Определение перманганатной окисляемости воды

Теоретическая часть

Природная вода является сложной системой, в которой присутствует множество других веществ – растворенные газы (О₂, N₂, СО₂), соли в виде ионов Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, SO₄^2–, HCO₃^– и др., а также живые организмы.

Гидросфера служит естественным аккумулятором большинства загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу и литосферу. Это связано с большой растворяющей способностью воды, с гидрологическим циклом воды в природе, а также с тем, что водоемы являются конечным пунктом на пути движения различных сточных вод.

В природную воду могут попадать отходы двух видов (рис. 2):

- природные – органические остатки природного происхождения (экскременты животных, растительные остатки и т.д.);

- антропогенные – отходы, связанные с деятельностью человека. Основными источниками загрязнения водоемов служат предприятия черной и цветной металлургии, химической, целлюлозно-бумажной, легкой промышленности, бытовые сточные воды и т.д.

Важным показателем качества воды является количество растворенного в ней кислорода. В прямой зависимости от его содержания находится жизнь микроорганизмов (см. рис. 2) и способность вод к самоочищению. Живущие в воде аэробные бактерии с помощью кислорода окисляют органические вещества, попавшие в воду, так как они служат им пищей и удовлетворяют энергетические запросы. Органические вещества, способные окисляться в воде бактериями, называют биоразложимыми.

Процесс окисления достаточно сложен. В результате его органические загрязнители исчезают, а содержащиеся в них элементы С, Н, О, N, S, Р превращаются в окисленные формы - H₂O, CO₂ , PO₄^3–, SO₄^2–, NO₃^– (неопасные для живых организмов вещества).

Если в воде находится большое количество загрязняющих веществ, то окислительные реакции снижают количество растворенного в воде кислорода и на смену аэробным бактериям приходят анаэробные (см. рис. 2). Анаэробные бактерии разлагают органические вещества до NH₃, PH₃, H₂S и CH₄. Продукты разложения токсичны для всех живых организмов и обладают неприятным запахом.

Количество растворенного О₂, необходимое для окисления всех биоразложимых органических отходов в воде, называют биохимической потребностью в кислороде (БПК). Величину БПК определяют следующим образом: пробу насыщают кислородом и определяют его количество (при t = 20⁰ С) непосредственно после насыщения и через 5 (или 20 суток). Разность между этими значениями соответствует БПК₅ (или БПК₂₀). Также определяют полное биохимической потребление кислорода - БПК_ПОЛН.

Максимальная растворимость кислорода в воде при 20⁰ С равна ~ 9 мг/дм³, а БПК_ПОЛН (по стандартам качества питьевой воды) не должна превышать 3 мгО₂/ дм³Н₂О. Чем больше БПК, тем сильнее загрязнена вода органическими и другими биоразложимыми веществами.

В воде появляется все больше веществ, которые не поддаются биологическому разложению (например, органические растворители) и поэтому не фиксируются показателем БПК. Также определение БПК в природной воде является сложной и трудоемкой задачей.

Поэтому пользуются более простыми косвенными методами. Для окисления загрязняющих веществ используют химические окислители – перманганат калия (KMnO₄) или бихромат калия (K₂Cr₂O₇), израсходованное количество которых переcчитывают на эквивалентное количество кислорода (О₂).

Соответственно различают перманганатную и бихроматную окисляемость.

Окисляемость – это условная величина, характеризующая загрязненность воды различными легко окисляющимися веществами, главным образом органического происхождения. Она показывает, сколько миллиграммов кислорода необходимо для окисления загрязнителей, содержащихся в одном литре воды (мгО₂/ дм³ Н₂О). В чистых родниковых и артезианских водах окисляемость обычно составляет 1,0–2,0 мгО₂/дм³. В воде открытых водоемов окисляемость повышается до 6-8 мгО₂/дм³H₂O, достигая большего значения в водах болотного происхождения.

Перманганатная окисляемость является характеристикой питьевых вод, а также вод рек, защищенных от попадания каких-либо промышленных отходов.

Вода считается пригодной для хозяйственных и питьевых целей, если перманганатная окисляемость ее не превышает 5,0 мгО₂ / дм³Н₂О (при t = 25⁰ С).

При загрязнении вод промышленными стоками перманганатная окисляемость не отражает полного содержания органичес­ких загрязнений в воде. В этом случае определяют бихроматную окисляе­мость, которая называется химическим потреблением кислорода (ХПК).

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тема работы “Определение перманганатной окисляемости воды”.

Цель работы – исследование воды на содержание в ней органических загрязнителей.

