Определение солей жесткости в водопроводной воде

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

Кафедра общей химии и экологии

Курсовой проект

по дисциплине «Экологическая химия»

на тему «Определение солей жесткости в водопроводной воде»

Исполнитель:

Габдуллина Л.А.

Казань 2013

Содержание

Введение

Глава 1. Соли кальция и магния как экотоксиканты

1.1 Источники поступления в окружающую среду

1.2 Состав, свойства загрязняющих веществ

1.3 Влияние на организм человека

Глава 2. Методики качественного и количественного определения жесткости

Глава 3. Пробоотбор, пробоподготовка растворов к анализу

3.1 Общие положения

3.2 Требования к оборудованию для отбора проб

3.3 Подготовка проб к хранению

3.4 Требования к оформлению результатов отбора проб

3.5 Транспортировка проб

3.6 Приемка проб в лаборатории

Глава 4. Определение жесткости водопроводной воды (экспериментальная часть)

Глава 5. Статистическая обработка данных

5.1 Теория ошибок

5.2 Статистические характеристики случайных ошибок

Выводы

Список литературы

Введение

В природных водах находится очень большое количество различных химических соединений. В процессе естественного кругооборота природные воды, находясь в контакте с воздухом и породами земной коры, обогащаются содержащимися в них веществами. Кроме того, в такие воды попадают продукты жизнедеятельности животных и растений. В ряде водоисточников вода дополнительно загрязняется отходами производственной деятельности людей. Непосредственное использование природных вод для промышленных и бытовых нужд является в большинстве случаев неприемлемым. Предъявляемые в промышленности требования к качеству потребляемой воды определяются специфическими условиями тех или иных технологических процессов. Так, например, многие производства (текстильное, кожевенное) не могут использовать жесткую воду, т.е. содержащую соли кальция и магния. Название жесткость воды возникло вследствие того, что промывание тканей в воде с высокой концентрацией ионов Ca и Mg делает волокна ломкими, неэластичными, словно жесткими. Это обусловлено образованием на волокнах кальциевых и магниевых солей жирных кислот, входящих в состав мыла, а также углекислых солей. Особенно высокие требования к потребляемой воде предъявляет теплоэнергетическое производство.

Присутствие в воде значительного количества солей жесткости, делает воду непригодной для многих технических целей. При продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи. Такая корка может служить причиной образования вздутий и трещин, как в кипятильных трубах, так и на стенках самого котла. Поэтому химический контроль ионов Са²⁺ и Mg²⁺ очень важен для ведения водно-химического режима работы теплоэнергетического оборудования.

Цель работы:

Анализ свойств и методов определения жесткости воды.

Задачи:

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть источники поступления солей жесткости в природную воду

2. Рассмотреть влияние жесткости воды на здоровье человека.

3. Изучить методы качественного и количественного определения солей жесткости в водопроводной воде.

4. Экспериментально определить жесткость водопроводной воды в Советском и Ново-Савиновском районе г. Казани.

Глава 1. Соли кальция и магния как экотоксиканты

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Ввиду широкой распространенности магния и кальция в природе, их соли всегда содержатся в природной воде, придавая ей особые свойства. Вода, в которой растворены соли кальция и магния, обладает особым свойством - жесткостью.

Жесткая вода образует плотные слои накипи на внутренних стенках паровых котлов и кипятильников, в ней плохо развариваются пищевые продукты, при стирке белья в жесткой воде расходуется больше мыла.

Общая жесткость воды определяется содержанием в ней ионов СаІ⁺ и МgІ⁺, по содержанию в воде гидрокарбонат- ионов судят о временной жесткости (карбонатной), некарбонатная жесткость обуславливается присутствием в воде хлоридов, сульфатов, а также других солей СаІ⁺ и МgІ⁺. Всумме карбонатная и некарбонатная жесткость воды дает жесткость общую. По содержанию в воде ионов кальция и магния воды делятся на следующие группы:

кальций магний соль вода

Таблица №1. Типы вод в зависимости от содержания ионов СаІ+ и МgІ+

Содержание СаІ+ и MgІ+ (мг-экв/л)	Качество воды
0-1.5	Очень мягкая
1.5-3	Мягкая
3-4.5	Средне жесткая
4.5-6.5	Довольно жесткая
6.5-11	Жесткая

Один миллиэквивалент жесткости отвечает содержанию 20,04 мг/л СаІ⁺ или 12,16 мг/л МgІ^+. Карбонатная жесткость, обусловленная присутствием ионов НСО₃^? в воде, может быть устранено кипячением - и тогда в воде происходят следующие процессы:

Са(НСО₃)₂>СаCO₃v+ CO₂^+H₂ 0

Mg(HCO₃)₂>MgCO₃v+ CO₂^+H₂O

Mg(HCO₃)₂>Mg(OH)₂v+2CO₂^

Постоянная жесткость воды не устраняется кипячением или добавлением соды и извести и вызывается наличием сульфатов кальция и магния в основном. Присутствие в воде значительного количества солей Са и Мg делает воду непригодной для многих технических целей. Так при продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи; такая накипь уже при толщине слоя в 1 мм сильно понижает передачу теплоты стенками котла и следовательно ведет к увеличению расхода топлива. Кроме того она может служить причиной образования вздутий и трещин как в кипятильных трубах, так и на стенках самого катка.

Но при этом важно помнить о великом значении кальции и магния для растений и животных. Недостаток этих элементов в рационе задерживает рост, угнетает развитие корневой системы растений, листья покрываются коричневыми пятнами, а иногда отмирают. У животных недостаток кальция вызывает рахит, ослабление сердечной деятельности.

Кровь, обедненная кальцием, плохо сворачивается на воздухе. Поэтому соли кальция применяют в ветеринарии: хлорид и карбонат кальция дают животным при рахите, инфекционных заболеваниях; известковой водой лечат кожные заболевания; фосфаты кальция и магния вводят в рацион молодняка [1,2].

