Застосовуваних при аналізі води

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Володимира Даля

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт

з дисципліни “Хімія води та атмосфери”

(для студентів спеціальності “Міське будівництво

та господарство”)

ЗАТВЕРДЖЕНО

на засіданні кафедри

будівництва

Протокол № 4 від 10.11.2009 р.

Луганськ 2009

УДК 69.003:658.114.7

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни “Хімія води та атмосфери”. Хімія води (для студентів спеціальності “Міське будівництво та господарство”)/ Укл.: Білошицька Н.І. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2009. – 45 с.

У методичних вказівках викладено методику визначення фізико-хімічних властивостей води.

Методичні вказівки призначено для студентів денної та заочної форм навчання спеціальності “Міське будівництво та господарство”.

Укладач: Н. І. Білошицька, к.т.н., доцент

Рецензент Л.С. Савін, д.т.н., професор кафедри екології Придніпровської державної академії будівництва та архітектури

ВСТУП

Найчастіше доводиться робити аналіз води, щоб оцінити її агресивність стосовно бетону. У цьому випадку визначають рН, сухий залишок, загальну лужність (або кислотність), , , , , , , , , вуглекислоту вільну й агресивну (останню можна знаходити розрахунковим способом). Агресивність води стосовно бетону встановлюють шляхом зіставлення результатів хімічного аналізу з нормами агресивності.

Якщо воду аналізують із метою з'ясувати її придатність як воду замішування, то в ній визначають тільки рН, сухий залишок і . Аналізи води за спеціальним завданням можуть складатися із цілого ряду інших визначень, наприклад окислюваності, вмісту , , , та ін.

Результати аналізу вод виражають у мг/л і мг-екв/л. При вираженні результатів аналізу в мг-екв/л можна встановити кількісне співвідношення між позитивно та негативно зарядженими іонами, виявити їхнє взаємне насичення й оцінити точність виконаних визначень: при повному та правильному аналізі води сума міліграм-еквівалентів катіонів дорівнює сумі міліграм-еквівалентів аніонів .

Кількість води, необхідної для дослідження, залежить від необхідної точності та призначення аналізу, а також від ступеня мінералізації води (слабкомінералізованих вод потрібно більше (від 1 до 2 л), чим сильномінералізованих (від 0,5 до 1, 5 л)).

Спочатку визначають рН води та рН-метрі не фільтруючи її. Якщо не потрібно дуже високої точності, то визначають рН за індикаторними папірцями, на кінцях яких нанесено кілька кольорових смужок із указівкою рН. Крапельку досліджуваної води наносять на вільне від смужок місце папірця. Забарвлення, що з'явилося, зіставляють із забарвленням смуг. Цей метод дозволяє визначати рН із точністю 0,1-0,2.

Після визначення рН воду фільтрують через сухий щільний фільтр. Якщо фільтрат мутний, його повторно фільтрують. Якщо ж і після повторного фільтрування не вдається одержати прозорого фільтрату, застосовують суперфільтри.

Аналіз води починають із визначення загальної, карбонатної й гідрокарбонатної лужності, оскільки лужність води може змінюватися.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ АНАЛІТИЧНИХ МЕТОДІВ,

ЗАСТОСОВУВАНИХ ПРИ АНАЛІЗІ ВОДИ

Комплексометрія

Комплексометричний метод заснований на використанні здатності деяких амінополікарбонових кислот і їхніх солей-комплексонів утворювати з катіонами розчинні комплексні сполуки – комплексонати. У цей час відомо ряд комплексонів, з яких найбільше практичне застосування одержала двунатрієва сіль етилендіамінотетраоцтової кислоти, тобто комплексон III, або трилон Б* – . Механізм взаємодії комплексона III з катіонами полягає в тому, що у водяному розчині цей комплексон дисоціює на іони за рівнянням

де – умовне позначення аніона комплексона III.

При цьому аніон утворює комплексні сполуки з катіонами:

для двовалентних катіонів

або в загальному вигляді

де – валентність катіона.

Як видно із цих рівнянь, грам-іон комплексона III завжди зв'язує грам-іон металу незалежно від валентності останнього. При цьому звільняються два грам-іони водню. Для того, щоб забезпечити значення рН середовища, необхідне для утворення комплексоната, застосовують буферний розчин.

При хімічному аналізі будівельних матеріалів застосовують пряме та зворотне титрування. У першому випадку пробу переводять у розчин, у якому забезпечують необхідне значення рН. Отриманий розчин титрують комплексоном III. Крім комплексона III відомі комплексон II – етилендіамінтетраоцтова кислота (ЕДТА), а також комплексон I – нітрилотриоцтова кислота (HTA). Розчин комплексона III необхідно зберігати в сулії з поліетилену.

Зворотне титрування застосовують у трьох випадках:

1) катіон, що визначається, не може бути утриманий у розчині при значенні рН, необхідному для утворення комплексної сполуки;

2) відсутній відповідний індикатор на зумовлений катіон;

3) комплексна сполука зумовленого металу з комплексоном III утворюється не миттєво, а в часі (наприклад, при визначенні алюмінію).

При зворотному титруванні додають в аналізований розчин надлишок комплексона III, а потім його відтитровують титрованим розчином солі, наприклад , та ін.

При комплексометричному титруванні використовують металіндикатори, які утворюють із даним катіоном інтенсивно забарвлену комплексну сполуку. Однак вона менш міцна, ніж сполука катіона з комплексоном III, тому останній витісняє катіон з комплексної сполуки, утвореної катіоном з індикатором.

У момент досягнення еквівалентної точки, тобто коли весь катіон зв'язується комплексоном III, виникає забарвлення вільного індикатора, що відрізняється від забарвлення комплексної з ним сполуки.

