Определение концентрации сульфат-аниона

Хлориды. В речных водах и водах пресных озер содержание хлоридов колеблется от долей миллиграмма до десятков, сотен, а иногда и тысяч миллиграммов на литр. В морских и подземных водах содержание хлоридов значительно выше – вплоть до пересыщенных растворов и рассолов.

Хлориды являются преобладающим анионом в высокоминерализованных водах. Концентрация хлоридов в поверхностных водах подвержена заметным сезонным колебаниям, коррелирующим с изменением общей минерализации воды.

Первичными источниками хлоридов являются магматические породы, в состав которых входят хлорсодержащие минералы (содалит, хлорапатит и др.), соленосные отложения, в основном галит. Значительные количества хлоридов поступают в воду в результате обмена с океаном через атмосферу, взаимодействия атмосферных осадков с почвами, особенно засоленными, а также при вулканических выбросах. Возрастающее значение приобретают промышленные и сточные воды.

В отличие от сульфатных и карбонатных ионов хлориды не склонны к образованию ассоциированных ионных пар. Из всех анионов хлориды обладают наибольшей миграционной способностью, что объясняется их хорошей растворимостью, слабо выраженной способностью к сорбции взвешенными веществами и потреблением водными организмами. Повышенное содержание хлоридов ухудшает вкусовые качества воды, делает ее малопригодной для питьевого водоснабжения и ограничивает применение для многих технических и хозяйственных целей, а также для орошения сельскохозяйственных угодий. Если в питьевой воде есть ионы натрия, то концентрация хлорида выше 250 мг/дм³ придает воде соленый вкус, в случае хлоридов кальция и магния это наблюдается при концентрациях свы­ше 1000 мг/дм³. Концентрации хлоридов и их колебания, в том числе суточные, могут служить одним из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками.

Предлагаемый метод определения массовой концентрации хлорид-аниона основан на титровании хлорид-анионов раствором нитрата серебра, в резуль­тате чего образуется суспензия практически нерастворимого хло­рида серебра. Уравнение химической реакции записывается сле­дующим образом:

Аg⁺+С1 =АgСl.

В качестве индикатора используется хромат калия, который реагирует с избытком нитрата серебра с образованием хорошо за­метного оранжево-бурого осадка хромата серебра по уравнению:

Аg⁺ + CrO₄ =Аg₂СгО₄,

Оранжево-бурый

Данный метод получил название метода аргентометрического титрования. Титрование можно выполнять для вод с рН 5,0-8,0.

Массовую концентрацию хлорид-аниона (С_хл) в мг/л вы­числяют по уравнению:

Cхл = (V_хл • Н_х 35,5 • 1000) ,

V_A

где V_хл – объем раствора нитрата серебра, израсходованный на титрование, мл;

Н – концентрация титрованного раствора нитрата серебра с учетом поправочного коэффициента, г-экв/л;

V_A – объем воды, взятой на анализ, мл;

35,5 – эквивалентная масса хлора;

1000 – коэффициент пересчета единиц измерений из г/л в мг/л.

Оборудование и реактивы

Пипетка на 2 мл или на 5 мл с резиновой грушей (медицинский шприц) и соединительной трубкой; пипетка-капельница, склянка с меткой «10 мл» с пробкой.

Раствор нитрата серебра (0,05 г-экв/л) титрованный, раствор хромата калия (10 %).

О приготовлении растворов см. приложение 3.

Выполнение анализа

1. В склянку налейте 10 мл анализируемой воды.

1. Добавьте в склянку пипеткой-капельницей 3 капли раствора хромата калия.

2. Герметично закройте склянку пробкой и встряхните, чтобы перемешать содержимое.

4. Постепенно титруйте содержимое склянки раство­ром нитрата серебра при перемешивании до появления неисчезающей бурой окраски. Определите объем ра­створа, израсходованный на титрование (V_хл, мл).

5. Рассчитайте массовую концентрацию хлорид-аниона (С_хл, мг/л) по формуле: С_хл=V_хл • 178. Результат округлите до целых чисел.

Активный хлор. Хлор, присутствующий в воде в виде хлорноватистой кислоты или иона гипохлорита, принято называть свободным хлором. Хлор, существующий в виде хлораминов (моно- и ди-), а также в виде треххлористого азота, называют связанным хлором. Общий хлор – это сумма свободного и связанного хлора.

В промышленности хлор используют при отбеливании в бумажном производстве, производстве ваты, для уничтожения паразитов в холодильных установках и т.д. При растворении хлора в воде образуются соляная и хлорноватистая кислоты:

Cl₂ + H₂O  H⁺ + Cl^- + HClO.

