На головну

Затверджено

на засіданні кафедри

хімії і технології неорганічних речовин

Протокол № 1 від 27.08.2014 р.

Львів - 2014

Визначення форм карбону(ІV) оксиду і стабільності природних вод:Методичні вказівки та інструкція до лабораторної роботи з курсів "Теоретичні основи хімії і технології води" для студентів базового напряму 6.051301 "Хімічна технологія" і "Хімія води і мікробіологія" для студентів базового напряму 6.060103 "Гідротехніка (водні ресурси)"/Укл.: В. Т. Яворський, Л. В. Савчук, З. О. Знак, Р. Р. Оленич - Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2014. -19 с.

УкладачіЯворський В. Т., д-р техн. наук, проф.,

Cавчук Л. В., канд. техн. наук, доц.,

Знак З. О., д-р техн. наук, проф.,

Оленич Р. Р., канд. хім. наук, доц.

Відповідальний за випускЯворський В. Т., д-р техн. наук, проф.

РецензентВахула Я.І., д-р техн. наук, проф.


Мета роботи: засвоєння студентами методик визначення вмісту окремих форм карбону(ІV) оксиду в природних водах та стабільності води.

1. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1.1. Форми карбону(ІV) оксиду в природних водах

Карбону(ІV) оксид потрапляє у воду внаслідок розкладання органічних залишків у природних умовах - у воді та ґрунтах. Окрім того, природні поверхневі води безпосередньо контактують з повітрям, яке містить 0,045 % мас. карбону(ІV) оксиду. Тому природні води завжди містять певну кількість СО2 фізично розчиненого (вільного СО2) та хімічно зв'язаного у формах Н2СО3, МеСО3, Ме(НСО3)2. Прийнято загальний вміст карбону(ІV) оксиду у водах виражати у перерахунку на вільний СО2 (мг∕дм3).

Процеси, які відбуваються у СО2-вмісних природних водах, можна описати такими рівняннями׃

СО2(г) D СО2(р) , (1)

СО2(р) + Н2О D Н2СО3 , (2)

Н2СО3 D Н+ + НСО3 , (3)

НСО3D Н+ + СО32− , (4)

2 МеСО3+ 2Н2О D Ме(НСО3)2+ Ме(ОН)2, (5)

Ме(НСО3)2D Ме2++ 2НСО3, (6)

Ме(ОН)2 D МеОН+ + ОН. (7)

У підсумку, у водах встановлюється динамічна рівновага між вільним СО2 та продуктами перебігу процесів (2) - (7), які визначають вміст у воді окремих іонів.

Розчинність СО2 у воді порівняно висока; наприклад, за температури 0 оС вона становить 1,7 дм3 на 1 дм3 води або 1964 мг∕дм3. Насправді загальний вміст вільного СО2 у поверхневих водах не перевищує 20 мг∕дм3, у підземних − до 40 мг∕дм3. Карбонатна кислота, що утворюється (реакція 2) належить до дуже слабких кислот, а, відтак, ця рівновага сильно зміщена ліворуч. Отже, є підстави вважати, що карбону(ІV) оксид у воді перебуває переважно у вільному стані.

Розчинений у воді карбону(IV) оксид частково реагує з нею, утворюючи слабку карбонатну кислоту Н2СО3. Цю форму називають хімічно зв'язаною формою і характеризують сумою Н2СО3 і СО2. У цьому разі вміст Н2СО3 перераховують на СО2.

Гідрогенкарбонат- та карбонат-іони у воді називають гідрогенкарбонатною і карбонатною формами СО2 відповідно. Сумарний вміст усіх трьох форм (вільного, гідрогенкарбонатного і карбонатного) складає загальний вміст СО2 (СО2 заг, мг/дм3).

Карбонатна кислота дисоціює у воді у дві стадії (процеси (3) і (4)). Константи дисоціації для першого та другого ступенів за температури 25 0С дорівнюють відповідно:

Їх величини відрізняються приблизно на чотири порядки, внаслідок чого у природних водах, переважно, містяться гідрогенкарбонат-іони, а вміст карбонат-іонів дуже незначний.