1.1 Источники поступления в окружающую среду

Кальций (Calcium) Ca - химический элемент периодической системы элементов Д.И. Менделеева с порядковым номером 20 и атомной массой 40,08 а.е.м. Природный кальций образован 6 стабильными изотопами: кальций - 40 (96,94%), кальций - 44 (2,09%), кальций - 42 (0,067%), кальций - 48 (0,187%), кальций - 43 (0,135%), кальций - 46 (0,003%). Основные характеристики атома кальция таковы: строение внешнего энергетического уровня 4 s2, степень окисления +2, очень редко +1, электороотрицательность по Полингу 1,0; атомный радиус 0,197 нм [5].

По распространенности в земной коре кальций занимает пятое место - его содержание составляет 3,38% по массе. Кальций встречается только в виде соединений, чаще всего солей кислородсодержащих кислот. Известно около 400 минералов, содержащих данный элемент. Наиболее распространенны различные силикаты и алюмосиликаты, в частности анортит Ca3[Al₂Si ₂O₈], диопсид CaMg[SiO₆], волластонид Ca[Si₃O₉], также промышленное значение имеют кальцит (известняк, мрамор, мел) CaCO3, доломит CaMg(CO₃)₂ фосфорит Ca₅(PO₄)₃(OH, CO₃), апатиты Ca₅(PO₄)₃(F, Cl), гипс CaSO₄ * 2 H₂ O, флюорит CaF₂ и др. Значительное количество кальция находится в природных водах вследствие существования глобального карбонатного равновесия между практически нерастворимым карбонатом кальция, хорошо растворимым гидрокарбонатом кальция и находящимся в воде и воздухе диоксиде углерода. Заметное количество кальция содержится в организме человека и животных, в частности, гидроксилапатит - в костной ткани позвоночных, карбонат кальция - в раковинах моллюсков, яичной скорлупе.

Применение кальция основано на следующих моментах: при металлотермическом получении урана, тория, циркония, цезия, рубидия и некоторых лантаноидов из их соединений, для удаления примесей кислорода, азота, серы, фосфора из сталей, бронз и других сплавов, для обезвоживания многих органических жидкостей, очистки аргона от примесей азота, в качестве геттер в вакуумных устройствах, легирующего элемента для алюминиевых сплавов и модифицирующей добавки для магниевых сплавов. Сплавы кальция со свинцом являются антифрикционными материалами в производстве подшипников. Еще большее применение нашли соединения кальция. Например, карбонат кальция применяют в качестве антацидного средства, при повышенной кислотности желудочного сока, хлорид кальция организму необходим для осуществления передачи нервных импульсов, сокращения сердечных и скелетных мышц, для формирования костной ткани, свертывания крови и нормальной деятельности других органов и систем [3].

Магний - характерный элемент мантии Земли, в ультраосновных породах его содержится 25,9% по массе. В земной коре Магния меньше, средний кларк его 1,87%; преобладает Магний в основных породах (4,5%), в гранитах и других кислых породах его меньше (0,56%). В магматических процессах Mg²⁺ - аналог Fe²⁺, что объясняется близостью их ионных радиусов (соответственно 0,74 и 0,80 Е). Mg²⁺ вместе с Fe²⁺ входит в состав оливина, пироксенов и других магматических минералов.

Минералы Магния многочисленны - силикаты, карбонаты, сульфаты, хлориды и другие. Более половины из них образовались в биосфере - на дне морей, озер, в почвах и т.д.; остальные связаны с высокотемпературными процессами.

В биосфере наблюдается энергичная миграция и дифференциация Магния; здесь главная роль принадлежит физико-химическим процессам - растворению, осаждению солей, сорбции Магний глинами. Магний слабо задерживается в биологическом круговороте на континентах и с речным стоком поступает в океан. В морской воде в среднем 0,13% Магния - меньше, чем натрия, но больше всех других металлов. Морская вода не насыщена Магнием и осаждения его солей не происходит. При испарении воды в морских лагунах в осадках вместе с солями калия накапливаются сульфаты и хлориды Магния. В илах некоторых озер накапливается доломит (например, в озере Балхаш). В промышленности Магний получают в основном из доломитов, а также из морской воды [4].

1.2 Состав, свойства загрязняющих веществ

Существует нехитрая зависимость между показателями продолжительностью жизни населения страны и качеством потребляемой населением воды. К сожалению, наша страна находится где-то в шестом десятке среди всех стран мира по продолжительности жизни. Возникает очевидный вопрос, а можно ли вообще пить водопроводную воду без дополнительной очистке фильтрами для воды? Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте разберемся, что же может содержать водопроводная вода.

Безусловно, даже в одном городе, но в разных районах вода будет отличаться по своему химическому составу. Чтобы точно определить какая вода, лучше всего сделать химический анализ воды. Мы рассмотрим те микроэлементы и соединения, которые чаще всего можно встретить в разном процентном соотношении в воде в нашей стране. Есть несколько основных групп загрязнений. Вещества, которые чаще всего встречаются в воде.

Жесткие соли кальция и магния - это минеральные соединения, которые природная вода вымывает из почвы и грунта. Они придают воде, так называемую, жесткость, из-за них возникает накипь, белые разводы на сантехнике и камень на водоразделители в душе. Регулярное употребление воды с высоким содержанием жестких солей может вызвать болезни суставов и мочекаменную болезнь. В среднем в водопроводной воде содержится около 3,0-3,5 мг-кв/л. Бороться с таким загрязнением не сложно, достаточно подобрать оптимальный фильтр для очистки воды от жестких солей [10].

Фтор(F) один из тех элементов, содержание которых может только радовать человека. Воду специально фторируют, чтобы увеличить содержание этого элемента в воде, так как при его недостатке развивается кариес зубов. Рекомендуемое содержание фтора для человека, живущего в средней полосе должно быть не более 1,2 мг/л.