В зависимости от условий, таких как pH, температура, количество органических примесей и аммонийного азота, хлор может присутствовать и в других формах, включая ион гипохлорита (OCl^-) и хлорамины.

Активный хлор должен отсутствовать в воде водоемов, лимитирующий показатель вредности – общесанитарный.

Хлор может находиться в воде не только в составе хло­ридов, но и в составе других соединений, обладающих сильными окислительными свойствами. К таким соединениям хлора отно­сятся свободный хлор (С1₂), гипохлорит-анион (СlO^-), хлорнова­тистая кислота (НСO), хлорамины (вещества, при растворении в воде которых образуются монохлорамин NН₂С1, дихлорамин NНС1₂, трихлорамин NС1₃). Суммарное содержание этих соеди­нений называют термином «активный хлор». Содержащие актив­ный хлор вещества подразделяют на две группы: сильные окисли­тели – хлор, гипохлориты и хлорноватистая кислота – содержат так называемый «свободный активный хлор», и относительно ме­нее слабые окислители – хлорамины – «связанный активный хлор». Благодаря сильным окислительным свойствам соединения, имеющие активный хлор, используются для обеззараживания (де­зинфекции) питьевой воды и воды в бассейнах, а также для хими­ческой очистки некоторых сточных вод. Кроме того, некоторые содержащие активный хлор соединения (например, хлорная из­весть) широко используются для ликвидации очагов распростра­нения инфекционных загрязнений. Наиболее широко для дезинфекции питьевой воды исполь­зуется свободный хлор.

В природной воде содержание активного хлора не допус­кается; в питьевой воде его содержание установлено в пересчете на хлор на уровне 0,3-0,5 мг/л в свободном виде и на уровне 0,8-1,2 мг/л в связанном виде. Активный хлор в указанных концент­рациях присутствует в питьевой воде непродолжительное время (не более нескольких десятков минут) и нацело удаляется даже при кратковременном кипячении воды. По этой причине анализ отобранной пробы на содержание активного хлора следует про­водить немедленно.

Интерес к контролю содержания хлора в воде, особенно в питьевой воде, возрос после осознания того факта, что хлориро­вание воды приводит к образованию заметных количеств хлоруглеводородов, вредных для здоровья населения. Особую опасность представляет хлорирование питьевой воды, загрязненной фено­лом. ПДК для фенолов в питьевой воде при отсутствии хлориро­вания питьевой воды установлена 0,1 мг/л, а в условиях хлориро­вания (при этом образуются гораздо более токсичные и имеющие резкий характерный запах хлорфенолы) – 0,001 мг/л. Аналогич­ные химические реакции могут протекать с участием органичес­ких соединений природного или техногенного происхождения, приводя к различным токсичным хлорорганическим соединениям – ксенобиотикам.

Предлагаемый йодометрический метод основан на свойстве всех содержащих ак­тивный хлор соединений в кислой среде выделять из йодида калия свободный йод:

С1₂+2I^-=I₂+2Сl^-

С1О^-+2Н⁺+2I^-=I₂+Сl^-+Н₂О

НС1О+Н⁺+2I^-=I₂+ Сl^-+Н₂О

NН₂С1+2Н⁺+2I^-=I₂+NН₄⁺+ Сl^-

Свободный йод оттитровывают тиосульфатом натрия в при­сутствии крахмала как описано при определении растворенного кислорода. Реакцию проводят в буферном растворе при рН 4,5, и тогда определению не мешают нитриты, озон и другие соединения. Однако мешающими определению веществами являются другие силь­ные окислители, которые также выделяют йод из йодида калия – хроматы, хлораты и др. Концентрации, в которых указанные окис­лители оказывают мешающее действие, могут присутствовать в сточ­ных водах, но маловероятны в питьевой и природной воде. Метод может использоваться для анализа также мутных и окрашенных вод.

Концентрацию активного хлора (С_АХ) в мг/л рассчитыва­ют по результатам титрования, для которого обычно использует­ся раствор тиосульфата натрия с концентрацией 0,005 г-экв/л. Расчет проводят по формуле:

,

где V_T – количество раствора тиосульфата натрия с концентрацией 0,005 г-экв/л, израсходованного на титрование, мл; К – поправочный коэффициент, учитывающий отклонение точной фактической концентрации тиосульфата от значения 0,005 г-экв/л (для большинства случаев значение К принимается равным 1); 0,177 – содержание активного хлора в мг, соответствующее 1 мл раствора тиосульфата с концентрацией 0,005 г-экв/л; V_A – объем пробы воды, взятой для анализа, мл; 1000 – коэффициент пересчета единиц измерения из миллилитров в литры.

