автордың кітабын онлайн тегін оқу Гидрохимия
В.Д. Блинникова, Н.Л. Багнавец, А.Л. Кауфман
Гидрохимия
Учебно-методическое пособие
Информация о книге
УДК 556.114(075.8)
ББК 26.22 я 73
Б-69
Рецензенты:
Торшин С. П. – д-р биол. наук, профессор;
Дайдакова И. В. – канд. хим. наук, доцент.
Авторы:
Блинникова В. Д., Багнавец Н. Л., Кауфман А. Л. Гидрохимия
Учебно-методическое пособие состоит из двух частей. В теоретической части даны общие сведения о воде, представлены химический состав природных вод, физико-химические показатели качества воды, рассмотрены вопросы отбора и обработки проб природной воды.
В практической части описаны методы химического анализа и представлены лабораторные работы по анализу природных вод с применением химических и физико-химических методов в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом. В издании представлен расширенный спектр лабораторных работ, что позволяет варьировать лабораторные работы с учетом учебного плана по годам обучения, а также возможностей кафедры химии.
В приложении приведены краткий перечень ПДК основных загрязняющих веществ в водных объектах, нормативные значения показателей качества питьевой воды и методы их определения.
Пособие предназначено для студентов факультета агрономии и биотехнологии (направление «Гидрометеорология», профиль «Метеорология»).
Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией факультета агрономии и биотехнологии РГАУ – МСХА имени К. А. Тимирязева, протокол № 13 от 18 апреля 2018 г.
УДК 556.114(075.8)
ББК 26.22 я 73
© Блинникова В. Д., Багнавец Н. Л., Кауфман А. Л., 2018
© ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, 2018
© ООО «Проспект», 2018
Введение
Данное пособие по гидрохимии предназначено для студентов факультета агрономии и биотехнологии (направление «Гидрометеорология», профиль «Метеорология»).
В нем дан краткий теоретический материал по химическому составу природных вод и описаны лабораторные работы по анализу природных вод с применением химических и физико-химических методов, в соответствии с государственными стандартами.
Вода – непременное условие проявления жизни; в ней развились первые живые организмы; она входит в состав всех живых существ на Земле, поэтому без воды не может существовать ни один из их видов. Велико значение воды и в повседневной практической деятельности человека.
Важная роль воды всецело связана с ее способностью растворять различные вещества, встречающиеся в природе, и образовывать сложные растворы солей, газов и органических веществ с разными свойствами. Перенос растворенных водой веществ ведет к образованию отложений в морях и бессточных бассейнах, способствует перераспределению солей на поверхности Земли. Все многообразие почв, их плодородие обязано процессам взаимодействия почв с водными растворами. От состава воды зависят и многие ее физические свойства: температура замерзания, величина испарения, цвет, прозрачность и характер протекающих в ней химических процессов.
Одной из важных особенностей анализа объектов окружающей среды является многокомпонентность проб. Поэтому часто актуален анализ проб на содержание не только основных компонентов, микрокомпонентов, но и на степень загрязнения токсичными веществами. При проведении лабораторных работ большое внимание отводится таким этапам анализа как отбор пробы, ее хранение, подготовка к анализу. Студент должен освоить современные методы анализа, выполнять их в соответствии с существующими нормативными документами (ГОСТами). На заключительном этапе выполнения лабораторной работы уметь проводить математическую обработку результатов эксперимента, сравнивать полученные данные со значениями предельно допустимых концентраций (ПДК) по определенным загрязнителям, делать выводы о качестве исследуемого объекта окружающей среды.
Следует также учитывать, что для различных типов вод (вода питьевая, минеральная, природная, сточная) существуют индивидуальные нормативные документы.
Анализ воды следует производить по возможности сразу же после отбора пробы, так как при стоянии воды изменяется содержание ряда показателей: концентрация СО2, О2, рН и т. п., что приводит к значительным изменениям состава анализируемой пробы.
Учитывая скорость изменения физических свойств и химического состава воды, соблюдают следующий порядок определений: температура, запах, прозрачность, цветность, водородный показатель (рН), кислород, оксид углерода (IV), общая жесткость: содержание иона кальция, магния, гидрокарбонат-иона, сульфат-иона, хлорид-иона.
