Лабораторная работа № 2. Определение кислотности воды

В последнее время повышение кислотных свойств природных вод и атмосферных осадков привело к появлению тысячи безжизненных рек и озер, еще десятки тысяч находятся под угрозой, гибнут леса.

Значение кислотности среды для всего живого чрезвычайно важно, т. к. от него зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков в организме, регулирующих метаболизм, рост и старение. На крупные виды организмов незначительные изменения кислотности внешней среды могут и не оказывать сильного влияния, т. к. метаболизм поддерживает внутреннюю кислотность на должном уровне, а кожа обеспечивает более или менее надежную защиту от нарушений. Однако яйцеклетки, сперма и молодь водных обитателей защищены недостаточно. При незначительном изменении активной реакции водной среды по сравнению с оптимумом они в большинстве случаев испытывают серьезный стресс и частично погибают.

Когда среда водных экосистем подкислена, практически все организмы быстро вымирают, если не из-за прямого воздействия кислотности, то из-за невозможности размножения. Дополнительный ущерб на экосистемы возникает весной в связи с тем, что кислотные осадки, просачиваясь сквозь почву, способны выщелачивать алюминий и тяжелые металлы. Последние довольно обильны во многих почвах и не вымываются некислыми осадками. При попадании в водоемы алюминий и тяжелые металлы вызывают аномалии развития и гибель эмбрионов водных обитателей.

Кислотные свойства природных вод и атмосферных осадков обусловлены присутствием чрезвычайно активных ионов водорода (H⁺), образующихся при диссоциации неорганических и органических кислот, а также при гидролизе некоторых солей. Реальная концентрация ионов водорода вдоль кислотно-основного градиента выражается в единицах водородного показателя, или pH.

Шкала pH идёт от 0 (крайне высокая кислотность), через точку 7 (нейтральная среда) до 14 (крайне высокая основность). Эти цифры – отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода, выраженной в моль на литр:

pH = -lg [H⁺]

Например, рН = 1 означает, что концентрация Н⁺ составляет 0,1 моль/л (10^-1). Важно отметить, что изменение pH всего на единицу может привести к

большим нарушениям экосистемы.

У пресноводных озер, рек и прудов pH воды обычно составляет 6...7, и

организмы адаптированы именно к этому уровню. В отсутствие любых загрязнителей у дождевой воды обычно слабокислая реакция (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ из воздуха с образованием слабой угольной кислоты:

СО₂+Н₂О Н₂СО₃ Н⁺+НСО₃^- Н⁺ + СО₃^2-

Таким образом, кислотными называют осадки с рН ≤ 5,5. К сожалению, они выпадают в большинстве промышленных районов мира, pH дождя и снега обычно составляет там около 4,5. Многие места в пределах этих районов регулярно получают осадки с рН = 4,0. В отдельных случаях pH дождя может быть гораздо ниже, а туман и роса бывают гораздо кислыми, чем дождь.

Значение pH легко измерить с помощью индикаторной бумаги, которая

есть в любой лаборатории. Полоску индикаторной бумаги опускают в раствор и сверяют ее цвет с прилагаемым эталоном, по которому приблизительно определяют pH. Для точного измерения pH существуют дорогие электронные приборы. Наиболее приемлемым и достаточно точным методом определения pH для лаборатории является объемный метод определения общей кислотности.

Общая кислотность обусловлена растворёнными в воде свободными

кислотами и некоторыми солями.

В природных водах имеется растворенный углекислый газ, в некоторых

водах могут присутствовать сероводородная кислота H₂S, как продукт жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, кремниевая кислота H₂SiО₃ в коллоидном состоянии, а также органические гуминовые кислоты.

При загрязнении природных вод стоками промышленных предприятий в них могут появиться сильные минеральные кислоты, такие как серная H₂SО₄, соляная НСl, азотная HNО₃ и другие.

Вклад в кислотность вносят соли сильных кислот и слабых оснований,

такие как сульфаты и хлориды алюминия, железа, цинка, меди и аммония и др.

В водных растворах такие соли подвергаются гидролизу:

NH₄Cl + НОН NH₄OH+HCl

NH₄⁺ + Cl^- + HOH NH₄OH + Н⁺ + Сl^-

NH₄⁺ + HOH NH₄OH + H⁺

Общую кислотность выражают в мг-экв/л, т. к. титруется смесь веществ (кислот, солей). В мг/л может быть выражено только количество индивидуального иона или вещества.

Экспериментальная часть

Опыт 1. Действие индикаторов на различные среды.

Возьмите девять пробирок и в каждую из них налейте 2 – 3 мл дистиллированной воды. В первые три пробирки налейте 1 – 2 капли серной или соляной кислоты. Затем в одну пробирку добавьте 1 – 2 капли индикатора метилового оранжевого, во вторую – фенолфталеина и в третью – универсальную индикаторную бумагу. Занесите результаты наблюдений в таблицу 1.

Таблица 1 – Изменение окраски индикаторов в различных средах

Название индикатора	Цвет индикатора в различных средах
В кислой (рН < 7)	В нейтральной (рН = 7)	В щелочной (рН > 7)
Метиловый оранжевый
Фенолфталеин
Универсальная индикаторная бумага

В следующие три пробирки налейте 1 – 2 капли раствора щелочи и проведите эксперимент с теми же тремя индикаторами Полученные результаты занести в таблицу. Проведите аналогичные операции с оставшимися тремя пробирками с водой и теми же индикаторами и занесите результаты наблюдений в таблицу.

Опыт 2. Определение кислотности.

В коническую колбу налейте при помощи мерного цилиндра или пипетки 20 мл исследуемой воды и прибавьте 2 – 3 капли индикатора фенолфталеина. Налейте в бюретку раствор гидроксида натрия известной концентрации, освободите носик бюретки от воздуха и установите уровень раствора на нуле. Титруйте исследуемую воду до малиновой окраски и результат титрования запишите в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты эксперимента

Номер опыта	Взято воды, V(H2O), мл	Пошло на титрование, V(NaOH) ,мл	СН (NaOH), моль/л

Повторите опыт и занесите результаты в таблицу.

Рассчитайте средний объем раствора NaOH, пошедший на титрование.

Рассчитайте кислотность по следующей формуле:

X = V(NaOH) · C_H(NaOH) 1000 / V(H₂O),

где -X – кислотность воды, мг-экв/л.

Опыт 3. Решить задачу на определение pH, выданную преподавателем.