Чувствительность метода – 0,3 мг/л при объеме пробы 250 мл, однако при использовании растворов тиосульфата с различной концентрацией объем пробы может составлять, в зависимости от тре­буемой чувствительности определения, от 500 до 50 мл воды и менее. Лимитирующий показатель вредности для активного хло­ра – общесанитарный.

Оборудование и реактивы

Колба коническая на 250-500 мл с градуировкой по объе­му (если колба не отградуирована, тогда необходим также мер­ный цилиндр), бюретка или пипетка градуированная на 2-5 мл со шприцем и соединительной трубкой, шприц-дозатор (пипетка) на 1 мл (2 шт.), ножницы.

Калий йодистый в капсулах по 0,5 г, раствор буферный ацетатный (рН 4,5), раствор тиосульфата натрия титрованный (0,005 г-экв/л), раствор крахмала (0,5 %).

О приготовлении растворов см. приложение 3.

1 . Налейте в коническую колбу анализируемую воду до метки (например, 50 мл) либо с помощью мерного цилиндра. Колбу предварительно ополосните анали­зируемой водой.

2. Поместите в колбу при помощи шприца-дозатора или пипетки 1,0 мл ацетатного буферного раствора, содержимое колбы перемешайте.

3. Добавьте в коническую колбу содержимое одной капсулы (около 0,5 г) йодида калия. Перемешайте содержимое колбы до растворения соли.

4. Оттитровывайте выделившийся йод раствором тиосульфата. Для этого в бюретку (пипетку), закрепленную в штативе и соединенную через трубку со шприцем, наберите 2-5 мл раствора тиосульфата и титруйте пробу до слабожелтой окраски.

5. Добавьте другим шприцем-дозатором (пипеткой) 1 мл раствора крахмала (раствор в колбе синеет) и продолжайте титрование до полного обесцвечивания раствора.

Примечание. После изменения окраски пробу необходимо выдержать еще 0,5 мин. для полного протекания реакции. В случае восстановления окрас­ки необходимо добавить еще некоторое количество раствора титранта.

6.Определите общий объем раствора тиосульфата, израсходованный на титрование (как до, так и после добавления раствора крахмала).

7.  Рассчитайте концентрацию суммарного остаточного активного хлора (С_АХ) в мг/л по формуле, приве­денной выше.

При необходимости анализ повторите, уменьшив (увели­чив) объем пробы.

В качестве экспрессной портативной полевой модификации метода с чувствительностью не менее 0,3-0,5 мг/л для опреде­ления активного хлора в питьевой, водопроводной и природной воде может быть рекомендовано использование раствора тиосуль­фата с концентрацией 0,0025 г-экв/л, при отборе пробы 50 мл и титрование с помощью калиброванной пипетки-капельницы. В этом случае концентрация активного хлора (С_АХ) в мг/л рассчи­тывается по формуле:

С _АХ =N• 0,1• К,

где: N – количество капель раствора тиосульфата натрия, израсхо­дованного на титрование;

0,1 – количество остаточного активного хлора в мг, соответству­ющее содержанию в 1 капле раствора тиосульфата натрия с концентрацией 0,0025 г-экв/л с учетом титрования пробы воды объемом 50 мл;

К- поправочный коэффициент для данной пипетки-капельницы, установленный экспериментальным путем и учитывающий разницу в объемах капель, отрывающийся от разных пипеток (обычно значение К близко 1).

Пример расчета. При анализе водопроводной воды в результате титрования пробы объемом 50 мл раствором тиосульфата с кон­центрацией 0,0025 г-экв/л с помощью калиброванной пипетки-капельницы (К=0,92) на титрование израсходовано 11 капель раствора тиосульфата. Следовательно, содержание активного хлора в воде составляет:

С _АХ =11•0,1•0,92=1,0 мг/л.

Натрий. Натрий является одним из главных компонентов химического состава природных вод, определяющих их тип. Основным источником поступления натрия в поверхностные воды суши являются изверженные и осадочные породы и самородные растворимые хлористые, сернокислые и углекислые соли натрия. Большое значение имеют также биологические процессы, протекающие на водосборе, в результате которых образуются растворимые соединения натрия. Кроме того, натрий поступает в природные воды с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых полей.