Определение жесткости. В колбу вместимостью 250 см 3 помещают первую часть пробы анализируемой воды объемом 100 см 3 , 5 см 3 буферного раствора, от 5 до 7 капель раствора индикатора хромового темно-синего или от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора и титруют раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке от винно-красной (красно-фиолетовой) до синей (сине-фиолетовой).
Вторую часть пробы объемом 100 см 3 помещают в колбу вместимостью 250 см 3 , добавляют 5 см 3 буферного раствора, от 5 до 7 капель раствора индикатора или от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора, добавляют раствор трилона Б, которого берут на 0,5 см 3 меньше, чем пошло на первое титрование, быстро и тщательно перемешивают и титруют (дотитровывают) до изменения окраски в эквивалентной точке от винно-красной (красно-фиолетовой) до синей (сине-фиолетовой).
Обработка результатов определения. Жесткость воды Ж, °Ж (жесткость общая) вычисляют по формуле:
Ж = M·F·K·V т p /V np , (7)
где: М - коэффициент пересчета трилона Б, равный 2 С тр, где С тр - концентрация раствора трилона Б, моль/м 3 (ммоль/дм 3), (как правило М = 50);
F - множитель разбавления исходной пробы воды при консервировании (как правило F = 1);
К - коэффициент поправки к концентрации раствора трилона Б, вычисленный по формуле (1);
V тр - объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, см 3 ;
V пр - объем пробы воды, взятой для анализа, см 3 .
За результат измерения принимают среднеарифметическое значение результатов двух определений. Приемлемость результатов определений оценивают исходя из условия:
|Ж 1 - Ж 2 | ≤ r , (8)
где r - предел повторяемости (таблица 3);
Ж 1 и Ж 2 - результаты определений, °Ж (общая жесткость).
Если расхождение между двумя результатами превышает установленное значение, то определение жесткости воды повторяют.
Определение щелочности. Налить 100 мл анализируемой пробыв коническую колбу емкостью 250 мл.
Добавить в колбу 1...2 капли раствора фенолфталеина и взболтать
Таблица 3
жидкость, если после добавления указанного индикатора жидкость окрасилась в красный цвет, следует приступить к титрованию раствором соляной кислоты.
Зафиксировать уровень раствора кислоты в бюретке.
Титровать жидкость раствором кислоты до ее обесцвечивания. Титрование вести при интенсивном и частом перемешивании жидкости и капельном добавлении раствора кислоты в колбу.
Определить количество раствора кислоты, израсходованного из бюретки для титрования пробы по фенолфталеину - Ф, мл.
Ввести в колбу 2 капли раствора метилоранжа и взболтать жидкость.
Титровать жидкость раствором кислоты до перехода окраски от желтой к оранжевой (но не красной), добавляя в колбу раствор кислоты по каплям и хорошо взбалтывая жидкость.
Определить количество раствора кислоты, израсходованного из бюретки для титрования пробы по метилоранжу - М, мл.
Вычислить общую щелочность пробы воды: количество израсходованного на титрование пробы раствора кислоты в мл (Ф+М) соответствует значению общей щелочности Щ о (щелочность общая) воды в мг-экв/кг.
Вычислить значение бикарбонатной щелочности воды (Щ б) по формуле:
Мг-экв/кг (9)
Оборудование и материалы:
Термометр спиртовой (электронный), рН-метр, химические реактивы, химическая посуда, дистиллированная вода, шрифт Снеллена, штативы, баня водяная.
Форма отчёта:
Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о качестве воды и области её применения в водопользовании.
Литература:
1. РД 52.24.496-2005 Температура, прозрачность и запах поверхностных вод суши. Методика выполнения измерений. [Текст]. – Введ. 2005-07-01. – М. : Изд-во стандартов, 2005 – 6 с.
2. ГОСТ Р 52769-2007 Вода. Методы определения цветности. [Текст]. – Введ. 2009-01-01. – М. : Стандартинформ, 2010 – 7 с.
3. ГОСТ Р 52407-2005 Вода питьевая. Методы определения жесткости. [Текст]. – Введ. 2007-01-01. – М. : Стандартинформ, 2010 – 13 с.
4. ГОСТ Р 52963-2008 Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов. [Текст]. – Введ. 2008-09-29. – М. : Стандартинформ, 2009 – 30 с.
5. ГОСТ 3351-74 Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности. [Текст]. – Введ. 1975-07-01. – М. : Изд-во стандартов, 2003 – 6 с.
6. ГОСТ 18164-72 Вода питьевая. Метод определения сухого остатка [Текст]. – Введ. 1974-01-01. – М. : Изд-во стандартов, 1974 – 3 с.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Из огромного количества физико-химических факторов, влияющих на окружающую природную среду, сравнительно немногие имеют ведущее экологическое значение. К таким факторам прежде всего относятся физико-химические свойства воды, растворенные и взвешенные в ней вещества, а также загрязнение водоемов, вызванное деятельностью человека.