Исследование качества воды заключается в сопоставлении результатов анализа воды по определенным параметрам с установленными стандартами. Разработаны стандарты качества воды для каждого из предполагаемых способов применения конкретного вида воды. Качество воды предварительно оценивается по общим характерным параметрам и суммарным показателям: органолептические свойства, цветность, мутность, кислотность, щелочность, химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК), объем грубодисперсной фазы, общее содержание углерода, азота, серы и т. д. Общие параметры дополняются более детальными требованиями к качеству воды. При этом нормируются концентрации отдельных веществ (по величинам ПДК).
Теоретическая часть. Основные сведения о воде
1. Химический состав природных вод
В процессе круговорота воды на Земле, связывающего гидросферу с атмосферой, литосферой и биосферой, осуществляется формирование химического состава вод. Он определяется не только естественными (химическими, физическими и биологическими), но и антропогенными факторами, и представляет собой сложный комплекс растворенных газов, различных минеральных солей и органических соединений. В природных водах растворены почти все известные на земле химические элементы в виде простых и сложных ионов, комплексных соединений, растворенных или газообразных молекул, стабильных и радиоактивных изотопов. Из всех стабильных химических элементов, известных в земной коре, около 90 обнаружены в природных водах, а также во всех природных объектах, составляющих водные экосистемы. Нет сомнения в том, что при повышении чувствительности аналитических методов будут обнаружены и многие другие элементы.
Химические вещества и элементы в составе природных вод условно делят на шесть групп:
1) главные ионы (макрокомпоненты) – К+, Na+, Mg2+, Са2+, Cl–, SO42–, НСО3–, СО32–.
Важнейшим источником поступления Na+ являются залежи галита (NaCl), находящиеся среди осадочных пород морского, а в засушливых районах и континентального происхождения. Катионы K+ содержатся в кислых изверженных породах (ортоклаз, мусковит), количество калия составляет 4 –10% от количества натрия в подземных и поверхностных водах, что обусловлено, главным образом, большой биологической потребностью калия для живых организмов, в первую очередь для растений. Катионы Са2+ содержатся в известняках, доломите, гипсе и осадочных породах, ионы Mg2+ поступают в воду при растворении доломитов, мергелей или продуктов выветривания магматических горных пород. Анионы SO42– находятся в осадочных породах, в состав которых входит гипс, мирабилит, образуются в результате окисления сероводорода, свободной серы и сульфидов. Хлориды Cl– содержатся в продуктах выветривания магматических пород, в хлористых минералах (галит NaCl, сильвин КСl и др.), поступают из горных пород, почв (особенно солончаков) и скоплений солей, а также из атмосферных осадков, из вулканических выбросов, стоков промышленных предприятий и хозяйственно-бытовых стоков. Анионы HCO3– и CO32– поступают в воду при растворении солей угольной кислоты, карбонатов кальция (СaCO3) и магния (MgCO3).
Несколько особое положение занимают ионы водорода (Н+), находящиеся в природных водах в очень небольших количествах, но значение которых для выяснения химических и биологических процессов, протекающих в воде, заставляет рассматривать их отдельно от микроэлементов;
2) растворенные газы – кислород, азот, сероводород, диоксид углерода, метан и др.
Кислород (О2), являясь мощным окислителем, играет особую роль в формировании химического состава природных вод. Он обладает высокой химической активностью, поэтому в чистом виде в значительном количестве находится лишь в атмосфере. Образуется кислород в результате происходящих в природе процессов фотосинтеза. Расходуется кислород на окисление органических веществ, а также в процессе дыхания организмов.
Оксид углерода(IV) находится в природной воде в виде растворѐнных молекул CO2. Главным источником СО2 в природных водах являются процессы окисления, происходящие с выделением СО2. К ним относятся дыхание водных организмов, биохимический распад и окисление органических остатков. Диоксид углерода может иметь и неорганическое происхождение. В огромных количествах он выделяется при вулканических извержениях.
Сероводород и метан. Метан принадлежит к газам биохимического происхождения. Основным источником образования метана служат дисперсные органические вещества в породах. В чистом виде он иногда присутствует в болотах, образуясь при гниении болотной растительности. Наличие сероводорода в водах служит показателем сильного загрязнения водоема органическими веществами;
3) биогенные вещества – соединения азота, фосфора, железа и кремния.
Основными источниками появления их в природной воде являются сложные органические вещества животного и растительного происхождения, содержащие в своем составе белок. Азот и фосфор относятся к биогенным элементам в природных водах. Оба эти элемента являются составной частью всех тканей живых организмов, и поэтому им принадлежит ведущая роль в развитии жизни в водоемах. В свою очередь концентрация этих биогенных элементов и их режим целиком зависят от интенсивности биохимических и биологических процессов, происходящих в водоемах. Азот присутствует в природных водах в виде разнообразных неорганических и органических соединений. К числу неорганических соединений относятся аммонийные NH4+, нитритные NО2– и нитратные NО3– ионы.