Найбільш часто вживають наступні індикатори: еріохром чорний Т, кислотний хром синій К, кислотний хром темно-синій (при визначенні та ); мурексид, флуорексон (при визначенні ) та ін.

При комплексометричному титруванні еквівалентна точка може бути визначена не тільки візуально, але й амперометрично або фотометрично (фотометричне титрування).

Комплексометричний метод винятково простий, не вимагає застосування дорогої апаратури та дефіцитних реактивів. Цим методом визначають вміст заліза, алюмінію, магнію, кальцію в природних та штучних силікатах, шлаках, карбонатних породах, у матеріалах з високим вмістом глинозему, воді та ін.

Фотоколориметрія

Фотоколориметричний метод заснований на порівнянні забарвлення розчинів шляхом виміру їхньої оптичної щільності.

Відповідно до об'єднаного закону Бугера – Ламберта – Бера оптична щільність розчину, або екстинкція, прямо пропорційна концентрації поглинаючої речовини, товщині шару розчину й молярному коефіцієнту погашення:

(1)

де – оптична щільність розчину;

– молярний коефіцієнт погашення;

– концентрація речовини, що поглинає світло, г-моль/л;

– товщина поглинаючого шару забарвленого розчину, см.

Графічно така залежність виражається прямою лінією. Рівняння (1) справедливо тільки для монохроматичного світла. Звичайно фотоколориметричні виміри проводять у поліхроматичному світлі. У цьому випадку в рівняння (1) замість молярного коефіцієнта погашення входить значення середнього молярного коефіцієнта погашення речовини, що залежить від характеристики світлофільтра .

Відхилення від лінійної залежності між концентрацією й оптичною щільністю може бути зумовлено й іншими причинами, наприклад дисоціацією забарвленої сполуки. У таких випадках забарвлений розчин розбавляють не чистим розчинником, а розчином реактиву, що має концентрацію, рівну надлишковій концентрації реактиву у вихідному забарвленому розчині. Тому що розведення забарвленої сполуки в цьому випадку відбувається при постійній надлишковій концентрації реактиву, то ступінь дисоціації забарвленої сполуки залишається незмінним, і закон Бера практично не порушується.

Кожне колориметричне визначення складається із двох стадій: одержання забарвленого розчину й безпосередній вимір його оптичної щільності. На першій стадії аналізовану речовину переводять у розчин, у який додають відповідні реагенти, щоб одержати забарвлену сполуку. Іноді при колориметричному визначенні використовують і забарвлення іонів (наприклад, при визначенні хрому та марганцю). Забарвлені сполуки в більшості випадків комплексні або внутрішньокомплексні. Інтенсивність забарвлення розчинів цих сполук залежить від їхніх властивостей і складу середовища.

Стійкість будь-якої комплексної сполуки характеризується константою дисоціації (константою нестійкості).

(2)

Міцність забарвленої сполуки та її стійкість у водяних розчинах збільшуються зі зменшенням константи нестійкості. Чим вище міцність забарвленого комплексу , тим менше залишається іонів , не зв'язаних з реактивом ,тим більше точність і чутливість колориметричного визначення, тим менше позначається вплив сторонніх іонів, що є присутніми у розчині.

При колориметруванні забарвлена сполука зумовленого іона повинна бути досить стійкою , більш міцною, чим можливі сполуки цього іона з іншими компонентами, що є присутніми у розчині, і мати постійний склад. Стійке забарвлення вона повинна зберігати протягом усього періоду колориметрування (не менш 5-10 хв).

При колориметруванні величина рН середовища повинна бути обов'язково постійною. Зміна кислотності середовища приводить до зміни інтенсивності забарвлення розчину й, таким чином, виявляється джерелом помилок. Це явище зумовлене рядом причин: здатністю забарвлених реактивів – слабких кислот (алізарин, дитизон, арсеназо та ін.) – проявляти індикаторні властивості; зміною ступеню зв'язаності обумовленого іона в забарвлену сполуку; зміною складу забарвленої сполуки або її руйнуванням.

На другій стадії вимірюють оптичну щільність розчинів. Для виміру оптичної щільності розчину, а отже, і концентрації застосовують фотоколориметри будь-якої марки (наприклад, типу ФЭК-М, 1 ФЭК-Н-52, 54, 57). Це – двопроменеві прилади із двома фотоелементами, що мають однакові принципові схеми. Інтенсивність двох світлових потоків зрівнюється за допомогою змінної щілинної діафрагми.

Оптичну щільність розчинів вимірюють у тій області спектра, у якій обумовлена речовина поглинає максимальну кількість променів. Для цього на шляху світлових потоків перед поглинаючими розчинами поміщають світлофільтри, які пропускають промені лише в певному інтервалі довжин хвиль і практично повністю поглинають промені хвиль інших довжин.

Чим вужче область максимального пропущення променів застосовуваного світлофільтру, тим вище його вибірковість до променів цього інтервалу довжин хвиль. Найбільш ефективні вузькосмугові світлофільтри характеризуються найменшою розмитістю максимуму пропущення (20-30 мкм).Набором таких світлофільтрів постачений фотоколориметр-нефелометр ФЭК-Н-57. Фотоколориметри ФЭК-М мають чотири широкосмугових світлофільтри з наступним діапазоном максимального пропущення променів у мкм:синій від 400 до 480, зелений від 500 до 560, жовтий від 580 до 650, червоний від 650 до 750. При виборі світлофільтра нерідко керуються забарвленням досліджуваного розчину. Однак такий спосіб не може претендувати на точність (табл. 1).

Таблиця 1