Марганец (Mn) редко встречается без двухвалентного железа. Чаще всего попадает в воду через отложения в трубах марганцевых бактерий, также через почвенные удобрения. Редко содержания этого металла превышает 2 мг/л, но допустимая норма для здоровья человека - не более 0,5 мг/л. В случае отравления марганцем поражается печень и может развиться заболевание паркинсонизм, симптоматично схожее с болезнью Паркинсона, так как марганец имеет негативное воздействие на мозг человека.

Селен (Se). Несмотря на утверждение, что селен полезен, большое количество селена может приводить к острому отравлению, сопровождающемуся нарушением работы желудочно-кишечного тракта, озноба, резкими болями в животе. При регулярном употреблении воды с повышенным содержанием селена у человека развивается селеноз, выражающийся в изменении качества ногтевых пластин (ломкость, истончение), волос (обесцвечивание, облысение), кожи (дерматиты) и зубов (кариес). Содержание селена в питьевой воде не должно превышать 0,01 мг/л.

Молибден (Mo). Редко содержание молибдена превышает 0,01 мг/л, обычно это происходит в местах нахождения руд, содержащих молибден. В таком случае природные воды могут содержать его в концентрации до 200 мг/л. Вода насыщенная молибденом обладает вяжущим вкусом, но при содержании этого элемента в воде не выше нормы, составляющей 0,07 мг/л, вы не ощутите никакого специфического вкуса. При употреблении молибденовой воды с концентрацией 10-15 мг/л, может увеличиваться печени, появляться суставная боль в кистях и стопах, выявляются серьезные расстройства работы почек и пищеварительной системы.

Нитраты - соли азотной кислоты, которые обычно попадают в поверхностные и грунтовые воды, как загрязнение от сельскохозяйственных удобрений. Если вода заражена нитратами свыше нормы, могут развиваться заболевания крови, сердечнососудистой системы и токсичные отравления.

Сероводород - это газ, который может придавать воде неприятный запах гнилостных яиц, если его концентрация превышает 0,05 мг/л. При обогащении воды кислородом, сероводород окисляется, а вместе с этим пропадает и запах. Сам сероводород не опасен, его наличие только ухудшает органолептические показатели воды. Однако в процессе окисления появляются сульфиды, которые токсичны для человека. Например, разовая доза 10-15 г. сульфида натрия приводит к летальному исходу.

Вещества, которые появляются в воде после обработки реагентами

Коагулянты, например, сульфат алюминия. Алюминий - распространенный металл, который практически всегда существует в природной воде, но чаще всего в очень малых количествах. Однако при очистке воды распространено использования сульфата алюминия, который увеличивает попадания алюминия в организм. Выявлено, что в больших количествах, алюминий вызывает повреждение нервной системы. Если организм накопил критическую дозу этого металла, то это может вызвать паралич мышц, остановку дыхания, прекращение работы сердца, а как следствие, смерть.

Флокулянты, например, полиакриламид. Флокулянты - это химические реагенты, которые способствуют осаждению мелких частиц.

Остаточные триполифосфаты, которые защищают водопроводные трубы от коррозии.

Остаточный хлор. Хлор(Cl) и хлоросодержащие соединения попадают в воду на очистительных станциях. Его добавляют, как обеззараживающее средство. В небольших количествах хлор способен вызывать раздражение слизистых оболочек рта, глаз, пищевода. При большой концентрации хлор токсичен и вызывает ряд заболеваний. Он убивает не только болезнетворные бактерии, но и использовался в качестве химического оружия во время войны. Хлорированная вода вредна и требует дополнительной очистки, но так как практически вся водопроводная вода содержит хлор, нужно использовать бытовые фильтрами для очистки воды.

Вещества, которые оказываются в воде вместе со сточными водами - различные бытовые, промышленные отходы, минеральные удобрения.

Пестициды - это общее название сельскохозяйственных ядохимикатов, которые попадают в водопроводную воду через почвенные загрязнения. Они крайне опасны для животных и человека. Из-за воздействия пестицидов с земли уже исчезло много видов животных и растений. При отравлении пестицидами проявляются признаки расстройства желудочно-кишечного тракта, аллергические реакции, диатез. При сильном воздействии возможен летальный исход.

Тяжелые металлы

Ртуть (Hg) в природной воде обычно содержится в количествах не превышающих 0,5 мг/л, но и это высокий уровень для человека. Но в следствие техногенных загрязнений и локальных бытовых, уровень может быть значительно выше. Допустимым является 0,0005 мг/л. Ртуть повреждает все ткани человеческого организма, с которыми контактирует, поэтому она чрезвычайно опасна. В большей мере ртуть влияет на почки и нервную систему. В случае, если человек примет разово дозу ртути выше предельной нормы, нарушается психика, способность к осязанию, слух, речь, возникают судороги, сердечно-сосудистый коллапс, давление падает до уровня, когда невозможна жизнедеятельность, после 500мг ртути наступает смерть. Даже незначительные дозы ртути, могут вызвать у беременных преждевременные роды, уродство плода.

Свинец(Pb) может попадать в водопроводную воду различными путями: растворенный и природный свинец; свинец от загрязнителей, например, от бензина; свинец, который вымывается из водопроводных труб и сварочных швов.

Свинец крайне токсичен для человека, при регулярном употреблении свинца в небольших дозах можно получить хроническое отравление, которое приведет к летальному исходу. Если человек пьет воду с высоким содержанием свинца, в организме может развиться острое отравление, которое приведет к быстрому летальному исходу. Организм человека реагирует при накапливании свинца свыше 40 мг/100 мл крови. При такой концентрации начинается поражение нервной системы, кишечника, почек. Все остальные органы также поражаются, так как свинец накапливается во всех органах организма, блокируя работу ферментов, синтезирующих гемоглобин, что нарушает способность эритроцитов доставлять кислород по телу человека. Избыток свинца в организме ведет также к развитию анемии, выработке витамина D, образованию костной ткани. Вода, содержащая свинец, категорически запрещена беременным женщинам, так как может привести к выкидышу и врожденным уродствам. Количество свинца в воде не должно превышать 0,01 мг/л.

