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 + 6O₂à 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 à 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 à 2HNO₂ + 2H₂O

2HNO₂ + O₂ à 2HNO₃

2HNO₃ + Ca (HCO₃)₂ à 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⁺à N₂ + 2,5CO₂ + H₂O

C_OP2 + SO₄^2- + 2H₂Oà H₂S + 2 HCO₃

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

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

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

CH₃COOH à 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 окисляемостьопределяет 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.

Порядок выполнения работы

Отбирают 5 мл пробы, в пробу вводят 2,5 мл 0,25 н. раствора бихромата калия, затем 0,2 сульфата ртути (II) и при перемешивании 7,5 мл концентрированной серной кислоты. 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. Для этого вводят 10-15 капель раствора N - фенилантраниловой кислоты и оттитровывают раствором соли Мора. Проводят холостой опыт. Для этого берут 5 мл дистиллированной воды и проводят то же операции. Определяют число миллиграммов О₂ на 1 л воды:

где b – объем раствора соли Мора, пошедшего на титрование холостой пробы; a – объем раствора соли Мора, пошедшего на титрование пробы; N – нормальность соли Мора; V – объем анализируемой пробы; 8 – эквивалент кислорода.

Из оставшейся пробы берут несколько аликвотных частей по 10 мл и вливают в колбы на 50 мл в каждую. Оставляют на несколько дней хранения (по указанию преподавателя) при t = 20°С, плотно закрыв колбы притертой крышкой или пробкой. По истечении указанного времени вновь определяют количество кислорода, пошедшего на окисление, по приведенной выше методике. Повторяют анализ многократно в течение нескольких сроков хранения. Склянки с такой емкостью и содержанием пробы всего 10 мл содержат достаточное количество кислорода, который потребляется для биологического окисления, содержащихся в пробе органических соединений. Разность между количеством кислорода, поведшим на химическое окисление в начальный период и через заданные промежутки времени, показывает то количество кислорода, которое использовали микроорганизмы на окисление соединений, содержащихся в воде.

Требования к отчету

В отчете приводят название и цель работы, результаты расчета потребленного кислорода, график О_(мг) = f (t _сут), делают предположение о биологической продуктивности водоема, интенсивности естественных окислительных процессов с использованием данных Приложения 3 и 4.

 

Вопросы для самоподготовки

1. Особенности воды как растворителя, структура водных растворов.

2. Аномальные свойства вода.

3. Ионное произведение воды. Водородный показатель.

4. Буферные системы, механизм действия буферных систем.

5. Кислотность. Виды кислотности.

6. Щелочность. Виды щелочности.

7. Жесткость воды. Виды жесткости. Способы определения общей, карбонатной и некарбонатной жесткости воды.

8. Способы умягчения воды при водоподготовке.

9. Последствия потребления жесткой воды для живых организмов.

10. Последствия использования жесткой воды в паросиловом хозяйстве.

11. Виды природных вод и особенности их состава.

12. Карбонатная система природных вод, ее связь с рН среды.

13. Растворимость карбонатных пород и ее влияние на рН среды.

14. Окислительно-восстановительный потенциал природных вод.

15. Процессы окислительного разложения целлюлозы.

16. Окисление жиров в гидросфере.

17. Процессы разложения белков в гидросфере.

18. Процессы нитрификации и денитрификации.

19. Пути образования метана и сероводорода в анаэробных условиях.

20. Термическая и химическая стратификация природных водоемов.

21. Причины и пути эвтрофикации водоемов.

 

 

III. ХИМИЯ ЛИТОСФЕРЫ

 

Лабораторная работа № 8