Ермолаева В.А., кандидат химических наук, доцент Муромского института Владимирского государственного университета Мягкова Ю.А.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ И ЩЕЛОЧНОСТИ ВОДЫ И СНЕГА ТИТРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Химический состав природных вод Владимирской области формируется в основном самой природой. Воды рек, водоемов, подземные воды при своем движении обогащаются минеральными солями из атмосферы и литосферы. Пресные воды нашего края по преобладающему аниону относятся к карбонатным и гидрокарбонатным, а по катиону к группе магние-во-кальциевых вод. Наличие в водах Владимирской области гидрокарбонатов обусловлено, прежде всего, высокой растворимостью в воде углекислого газа и карбонатами-известняками, подстилающими горными породами в области [1]. Природные воды характеризуются щелочностью, которая определяется как сумма эквивалентных концентраций анионов слабых кислот (в основном НСО3- и СО32-), и жесткостью, которая равна сумме эквивалентных концентраций катионов Ca2+ и Mg2+ в воде.
Жесткость воды — совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция и магния. Степень жесткости воды выражают числом миллиэквивалентов (мэкв) катионов Ca2+ и Mg2+, содержащихся в 1 л воды или мг-экв/л. Так как 1 мэкв жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л катионов Ca2+ или 12,16 мг/л катионов Mg2+, то, согласно определению, общую жесткость воды Ж (в мэкв/л) можно вычислить по формуле:
ж = + [ 2+ ]
20,04 12,16
где [Ca2+]и [Mg2+] — концентрации ионов Ca2+ и Mg2+, мг/л.
По значению жесткости природную воду различают как очень мягкую — с жесткостью до 1,5; мягкую — от 1,5 до 4; средней жесткости — от 4 до 8; жесткую — от 8 до 12 и очень жесткую — свыше 12 мэкв/л. Особенно большой жесткостью отличается вода морей и океанов (до 130 мэкв/л). Жесткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 мэкв/л. При стирке белья, жесткая вода ухудшает качество тканей и требует повышенной затраты мыла, которое расходуется на связывание катионов Са2+ и Mg2+, и пена образуется лишь после полного осаждения этих катионов. В жесткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи невкусны. Очень плохо заваривается чай, и вкус его теряется. В то же время в санитарно-гигиеническом отношении эти катионы не представляют опасности, хотя при большом содержании катионов Mg2+ вода горьковата на вкус и оказывает послабляющее действие на кишечник человека. Жесткая вода непригодна для использования в паровых котлах: растворенные в ней соли при кипячении образуют на стенках котлов слой накипи, который плохо проводит теплоту. Это вызывает перерасход топлива, преждевременный износ котлов, а иногда в результате перегрева котлов, и аварии. Жесткость воды вредна для металлических конструкций, трубопроводов, кожухов охлаждаемых машин [2]. Жесткой водой нельзя пользоваться при проведении некоторых технологических процессов, например, при крашении. Однако жесткость воды имеет и свои плюсы, так, например, она необходима многим моллюскам, ракообразным, и даже простейшим (фо-раминиферам) для постройки раковин и панцирей. Некоторые из этих организмов не способны жить в мягкой воде [3].
Присутствие карбонатов в воздухе и горных породах Владимирской области способствует образованию сложных карбонатных систем и кислотно-основных равновесий в природных
водах. Избыток карбонатов в системах приводит к росту рН, а недостаток к его снижению. Установлено, что рН поверхностных вод разный и увеличивается с запада на восток нашей области от 6,5 до 8,3 и реже выше. Интересен показатель щелочности природных вод, который приобретает важное значение в водоемах с затрудненным водообменом (застойные и болотные водные экосистемы). В этих условиях, протекающие процессы фотосинтеза приводят к увеличению рН воды, а количество синтезируемых органических соединений будет зависеть от содержания карбонатов, т.е. от общей щелочности [1].
Методы исследования
Отбор проб снега и водопроводной воды проводился в различных микрорайонах города. Для сравнения были взяты пробы дистиллированной воды и воды из р. Ока. Было исследовано восемнадцать проб. Объем пробы воды для определения общей жесткости и щелочности должен быть не менее 250 мл. Пробы снега для анализа следует собирать в таком объеме, чтобы объем воды, образовавшейся при его таянии, также был не менее 250 мл. Если определение жесткости не может быть проведено в день отбора пробы, то отмеренный объем воды, разбавленный дистиллированной водой 1:1, допускается оставлять для определения до следующего дня. Пробы воды, предназначенные для определения общей жесткости и щелочности, не консервируют. Воду, образовавшуюся после таяния снега, отфильтровывают через фильтровальную бумагу.
Определение жесткости воды
Жесткость воды определялась титриметрическим методом по стандартной методике.
Подготовка к анализу
1. Приготовление 0,05 н раствора трилона Б: 9,31 г трилона Б растворяют в дистиллированной воде и доводят до 1 л. Если раствор мутный, то его фильтруют. Раствор устойчив в течение нескольких месяцев.
2. Приготовление буферного раствора: 10 г хлористого аммония (N^0) растворяют в дистиллированной воде, добавляют 50 мл 25%-ного раствора аммиака и доводят до 500 мл дистиллированной водой. Во избежание потери аммиака раствор следует хранить в плотно закрытой склянке.
