Газовый состав природных вод.

Цель

Формирование знаний о основных приемах анализа параметров гидросферы, атмосферы

2. Систематизация знаний о физико-химических методах анализа

3. Формирование знаний по оценке современного состояния отдельных геосфер или их частей, прогноза изменения их состояния в условиях антропогенного воздействия, разработки мероприятий по снижению уровня воздействия на геосферы или их составные части.

4. готовность использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11);

Содержание

Проведение анализа воды из различных источников и глыбин

Обработка результатов анализа

Формулирование выводов

Работа с вопросами и расчетными задачами

Требования к умениям бакалавров

Знать

Основы метода титрометрии

Термины

Технику безопасности при работе в химической лаборатории

Формы существования газов в воде, их зависимость от Рн растворов

Уметь

Решать задачи по соответствующему разделу

Проводить количественный анализ

Использовать данные анализов для рекомендаций по качеству воды

Растворённый в воде кислород.

Определение в воде кислорода проводится по получившему широкое распространение йодометрическому методу Винклера. Этим методом можно определить кислород при концентрации его 0,05 мг/л и выше. Содержание кислорода в воде колеблется от 6 до 10 мг/л, редко превышая 15 мг/л. Пробы, отобранные для определения кислорода, нельзя консервировать. Метод основан на способности гидрата закиси марганца окисляться в щелочной среде в соединения высшей валентности, количественно связывая растворённый в воде кислород, и затем снова переходить в кислой среде в двухвалентные соединения, окисляя при этом эквивалентное количество (связанному кислороду) йода. Выделившийся при этом йод оттитровывают точным раствором гипосульфита и по его количеству, пошедшему на титрование, вычисляют количество кислорода.

а) связывание кислорода в щелочной среде:

2MnCl₂ + 4NaOH = 2Mn(OH)₂ + 4NaCl

2Mn(OH)₂ + О + Н₂О = 2Mn(OH)₃

б) выделение йода в кислой среде:

2Mn(OH)₃ +2KJ + 3H₂SO₄ = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 6Н₂О + J₂

в) титрование выделившегося йода тиосульфатом натрия

J₂ + 2Na₂S₂O₃ = Na₂S₄O₄ + 2NaJ

Перед определением растворённого в воде кислорода «кислородные склянки» необходимо откалибровать: склянки промывают, высушивают, нумеруют и взвешивают (вес тары) на технических весах с точностью до 0,01 г. затем их заполняют дистиллированной водой комнатной температуры и, удалив фильтровальной бумагой наружную воду, снова взвешивают с такой же точностью. Разница покажет вес воды в склянке. Чтобы перечислить вес на объём, необходимо полученный вес умножить на соответствующий коэффициент для данной температуры воды. Произведение покажет объём склянки.

Приборы и реактивы

Технические весы с точностью до 0,01 г., пикнометры или склянки с притёртыми пробками объёмом 50-70 мл., пипетки Мора (или пипетки с делениями): 4 шт. – на 1 мл, 1 шт. – на 3 мл и 1 шт. – на 20 мл., бюретки объёмом 25 мл., пять конических колбочек для титрования объёмом 150-200 мл., 32%-ный раствор MnCl_2, NaOH 32%-ный + KJ 10%-ный, хранить их надо в темноте, если нет NaOH, то можно взять КОН, но в 1,5 раза больше, серная кислота H₂SO₄ (1: 1), крахмал 0,2%-ный (употреблять только свежеприготовленный).

Подготовка к анализу

0,01 н раствор гипосульфита (Na₂S₂O₃): 2,48 г соли растворяют дистиллированной водой в мерной колбе объёмом 1 л. Раствор гипосульфита готовят сначала приблизительно, а затем находят для него поправку путём титрования точным раствором бихромата калия (0,01 н (0,4903 г соли растворяют дистиллированной водой в мерной колбе объёмом 1 л). Техника нахождения поправки на гипосульфит сводится к следующему: в колбочку ёмкостью 150-200мл последовательно наливают около 100 мл дистиллированной воды + 10 мл 15%-ного KJ + 3 мл 25%-ной H₂SO₄ + 20 мл 0,01 н K₂Cr₂O₇ (точно). Выделяющийся при этом свободный йод окрашивает раствор в темновато-коричневато-жёлтый цвет. Колбочку необходимо закрывать часовым стеклом, чтобы не улетучивался свободный йод, и поставить на 3 минуты, чтобы все молекулы бихромата калия прореагировали с KJ. Выделившийся свободный йод титруют гипосульфитом, прибавляя его сначала из бюретки струёй, а, когда раствор приобретёт слабо жёлтый цвет, прибавляют его по каплям до получения еле заметного жёлтого цвета. Затем вносят 0,5 мл 0,2%-ного раствора крахмала и продолжают титровать до исчезновения синеватой окраски крахмала со свободным йодом.