Вода как физико-химическое тело оказывает непрерывное воздействие на жизнедеятельность живых организмов. Она не только удовлетворяет физиологические потребности организмов, но и обеспечивает комфортную окружающую среду.
Температура воды - важнейший фактор, влияющий на протекающие в водоеме физические, химические, биохимические и биологические процессы, от которого в значительной мере зависят кислородный режим и интенсивность процессов самоочищения. Значения температуры используют для вычисления степени насыщения воды кислородом, различных форм щелочности, состояния карбонатно-кальциевой системы, при многих гидрохимических, гидробиологических, особенно лимнологических исследованиях, при изучении тепловых загрязнений.
Для измерения температуры используются ртутные, спиртовые и контактные электронные термометры.
Прозрачность (или светопропускание) природных вод обусловлена их цветом и мутностью, т.е. содержанием в них различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ.
Воду в зависимости от степени прозрачности условно подразделяют на прозрачную, слегка мутную, мутную, сильно мутную. Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в водоем белую пластину определенных размеров (диск Секи) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (как правило, шрифт средней жирности высотой 3,5 мм). Результаты выражаются в сантиметрах с указанием способа измерения.
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, снижает плотность воды, стабилизирует стратификацию. 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 и эвтрофных водоемов.
Запах - свойство воды вызывать у человека и животных специфическое раздражение слизистой оболочки носовых ходов. Запах воды характеризуется интенсивностью, которую измеряют в баллах. Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в воду в результате процессов жизнедеятельности водных организмов, при биохимическом разложении органических веществ, при химическом взаимодействии содержащихся в воде
компонентов, а также с промышленными, сельскохозяйственными и хозяйственно-бытовыми сточными водами.
На запах воды оказывают влияние состав содержащихся в ней веществ, температура, значения рН, степень загрязненности водного объекта, биологическая обстановка, гидрологические условия и т.д.
Показателями запаха служат характер и его интенсивность которые определяются органолептически. Для определения запаха обычную пробирку наполняют исследуемой водой примерно на ¾ объёма, закрывают её корковой пробкой, несколько раз встряхивают, затем вынимают пробку и сразу определяют запах.
Вкус и привкус воды, их интенсивность и характер определяют органолептическим методом только для воды питьевого назначения при температурах около 20°.
Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами.
Характер вкуса или привкуса определяют ощущением воспринимаемого вкуса или привкуса (соленый, кислый, щелочной, металлический и т. д.).
Испытуемую воду набирают в рот малыми порциями, не проглатывая, задерживают 3-5 с.
Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20 о С и оценивают по пятибалльной системе (нет, очень слабая, слабая, заметная, отчетливая, очень сильная).
Факторами формирования рН являются содержание ионов водорода (гидроксония – H 3 O+) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов:
CO 2 + H 2 0 ⇔ H+HCO 3 - ⇔ 2H+CO 3 2 .
При диссоциации гидрокарбонатов Ca(HCO 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 также образуются ионы НСО 3 -. Увеличение их концентрации ведет к увеличению рН вследствие гидролиза.
Для удобства выражения содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком:
Для поверхностных вод, содержащих наибольшие количества двуокиси углерода, характерна слабо щелочная реакция. Изменения величины рН тесно связаны с процессами фотосинтеза (из-за потребления СО2 водной растительностью) и распада органических веществ.
Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в кислых почвах, перегное и болотных водах.
Величина концентрации ионов водорода (рН) в речных водах обычно колеблется в пределах 6,0-6,5, океане 7,9-8,3 рН. рН воды шахт и рудников достигает иногда единицы, а содовых озер и термальных источников десяти. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина рН для большинства речных вод составляет 6,8-7,4, летом 7,4-8,2.
Сухой остаток характеризует содержание в воде нелетучих растворенных веществ (главным образом минеральных) и органических веществ, температура кипения которых превышает 105–110°С. Сухой остаток определяют гравиметрическим и расчетным методами. Перед определением сухого остатка
пробу необходимо фильтровать либо отстаивать для отделения от взвешенных веществ.
Основными ионами, определяющими сухой остаток, являются карбонаты, бикарбонаты, хлориды, сульфаты, нитраты, натрий, калий, кальций, магний. Данный показатель влияет на другие показатели качества питьевой воды, такие как привкус, жесткость, коррозирующие свойства и тенденция к накипеобразованию.
Воду с сухим остатком свыше 1000 мг/л называют минерализованной, до 1000 мг/л – пресной. Воду, содержащую до 50 – 100 мг/л, считают слабоминерализованной (дистиллированная),100 – 300 мг/л–удовлетворительно минерализованной, 300 – 500 мг/л – оптимальной минерализации и 500 – 1000 мг/л – повышенно минерализованной. Минерализованной водой является морская, минеральная, пресной – речная, дождевая, вода ледников.
