовый цвет до титрования, в воде присутствуют ионы СО₃^2– (рН более 8,37). В этом случае пробу следует титровать раствором HCl до исчезновения розовой окраски.

Ход определения. При определении СО₂ в воде данным методом следует иметь в виду, что минерализация воды должна быть не более 1000 мг/л и вода не должна иметь ярко выраженной окраски, обусловленной присутствием в ней значительного количества гуминовых кислот. Определение СО₂ осуществляют непосредственно на месте взятия пробы.

Две тонкостенные склянки наполняют исследуемой водой до метки со всеми предосторожностями, исключающими перемешивание пробы с атмосферным воздухом. В одну из склянок приливают 1 мл 0,1% раствора фенолфталеина и круговыми движениями перемешивают пробу. Если в воде присутствует СО₂ исследуемая вода остается бесцветной (рН менее 8,37). Затем пробу титруют 0,01 N раствором NaOH (или Na₂CO₃) до появления слабо-розовой окраски, не исчезающей в течение 1 мин.

Оттитровав жидкость в первой склянке, добавляют фенолфталеин во вторую склянку и из бюретки в нее сразу добавляют объем раствора NaOH (или Na₂CO₃), несколько меньшей объема пошедшего на титрование жидкости в первой склянке. Затем дотитровывают пробу во второй склянке, сравнивая окраску с оттитрованной пробой в первой склянке. Расхождение в результатах титрования не должно превышать 0,05 мл раствора NaOH (или Na₂CO₃). Для вычисления результатов берут среднее из двух значений.

При определении СО₃^2– пробу титруют раствором HCl до исчезновения розовой окраски. В конце титрования раствор HCl следует добавлять осторожно и перемешивать пробу осторожными круговыми движениями (не взбалтывать) так, чтобы избежать растворения в ней углекислого газа, находящегося в воздухе.

Определение поправочного коэффициента к нормальности раствора NaOH (или Na₂CO₃).

Определение поправочного коэффициента к нормальности раствора NaOH (Na₂CO₃) выполняют по точному раствору HCl. В коническую колбу берут 10 мл точно 0,01 N раствора HCl (или раствора HCl с известной поправочным коэффициентом), добавляют 1 мл 0,1%-ного раствора фенолфталеина и титруют раствором NaOH (или Na₂CO₃) до появления устойчивой слабо-розовой окраски.

Поправочный коэффициент (К) вычисляют по формуле: К = 10/n, где n – количество мл 0,01 N раствора NaOH (или Na₂CO₃), пошедшего на титрование.

Вычисление результатов. При определении в воде всех формул угольной кислоты записи следует вести в таблицах по образцу табл.1 (приложен.)

Содержание углекислого газа в воде следует выразить: а) в мг/л; б) в мг/л.

Формула для вычисления СО₂ имеет вид:

СО₂ = (АКТ1000)/V мл/л, мг/л; (11)

где А – количество мл раствора NaOH (или Na₂CO₃), пошедшее на титрование исследуемой воды, мл; К – поправочный коэффициент к нормальности раствора NaOH (Na₂CO₃); Т – количество мг (мл) СО₂, эквивалентное 1 мл 0,01 N раствора NaOH (или Na₂CO₃); Т = 0,44 мг ( 0,224 мл); V – объем пробы, мл.

Результаты расчета следует округлить: а) до 0,01 мг/л; б) до 0,01 мл/л.

Формула для расчета карбонатного СО₂ та же, что и для определения свободной СО₂ см. формулу (11), но значения символов в этой формуле иные:

А – количество мл 0,01 N раствора HCl, пошедшее на тирование пробы;

К – поправочный коэффициент к нормальности раствора HCl; Т – количество мг карбонатного СО₂, эквивалентное 1 мл 0,01 N раствора HCl; Т – 0,22 мг 44/(21001000), так как процесс освобождения карбонатного СО₂ при титровании идет по следующей схеме:

Na₂CO₃ + HCl = NaHCO₃ + NaCl (12)

NaHCO₃ + HCl = NaCl + СО₂ + H₂O. (13)

т.е. для выделения 1 моля СО₂ затрачивается 2 моля HCl.

Результаты следует выразить:

а) в мг/л карбонатного СО₂ с точностью до 0,01 мг;

б) в моль/л (экв.) с точностью до 0,001; для получения результатов в мг/л расчета формула будет иметь вид:

СО₂(карбонатный) = (АКN1000)/V мг/л, (14)

где N – нормальность раствора HCl.

Порядок выполнения работы. Изучают принцип определения содержания различных форм угольной кислоты в воде. Подготавливают отчет.

Отчет. Отчет по данной лабораторной работе состоит в устно собеседовании с преподавателем. Результаты измерений представляются по установленной форме.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков принцип определения содержания различных форм угольной кислоты в воде?

2. Каков порядок определения содержания различных форм угольной кислоты в воде?

3. Как рассчитать количества свободного и карбонатного диоксида углерода в воде?