Цинк (Zn) содержится во многих продуктах питания, в воде он содержится в виде солей и соединений. В случае, если содержание солей цинка в воде превышает норму, человек может получить значительный ущерб для организма. При сильных острых однократных отравлениях может возникнуть лихорадка, тошнота, рвота, нарушение работу кишечно-желудочного тракта. В случае регулярного отравления могут развиваться эрозии на слизистой желудка и увеличиваться холестерин крови. Уровень содержания солей цинка в воде не должен превышать 3 мг/л. Чаще всего в природной воде цинка не больше 0,05 мг/л, но нередко концентрация увеличивается из-за прохождения воды через содержащие цинк водопроводные трубы.

Кадмий (Cd). Тяжелый металл, который в природе обычно находится вместе с цинком. В природных водах может проявляться в местах добычи цинка или попадать со сточными водами в районах химических и металлургических заводов. При регулярном употреблении воды с повышенным содержанием кадмия, он накапливается и поражает нервную систему, приводит к анемии и разрушению костной ткани из-за сбоев в работе фосфорно-кальциевого обмена.

Детергенты - это общее название всех моющих средств, которые попадают в поверхностные воды с промышленными стоками.

Химические вещества, которые попадают в воду из-за взаимодействия с водопроводными трубами, элементами водозаборных и очистительных станций.

Медь (Cu) практически не содержится в подземных водах, однако может попадать в воду через взаимодействие с элементами водопровода. Чрезвычайно опасно, если содержание меди в воде превышает 3мг/л. Такого количества достаточно, чтобы нарушить работу желудочно-кишечного тракта, что повлечет за собой тошноту, рвоту и диарею. В случае, если человек перенес тяжелые заболевания печени и в организме нарушен самостоятельный обмен меди, употребление такой воды может привести к развитию цирроза Суточная норма для человека не должна превышать 0,5 мг/кг тела, а присутствие меди в воде не должно быть выше 1-2 мг/л.

Железо (Fe). Содержание железа в воде может быть вызвано разными причинами. Природная вода может содержать до 50 мг/л, но также оно появляется, когда вода проходит через коррозию водопроводных труб. Большинство видов железа нетрудно заметить невооруженным глазом - вода приобретает рыжий цвет, а при отстаивании появляется красно-бурый осадок. При регулярном употреблении железистой воды, накопленное железо может вызвать заболевания печени, сердечную недостаточность, диабет и артрит.

Это, конечно же, не все загрязнения, а лишь те, которые встречаются чаще всего в прозрачной и чистой, на первый взгляд, водопроводной воде. Бороться с ними можно с помощью фильтров для воды, которые справляются сейчас с большинством возможных загрязнений. [11].

1.3 Влияние жесткости воды на здоровье человека

Широкая доступность фильтров для улучшения свойств воды приводит к изменению баланса поступления в организм ионов СаІ⁺ и МgІ^+. Агрессивная телевизионная реклама призывает утолять жажду минеральной водой и заботиться о стиральных машинах с помощью «Калгона». Как может отразиться на здоровье человека изменение количества поступающих с пищей ионов СаІ⁺ и МgІ⁺ ?

Здоровье населения находится в прямой зависимости от состава природных вод в источниках, из которых осуществляется регулярное водоснабжение данной территории. Природные воды должны содержать достаточное количество микроэлементов, участвующих в обменных процессах человека. Так недостаток Са І⁺ и МgІ⁺ влечет за собой увеличение числа смертельных исходов при кардиоваскулярных заболеваниях, увеличение тяжести рахита, остемаляцию, нарушение функционального состояния сердечной мышцы и процессов свертывания крови, а недостаток МgІ⁺ внезапную сметь младенцев, увеличение тяжести течения и числа неблагоприятных исходов КВЗ, нейромускулярные и психиатрические симптомы, тахикардию и фибрилляцию сердечной мышцы, гипомагнезимию. Но в то же время, избыток СаІ⁺ ведет к мочекаменной болезни, нарушению состояния водно-солевого обмена, раннему обызвествлению костей у детей, замедлению роста скелета, а избыток МgІ⁺ к возможности развития синдромов дыхательных параличей и сердечной блокады, желудочно-кишечного тракта. Повышенная жесткость воды негативно сказывается на здоровье человека при умывании. Соли жесткости взаимодействуют с моющими веществами и образуют нерастворимые шлаки, разрушающие естественную жировую пленку кожного и волосяного покрова человека, забивающие поры. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

Однако не доказано, что и мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека [5].

Глава 2. Методики качественного и количественного определения жесткости

Анализ вещества может проводиться с целью установления качественного или количественного его состава. В соответствии с этим различают качественный и количественный анализ.

Качественный анализ позволяет установить, из каких химических элементов состоит анализируемое вещество и какие ионы, группы атомов или молекулы входят в его состав. При исследовании состава неизвестного вещества качественный анализ всегда предшествует количественному, так как выбор метода количественного определения составных частей анализируемого вещества зависит от данных, полученных при его качественном анализе.

Качественный химический анализ большей частью основывается на превращении анализируемого вещества в какое-нибудь новое соединение» обладающее характерными свойствами: цветом, определенным физическим состоянием, кристаллической или аморфной структурой, специфическим запахом и т.п. Химическое превращение, происходящее при этом, называют качественной аналитической реакцией, а вещества, вызывающие это превращение, называют реактивами (реагентами).

При анализе смеси нескольких веществ, близких по химическим свойствам, их предварительно разделяют и только затем проводят характерные реакции на отдельные вещества (или ионы), поэтому качественный анализ охватывает не только отдельные реакции обнаружения ионов, но и методы их разделения.

