Определение концентрации растворенных веществ

Метод измерения массовой концентрации растворенных веществ основан на выпаривании досуха 5-1000см³ профильтрованной пробы воды в предварительно прокаленной и взвешенной фарфоровой чашке, высушивании сухого остатка в течение 3-х часов при температуре 105^ОС и взвешивании его на аналитических весах. Масса сухого остатка должна находиться в пределах 50-500мг, в ином случае для анализа берут больший объем воды.

Масса сухого остатка или концентрация растворенных веществ характеризует суммарное содержание минеральных веществ в воде; обычно выражается в мг/дм³ (до 1000 мг/дм³) и ‰ (промилле или тысячная доля при минерализации более 1000 мг/дм³). ПДК – не более 1000 мг/дм³.

Вода с большим содержанием солей отрицательно влияет на растительные и животные организмы, технологию производства и качество продукции, вызывает образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв.

Жесткость воды

Жесткость воды — это совокупность свойств воды, обусловленных наличием в ней многозарядных катионов, прежде всего катионов Са²⁺ и Мg²⁺. Различают общую, временную и постоянную жесткость воды.

Общая жесткость складывается из гидрокарбонатной (временной или устранимой) и некарбонатной (постоянной) жесткости воды. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая — наличием водорастворимых сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и гидрофосфатов этих металлов. Количественно общая жесткость воды выражается суммарным числом миллимолей эквивалентов ионов Са²⁺ и Мg²⁺, содержащихся в 1 л воды (ммоль экв/дм³). Для определения жесткости воды используют титриметрический (комплексонометрический) метод.

В естественных условиях ионы кальция, магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с карбонатными минералами и других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов являются также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

Гидрокарбонатная жесткость легко устраняется кипячением воды, и поэтому ее называют временной жесткостью: гидрокарбонаты кальция и магния при кипячении превращаются в карбонаты кальция и магния и оседают на стенках сосуда в виде накипи

Са(НСО₃)₂ СаСО₃¯ + CO₂­ + Н₂О,

Mg(НСО₃)₂ MgСО₃¯ + CO₂­ + Н₂О

Гидрокарбонатную жесткость можно устранить, добавляя гашеную известь

Са(НСО₃)₂ + Са(OН)₂ ® 2СаСО₃¯ + 2Н₂О

Mg(НСО₃)₂ + 2Са(OН)₂ ® Mg(OH)₂¯ + 2СаСО₃¯ + 2Н₂О.

Постоянную жесткость устранить кипячением не удается. В этом случае для удаления ионов Са²⁺ и Мg²⁺ в воду добавляют карбонат или фосфат натрия. При этом будут протекать реакции:

СаCl₂ + Na₂СО₃ ® СаСО₃¯ + 2NaCl,

3СаCl₂ + 2Na₃PО₄ ® Са₃(PО₄)₂ + 6NaCl.

В настоящее время для устранения жесткости воды широко применяют ионообменные смолы - иониты, с помощью которых можно осуществить полное обессоливание воды.

Жесткость воды колеблется в широких пределах. Вода с общей жесткостью менее 2 ммоль экв/дм³ считается мягкой, от 2 до 10 – средней жесткости, более 10 ммоль экв/дм³ – жесткой. Гидрокарбонатная жесткость составляет до 70–80% от общей жесткости.

Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды. Вода с жесткостью свыше 10 ммоль экв/дм³ имеет горьковатый вкус и оказывает действие на органы пищеварения, оказывает влияние на почки, способствует появлению дерматитов. В жесткой воде плохо развариваются мясо и овощи. Для питьевых целей рекомендуется вода средней жесткости. Жесткая вода не дает пены с мылом, так как содержащиеся в мыле растворимые натриевые соли жирных кислот переходят в нерастворимые кальциевые соли тех же кислот. На стенках паровых котлов при кипячении жесткой воды образуется накипь, которая затрудняет нагревание воды, вызывает увеличение расхода топлива, ускоряет изнашивание котлов. Для хозяйственных и промышленных целей рекомендуется мягкая вода.

Кислотность

Кислотность природных и сточных вод определяется их способностью связывать гидроксид-ионы. В обычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободного диоксида углерода. Естественную часть кислотности создают также гуминовые и другие слабые органические кислоты и катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, алюминия, органических оснований). В этих случаях pH воды не бывает ниже 4,5.

В результате сброса промышленных сточных вод с большим содержанием сильных кислот в водоем, pH может быть ниже 4,5. Часть общей кислотности, снижающейpH до величин <4,5, называется свободной. Общая кислотность воды определяется числом молей сильного основания, необходимого для нейтрализации 1 дм³ сточной воды. Кислотность определяют кислотно-основным титрованием.

Щелочность

Под щелочностью природных или очищенных вод понимают способность некоторых их компонентов связывать эквивалентное количество сильных кислот. Щелочность обусловлена наличием в воде анионов слабых кислот (карбонатов, гидрокарбонатов, силикатов, боратов, сульфитов, гидросульфитов, сульфидов, гидросульфидов, анионов гуминовых кислот, фосфатов). Их сумма называется общей щелочностью. Ввиду незначительной концентрации трех последних ионов общая щелочность воды обычно определяется только анионами угольной кислоты (карбонатная щелочность). Анионы, гидролизуясь, образуют гидроксид-ионы:

CO₃^2- + H₂O Û HCO₃^- + OH^-;

HCO₃^- + H₂O Û H₂CO₃ + OH^-.

Щелочность большинства природных вод определяется только гидрокарбонатами кальция и магния, pH этих вод не превышает 8,3.

Определение щелочности и кислотности полезно при дозировании химических веществ, необходимых на обработку вод для водоснабжения, а также для нейтрализации сточных вод. Определение щелочности при избыточных концентрациях щелочноземельных металлов важно для установления пригодности воды для ирригации. Вместе со значениями рН щелочность воды служит для расчета содержания карбонатов и баланса угольной кислоты в воде. Щелочность определяется количеством сильной кислоты, необходимой для нейтрализации 1 дм³ воды.

Водородный показатель (рН)

Величина pH воды – один из важнейших показателей качества воды. Величина концентрации ионов водорода имеет большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. Величина pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ.

Содержание ионов водорода (гидроксония – H₃O⁺) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов:

CO₂ + H₂0 Û H⁺ + HCO₃^- Û 2 H⁺ + CO₃^2-

Для удобства выражения содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком:

pH = -lg[H⁺].

Значение pH в речных водах обычно варьирует в пределах 6,5–8,5, в атмосферных осадках 4,6–6,1, в болотах 5,5–6,0, в морских водах 7,9–8,3.

В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования, воды водных объектов в зонах рекреации, а также воды водоемов рыбохозяйственного назначения, величина pH не должна выходить за пределы интервала значений 6,5–8,5.

рН определяют методом потенциометрического титрования и ионометрическим – рН-селективным электродом.