Цветность питьевой воды обусловлена содержанием органических и неорганических веществ природного и техногенного происхождения (гуминовые и фульвокислоты, трехвалентное железо, марганец и др.).
Цветность воды определяют визуально или фотометрически, сравнивая окраску пробы с окраской условной 1000-градусной шкалы цветности воды, приготавливаемой из смеси бихромата калия K 2 Cr 2 O 7 и сульфата кобальта CоSO 4 . Для воды поверхностных водоемов этот показатель допускается не более 20 градусов по шкале цветности.
Если окраска воды не соответствует природному тону, а также при интенсивной естественной окраске, определяют высоту столба жидкости, при котором обнаруживается окраска, а также качественно характеризуют цвет воды. Соответствующая высота указанного столба воды не должна превышать: для воды водоемов хозяйственно-питьевого назначения – 20 см; культурно-бытового назначения – 10 см.
Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей – нерастворимых или коллоидных частиц различного происхождения.
Мутность - это количественная мера света, рассеянного и поглощенного водой из-за присутствия в ней частиц суспензии.
Существует опасность перепутать мутность и окрашенность. Мутность - это недостаток прозрачности воды. Вода может быть сильно окрашенной, она даже может быть темно-коричневой, но все-таки прозрачной и не содержать частиц суспензии.
В России мутность воды определяют фотометрическим путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результат измерений выражают в мг/литр при использовании основной стандартной суспензии каолина или в ЕМ/литр (единицы мутности на литр) при использовании основной стандартной суспензии формазина. Последнюю единицу измерения называют также Единица Мутности по Формазину (ЕМФ) или в западной терминологии FTU (Formazine Turbidity Unit).
Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»).
Вода с большим содержанием солей называется жёсткой, с малым содержанием - мягкой.
Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО 3) 2 ; Mg(НСО 3) 2 , и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO 4 , CaCl2, MgSO4, MgCl2).
Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.
Щелочность воды (water alkalinity), мг-экв/л, определяется суммой содержащихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот - угольной, органических, а также бикарбонатных и карбонатных ионов.
Общая щелочность воды обычно определяется только анионами угольной кислоты (карбонатная щелочность). Анионы, гидролизуясь, образуют гидроксид-ионы:
CO 3 2- + H 2 O <=> HCO 3- + OH -
HCO 3- + H 2 O <=> H 2 CO 3 + OH -
Щелочность определяется количеством сильной (соляной, серной) кислоты, необходимой для нейтрализации 1 дм3 воды. Щелочность большинства природных вод определяется только гидрокарбонатами кальция и магния, pH этих вод не превышает 8,3.
Лабораторная работа 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ БПК 5 СТОЧНЫХ ВОД
Время: 2-ч.
Цель работы: ознакомиться с методами определения биохимического потребления кислорода.
Перед выполнением работы необходимо изучить РД 52.24.420-2006 Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом, ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК полн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах.
Порядок выполнения:
Метод определения биохимического потребления кислорода основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении органических и неорганических веществ в воде.
Биохимическое потребление кислорода определяют количеством кислорода в мг/дм 3 , которое требуется для окисления находящихся в воде углеродосодержащих органических веществ, в аэробных условиях в результате биохимических процессов.
Определение БПК проводиться в некоторых стандартных условиях. В качестве таковых приняты следующие: продолжительность инкубации 5 сут., температура (20 +/- 1) °C, отсутствие доступа света и воздуха.
1. Определение начинают с заполнения и инкубации склянок. Если проба не содержит визуально заметного количества взвешенных веществ, 1,0 - 1,4 дм 3 , ее помещают в достаточно большую (2 дм 3) колбу.
2. Устанавливают pH в пределах 6 - 8 по универсальной индикаторной бумаге добавлением раствора соляной кислоты или гидроксида натрия 1 моль/ дм 3 и доводят температуру пробы до (20 +/- 1) °C, нагревая (при помощи водяной бани) или охлаждая ее (под струей водопроводной воды).
3. Энергично взбалтывают пробу не менее 10 мин., чтобы насытить ее кислородом. Насыщение пробы кислородом можно также осуществить, пропуская через нее воздух с помощью аквариумного микрокомпрессора. После завершения процедуры насыщения пробу следует оставить на 3 - 5 мин. для удаления избытка воздуха (до отсутствия поднимающихся к поверхности мелких пузырьков).
4. Если проба содержит грубую взвесь, ее наливают в склянку (лучше цилиндр) вместимостью не менее 1 дм 3 и отстаивают 0,5 - 1 ч.
