Удельная электропроводность

Электролиты в растворе диссоциируют на катионы и анионы. В очень разбавленных растворах сильных электролитов происходит практически полная диссоциация, в то время как степень диссоциа­ции слабых электролитов определяется величиной константы дис­социации соли, кислоты или основания, а степень диссоциации двух последних зависит также и от рН раствора. Наличие ионов обуслов­ливает электропроводность водных растворов.

Определение электропроводности (L) сводится к определению обратной величины – сопротивления R, т.е. .

Величина L выражается в обратных Омах, или Сименсах (См). Современные кондуктометры позволяют измерять непосредственно величину удельной электропроводности (ϰ) в См/см или См/м.

Удельная электропроводность — электропроводность столба раствора, находящегося между двумя элек­тродами с поверхностью 1 см²,расстояние между которыми равно 1 см. Удельная электропроводность зависит от температуры раствора, а при определенной температуре — от его состава, т. е. от концен­трации, или, точнее, от активности различных катионов и анионов. Поэтому электропроводность характеризует суммарную величину ионного состава воды. В питьевых водах, а также в большинстве поверхностных вод, содержащих преимущественно неорганические вещества, удельная электропроводность служит приблизительным показателем концентрации неорганических электролитов, т.е. характеризует общую минерализацию воды. В сточных водах, содержащих соли органических кислот или оснований, ϰ является ориентировочным показателем концентрации органических и неорганических электролитов.

Влияние физических свойств пробы воды, например ее плотности и вязкости, на величину удельной электропроводности в большинстве случаев ничтожно мало.

Определение минерализации по величине удельной электропроводности наиболее целесообразно проводить для однотипных поверхностных или сточных вод, т.к. для нахождения минерализации по электропроводности последнюю, как и любой другой физический параметр, нужно откалибровать по величине минерализации, определенной каким-либо другим методом.

Полученный при этом пересчетный коэффициент (Сtg а), на который нужно умножить ϰ, чтобы получить величину минерализации, не постоянен для вод различного качественного состава. Поэтому наиболее надежные результаты можно получить лишь для вод однотипного состава, для которых проводилась и калибровка. В общем случае величины минерализации, вычисленные по электропроводности, можно рассматривать лишь как приблизительные.

Тем не менее величина ϰ является важным экспрессным информационно0вспомогательным показателем качества воды.

Определение величины ϰ является также незаменимым приемом при изучении неоднородности химического состава вод, обусловленной впадением притоков, спуском загрязненных сточных вод и т.д.

При анализе вод удельная электропроводность определяется при 20° С. Пробы нельзя консервировать. Рекомендуется проводить определение не позднее чем через 1 сутки после отбора робы. На результат измерения электропроводности влияет также загрязнение электродов, особенно при определениях в сточных водах, содержащих поверхностно-активные вещества: жиры, смолы, масла и т. д. Результаты измерений в таких случаях сомнительны. По окончании измерения загрязненные электроды следует обмыть сначала раствором подходящего растворителя, выбранного в соответствии с типом загрязнения, затем спиртом или раствором синтетического моющего вещества, а в заключение тщательно вымыть дистиллированной водой.

Щелочность

Щелочностью называется содержание в воде веществ, вступаю­щих в реакцию с сильными кислотами, т. е. с ионами водорода. Расход кислоты выражает общую щелочность воды (т). К веществам, определяющим щелочность, относят:

· Сильные основания, полностью диссоциирующие в растворах с образованием гидроксид-ионов (KOH, NaOH);

· Слабые основания (аммиак, анилин);

· Анионы слабых кислот (HCO₃^-, CO₃^2-, H₂PO₄^-, HPO₄^2-, HS^-, S^2-, анионы гуминовых кислот и др.). Анионы слабых кислот гидролизуются с образованием гидроксид-ионов:

HCO₃^- + Н₂О Н₂СО₃ + ОН^- ,

Поэтому они как истинные основания обуславливают щелочность воды.

В обычных природных водах щелочность зависит, как правило, только от гидрокарбонатов щелочноземельных металлов. В этом случае значение рН воды не превышает 8,3.

