Определение рН, кислотности и щелочности воды

Одним из показателей качества воды, позволяющих судить о химических и биологических процессах протекающих в ней, является значение рН. В природных водах, являющихся сложными растворами, концентрация ионов водорода зависит не только от диссоциации и гидролиза молекул воды, диссоциации и гидролиза солей, но и от содержания диоксида углерода и его производных, содержания гумусовых кислот и др.

Основной системой, регулирующей содержание ионов водорода в природных водоемах, является так называемая карбонатная система. Углекислый газ, растворяясь в воде, частично превращается в угольную кислоту, способную диссоциировать по уравнению:

Н₂СО₃ÛНСО₃^-+Н⁺

Содержание ионов водорода определяется из соотношения:

,

где К₁ – первая константа диссоциации, равна 4^.10^-7.

Существенное влияние на содержание ионов водорода оказывает имеющиеся в воде гидрокарбонаты Са(НСО₃) и Мg(НСО₃)₂, которые в результате диссоциация увеличивают содержание в воде ионов НСО₃^- и уменьшают содержание Н⁺.

Ионы НСО₃^- также диссоциируют с образованием протонов:

НСО₃^- Н⁺+ СО₃^2-

Условиям равновесия обычно отвечают следующие переходы:

СО₂ + Н₂О Н⁺ + НСО₃^- 2Н⁺ + СО₃^2-

Из уравнения видно, что различное значение рН воды указывает на различное содержание в воде различных составляющих данного уравнения.

При нормальных условиях рН природных вод близко к значению 8,5. При этом значении распространен гидрокарбонатион НСО₃^-. В этой форме углерод легко усваивается водными организмами. Содержание ионов водорода в природных водах может меняться в довольно широких пределах (рН = 4...9). Количественное соотношение между различными соединениями углекислоты определяется уравнениями диссоциации I и II ступени, которые зависят от концентрации ионов водорода, поэтому существование различных форм углекислоты в растворе определяется рН. При рН до 3,7-4,0 вся находящаяся в воде углекислота представлена только диоксидом углерода. По мере повышения рН доля СО₂ уменьшается, а следовательно, возрастает доля гидрокарбонатов – НСО₃^-. При рН = 8,3-8,4 практически вся углекислота находится в виде гидрокарбонта (98%), а на долю СО₂ + СО₃^2- приходится менее 2%. При дальнейшем повышении рН свободного СО₂ в воде нет, а только НСО₃^- и СО₃^2-. При рН = 12 в растворе находятся только карбонаты. Зависимость содержания различных соединений углерода от рН приведена на рис. 2.

 

Рис. 2. Содержание различных форм углерода в зависимости от величины рН

 

Защелачивание водоемов свидетельствует об интенсивном процессе фотосинтеза. Закисление говорит о наличии гумусовых кислот. Изменение рН может быть вызвано гидролизом солей тяжелых металлов, поступлением кислых или щелочных стоков и другими причинами.

Карбонатная система обладает буферными свойствами и способна поддерживать определенное значение рН и нейтрализовать поступление кислыхили щелочных стоков. К основным характеристикам природных вод относят их кислотность и щелочность. Под кислотностью понимают содержание в воде веществ, способных вступить в реакцию с сильными щелочами. К этим веществам можно отнести:

а) сильные кислоты, полностью диссоциирующие в воде;

б) слабые кислоты (уксусная, сернистая, угольная и др.);

в) катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, органических оснований и др.).

Соединения, содержащие эти катионы, гидролизуются с образованием ионов водорода. При аналитическом определении кислотности вода различают общую и свободную кислотность. Свободная кислотность – это кислотность, которую обнаруживают при титровании щелочью до рН = 4,5.

Общая кислотность определяется суммарным количеством щелочи (мг-экв/л), пошедшей на титрование до щелочной среды (до рН ~ 8,3), Полагают, что в этом случае будут нейтрализованы все вещества, обусловливающие кислотность.

Щелочность воды обусловлена наличием растворимых оснований, средними и кислыми солями, обычно гидрокарбонатами щелочных и щелочноземельных металлов. Определяется щелочность воды титрованием сильными кислотами. Различают свободную и общую щелочность.

Если рН воды > 8,3, то количество кислоты (мг-экв/л) необходимое для снижения рН до 8,3, будет характеризовать свободную щелочность.

При дальнейшем титровании до рН =4,5 определяют суммарное количество кислоты, которое характеризует общую щелочность воды.

Цель работы: научиться определять рН воды, кислотность и щелочность природных вод различными методами, анализировать причины, влияющие на данные свойства вод.

Оборудование и реактивы: иономер универсальный ЭВ-74; стеклянный и хлорсеребряный электроды; фенолфталеин, 1%-ный спиртовой раствор; метиловый оранжевый, 1%-ный спиртовой раствор; едкий натр (или калий), 0,1 н. раствор; серная кислота, 0,1 н. раствор.

Порядок выполнения работы