Визначення індивідуальних показників хімічного складу вод

2.1. Іони водню, рН, рОН

Вода є слабким електролітом і невелика частина її молекул дисоціює на водневі та гідроксильні іони

Н2О - Н+ + ОН-

У хімічно чистій воді концентрації цих іонів рівні і при 250С становлять 1•10-7 моль/л. Добуток концентрації цих іонів дорівнює 1•10-14 і має назву іонний добуток води. Ця величина є сталою в присутності інших електролі- тів, які при дисоціації також утворюють водневі та гідроксильні іони. Для характеристики середовища достатньо встановити концентрацію одного з них і розрахувати концентрацію іншого. Практично визначають концентрацію водневих іонів, яку виражають величиною рН:

рН = -lg[H+]; [H+] = 10-pH моль/л

Концентрацію гідроксильних іонів також виражають через показник ступеня, взятий з від’ємним знаком:

pOH = -lg[OH-]; [OH-] = 10-pOH моль/л

Оскільки іонний добуток води

К= [H+] • [OH-] = 1•1014 , то

рН + рОН = 14 (при 250С)

Величина рН є важливим показником кислотності або лужності розчинів, зокрема природних вод.

У більшості природних вод концентрація водневих іонів зумовлена в основному відношенням концентрацій вільного діоксиду вуглецю та іонів гідрокарбонату. В цих випадках рН коливається в межах від 4,5 до 8,3. На величину рН природних вод впливає високий вміст гумусових речовин, основних карбонатів та гідроксидів металів, які утворюються внаслідок поглинання СО2 при фотосинтезі, а також наявність у воді солей, що гідро- лізуються. Крім того в забруднених поверхневих водах можуть міститися сильні кислоти або основи, які впливають на кислотність води.

Величину рН визначають електрометричним методом за допомогою рН-метрів зі скляним електродом. Визначити рН води необхідно одразу після відбору проби, тому що внаслідок проходження в ній хімічних та біохімічних процесів концентрація водневих іонів може значно змінюватися. Якщо визначення рН на місці відбору проби неможливе, то її транспортують у лабораторію в спеціальній склянці, забезпечивши відсутність контакту води з повітрям, і одразу ж проводять визначення рН.

Потенціометричне визначення рН зі скляним електродом полягає в тому, що зміна рН розчину на одиницю викликає зміну електродного потенціалу на 58,16 мВ при 200С, оскільки відповідно до рівняння Нернста

Е = Е0 + 58,16 lg[H+]

Діапазон лінійної залежності потенціалу електрода від рН зумовлений властивостями скляного електрода. Треба мати на увазі, що за допомогою скляного електрода вимірюють не концентрацію, а активність іонів водню, що пов’язано з їх концентрацією рівнянням

а= f•[H+]

де f- коефіцієнт активності іонів водню, який залежить від іонної сили м.

Іонна сила в природних водах створюється практично тільки наявністю головних іонів, оскільки їх концентрація значно перевищує концентрацію іонів біогенних елементів, мікроелементів та органічних сполук. Іонну силу природної води розраховують за формулою

м = 1/2?Сі•Z

де Сі•та Z—концентрація (моль/л) та величина заряду головних іонів відповідно.

Знаючи іонну силу природної води, за довідниковими даними знаходять f. Для розрахунку точної концентрації іонів водню за даними рН води користуються формулами

[H+] = 10рН+ р f

де р f = - lg f

Результат визначення рН залежить від температури, вплив якої можна регулювати спеціальним компенсатором у приладі. Якщо такого компенса-тора немає, то пробу підігрівають або охолоджують до потрібної температури (200С). Якщо температура проби значно відрізняється від 200С і не приведена до неї, то її відзначають у записі результатів визначення.

Потенціометричному визначенню рН не заважає кольоровість та каламутність води, наявність в ній суспендованих речовин, вільного хлору, окисників та відновників, а також концентрація солей у пробі.

Точність потенціометричного визначення рН залежить також від чистоти поверхні електрода. Для дослідження забруднених проб води доцільно користуватися спеціально виділеним для цього електродом. Для регенерації електрода його занурюють на 2 години у 2% розчин соляної кислоти, а потім промивають дистильованою водою. Електрод слід зберігати у дистильованій воді.

Методика визначення. Перед початком виміру електрод промивають дистильованою водою, потім досліджуваною водою і лише після цього занурюють у пробу. Перед цим пробу води необхідно перемішати, щоб її склад безпосередньо біля поверхні електрода відповідав її загальному складу. Разом з електродами у пробу занурюють термометр для виміру температури і для внесення , при необхідності, поправок. Величину потенціалу скляного електроду відлічують у мілівольтах або одиницях рН. Метод виміру залежить від типу приладу, яким користуються.

Якщо прилад має лише шкалу у мілівольтах, то необхідно провести його калібровку з використанням буферних розчинів з відомими значеннями рН. Для цього будують графік залежності потенціалу від величини рН буферних розчинів і знаходять рН досліджуваної проби води. Якщо прилад має шкалу рН, то його калібрують за стандартними буферними розчинами, які додаються у комплекті з приладом.

Розрахунок концентрації водневих та гідроксильних іонів проводять за такими формулами

рН = -lg[H+]; [H+] = 10-pH моль/л

pOH = -lg[OH-]; [OH-] = 10-pOH моль/л

або [H+] = 10рН+ р f

Виконання таких розрахунків можливе у всіх випадках, але вони мають практичне значення лише при рН<5 та рН>9, коли у воді нагромаджується відчутна кількість кислот або основ.