Наличие растворимых карбонатов и гидроокисей повышает зна­чение рН более 8,3. Та часть общей щелочности, которая соответ­ствует количеству кислоты, нужному для понижения рН до 8,3, называется свободной щелочностью воды (n).

Щелочность определяют титрованием воды раствором сильной кислоты. Количество раствора, израсходованное до достижения рН 8,3, эквивалентно свободной щелочности; количество, необхо­димое для достижения рН 4,5, эквивалентно общей щелочности. Если рН воды меньше 4,5, то ее щелочность равна нулю.

Конечную точку можно находить визуально с помощью индикаторов, изменяющих свою окраску при рН 4,5 (метилоранж) и 8,3 (фенолфталеин) или электрометри­чески. Электрометрическое титрование рекомендуется при анализе более загрязненных вод.

Щелочность, особенно свободную, следует определять тотчас после взятия пробы. Если это невозможно, то отбирают полную бу­тыль и определяют щелочность не позже чем через 24 ч. Результаты определения выражаются в ммоль/л эквивалентов.

Ввиду того что общая и свободная щелочность находятся в стехио-метрической зависимости от содержания ионов HCO₃^-, CO₃^2-, по величине n и т можно определить косвенным путем присутствие и количество этих ионов. Расчет основан на предположении, что анионы других слабых кислот не вносят существенного вклада в величину общей щелочности.

При титровании кислотой до рН 8,3, т.е. при определении свободной щелочности, присутствующие в растворе карбонаты оттитровываются лишь наполовину, т.е. до гидрокарбонатов, поэтому концентрация СО₃^2- в моль/л равна:

[СО₃^2-] = n

где n – свободная щелочность в моль/л эквивалентов.

При определении общей щелочности сначала оттитровываются карбонаты до гидрокарбонатов, а затем титруются все гидрокарбонаты: изначально присутствовавшие в растворе и те, которые образовались из карбонатов. Поэтому содержание гидрокарбонатов можно рассчитать по формуле:

[HCO₃^-] = m – 2n

Кислотность

Кислотностью называется содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными щелочами (едким натром, едким кали, т. е. с гидроксил-ионами).

Расход основания выражает общую кислотность воды (р).

В обычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободной растворенной двуокиси углерода. Естественную часть кислотности также могут создавать гуминовые и другие слабые органические кислоты. Во всех этих слу­чаях рН воды обычно не бывает ниже 4,5.

Некоторые промышленные сточные воды часто содержат боль­шие количества сильных свободных кислот или их кислых солей. Эти вещества нарушают равновесие свободной СО₂ и карбонатов. В особых случаях, например в воде рудников или в сточных водах от травления металлов, часто в больших количествах находятся соли сильных кислот и слабых оснований (прежде всего железа и алю­миния), обычно сильно гидролизованные. Во всех этих случаях рН воды может быть ниже 4,5. Та часть общей кислотности, которая сни­жает рН до 4,5 и ниже, называется свободной кислотностью воды .

Кислотность воды определяют титрованием ее раствором силь­ного основания. Количество титрованного раствора, израсходованное до получения рН 4,5, соответствует свободной кислотности; количество, израсходованное до получения рН 8,3, соответствует общей кислотности (р). Если рН анализируемой воды больше 8,3, то ее кислотность равна нулю. Конец титрования определяют визуально или электрометрически. Электрометрическое определение более удобно для анализа загрязненных сточных вод.

Для точного определения кислотности рекомендуется проводить определение на месте. Если это невозможно, то отбирают пробу в осо­бую склянку емкостью не меньше 0,5 л, снабженную притертой проб­кой. Пробы отбирают с помощью насадки, предотвращающей контакт пробы с атмосферным воздухом. Заполненную доверху склянку закрывают притертой пробкой, вытесняя из бутылки все воздушные пузырьки. Во время транспортировки склянку предохраняют от нагревания. Пробу ана­лизируют не позже чем через сутки.

Общую кислотность (р) и свободную кислотность выражают в моль/л эквивалентов.

Поскольку в чистых природных водах кислотность обусловлена в основном растворенной двуокисью углерода, или угольной кислотой, которая титруется в процессе определения до гидрокарбонат-иона, по экспериментально найденной кислотности можно рассчитать содержание свободной СО₂, или Н₂СО₃ в моль/л:

[СО₂] = [Н₂СО₃] = p,

где р – общая кислотность в мол/л эквивалентов вещества.