 

Определение основано на том, что перманганат калия (KMnO₄), являясь сильным окислителем, в кислой среде реагирует с восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитраты и т.д.) в соответствии с уравнением:

MnO₄^– + 8Н⁺ + 5ē = Mn^{2 +} + 4H₂O (1)

фиолетовый бесцветный

цвет

Избыток KMnO₄, оставшийся после окисления загрязнителей, реагирует с вводимой щавелевой кислотой (Н₂С₂О₄) по уравнению

 

2MnO₄^– + 5С₂О₄ ^2– + 16Н ⁺ = 2Mn ²⁺ + 10СО₂ + 8H₂O (2)

Не вступившую в реакцию (2) щавелевую кислоту оттитровывают перманганатом калия (KMnO₄) по реакции 1.

 

Выполнение опыта

1. Отмерьте цилиндром 100 см³ исследуемой воды (V_{H2O ИССЛ} ) и перенесите ее в коническую колбу ем­костью 250 см³.

2. Добавьте к воде 5 см³ раствора серной кислоты H₂SO₄ (1:2).

3. Прилейте из бюретки 20 см³ раствора перманганата калия концентрацией 0,01 моль-экв/дм³. Этот объем обозначим V₁.

4. Накройте колбу воронкой, нагрейте до кипения и кипятите в течение 10 минут. При кипячении идет процесс окисления веществ-загрязнителей по уравнению (1), в результате чего раствор светлеет.

5. Снимите колбу с нагревательного прибора и добавьте в нее 20 см³ раствора щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль-экв/дм³. Раствор обесцвечивается, так как щавелевая кислота реагирует с избытком KMnO₄ по уравнению (2).

6. Проведите титрование обесцвеченного горячего раствора с помощью раствора перманганата калия до появления устойчивой светло-розовой окраски.

Определите объем KMnO₄, израсходованный на титрование, который обозначим как V₂.

Таким образом, перманганат калия Вы использовали дважды, поэтому его общий объем V_общ = V₁ + V₂, т.к. KMnO₄ расходуется как на окисление органических загрязнителей воды, так и на окисление 20 см³ щавелевой кислоты.

Для определения окисляемости необходимо учитывать расход перманганата калия на окисление только органических примесей воды. Поэтому отдельным опытом надо определить объем перманганата калия, необходимый для окисления 20 см³ щавелевой кислоты.

Для этого проведите следующий эксперимент:

1. Отмерьте цилиндром 100 см³дистиллированной воды (V_ДИС ) и перенесите ее в коническую колбу емкостью 250 см³.

2. Добавьте к воде 5 см³ H₂SO₄ (1:3) и нагрейте раствор до 50-60⁰ С.

3. Снимите колбу с нагревательного прибора.

4. Добавьте в колбу 20 см³ раствора щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль-экв/дм³ и титруйте раствором перманганата калия до устойчивой светло-розовой окраски.

Определите значение объема KMnO₄ (V₃ ), израсходованного на титрование этого раствора.

 

Запись результатов опыта

 

Перманганат калия является сильным окислителем, поэтому концентрация его раствора изменяется со временем и ее необходимо рассчитать, используя закон эквивалентов:

 

 

тогда

 

где V _Н2С2О4 = 20см³, С_{экв Н2С2О4} = 0,01моль-экв/дм³ и V₃ - объем перманганата калия, израсходованного на титрование 20см³ раствора щавелевой кислоты концентрацией 0,01 моль-экв/дм³.

 

 

Результаты исследований занесите в таблицу.

 

VH2O ИССЛ , см^3	Сэкв KMnO4,, моль-экв/дм^3	V KMnO4, см^3
V1	V2	VОБЩ	V3

 

Перманганатную окисляемость воды Х (мгО₂/дм³H₂O) рассчитайте по формуле:

 

 

где 8 – эквивалентная масса кислорода

В выводе дайте заключение о качестве исследуемой воды относительно содержания в ней органических загрязнителей по рассчитанному значению окисляемости.

 

Вопросы для самоконтроля знаний

1. Какой качественный состав имеет природная вода?

2. Назовите источники и способы загрязнения природных водоемов.

3. Дайте понятие аэробных и анаэробных бактерий и охарактеризуйте их роль в водных экосистемах.

4. Можно ли назвать процесс окисления различных веществ аэробными бактериями процессом самоочищения водных экосистем?

5. Какие изменения водных экосистем связаны с хозяйственной деятельностью человека?

6. Почему одним из критериев качества природной воды является количество растворенного в ней кислорода?

7. Введите понятия показателей качества воды БПК, БПК₅, БПК₂₀ и ХПК. В чем их различие?