Коэффициент поправки (А) равен: А = В/М, где

В – количество мл 0,01 н K₂Cr₂O₇, взятого для титрования;

М – количество мл Na₂S₂O₃, пошедшее на титрование.

Проведение анализа

В «кислородные склянки» при помощи сифона осторожно наливают исследуемую воду, для чего сифон опускают на дно склянки и заполняют так, чтобы вода перелилась через край. Сейчас же после этого вводят (осторожно!) пипеткой 1 мл раствора MnCl₂ и 1 мл раствора KJ + NaOH. После этого склянку закрывают притёртой пробкой, следя, чтобы в склянке не осталось пузырьков воздуха, и содержимое её тщательно перемешивают многократным резким перевёртыванием. Образовавшийся осадок распределяется по всей склянке. Пробу с зафиксированным кислородом ставят в тёмное место на 1-2 часа. По истечении этого времени склянку осторожно открывают (жидкость над осадком должна быть прозрачной) и прибавляют 1 мл H₂SO₄ (1:1). Склянку закрывают, содержимое перемешивают. Осадок растворяется, после чего приступают к титрованию, предварительно определив поправку на гипосульфит.

Содержимое склянки осторожно переносят количественно в коническую колбу и титруют гипосульфитом до получения еле заметного жёлтого цвета. Затем прибавляют 0,5 мл 0,2%-ного крахмала и получившийся синеватого цвета раствор осторожно титруют до полного его обесцвечивания.

4. Обработка результатов Расчёт абсолютного содержания кислорода производится по следующей формуле:

n ∙ А ∙ 0,08 ∙ 1000

Количество кислорода О₂ в мг/л = –––––––––––––––––––––, где:

V-v

n – количество Na₂S₂O₃, пошедшее на титрование пробы; А – поправка на его нормальность; V – объём склянки; v – количество (мл) прибавленных реактивов Винклера; V-v – объём исследуемой воды, мл; 0,08 – коэффициент для пересчёта содержания кислорода в мг (для пересчёта на мл берут 0,0558).

Расчёт относительного содержания кислорода (процент насыщения от нормы при данной температуре) проводят по следующей формуле

В % насыщения воды кислородом = Б ∙ 100/А, где

Б – абсолютное содержание кислорода, мг/л;

А – нормальное содержание кислорода в воде при данной температуре (определяется по таблице), мг/л.

Свободная угольная кислота.

СО₂, попадая в воду, соединяется с водой, давая настоящую угольную кислоту Н₂СО₃. Эта цепь перехода стоит под контролем рН среды: чем выше рН, тем меньше СО₂ и Н₂СО₃ в воде.

Возникают затруднения, происходящие из-за осаждения щёлочью некоторых катионов (Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, Fe⁺⁺) при их значительном содержании в воде. Однако, быстрота и лёгкость определения способствуют тому, что данный метод является распространённым при анализе воды. Определение СО₂ проводят на месте, после извлечения пробы из водоёма.

1. Приборы и реактивы

бюретка на 10 мл, пипетка на 2 мл и на 1 мл, пикнометры на 150 мл – 2 шт., 0,02 н NаОН, 0,1%-ный раствор фенолфталеина: 0,10 г химически чистого фенолфталеина растворяют в 100 мл 96%-ного этилового спирта.

Проведение анализа

В пикнометр на 150 мл наливают разбавленный фосфатный буферный раствор с рН 8,37 и прибавляют из тонкой пипетки 5 капель 1%-ного спиртового раствора фенолфталеина. Фосфатный раствор приобретает слабо розовый цвет. Эта склянка служит стандартом предела титрования.