Количественный анализ осуществляют химическими и физико-химическими методами.

Химические методы основаны на проведении реакций между определяемым образцом и специально подобранным реагентом. По количеству затраченных реагентов или по количеству полученных продуктов реакции рассчитывают содержание анализируемого вещества. Различают гравиметрический (весовой) и титриметрический (объемный) методы анализа. [6]

Гравиметрический анализ основан на количественном выделении компонента из анализируемой пробы и его точном взвешивании. Этот анализ дает точные результаты, но он трудоемок и вытесняется другими методами анализа.

Титриметрический анализ заключается в точном измерении объема раствора химического реагента, необходимого для завершения реакции с веществом, содержащимся в изучаемой пробе.

В его основе лежит проведение химических реакций и установление состояния эквивалентности между взаимодействующими веществами.

Объёмный (титриметрический) анализ основан на измерении объёма раствора реагента (титранта), израсходованного на эквивалентное взаимодействие с определяемым веществом.Анализ проводится методом титрования.

Титрант (рабочий раствор) - это раствор аналитического реагента с точно известной концентрацией, применяемый для количественного определения веществ.

Растворы с точно известной концентрацией готовят следующими способами:

1. Стандартные растворы готовят по точной навеске вещества (из установочных (стандартных) веществ). Взвешивают рассчитанную по формуле навеску на аналитических весах (с точностью до 4-го знака) и растворяют в определенном объёме дистиллированной воды.

Установочное (стандартное) вещество - это устойчивое, химически чистое соединение точно известного состава, используемое для уточнения концентрации титранта.

2. Растворы из нестандартных веществ готовят приблизительной концентрации методом разведения, а затем, с помощью титрования стандартным раствором определяют точную концентрацию по закону эквивалентов.

3. Раствор титранта можно приготовить из фиксанала - стеклянной запаянной ампулы, содержащей 0,1 моль эквивалента вещества.

Титрование - это добавление раствора реагента (титранта или рабочего раствора) известной концентрации к анализируемому раствору с целью установления количественного содержания определяемого вещества.

Состояние эквивалентности называется точкой эквивалентности (Т.Э.) - это такое состояние системы, при котором число моль эквивалентов реагента (титранта) равно числу моль эквивалентов анализируемого вещества. Т.Э. при титровании обычно определяется с помощью индикатора.

Индикатор - это вещество, присутствующее в системе и вызывающее изменение раствора (изменение цвета, появление осадка и т.д.) в момент наступления состояния эквивалентности. [6, 7]

Окислительно-восстановительное титрование

В основе метода лежат окислительно-восстановительные реакции.

К окислительно-восстановительным методам относят перманганатометрию, иодометрию, броматометрию и др. В качестве титрантов в этих методах применяют растворы окислителей (KMnO₄, К₂Cr₂O₇, КBrO₃, I₂ и др.) и восстановителей (Na₂S₂O₃, Na₂AsO₂, SnCl₂ и др.). Эти методы находят широкое применение, например для анализа воды.

В зависимости от степени загрязнения вода содержит разную концентрацию вредных веществ - восстановителей, например, органические вещества - нефтепродукты, ионы железа (II), пероксид водорода др. Эти восстановители окисляются сильными окислителями, например перманганатом, бихроматом и т.п.

Метод комплексонометрии

В основе метода находятся реакции образования комплексных соединений (металло-лигандные реакции).

Метод комплексонометрии широко распространен для определения ионов Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺ и многих микроэлементов.

Комплексонометрия - титриметрический метод анализа, в основе которого лежит реакция взаимодействия определяемых ионов металлов с комплексонами. Комплексоны - аминополикарбоновые кислоты и их соли, способные образовывать сразу несколько связей с ионами металлов: ковалентные - Meⁿ⁺ с карбоксильными группами, донорно-акцепторные - Meⁿ⁺ с азотом аминогрупп.

Наибольшее значение из комплексонов имеет этилендиаминтетрауксусная кислота и ее двунатриевая соль (комплексон III или трилон Б - Na₂H₂T). Комплексоны используют в медицине для лечения лучевой болезни, свинцовых, ртутных и других отравлений металлами-токсикантами.

Взаимодействие катиона двухзарядного металла с трилоном Б можно представить схемой:

При титровании определяемых металлов, имеющих разные степени окисления, они связываются в бесцветные комплексонаты металлов, например:

Ме³⁺ + H₂T^2- MeT^- + 2H⁺

Ме⁴⁺ + H₂T^2- MeT⁰ + 2H⁺

Полнота протекания реакции комплексообразования увеличивается по мере связывания ионов H⁺ в щелочной среде. Но, в некоторых случаях, требуется создание оптимального значения pH раствора, т.к. в избытке гидроксид-ионов могут образовываться нерастворимые гидроксиды определяемых металлов. Поэтому постоянство pH во время анализа поддерживается с помощью аммиачно-амонийного буферного раствора (NH₄OH - NH₄Cl).

Рабочим раствором в комплексонометрии может служить раствор трилона Б. Его чаще всего готовят приблизительной концентрации, а затем стандартизируют по растворам химически чистых хлорида или сульфата магния (MgSO₄•7H₂O).

Точка эквивалентности (Т.Э.) в комплексонометрии устанавливается с помощью металлохромных индикаторов. К ним относят эриохром черный Т, мурексид и др. [7, 8].

Физико-химические методы анализа основаны на изучении количественной зависимости между составом и физическими свойствами объекта. В этих методах применяют сложную и чувствительную аппаратуру, их достоинствами являются объективность, возможность автоматизации и высокая скорость получения результатов. К таким методам относится фотоколориметрия.

Фотометрический метод анализа, основанный на переведении определяемого компонента в поглощающее свет соединение с последующим определением количества этого компонента путем измерения светопоглощения раствора полученного соединения, называется фотометрическим.