В природных водах в растворенном состоянии соединения фосфора встречаются как в виде ионов ортофосфорной кислоты, так и в виде соединений в органическом комплексе.
Соединения железа встречаются вследствие перехода их в раствор из горных пород. Переход железа в раствор может происходить под действием окислителей (кислород) или кислот (угольной, органических). Органические кислоты, содержащиеся в болотистых водах, переводят в раствор железо в виде сложных гумусовых комплексов. С этим обстоятельством, очевидно, связано постоянное присутствие железа в водах, богатых гумусовыми веществами.
Кремний, являясь ионогенным элементом, присутствует в водах в истинно растворенном состоянии в виде мета- и ортокремниевых кислот (H2SiО3 и H4SiО4), а также в виде коллоидов типа nSiО2∙ mH2О и некоторого количества дисперсного кристаллического SiО2 (в составе кварца, силикатов и алюмосиликатов).
4) органические вещества – разнообразные органические соединения, относящиеся к органическим кислотам, сложным эфирам, фенолам, гумусовым веществам, азотсодержащим соединениям (белки, аминокислоты, амины) и др.
Обогащение поверхностных вод органическим веществом происходит тремя способами: 1) вещество поступает с водосборной площади; 2) вещество образуется в самом водном объекте; 3) вещество поступает из подземных водоносных горизонтов.
В густонаселенных и индустриально развитых районах основным источником поступления органического вещества являются промышленные и бытовые сточные воды.
5) микроэлементы (микрокомпоненты) – все металлы, кроме главных ионов (Na+, К+, Mg2+, Са2+) и железа, а также некоторые другие компоненты, содержащиеся в водах в небольших количествах (например, радиоактивные элементы). В природных водах этих микроэлементов содержится очень малое количество, но, несмотря на это, их роль в жизненных процессах достаточно велика.
Микроэлементами называют такие элементы, среднее содержание которых в водах обычно составляет менее 10 мг/л. Однако эта цифра является условной. В отдельных случаях содержание микрокомпонентов в водах может намного превышать указанное значение. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод, в нее входят практически все элементы периодической системы, не включенные в предыдущие четыре группы растворенных компонентов (главные ионы, растворенные газы, биогенные и органические вещества). Условно их можно разделить на шесть подгрупп:
1) типичные катионы (Li+ , Rb+, Cs+, Ве2+, Sr2+, Ва 2+и др.);
2) ионы тяжелых металлов (Cu2+, Ag+, Au+, Pb2+, Fe2+, Ni2+, Co2+ и др.);
3) амфотерные комплексообразователи (Сг, Mo, V, Mn);
4) типичные анионы (Br–, I–, F–);
5) радиоактивные элементы.
6) загрязняющие вещества – нефтепродукты, фенолы, пестициды, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), детергенты и др.
Весьма неблагоприятное воздействие на поверхностные водоемы оказывают сточные воды предприятий металлургической и машиностроительной промышленности. Эти предприятия являются источниками загрязнения природных вод ионами железа ртути, свинца, меди, хрома, цинка, олова, марганца и других тяжелых металлов, многие из которых проявляют высокую степень токсичности. Наибольшую опасность для водной среды представляют свинец, ртуть и их соединения. В атмосферных осадках, формирующихся в промышленных районах, концентрации тяжелых металлов в десятки и более раз превышают их фоновые значения, а ареал распространения так называемых кислых дождей (рН < 4) неуклонно растет.
Промышленные сточные воды вносят в водные объекты значительные количества неорганических и органических веществ, среди которых присутствуют чуждые природной среде соединения (цианиды, роданиды, нефтепродукты, фенолы, ацетон, СПАВ и др.).
Основные источники загрязнения нефтью и нефтепродуктами связаны с хозяйственной деятельностью человека: нефтедобычей, переработкой, транспортировкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья. По оценкам экспертов, в океан ежегодно попадает около 10 млн. тонн нефти. Нефть на воде образует тонкую пленку, препятствующую газообмену между водой и воздухом. Оседая на дно, нефть попадает в донные отложения, где нарушает естественные процессы жизнедеятельности донных животных и микроорганизмов.