Із рівнянь дисоціації карбонатної кислоти (рівняння (3) і (4)) також випливає, що концентрації вільного СО2, іонів НСО3 і СО32− перебувають у кількісному взаємозв'язку з рН води. Для перевірки результатів аналізу і розрахунку рН води користуються номограмами (рис. 1). Якщо аналізи проведені якісно, то розходження між експериментальним і розрахунковим значенням рН зазвичай не перевищує 0,2−0,3 одиниць.

Практично можна вважати, що за рН ≤ 4,5 у природних водах міститься тільки вільний СО2, в інтервалі рН 4,5...8,4 у воді присутні вільний СО2 та іони НСО3. У разі подальшого підвищення рН вільний СО2 у воді відсутній, а поряд з іонами НСО3 з'являються карбонат-іони СО32−, які за рН >10,5 стають переважаючими (рис.2). Вміст (у % мольних) вільного СО2, іонів НСО3- та СО32- у воді від рН водного середовища можна виразити відповідними залежностями:

;

;

За відсутності у воді розчинених карбонатів (гідрогенкарбонатів) металів реакція середовища за рахунок перебігу процесів (3) і (4) повинна бути кислою, тобто рН повинен бути меншим 7. За відсутності карбонатів рН природних вод повинно становити приблизно 4,5. Але іони Н+ зв'язуються іонами ОН, СО32− і НСО3, внаслідок чого рН води має вищі значення.


Рис.2. Залежність форм карбону(IV) оксиду від рН середовища

1.2. Лужність води

У разі присутності розчинених карбонатів, що характерно для природних вод, за рахунок реакції гідролізу солей (реакція 5) та дисоціації продуктів гідролізу (рівняння 6 і 7) рН води зростає - стає більшим 7 (навіть доходить до 10...11), тобто вода стає лужною. Унаслідок зазначеного для характеристики вод з рН >7 введено поняття лужність води, яка залежить від співвідношення іонів, що утворюються під час перебігу вищенаведених реакцій і, зокрема, концентрації іонів Н+ і ОН.

Загальну лужність (Лзаг) визначають титруванням проби води розчинами сильних кислот певної нормальності; її виражають у мекв/дм3. Загальна лужність води зумовлена наявністю у ній іонів НСО3, СО32− та ОН. Під час титрування розчинами кислот відбуваються такі реакції:

ОН + Н+ → Н2О, (8)

СО32− + Н+ → НСО3 , (9)

НСО3 + Н+ → СО2 + Н2О. (10)

Розрізняють такі форми лужності: загальну, гідрогенкарбонатну, карбонатну і гідратну. Вони, крім загальної, кількісно дорівнюють концентрації відповідних іонів (мекв/дм3). Для їх роздільного визначення необхідно, крім загальної лужності за метилоранжем (ЛМ), визначити лужність за фенолфталеїном (ЛФ). Цей індикатор має перехід забарвлення за рН 8,2−10,0 (безколірний у кислому середовищі, малиновий − у лужному).

Під час титрування проби води, яку досліджують, розчином хлоридної кислоти за присутності фенолфталеїну відбувається нейтралізація лише іонів ОН і СО32− за реакціями (8) і (9). Вміст окремих форм лужності розраховують за формулами, наведеними в табл. 1.

Таблиця 1

Формули для розрахунку гідратної, карбонатної і гідрогенкарбонатної лужності води

Співвідношення ЛМ і ЛФ Форми лужності води Формула розрахунку форм загальної лужності
гідрогенкарбонат-іони (НСО3), мекв/дм3 карбонат-іони (СО32−) мекв/дм3 гідроксидні іони (ОН), мекв/дм3
ЛФ =0 гідрогенкарбонати ЛМ
2 ЛФ < ЛМ гідрогенкарбонати і карбонати ЛМ − 2 ЛФ 2 ЛФ
2 ЛФ = ЛМ карбонати 2 ЛФ
2 ЛФ > ЛМ карбонати і гідроксидні іони 2(ЛМ − ЛФ) 2 ЛФ − ЛМ
ЛФ = ЛМ гідроксидні іони ЛМ

ЛФ − лужність води за фенолфталеїном, мекв/дм3;

ЛМ − лужність загальна за метилоранжем, мекв/дм3.



Вечность и еще один день 4 страница | МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБОТИ
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати