Требования к отчету

В отчете приводится описание хода выполнения работы, результаты расчета содержания анионов. Сделать предположение о характере подстилающих пород и поступающих стоков. Выявить последствия для водной экосистемы от избыточного поступления анионов.

Лабораторная работа № 7 Определение окисляемости природных вод

Окислительно-восстановительные процессы в природных водах представляют собой главным образом превращение органических соединений. Одним из непременных условий существования водных экосистем являются процессы разложения органических соединений, в результате которых идет окисление соединений до углекислого газа, воды и различных соединений азота, фосфора, серы. Пока имеется в воде свободный кислород окисление идет, как правило, до оксидов элементов в высшей степени окисления. Этот общий процесс окисления для целлюлозы можно представить в виде схемы:

(C₆H₁₀O₅)_n + 1/2n H₂O 1/2 n C₁₂H₂₂O₁₁

целлюлоза целлобиоза

1/2 C₁₂H₂₂O₁₁ + 1/2n H₂O n C₆H₁₂O₆

Образующаяся в результате ферментативного гидролиза глюкоза превращается в пировиноградную кислоту и вступает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Креббса), превращаясь в конечном итоге в СО₂ и Н₂О:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6СО₂ + H₂O

Жиры в аэробных условиях гидролизуются с образованием глицерина (многоатомного спирта) и карбоновых кислот

О

СН₂ – ОС – R₁ СН₂ – ОН R₁ – СООН

СН – ОС – R₂ + 3 Н₂О → СН – ОН + R₂ – СООН

СН₂ – OC – R₃ СН₂ – ОН R₃ – СООН

O

Образующийся спирт (глицерин) легко окисляется до СО₂ и Н₂О.

СН₂ – ОН

2 СН – ОН + 7О₂ → 6 СО₂ + 8Н₂О

СН₂ – ОН

Высшие карбоновые кислоты окисляются гораздо медленнее, но также превращаются в СО₂ и Н₂О.

С₁₇Н₃₅СООН + 26 О₂ → 18 СО₂ + 18Н₂О

Для различных алканов можно представить следующую схему превращений в аэробных условиях:

R -CH₃ R-CH₂OH R-CHO R-COOH CO₂ + H₂O

Белковые соединения в результате гидролиза разлагаются до аминокислот. Аминокислоты подвергаются дезаминированию

R -CH-COOH + 1/2 O₂  R-CH-COOH + NH₃

NH₂ O

Образовавшиеся кетокислоты окисляются до СО₂ и Н₂О, а аммиак в результате дальнейшего окисления превращается в нитриты, а затем в нитраты:

2NH₃ + 3O₂  2HNO₂ + 2H₂O

2HNO₂ + O₂  2HNO₃

2HNO₃ + Ca ( HCO₃)₂  Ca (NO₃)₂ +2CO₂ +2H₂O

Все процессы идут, как правило, под действием микроорганизмов, группы которых последовательно сменяют друг друга после завершения своей стадии превращения органических соединений.

В анаэробных условиях (при недостатке или отсутствии кислорода в воде) окислительно-восстановительные процессы идут несколько иначе. Микроорганизмы для окисления органических соединений используют кислород нитратов, сульфатов и других соединений. В виде общей схемы процесс можно представить так:

C_OP2 + 2NO₃^- + 2H⁺ N₂ + 2,5CO₂ + H₂O

C_OP2 + SO₄^2- + 2H₂O H₂S + 2 HCO₃

Разложение органических веществ в анаэробных условиях – это, прежде всего, брожение, в качестве примеров которого можно показать следующие:

C₆H₁₂O₆  CH₃-CH₂-COOH + CH₃COOH + CO₂ +H₂ масляно-кислое

CH₃-CH₂-COOH + CO₂ + 2H₂O  CH₄ + CO₂ метановое

CH₃COOH  CO₂ + CH₄

Разумеется, процессы окисления органических соединений много сложнее и разнообразнее, здесь приведены лишь некоторые схемы.

Одной из характеристик природных вод может служить их окисляемость – это количество кислорода, потребляемое на окисление органических и неорганических соединений. Другое определение окисляемости – это количество веществ-восстановителей, содержащихся в 1 л воды и реагирующих с сильными окислителями.

Химическую окисляемость определяют с использованием в каче­стве окислителей бихромата калия К₂Сr₂О₇ (бихроматная окисляе­мость), иодата калия КIO₃ (иодатная окисляемость) КMnО₄ (перманганатная окисляемость). Бихроматную и иодатную окисляемость иначе называют химической потребностью в кислороде, или ХПК. Это название точно отражает сущность опреде­ления окисляемости, так как оценивается количество кислорода, необ­ходимое для окисления примесей воды, т. е. для перевода С в СО₂, H в Н₂О, N в NH₃, Р в фосфаты, S в сульфаты и т. д.

Различают ХПК теоретическую, вычисляемую по стехиометрическому уравнению окисления (для чего должен быть известен химиче­ский состав примесей), и экспериментальную, определяемую с ис­пользованием бихромата или йодата калия. Экспериментальная ХПК часто меньше теоретической, поскольку ряд органических веществ (красители, СПАВ, сложные углеводороды и др.) либо вовсе не окисляются бихроматом и иодатом в условиях оп­ределения, либо окисляются не до конца.

Степень окисления органических и неорганических веществ можно узнать в течение времени, отбирая пробы и определяя окисляемость через промежутки времени. Однако такой способ недостаточно точно позволяет смоделировать процессы в водоемах. Гораздо ближе отражает естественные процессы определение количества кислорода, потребляемого микроорганизмами в аэробных условиях. Такой показатель называют БПК − биохимический показатель кислорода. Для водоемов с хорошо сбалансированной экосистемой эти показатели отличаются незначительно (на величину органических веществ, идущих на построение клеток тела микроорганизмов). Для водоемов, загрязненных незначительно биологическими отходами антропогенного характера, величина перманганатной или бихроматной окисляемости гораздо выше, чем БПК.

Биохимическая окисляемость определяет содержание в воде орга­нических примесей, которые могут быть окислены биохимическим путем. Окисление осуществляют аэробные гетеротрофные бактерии. Значительное число бактерий – облигатных аэробов и факульта­тивных анаэробов способно существовать за счет использования загрязнений (примесей) воды в качестве источника питания. При этом часть использованных органических веществ расходуется на энерге­тические нужды, а другая часть – на синтез тела клетки. Часть веще­ства, расходуемая на энергетические потребности, окисляется клеткой до конца, т. е. до СО₂, H₂O, NH₃. Продукты окисления – метаболи­ты – выводятся из клетки во внешнюю среду. Реакции синтеза кле­точного вещества идут также с участием кислорода. Количество ки­слорода, требуемого микроорганизмам на весь цикл реакции синтеза и получения энергии, и есть БПК. В результате жизнедеятельности бактерий сточная вода очищает­ся от исходных органических примесей, однако в ней остаются неко­торые органические вещества, малодоступные или совсем недоступ­ные бактериям для усвоения, и, кроме того, вода получает новые за­грязнения – органические и неорганические – метаболиты.

Цель работы: познакомиться с процессами окисления органических компонентов природных вод, методами определения окисляемости природных вод.

Реактивы: серная кислота плотностью 1,84 г/см³; N – фенилантраниловая кислота (0,25 г кислоты растворяют в 12 мл 0,1 н. раст­вора NaOH и разбавляют водой до 250 мл); бихромат калия 0,25 н. стандартный раствор; соль Мора 0,25 н. раствор (титр раствора соли Мора предварительно устанавливают по стандартному раствору бихрома­та калия); сульфат ртути кристаллический.