Значительно возрос выброс в океан, реки, водоемы бытовых и промышленных сточных вод, содержащих токсичные синтетические моющие вещества и компоненты, преимущественно фосфаты, входящие в их состав. Наличие синтетических моющих средств в воде затрудняет очистку сточных вод и водоснабжение: в отстойных бассейнах и в реках образуется пена.
2. Физико-химические показатели качества природных вод
Под качеством природной воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.
2.1. Органолептические показатели
Температура. Tемпература воды поверхностных источников существенно меняется по сезонам года (от 0,1 до 30 °С), подземных источников постоянна (8–12 °С). Оптимальная температура для хозяйственно-питьевого водоснабжения 7–11 °С. Измерение температуры пробы воды производят во время отбора пробы ртутным термометром с ценой деления 0,1–0,5 °С, который опускают на заданную глубину и выдерживают в течение 3–10 мин. После извлечения термометра тотчас измеряют показания.
Вкус и привкус. Вкус воды определяется растворенными в ней веществами органического и неорганического происхождения и различается по характеру и интенсивности. Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами (щелочной, металлический, вяжущий и т. п.).
Запах. Запах – показатель качества воды, определяемый органолептическим методом с помощью обоняния на основании шкалы силы запаха. На запах воды оказывают влияние состав растворенных веществ, температура, значения рН, степень загрязненности водного объекта и целый ряд прочих факторов. Интенсивность запаха воды определяют органолептически при 20°С и 60°С и измеряют в баллах, согласно требованиям.
Мутность и прозрачность. Мутность – показатель качества воды, обусловленный присутствием в воде нерастворенных и коллоидных веществ неорганического и органического происхождения. Причиной мутности поверхностных вод являются илы, кремниевая кислота, гидроокиси железа и алюминия, органические коллоиды, микроорганизмы и планктон. В грунтовых водах мутность вызвана преимущественно присутствием нерастворенных минеральных веществ.
Противоположная характеристика воды – прозрачность, т. е. ее способность пропускать световые лучи. Чем больше в воде взвешенных веществ, тем выше ее мутность, т. е. меньше прозрачность. Ослабление интенсивности света с глубиной в мутной воде приводит к большему поглощению солнечной энергии вблизи поверхности. Появление более теплой воды у поверхности уменьшает перенос кислорода из воздуха в воду. Уменьшение потока света также снижает эффективность фотосинтеза и биологическую продуктивность водоема. Определение прозрачности воды – обязательный компонент программ наблюдений за состоянием водных объектов. Увеличение количества грубодисперсных примесей и мутности характерно для загрязненных водоемов.
2.2. Минерализация воды
В гидрохимии широко распространен термин минерализация воды, под которым понимают общее содержание в воде всех найденных при химическом анализе минеральных веществ.
Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводимость варьирует от 30 до 1500 мкСм/см.
Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40–50 мг/л до сотен г/л (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10–120 мкСм/см. Согласно ГОСТ 17403-72 природные воды по минерализации разделены на группы (табл. 1). Предел пресных вод – 1 г/кг – установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен – соленый или горько-соленый.
Граница между солоноватыми и солеными водами принята на том основании, что при минерализации около 25 г/кг температура замерзания воды и температура наибольшей плотности морской воды совпадают, и при этом меняются некоторые свойства воды.
Таблица 1
Характеристика вод по минерализации
| Группа воды | Единицы измерения, г/кг |
| Пресные | До 1 |
| Солоноватые | 1–25 |
| Соленые | 25–50 |
| Рассолы | Более 50 |
Граница 50 г/кг между солеными водами и рассолами обусловлена тем, что соленость больше этого значения не бывает в морях; такая соленость характерна только для соленых озер и некоторых подземных вод.
2.3. Жесткость воды
Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са2+), магния (Mg2+), стронция (Sr2+), бария (Ва2+), железа (Fe3+), марганца (Mn2+). Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов – и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния – общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости более 9 ммоль/л нужно учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.
По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется, как способность воды образовывать пену с мылом. В России жесткость воды выражают в ммоль/л. В жесткой воде обычное натриевое мыло превращается (в присутствии ионов кальция) в нерастворимое «кальциевое мыло», образующее бесполезные хлопья. И пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткость воды, образование пены не начнется. На 1 ммоль/л жесткости воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически – до 530. Но, конечно, основные неприятности возникают от накипеобразования. Международные своды нормативов качества воды не нормируют жесткость воды – только отдельно содержание в воде ионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+): нормы качества питьевой воды Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), т
...