3. Приготовление индикаторов: 0,5 г индикатора растворяют в 20 мл буферного раствора и доводят до 100 мл этиловым спиртом. Раствор индикатора хромоген черного устойчив в течение 10 суток. Допускается пользоваться сухим индикатором. Для этого 0,25 г индикатора смешивают с 50 г сухого хлористого натрия, предварительно тщательно растертого в ступке.
Проведение анализа
Точность определения при титровании 100 мл пробы составляет 0,05 мг-экв/л. В коническую колбу вносят 100 мл отфильтрованной испытуемой воды или меньший объем, разбавленный до 100 мл дистиллированной водой. При этом суммарное содержание ионов кальция и магния во взятом объеме воды не должно превышать 0,5 мг-экв. Затем прибавляют 5 мл буферного раствора, 5-7 капель индикатора или приблизительно 0,1 г сухой смеси индикатора хромоген черного с сухим хлористым натрием и сразу титруют при сильном взбалтывании 0,05 н раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке (окраска должна быть синей с зеленоватым оттенком).
Если на титрование было израсходовано больше 10 мл 0,05 н раствора трилона Б, то это указывает, что в отмеренном объеме воды суммарное содержание ионов кальция и магния больше 0,5 мг-экв. В таких случаях следует определение повторить, взяв меньший объем воды и разбавив его до 100 мл дистиллированной водой.
Обработка результатов
Общую жесткость воды (Х) в мг-экв/л вычисляют по формуле:
и- 0,05 - К -1000 X —-
к
где и — количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл;
К — поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б;
V — объем воды, взятый для определения, мл. Расхождение между повторными определениями не должно превышать 2 отн.%.
Определение щелочности воды
Анализ щелочности основан на определении щелочных соединений, содержащихся в воде, путем титрования их кислотой в присутствии какого-либо индикатора. Чаще всего для этой цели применяют фенолфталеин и метилоранж. Щелочность воды определялась также титриметрическим методом по следующей методике:
В коническую колбу емкостью 250 мл отмеривают мерным цилиндром 100 мл анализируемой воды, прибавляют 2-3 мл фенолфталеина и при появлении красноватой окраски титруют 0,1 Н раствором соляной кислоты до обесцвечивания. Затем добавляют в колбу две капли метилоранжа, при этом цвет раствора становится желтым и его оттитровывают до перехода окраски в оранжевую. В случае если жидкость после прибавления фенолфталеина не окрасилась, сразу же вводят метилоранж и титруют до перехода окраски в оранжевую. При расчете щелочности (Щ) исследуемой воды используют формулу:
. У - К - N -1000 4 Л
и —--ш
ж
где У — общий расход кислоты на титрование пробы, мл;
N — нормальность кислоты;
W — объем пробы, взятой для титрования, мл;
К — поправочный коэффициент к нормальности раствора соляной кислоты;
Дщ1 — температурная поправка для индикаторов, при температуре 200С равна 0,039 мг-экв/л.
Результаты исследования
№ пробы Объем трилона Б, израсходованного на титрование, мл Жесткость, мг-экв/л Объем HCl, израсходованной на титрование, мл Щелочность, мг-экв/л
1* 1,2 0,6 1,25 1,21
2* 1,6 0,8 1,2 1,16
3* 0,9 0,45 1,7 1,66
4* 0,5 0,25 0,8 0,76
5* 0,7 0,35 1,3 1,26
6* 2,1 1,05 2 1,96
7* 0,8 0,4 1,7 1,66
8* 0,9 0,45 1,1 1,06
9* 1 0,5 0,9 0,86
10° 14,2 7,1 16 15,9
11° 13,5 6,75 22,3 22,26
12° 15,8 7,9 25 24,96
13° 17,9 8,95 19 18,96
14° 12 6 18,6 18,56
15° 16,7 8,35 18 17,96
16° 14,2 7,1 17 16,96
17' 9,8 4,9 16 15,96
18" 0,5 0,25 1 0,96
* — снег ° — водопроводная вода
' — вода из реки " — дистиллированная вода
По результатам исследования можно сделать следующие выводы:
1. Жесткость и щелочность снега колеблются в пределах от 0,25 до 1,05 мг-экв/л и от 0,76 до 1,96 мг-экв/л соответственно, что свидетельствует о малом содержании солей. Показатели жесткости (0,25 мг-экв/л) и щелочности (0,96 мг-экв/л) дистиллированной воды, взятой для сравнения, лежат также в этих пределах.
2. Жесткость и щелочность водопроводной воды колеблются в пределах от 6 до 8,95 мг-экв/л и от 15,9 до 24,96 мг-экв/л соответственно, таким образом, вода в нашем регионе жесткая и перед использованием должна подвергаться умягчению. Проба воды, взятая для сравнения из р. Ока, по этим показателям является более мягкой (4,9 мг-экв/л) и обладает низкой щелочностью (15,96 мг-экв/л). Этот результат близок к справочным данным, согласно которым жесткость воды в р. Ока в среднем равна 5,36 мг-экв/л.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карлович И.А. «Экология Владимирской области», учебное пособие, Владимир, ВШУ, 1998.
2. Хомченко Г.П. «Химия для поступающих в вузы», М., «Высшая школа», 1993.
3. Шустов С.Б., Шустова Л.В. «Химические основы экологии», М., «Просвещение», 1995.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.