Научно-исследовательская работа по химии ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО СОЛЕСОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ

ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО СОЛЕСОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ

Поспелов Максим Александрович

воспитанник 10^а класса кадетского корпуса

(инженерной школы) ВУНЦ ВВС ВВА

Научный руководитель: Куренкова Ольга Валерьевна

к.х.н., учитель химии кадетского корпуса

(инженерной школы) ВУНЦ ВВС ВВА

Общее количество воды на Земле огромно - около 1386 млн. км³. Из этого количества 97,5 % - соленые воды Мирового океана, минерализованные подземные воды и воды соленых озер. И только 35 млн. км³ или 2,5 % приходится на долю пресных. Пресной называют воду, 1 л которой содержит не более 1 г растворенных солей.

В каждой стране действуют свои национальные стандарты на питьевую воду:

• Стандарт ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения);

• Стандарт США;

• Стандарт стран Европейского союза (ЕС).

Основным документом, определяющим нормы качества питьевой воды в Российской Федерации, является СанПиН 2.1.4.1074-01 - («Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды»), действующий с 1 января 2002 года.

Питьевая вода должна быть:

• безопасной в эпидемиологическом и радиационном отношении;

• безвредной по химическому составу;

• иметь благоприятные органолептические свойства: вкус, цвет, запах.

Химический состав солей в питьевой воде лимитируется государственными стандартами. Основные компоненты воды: катионы: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, Fe³⁺; анионы: НСО₃^-, SO₄^2-, Cl^-, CO₃^2-, HSiO₃^-, NO₃^- и др. Главных ионов - 90-95 % от общего солесодержания.

Количество минеральных веществ в питьевой воде ограничивается величиной общего солесодержания - 1 г/л и суммарной жесткостью - 7 мг-экв/л.

Жесткость - это сумма кальция и магния в воде.

Возможность использования воды в качестве питьевой определяется в первую очередь этими двумя показателями.

Величина жесткости легко определяется титрованием пробы воды Трилоном Б.

Общее солесодержание, то есть массу примесей воды, обычно определяют взвешиванием сухого остатка после выпаривания определенного объема воды. Для этого определенный объем воды наливают порциями в фарфоровую чашку, масса которой известна. Сухой остаток доводят до постоянной массы при 105 ^оС. При этом часть вещества теряется за счет разложения гидрокарбонатов: Са(НСО₃)₂  СаСО₃ + Н₂О +СО₂.

Точный результат можно получить поэлементным анализом примесей воды, но это процесс трудоемкий и долгий.

При необходимости быстрой оценки солесодержания воды, например, из пробуренных новых скважин, родников, любых водоисточников, а также сточных вод целесообразно использовать экспресс-метод, основанный на применении ионного обмена, а именно процесса Н-катионирования воды.

Цель нашей работы: определение общего солесодержания воды с применением процесса ионного обмена. Основной принцип метода: количество катионов равно количеству анионов.

Мы определяли количество анионов.

Реакция определения гидрокарбонат ионов действием соляной кислоты:

Са(НСО₃)₂ + 2 НС1 → CaC1₂ + 2 Н₂О + 2 СО₂

Mg(НСО₃)₂ + 2 НС1 → CaC1₂ + 2 Н₂О + 2 СО₂

, мг-экв/л

V_HCI - объем раствора НС1, пошедшего на титрование, мл;

С_HCI - концентрация раствора кислоты, мг-экв/мл;

V_H2O - объем пробы воды, л.

Кроме гидрокарбонат-ионов в воде присутствуют анионы других кислот: серной, соляной, азотной, азотистой.

Для их определения воду пропускали через ионообменник - катионит в Н-форме.

Иониты - синтетические, твердые нерастворимые вещества, имеющие функциональные группы, противоионы которых способны обмениваться на катионы воды.

Внешне - это сферические зерна светло-коричневого цвета.

Рис.1. Внешний вид катионита КУ-2-8.

Процесс ионного обмена проводили в хроматографической колонке, заполненной сильнокислотным катионитом КУ-2-8, в Н-форме.