В другой такой же пикнометр пипеткой Мора наливают осторожно, без бурного перемешивания, 100 мл исследуемой воды; прибавляют 5 капель индикатора (фенолфталеина) и титруют пробу из бюретки титрованным раствором 0,02 н NаОН (установку титра раствора NаОН надо также вести в присутствии фенолфталеина) до окраски, равнозначной окраске стандарта (т.е. до рН 8,37). Равнозначная окраска в пробе должна сохраняться в продолжение 10 минут. Если проба станет бледнее цвета стандарта, то к ней прибавляют ещё раствора. При этом пробу надо перемешивать лёгкими круговыми движениями при закрытом пробкой пикнометре.

В основе метода лежат реакции:

СО₂ +Н₂О ↔ Н₂СО₃

Н₂СО₃ + NаОН ↔ NаНСО₃ + Н₂О

Как только угольная кислота на 97,5% перейдёт в бикарбонат натрия, т.е. раствор будет иметь рН 0,37, фенолфталеин становится слабо розовым и дальнейшее титрование прекращается. Следовательно, 1 г/моль NаОН связывается 1 г/моль СО₂, или 1 н + NаОН соответствует 44 г СО₂

Обработка результатов Расчёт содержания в воде СО₂ производят по следующей формуле:

 

n ∙ F ∙ 0,88 ∙ 1000

––––––––––––––––––– = n ∙ F ∙ 8,8 ∙ мг СО₂ /л, где:

n – количество 0,02 н раствора NаОН, пошедшего на титрование;

F – поправка для щёлочи на 0,02 н;

0,88 – множитель, полученный от умножения 0,44 на 2 и соответствует 1 мл строгого 0,02 н раствора NаОН. Если пользуются щёлочью 0,1 н, то берут множитель не 0,88, а 4,4.

Контрольные вопросы

1. Какие компоненты входят в состав карбонатной системы природных водоемов?

2. Равновесия между какими компонентами природных систем определяются законом Генри?

3. Какие параметры природных сипом определяют величину константы Генри?

4. Какое значение рН должны имен, атмосферные осадки, если «активные» примеси в атмосферном воздухе представлены только диоксидом углерода.

5. Как может измениться рН атмосферных осадков, если в атмосферном воздухе помимо диоксида углерода появится: а) аммиак, б) диоксид серы?

6. Что такое кислотные дожди? С присутствием каких соединений в атмосферном воздухе связано их образование?

7. В чем особенность описания карбонатных равновесий для морской воды?

8. Что такое смешанные константы диссоциации угольной кислоты?

9. Какие зоны, связанные со степенью насыщения воды карбонатом кальция, выделяют в океане?

10. Какие уравнения используются для описания карбонатной системы при равновесии с карбонатом кальция и воздухом, содержащим диоксид углерода?

11. Как связано содержание ионов водорода в природных водах, находящихся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом углерода, с парциальным давлением в воздухе?

12. Как связано содержание ионов кальция в природных водах, находящихся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом углерода, с парциальным давлением СО₂ в воздухе?

13. Какое значение рН будут иметь поверхностные воды, находящиеся в равновесии с карбонатными породами и диоксидом углерода, содержащимся в приземном слое воздуха?

Методический инструментарий преподавателя:

-активные формы: фронтальный опрос.

Средства контроля: Тест № (см. фонд оценочных средств)

Содержание внеаудиторной работы бакалавра при подготовке к занятию

1. Владеть содержанием вопросов (по лекции).

2. Составить презентацию о попадании основных неорганических аэрозолей в гидросферу (указать производства, объёмы, возможные реакции в том числе с учетом Рн среды). Работа в группе.

3. Подготовиться к диагностической самостоятельной работе в форме опроса и теста

4. Изучить термины по данной теме

 

Литература

1. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. - М.: МИР, 2005. - 294 с. (Библиотека УлГПУ)

2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды: учебное пособие для вузов. - Ростов на Дону: Феникс, 2004. - 84 с. (Библиотека УлГПУ)

3. Голицын А.Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды. - М.: ОНИКС, 2010. - 336 с. (Электронный ресурс.- Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/42468)

4. Хентов В.Я. Химия окружающей среды для технических вузов: учеб. пособие. - Ростов на Дону: Феникс, 2005. – 141 с. (Библиотека УлГПУ)

5. Тарасова Н. П. Химия окружающей среды. Атмосфера: учеб. пособие для вузов. - М.: Академ.книга, 2007. - 227 с. (Библиотека УлГПУ).

 

 

Лабораторная работа №6 (4 часа)