По окраске растворов окрашенных веществ можно определять концентрацию того или иного компонента или визуально, или при помощи фотоэлементов - приборов, превращающих световую энергию в электрическую. В соответствии с этим различают фотометрический визуальный метод анализа, называемый часто колориметрическим, и метод анализа с применением фотоэлементов - собственно фотометрический метод анализа. Фотометрический метод является объективным методом, поскольку результаты его не зависят от способностей наблюдателя, в отличие от результатов колориметрического - субъективного метода.

Фотометрический метод анализа - один из самых старых и распространенных методов физико-химического анализа. Его распространению способствовали сравнительная простота необходимого оборудования, особенно для визуальных методов, высокая чувствительность и возможность применения для определения почти всех элементов периодической системы и большого количества органических веществ. Открытие все новых и новых реагентов, образующих окрашенные соединения с неорганическими ионами и органическими веществами, делает в настоящее время применение этого метода почти неограниченным.

Фотометрический метод анализа может применяться для большого диапазона определяемых концентраций. Его используют как для определения основных компонентов различных сложных технических объектов с содержанием до 20-30% определяемого компонента, так и для определения микропримесей в этих объектах при содержании их до 10-3 - 10-4%. Комбинирование фотометрических методов с некоторыми методами разделения - хроматографическим, экстракционным позволяет на 1-2 порядка повысить чувствительность определения, доведя «его до 10-5».

В некоторых случаях фотометрический метод может быть применен для одновременного определения в растворе нескольких ионов, хотя, как это будет показано ниже, его возможности ограничены.

Очень ценно использование фотометрических методов для решения многих теоретических вопросов аналитической и физической химии [9].

Глава 3. Пробоотбор, пробоподготовка растворов к анализу

Химический анализ чаще всего начинают с отбора и подготовки пробы к анализу. Следует отметить, что все стадии анализа связаны между собой. Так, тщательно измеренный аналитический сигнал не дает правильной информации о содержании определяемого компонента, если не правильно проведен отбор или подготовка пробы к анализу. В большинстве случаев именно отбор и подготовка пробы к химическому анализу лимитирует надежность и, в целом, качество получаемых результатов, а также трудоемкость и длительность аналитического цикла.

Погрешность при пробоподготовке и отборе пробы часто определяет общую ошибку определения компонента и делает бессмысленным использование высокоточных методов. В свою очередь отбор и подготовка пробы зависят не только от природы анализируемого объекта, но и от способа измерения аналитического сигнала. Приемы и порядок отбора пробы и ее подготовки настолько важны при проведении химического анализа, что обычно предписываются Государственным стандартом (ГОСТ) отбор пробы.

Для проведения анализа, как правило, берут так называемую среднюю (представительную) пробу. Это небольшая часть анализируемого объекта, средний состав и свойства которой должны быть идентичны во всех отношениях среднему составу и свойствам исследуемого объекта. Различают генеральную, лабораторную и анализируемую пробы. Генеральная (называемая иногда первичной, большой или грубой) проба отбирается непосредственно из анализируемого объекта. Она достаточно большая -- обычно 1--50 кг, для некоторых объектов составляет иногда 0,5--5 т.

Из генеральной пробы путем ее сокращения отбирают лабораторную пробу (обычно от 25 г до 1 кг). Одну часть лабораторной пробы используют для предварительных исследований, другую -- сохраняют для возможных в будущем арбитражных анализов, третью -- используют непосредственно для анализа (анализируемая проба). В случае необходимости пробу измельчают и усредняют. Для анализируемой пробы проводят несколько определений компонента: из отдельных навесок 10--1000 мг (если анализируемый объект - твердое вещество) или аликвот (если анализируемый объект -- жидкость или газ). Содержание определяемого компонента в анализируемой пробе должно отражать среднее содержание этого компонента во всем исследуемом объекте, т.е. анализируемая проба должна быть представительной. Насколько это важно, можно показать на следующих примерах. Так, при массе анализируемой пробы 1--10 г оценивается среднее содержание определяемого компонента в генеральной пробе массой в несколько тонн и в конечном счете -- запас компонента в месторождении. Определение содержания физиологически активного компонента в анализируемой пробе из одной или нескольких таблеток дает основание для оценки эффективности всей партии лекарственного препарата. Эти примеры показывают необходимость правильного отбора пробы. Напомним, что именно погрешность в отборе пробы часто определяет общую погрешность химического анализа и, не оценив погрешности на этой стадии, нельзя говорить о правильности определения компонента в анализируемом объекте.

Чем больше материала отобрано для пробы, тем она представительнее. Однако с очень большой пробой трудно работать, это увеличивает время анализа и расходы на него. Таким образом, отбирать пробу нужно так, чтобы она была представительной и не очень большой.

Способы отбора пробы и ее величина, прежде всего, определяются физическими и химическими свойствами анализируемого объекта. При отборе пробы нужно учитывать: 1) агрегатное состояние анализируемого объекта (способы отбора пробы различны для газов, жидкостей и твердых веществ); 2) неоднородность анализируемого материала и размер частиц, с которых начинается неоднородность (чем однороднее вещество, тем проще отобрать пробу); 3) требуемую точность оценки содержания компонента во всей массе анализируемого объекта в зависимости от задачи анализа и природы исследуемого объекта (так, требуется большая точность при определении содержания физиологически активного компонента в лекарстве, чем при определении содержания компонента в руде для оценки рентабельности месторождения).

Один из факторов, который нужно учитывать при выборе способа отбора пробы, -- возможность изменения состава объекта и содержания определяемого компонента во времени. Например, переменный состав воды в реке, колебания состава дымовых газов промышленного предприятия, изменение концентрации компонентов в пищевых продуктах и т.д.

3.1 Общие положения

Целью отбора проб является получение дискретной пробы, отражающей качество исследуемой воды.