8. Что такое окисляемость? Что показывает величина окисляемости?

9. В чем сущность метода перманганатной окисляемости и для определения качества какой воды его используют?

 

Работа № 5

Кислотные осадки

Теоретическая часть

Одной из экологических проблем является повышение кислотности окружающей среды.

Осадки, содержащие кислоты, называются кислотными осадками.

Основными источниками кислотных осадков являются соединения серы и азота. Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды. Одни из них используются как топливо, другие направляют на предприятия химической и металлургической промышленности с целью их переработки. При обжиге металлических руд и сжигании ископаемого топлива сера окисляется с образованием оксидов серы SO₂ и SO₃, которые, соединяясь с парами воды, находящимися в атмосфере, образуют кислоты – сернистую и серную:

SO₂ + Н₂O ® Н₂SO₃,

SO₃ + Н₂O ® Н₂SO₄

Природным источником серосодержащих соединений является извержение вулканов. При извержении вулканов преобладает диоксид серы (SO₂), в меньшем количестве в атмосферу поступает сероводород (Н₂S), а также сульфаты в виде аэрозолей и твердых частиц. Ежегодно во всем мире в результате вулканической деятельности выделяется 4-16 млн. т. соединений серы (в пересчете на SO₂).

Основным источником соединений азота является процесс сжигания топлива. Так, например, в выхлопных газах автомобильного транспорта содержится 93% монооксида азота (NO), который в результате химических реакций в атмосфере превращается в диоксид азота (NO₂), образующего с водой азотистую и азотную кислоты.

2NO₂ + Н₂O ® НNO₃ + НNO₂

 

3HNO₂ ® HNO₃ + 2NO + H₂O

Природные источники азота – это деятельность почвенных бактерий, лесные пожары, грозовые разряды и молнии.

Основными компонентами кислотных осадков являются серная и азотная кислоты.

Количественной характеристикой кислотности среды является водородный показатель рН – логарифм концентрации ионов водорода [H+] (моль/дм³), взятый с обратным знаком, рН = – lg [H⁺].

В кислой среде 0<рН< 7, в щелочной - 7< рН< 14, в нейтральной – рН=7.

Чистая дождевая вода имеет слабокислую среду вследствие растворения в ней диоксида углерода СO₂:

 

2СO₂ + Н₂O «Н₂СO₃ «H⁺ + НСO₃^–,

 

и ее рН ≈ 5,5 - 5,6. Осадки, рН которых меньше, чем 5,5, называются кислотными.

Кислотные осадки наносят экологический, экономический и эстетический ущерб.

В результате выпадения кислотных осадков нарушается равновесие в экосистемах, снижается продуктивность сельскохозяйственных растений и плодородие почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры.

Кислотные осадки влияют на леса, вызывая замедление их роста и уменьшение сопротивляемости к болезням и паразитам. Диоксид серы разрушает зеленый пигмент растений – хлорофилл, что приводит к пожелтению хвои, изменению окраски листьев, гибели части кроны. Самые чувствительные растения – это ель, лиственница, пихта, бук, граб.

Кислотные осадки растворяют тяжелые металлы и их соединения, находящиеся в почве, в результате чего они усваиваются растениями и передаются по пищевым цепям от уровня к уровню. Попадание в организм соединений тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия, меди и др.) может привести к различным патологическим изменениям. В частности, они нарушают структуру белков и их функции.

Учеными доказана токсичность алюминия, оказывающего негативное влияние на растения, животных и человека. Алюминий – составной элемент глинистых почв, при средних значениях кислотности он находится в малорастворимых нетоксичных формах. При повышении кислотности почвы происходит растворение соединений алюминия, образуются токсичные соединения, которые разрушают корневую систему, нарушается процесс питания.

В почве содержатся различные виды микроорганизмов. Они улучшают структуру почвы, переводят органические соединения в усвояемые растениями формы. С повышением кислотности почвы и образованием растворимых соединений токсичных металлов активность микроорганизмов резко снижается.

Изменение рН влечет глубокие биохимические перестройки водных экосистем. Многие организмы вымирают из-за невозможности размножения в кислой среде. При рН равном 6,0 –5,0 гибнут сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, окунь, щука. При рН ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные) процессы с выделением метана и сероводорода.

Кислотные осадки медленно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Существует опасность полной утраты произведений искусства в ближайшие 15-20 лет.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Тема работы “Кислотные осадки”.

Цель работы – определение значения рН атмосферных осадков и изучение влияния кислотных осадков на живые организмы и архитектурные сооружения.