Определение активной реакции воды

Цель работы: Определить сводную и общую кислотность, свободную и общую щелочность воды методом нейтрализации.

Активная реакция воды, т.е. ее кислотность или щелочность, количественно характеризуется концентрацией ионов водорода, которую принято выражать водородным показателем рН, равным отрицательному десятичному логарифму активности или концентрации ионов водорода

рH= - lg а_H+ или pH= -lg [H⁺].

рН большинства природных вод близка к нейтральной (рН=6,8-7,3) Это значение обеспечивается наличием в воде буферной системы, состоящей из растворенных в воде угольной кислоты и гидрокарбоната кальция, которые диссоциируют по схеме:

H₃CO₃ H⁺ + HCO₃^-

Са(НСОз)₂ Са²⁺ +2НСО₃ ^-

Концентрация ионов водорода в такой системе мало изменяется с разбавлением, поскольку ее рН определяется не концентрацией кислоты и еб соли, а соотношением этих концентраций:

[Н₂СОз]

[H⁺] = Kд₁ (H₂CO₃ )

[HCO₃^-]

Прибавление к воде небольших количеств кислоты или щелочи также незначительно изменяет рН. Это объясняется тем, что прибавление к воде щелочи, вызывает связывание ионов водорода, образовавшихся при диссоциации угольной кислоты, в мал о диссоциирующие молекулы воды. Это вызывает диссоциацию новых количеств кислоты и восстановление первоначальной концентрации ионов водорода.

При прибавлении к воде кислоты избыточные ионы водорода связываются ионами гидрокарбоната в малодиссоциирующие молекулы угольной кислоты и концентрация ионов водорода остается практически неизменной.

Емкость углекислотой буферной смеси в природной воде не очень велика, но все же позволяет поддерживать рН воды почти неизменным при различных процессах ее обработки: хлорировании, коагулировании, известковании и т. д Изменение рН воды свидетельствует о загрязнении ее сточными водами.

рН воды определяют: колориметрическим методом с помощью кислотно-основных индикаторов (в полевых условиях) и потенциометрическим методом, используя рН - метр. В данной работе определение рН ведут потенциометрическим методом.

В основе метода точного определения водородного показателя (рН) лежит измерение электродвижущих сил гальванических цепей (потенциометрия) .При потенциометрическом титровании цветной индикатор заменяют электродом. Конец титрования определяют по резкому изменению электродного потенциала в эквивалентной точке (х) т.е. наблюдается скачок потенциала (х, смотри рис 1 а, б);

а) интегральная кривая б) дифференциальная кривая

Электроды в потенциометрическом методе анализа выступают в роли индикаторов

Электрод который реагирует на изменение концентрации определяемого иона в растворе и заменяет собой индикатор при обычном титровании, называется индикаторным злектродом. Это хингидронный (Pt, C₆H₄(OH)₂ С₆Н₄О₂ стеклянный (тонкостенный стеклянный шарик диаметром 1-1,5см, заполненный стандартным раствором с известной концентрацией, в который помещен чаще всего хлорсеребрянный электрод : (Ag | AgClтв ,НС1 стеклянная мембрана|Н⁺) и др. электроды.

Электрод сравнения или стандартный электрод это электрод потенциал которого не изменяется в процессе титрования и служит для определения потенциала индикаторного электрода. Это хлорсеребрянный Ag |AgCl | NaCl, каломельный Hg l Hg₂Cl₂ 1_,KCl и др.

Кислотность вода обусловлена наличием свободной углекислоты, а также растворимых солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой. Такие соли, подвергаясь гидролизу, образуют свободные кислоты. Например:

Mg²⁺+HOH MgOH⁺ + H⁺

Для количественной характеристики кислотности водыы пользуются двумя способами:

1.Общая кислотность называется аналитической или титруемой. Ее выражением служит нормальность раствора. Общей кислотностью называется содержание в воде веществ, вступающих в реакцию со щелочами.

2. Активная кислотность представляет собой лишь часть общей кислотности и не может быть больше ее. Ее выражением служит водородный показатель рН. Она определяется только свободными ионами водорода, имеющимися в воде в данных условиях, т.е. свободной кислотностью.

Соотношение между активной и общей кислотностью зависит от степени диссоциации кислоты в данном растворе. Чем меньше степень диссоциации, тем меньшую долю общей кислотности составляет активная кислотность

Общая щелочность воды обусловлена наличием свободных оснований, а также солей слабых кислот и сильных оснований. Такие соли, гидролизуясь, образуют свободные гидроксильные ионы. Например:

CO₃^2- + HOH HCO₃^- + OH^-

HCO₃^- + HOH H₂CO₃ + OH^-

S^2- + HOH HS ^- + OH^-

HS^- +HOH H₂S + OH^-

В природных водах щелочность обычно характеризуется концентрацией гидрокарбонатов (гидрокарбонатная) , в щелочных водах - карбонатов (карбонатная). Щелочность, обусловленная растворимыми основаниями называется гидратной.

Общей щелочностью называется содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с кислотами до достижения рН=4,5. Ее выражением служит нормальность раствора.

Часть общей щелочности, которая соответствует количеству кислоты, нужному для повышения рН до 8,3 называется свободной щелочностью.

Определяют кислотность и щелочность воды различными методами: объемным - нейтрализации, электрохимическим - потенциометрическое и кондуктометрическое титрование. Электрохимические методы удобно использовать при анализе окрашенных промышленных сточных вод.

В данной работе кислотность и щелочность определяют методами нейтрализации и потенциометрического титрования.

В основе метода нейтрализации лежит реакция взаимодействия кислоты со щелочью (реакция нейтрализации): Н⁺ +ОН^- = Н₂0

Процесс нейтрализации должен заканчиваться в точке эквивалентности при рН=7. Но часто реакция нейтрализации осложняется гидролизом, поэтому в некоторых случаях конец титрования наступает при различных значениях рН, зависящих от природы веществ находящихся в воде. Поэтому важно для определения точки эквивалентности правильно выбрать индикатор т.к. каждый из них имеет свою область перехода. От выбора индикатора зависит точность определения.

Так как кислоты, содержащиеся в природных водах , имеют малую степень диссоциации, т.е. являются слабыми, то при определении общей кислотности и сводной щелочности титруют в присутствии фенолфталеина с областью перехода 8-10. При определении общей щелочности и сводной кислотности титруют в присутствии метилового оранжевого, который имеет область перехода 3,М,4.