Отбор проб проводят для:

§ исследование качества воды для принятия корректирующих мер при обнаружении изменений кратковременного характера;

§ исследование качества воды для установления программы исследований или обнаружения изменений долгосрочного характера;

§ определения состава и свойств воды по показателям, регламентированным в нормативных документах (НД);

идентификации источников загрязнения водного объекта.

В зависимости от цели и объекта исследования разрабатывают программу исследований и, при необходимости, проводят статистическую обработку данных по отбору проб.

Место отбора проб и периодичность отбора устанавливают в соответствии с программой исследования в зависимости от водного объекта.

Объем взятой пробы должен соответствовать установленному в НД на метод определения конкретного показателя с учетом количества определяемых показателей и возможности проведения повторного исследования.

Метод отбора проб выбирают в зависимости от типа воды, глубины пробоотбора, цели исследования и перечня определяемых показателей с таким расчетом, чтобы исключить возможные изменения определяемого показателя в процессе отбора.

Выбранный метод подготовки отобранных проб к хранению должен быть совместимым с методом определения конкретного показателя, установленного в НД. При этом, если в НД на метод определения указаны условия хранения проб, то соблюдают условия хранения проб, регламентированных в НД.

3.2 Требования к оборудованию для отбора проб

Критериями для выбора емкости, используемой для отбора и хранения проб, являются:

§ предохранение состава пробы от потерь определяемых показателей или от загрязнения другими веществами;

§ устойчивость к экстремальным температурам и разрушению; способность легко и плотно закрываться; необходимые размеры, форма, масса; пригодность к повторному использованию;

§ светопроницаемость;

§ химическая инертность материала, использованного для изготовления емкости и ее пробки (например, емкости из боросиликатного или известково-натриевого стекла могут увеличить содержание в пробе кремния или натрия);

§ возможность проведения очистки обработки стенок, устранения поверхностного загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами.

Допускается применение одноразовых емкостей для отбора проб.

Емкость с закручивающимися крышками, узким и широким горлом должны быть снабжены инертными пластмассовыми или стеклянными пробками. Не допускается применять резиновые прокладки и смазку, если емкость предназначена для отбора проб с целью определения органических показателей.

Пробоотборники должны:

§ минимизировать время контакта между пробой и пробоотборника;

§ изготовляться из материалов, не загрязняющих пробу;

§ иметь гладкие поверхности;

§ быть сконструированы и изготовлены применительно к пробе воды для соответствующего анализа.

3.3 Подготовка проб к хранению

Для подготовки отобранной пробы к хранению в зависимости от определяемого показателя проводят при необходимости:

§ фильтрование;

§ консервацию;

§ охлаждение.

Пробы, предназначенные для определения летучих органических веществ, замораживанию не подлежат.

Для консервации проб применяют:

§ кислоты;

§ щелочные растворы;

§ органические растворители;

§ биоциды;

§ специальные реактивы для определения некоторых показателей.

При консервации используемое вещество добавляют непосредственно в пробу после ее отбора или в пустую емкость до отбора проб.

3.4 Требования к оформлению результатов отбора проб

Сведения о месте отбора проб и условиях, при которых они были отобраны, указывают на этикетке и прикрепляют к емкости для отбора проб. Допускается кодировать данную информацию при помощи нанесенных на емкость для отбора проб несмывающейся краской шифра.

Результаты определения, выполненных на месте, вносят в протокол испытаний, который заполняется и комплектуется на месте отбора пробы.

Результаты отбора проб заносят в акт об отборе, который должен содержать следующую информацию:

§ расположение и наименование места отбора проб, с координатами и любой другой информацией о местонахождении;

§ дату отбора;

§ метод отбора;

§ время отбора;

§ климатические условия окружающей среды при отборе проб;

§ температуру воды при отборе пробы;

§ метод подготовки к хранению;

§ цель исследования воды;

§ другие данные в зависимости от цели отбора проб;

§ должность, фамилию и подпись исполнителя.

Пробы аномальных материалов должны иметь описание наблюдаемой аномалии.

3.5 Транспортировка проб

Емкости с пробами упаковываются таким образом, чтобы упаковка не влияла на состав пробы и не приводила к потерям определяемых показателей при транспортировании, а также защищала емкости от возможного внешнего загрязнения и поломки.

При транспортировании емкости размещают внутри тары, препятствующей загрязнению и повреждению емкостей с пробами. Тара должна быть сконструирована так, чтобы препятствовать самопроизвольному открытию пробок емкостей.

Пробы, подлежащие немедленному исследованию, группируются отдельно и отправляются в лабораторию.

3.6 Приемка проб в лаборатории

Пробы, поступающие в лабораторию для исследования, должны быть зарегистрированы в журнале учета с обязательным указанием числа емкостей для каждой пробы.

Пробы хранятся в условиях, исключающих любое загрязнение емкостей для отбора проб и предотвращающих любое изменение в составе проб.

Глава 4. Определение жесткости водопроводной воды (экспериментальная часть)

Жесткость воды является одним из основных показателей, характеризующим применение воды в различных отраслях.

Жесткостью воды называется совокупность свойств, обусловленных содержанием в ней щелочноземельных элементов, преимущественно ионов кальция и магния.

В зависимости от рН и щелочности воды жесткость выше 10°Ж может вызывать образование шлаков в распределительной системе водоснабжения и накипи при нагревании. Вода жесткостью менее 5°Ж может оказывать коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Жесткость воды может влиять и на применяемость для потребления человеком с точки зрения ее вкусовых свойств.

При комплексонометрическом (титриметрическом) определении жесткости ионы алюминия, кадмия, свинца, железа, кобальта, меди, марганца, олова и цинка влияют на установление эквивалентной точки и мешают определению. Ионы ортофосфата и карбоната могут осаждать кальций в условиях титрования. Определению могут также мешать некоторые органические вещества. Если мешающее влияние невозможно устранить, определение жесткости рекомендуется проводить методами атомной спектрометрии.