В результате реакции типа:

CaCI₂ Ca HCI

R-H + NaNO₃  R Na + HNO₃

MgSO₄Mg H₂SO₄

образуется разбавленный раствор сильных кислот. Содержание анионов сильных кислот (кислотность) определяли титрованием раствором щелочи.

Рис.2. Хроматографическая колонка, заполненная катионитом

Рис.3. Изменение цвета раствора, в результате титрования щелочью, в присутствии индикатора метилового оранжевого

Расчет концентрации кислот осуществляли по формуле:

, мг-экв/л

V_m - объем раствора щелочи, пошедшего на титрование, мл;

С_m - концентрация раствора NaOH, мг- экв/мл;

V_пробы - объем титруемого фильтрата, л.

Для анализа были отобраны пробы воды в разных районах города, воду села Чертовицкое и воду водохранилища в районе между Чернавским и Вогрессовским мостами.

Рис.4. Пробы воды

В каждой пробе определили общую жесткость титрованием с индикатором «хром темно-синий».

Рис.5. Изменение цвета раствора, в результате титрования раствором Трилона Б, в присутствии индикатора хромовый темно-синий

Сумма концентраций гидрокарбонатов и сильных кислот - это и есть общее солесодержание воды, выраженное в мг-эквивалентах, как требует СанПиН 2.1.4.10749 -01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды».

Результаты анализа воды сведены в таблицу.

Таблица

Содержание ионов в воде (мг-экв/л)Место отбора пробы

Общая жесткость

(С₁)

НСО₃^-

(С₂)

Сумма сильных кислот

(С₃)

Na⁺ + K⁺

(С₄)

Общее солесодержание

С_Ʃ=(С₂) + (С₃)

1

Железнодор. р-н

5,35

4,6

2,2

1,45

6,8 (526 мг/л)

2

Левобереж. р-н

5,25

4,1

2,1

0,95

6,2 (473 мг/л)

3

Ленинский р-н

5,3

4,1

1,8

0,6

5,9 (445 мг/л)

4

Северный р-н

5,15

4,6

1,3

0,75

5,9 (457 мг/л)

5

Центральн. р-н

4,85

3,9

1,8

0,85

5,7 (436 мг/л)

6

Источник

9,4

6,3

5,1

2,0

11,4 (856 мг/л)

7

С. Чертовицкое

1,05

1,1

0,3

0,35

1,4 (111 мг/л)

8

Водохранилище

5,9

4,9

2,0

1,0

6,9 (530 мг/л)

Общее солесодержание воды равно:

С_Ʃ = С₂ + С₃ , мг-экв/л,

где С₂ - концентрация гидрокарбонат- ионов, мг-экв/л;

С₃ - концентрация анионов сильных кислот, мг-экв/л.

Так как в природных водах среди катионов преобладают ионы кальция и магния, то разность между общим солесодержанием и концентрацией этих ионов является суммой ионов натрия и калия, то есть

С _{(Na+ + K+)} = С_Ʃ - С₁, мг-экв/л.

С₁ - общая жесткость, мг-экв/л.

Примерную массу содержащихся в воде веществ, то есть солесодержание в граммах, устанавливали расчетным путем, используя экспериментальные данные: общую жесткость, сумму анионов сильных кислот, концентрацию калия и натрия, гидрокарбонат-ионов.

Если масса всех веществ больше 1 г/л - вода не является питьевой.

Примерная масса содержащихся в воде примесей рассчитана, как произведение концентрации вещества на его эквивалентную массу.

Данные таблицы свидетельствуют о том, что качество воды в районах города соответствует государственному стандарту на питьевую воду, кроме воды так называемого «Митрофаньевского» источника, в воде которого содержание солей жесткости превышено в 1,35 раза, то есть на 30 %.

Выводы: данным методом без поэлементного определения ионов можно быстро установить общее солесодержание воды любого источника, что весьма полезно при поисковых работах, а также для контроля массы солей воды в кулерах, бутилированной воды, для оценки качества воды в водоемах на предмет установления факта сброса производственных сточных вод.

_.

7