Если рН воды спускается ниже 4,5, то в такой воде присутствуют свободные сильные кислоты и результат определения общей кислотности в таких водах не может быть использован для расчета содержания свободной СО₂.

Жесткость

Общая жесткость воды показывает концентрацию в ней катионов
двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния, поэтому она вычисляется путем суммирования нормальных концентраций этих двух ионов. Эти элементы в природных условиях попадают в водувследствие воздействия двуокиси углерода на карбонатные минералы или в результате биохимических процессов, происходящих в увлажненных слоях почвы. Жесткость природных вод может изменяться при обработке на водопроводных станциях или при сбросе в них сточных вод.

Жесткость в нашей стране традиционно измеряли в ммоль/л эквивалентов, однако с 2005 г. в соответствии с введенным ГОСТ, жесткость стали выражать в градусах жесткости (^оЖ). 1 ^оЖ соответствует 1 ммоль/л эквивалентов щелочно-земельных металлов (Ca²⁺ и Mg²⁺).

По степени общей жесткости природные воды делятся на:

Очень мягкие	< 1,5 ммоль/л эквивалентов (оЖ)
Мягкие	1,5 - 4
Умеренно жесткие	4 - 8
Жесткие	8 - 12
Очень жесткие	> 12

Количество кальция и магния, эквивалентное количеству карбонатов и гидрокарбонатов, называется карбонатной жесткостью.

Некарбонатная жесткость определяется как разность между oбщей и карбонатной жесткостью и показывает количество катионов щелочноземельных металлов, соответствующее анионам минеральных кислот: хлорид-, сульфат-, нитрат-ионам и др.

Итак, карбонатная жесткость часто бывает равна количеству в воде гидрокарбонатов и карбонатов, т.е. общей щелочности.

Например, в воде содержится 4,52 ммоль/л эквивалентов кальция, 1,64 ммоль/л эквивалентов магния и 5,05 ммоль/л гидрокарбонатов. В этом случае общая жесткость равна 4,52+1,64 =6,16 ммоль/л эквивалентов, карбонатная = 5,05, некарбонатная =1,11 ммоль/л эквивалентов.

Однако в тех случаях, когда содержание в воде гидрокарбонат-иона оказывается больше общей жесткости (что характерно для щелочных вод), карбонатную жесткость считают равной общей жесткости.

Устранимая жесткость, так же как и карбонатная, обусловлена наличием в воде гидрокарбонат-иона. Но в отличие от карбонатной жесткости, которая является величиной расчетной, устранимая жесткость - величина экспериментальная, показывающая, насколько уменьшается общая жесткость после длительного кипячения пробы вследствие протекающих при этом реакций:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^- ® CaCO₃¯ + CO₂↑ + H₂O

Mg²⁺ + 2 HCO₃^- ® MgCO₃¯ + CO₂↑ + H₂O

Казалось бы, устранимая жесткость равна карбонатной. Однако образующиеся карбонат кальция и особенно карбонат магния обладают известной растворимостью, в результате чего в растворе остается некоторое количество иона CO₃^2- и эквивалентное ему количество ионов Ca²⁺ и Mg²⁺. Поэтому устранимая жесткость хоть и близка по величине к карбонатной, все же несколько меньше ее. Устранимую жесткость экспериментально определяют по разности между щелочностью воды до кипячения и щелочностью такой же пробы предварительно прокипяченной воды.

Общую жесткость определяют в питьевых, подземных и поверхностных водах, а в особых случаях также и в сточных водах. Определяют общую жесткость комплексонометрическим титрованием этилендиаминтетра-ацетатом натрия.

Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая действие на органы пищеварения. Поэтому величина общей жесткости в источниках централизованного водоснабжения допускается до 7 ммоль/л эквивалентов (^оЖ).

Знание жесткости воды важно не только для определения возможности водопользования, но и для оценки состояния экосистем. Так жесткая вода смягчает токсическое действие загрязняющих веществ на гидробионтов. В более мягкой воде при одной и той же концентрации токсикантов их токсическое действие будет сильнее.