Комплексонометрический метод

Метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б с ионами щелочноземельных элементов. Определение проводят титрованием пробы раствором трилона Б при рН = 10 в присутствии индикатора. Наименьшая определяемая жесткость воды - 0,1°Ж.

Оборудование и реактивы:

Колбы 250 мл;

Бюретки 25 мл;

Трилон Б (0,1);

Буферный раствор pH=10;

Индикатор эриохром черный;

Исследуемая вода.

Приготовление растворов и индикаторов

Раствор трилона Б молярной концентрации 25 ммоль/л

Трилон Б высушивают при 80 °С в течение двух часов, отвешивают 9,31 г, помещают в мерную колбу вместимостью 1000 мл, растворяют в теплой от 40 °С до 60 °С бидистиллированной воде и после охлаждения раствора до комнатной температуры доводят до метки бидистиллированной водой. Установку поправочного коэффициента к концентрации раствора трилона Б, приготовленного из навески, проводят по раствору сульфата магния. Раствор из ГСО состава трилона Б или стандарт-титра (фиксанала) трилона Б готовят в соответствии с инструкцией по применению, разбавляя его до требуемой концентрации. Раствор трилона Б пригоден для использования в течение шести месяцев. Рекомендуется не реже одного раза в месяц проверять значение поправочного коэффициента.

Буферный раствор рН = (10 ± 0,1)

Для приготовления 500 мл буферного раствора в мерную колбу вместимостью 500 мл помещают 10 г хлорида аммония, добавляют 100 мл бидистиллированной воды для его растворения и 50 мл 25%-ного водного аммиака, тщательно перемешивают и доводят до метки бидистиллированной водой. Буферный раствор пригоден для использования в течение двух месяцев при его хранении в плотно закрытой емкости, изготовленной из полимерного материала. Рекомендуется периодически перед применением буферного раствора проверять его рН с использованием рН-метра. Если значение рН изменилось более чем на 0,2 единицы рН, то готовят новый буферный раствор.

Порядок проведения определений

Выполняют два определения, для чего пробу анализируемой воды делят на две части.

В колбу вместимостью 250 мл помещают первую часть аликвоты пробы анализируемой воды объемом 100 мл, 5 мл буферного раствора, от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора и титруют раствором трилона Б.

Вторую часть аликвоты пробы объемом 100 мл помещают в колбу вместимостью 250 мл, добавляют 5 мл буферного растворов, от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора, добавляют раствор трилона Б, которого берут на 0,5 мл меньше, чем пошло на первое титрование, быстро и тщательно перемешивают и титруют (дотитровывают).

Обработка результатов определения.

Жесткость воды Ж, °Ж, вычисляют по формуле:

Ж = M·F·K·V т p /V np (1)

где М - коэффициент пересчета, равный 2 Стр, где Стр - концентрация раствора трилона Б, моль/м³ (ммоль/дм³);

F - множитель разбавления исходной пробы воды при консервировании;

К - коэффициент поправки к концентрации раствора трилона Б;

V тр - объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, мл;

V пр - объем пробы воды, взятой для анализа, мл.

Результаты проведенного опыта:

В Ново-Савиновском районе:

Ж=50*1*4,2/100=2,1 мг /л - это означает что, вода мягкая;

В Советском районе:

Ж= 50*1*9,25/100=4,625 мг/л - здесь же вода довольно жесткая.

Глава 5. Статистическая обработка данных

5.1 Теория ошибок

Даже точные наблюдения могут привести к неточным выводам, если опытные данные обработаны неправильно. Поэтому обработка результатов эксперимента является ответственной операцией при выполнении лабораторных и исследовательских работ.

Общие понятия теории ошибок. Аналитические операции и измерения неизбежно сопровождаются ошибками. Ошибки принято делить на грубые, систематические и случайные (нужно иметь в виду, что это деление условно).

Грубые ошибки. Ошибки при проведении эксперимента или получения совершенно неверных результатов вследствие внешних влияний, например, если наблюдатель неправильно прочтет отсчет по бюретке или допустит арифметические ошибки в вычислении. Наличие ошибок проявляется в том, что среди сравнительно близких результатов наблюдается одно или несколько значений, заметно выделяющихся по значению из общего ряда, и это значение сразу отбрасывают. В большинстве случаев нельзя сразу признать то или иное наблюдение неверным только по признаку «выскакивания» из общего ряда и нужно провести дополнительные исследования.

Систематические ошибки. К ним относятся в первую очередь ошибки, которые часто называют инструментальными. Это ошибки, возникающие вследствие использования недостаточно чистых реактивов, титрования неправильно установленными стандартными растворами и т.п. систематические ошибки вызываются факторами, действующими одинаковым образом при многократном повторении одних и тех же измерений.

Обычно не наблюдается больших отклонений данных, получаемых при выполнении параллельных определений. Воспроизводимость параллельных определений не всегда является веским доказательством правильности проведенных опытов.

Случайные ошибки. Многократные измерения одной и той же величины, произведенные с возможной тщательностью, и после учета всех систематических ошибок всегда дают различные числовые значения, т.е. на результаты измерений влияют какие-то причины, не поддающиеся учету. Причиной случайных ошибок в аналитической химии может быть недостаточно четкое проведение титрования, осаждения, фильтрования и т.п. От случайных ошибок избавиться невозможно. Можно лишь приближенно оценить их влияние на погрешность эксперимента.

Для оценки влияния случайных ошибок проводят статистическую обработку экспериментальных данных.

Терминология.

Измеренное значение. Наблюдаемое значение.

Результат. Конечное значение измеряемой величины, полученное в процессе измерения и проведения всех вспомогательных операций и расчетов.

Варианта. Числовое значение, используемое для статистической обработки экспериментальных данных. Им может быть как измеренное значение, так и результат.

...