5. После отстаивания отбирают сифоном осветлившийся средний слой воды в колбу для насыщения кислородом. Если пробу отстаиванием в течение часа осветлить не удается, ее фильтруют через бумажный фильтр "белая лента". Всегда в результатах анализа следует указывать принятый способ предварительной обработки воды.
6. Подготовленную пробу наливают в 3 сухие кислородные склянки, заполняя их до края так, чтобы внутри склянки не образовывалось пузырьков. В одной из 3-х склянок сразу же фиксируют и определяют концентрацию растворенного кислорода. Время между аэрацией пробы и фиксированием кислорода при определении его концентрации не должно быть более 15 мин.
Две другие склянки закрывают, помещают пробками вниз в наполненную дистиллированной водой фотографическую кювету или кристаллизатор (гидрозатвор) и устанавливают в термостат. При использовании склянок БПК колпачок заполняется той же пробой. Склянки выдерживают при отсутствии доступа света в термостате при (20 +/- 1) °C в течение 5 сут. По истечении этого срока в инкубированных склянках определяют концентрацию неизрасходованного растворенного кислорода.
7. Сразу же после заполнения склянки (или после инкубации) фиксируют растворенный кислород, для чего в склянку с пробой воды вводят отдельными пипетками 1 см 3 (при вместимости склянки до 150 см 3) или 2 см 3 (при вместимости более 150 см 2) раствора хлорида (сульфата) марганца и 1 или 2 см 3
щелочного раствора йодида калия (при вместимости склянки до 150 см 3 и более 150 см 3 соответственно).
Пипетку погружают каждый раз до половины склянки и поднимают вверх по мере истечения реактива из нее. Затем быстро закрывают склянку стеклянной пробкой таким образом, чтобы в ней не оставалось пузырьков воздуха, и содержимое тщательно перемешивают 15 – 20 - кратным переворачиванием склянки до равномерного распределения осадка в воде по всему объему склянки. Склянки с зафиксированным в них кислородом помещают в темное место для отстаивания (на время не менее 10 мин. и не более 24 ч).
8. После того, как опустившийся на дно осадок будет занимать менее половины высоты склянки, к пробе приливают 5 или 10 см 3 (в зависимости от вместимости склянки) раствора соляной кислоты, погружая при этом пипетку до дна склянки к осадку (не взмучивать) и медленно поднимая ее вверх по мере опорожнения. Вытеснение из склянки части прозрачной жидкости для анализа значения не имеет.
Склянку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают. После полного растворения бурого осадка пипеткой с одной отметкой отбирают 50 см 3 раствора, предварительно ополаскивая пипетку этим же раствором, переносят его в колбу для титрования и титруют раствором тиосульфата натрия из бюретки вместимостью 10 см 3 до тех пор, пока он не станет светло-желтым. Затем прибавляют 1 см 3 раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения синей окраски.
В склянках после инкубации повторяют определение растворенного кислорода, отбирая аликвоту из второй (следующей) склянки.
9. Вычисление и оформление результатов измерений БПК 5 .
Массовую концентрацию растворенного в воде кислорода X , мг/ дм 3 , находят по формуле:
, (10)
где: C m - концентрация раствора тиосульфата натрия, моль/дм 3 КВЭ;
V m - объем раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование, см 3 ;
V - вместимость кислородной склянки, куб. см;
V 1 - суммарный объем растворов хлорида марганца и йодида калия,
добавленных в склянку при фиксации растворенного кислорода, см 3 ;
М - молярная масса КВЭ кислорода, равная 8 мг/ммоль.
БПК 5 , мг/дм 3 , для неразбавленных проб (или потребление кислорода разбавляющей воды (БПК 5 р), мг/дм 3) находят по формуле:
или 
(11)
где: Х н - массовая концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды (или разбавляющей воды) до инкубации, мг/дм 3 ;
Х к - массовая концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды (или разбавляющей воды) после 5 сут. инкубации, мг/дм 3 .
Биохимическое потребление кислорода БПК 5 , мг/дм 3 , для подвергавшихся разбавлению проб находят по формуле:
(12)
где: Х н - концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды до инкубации, мг/дм 3 ;
Х к - концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды после 5 сут. инкубации, мг/дм 3 ;
БПК 5 - биохимическое потребление кислорода в пробах разбавляющей воды, мг/дм 3 ;
Р - степень разбавления пробы, равная 1000/V, где V – объем анализируемой воды в 1 дм 3 смеси после разбавления пробы.
За результат БПК 5 принимают среднее арифметическое измерения в двух склянках, подвергавшихся инкубации, если расхождение между ними не превышает величины предела повторяемости.
Оборудование и материалы:
Химические реактивы, химическая посуда, дистиллированная вода, водяная баня, рН-метр (универсальная индикаторная бумага).
Форма отчёта:
Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о биохимической потребности кислорода.
Литература:
1. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК полн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах.
2. РД 52.24.420-2006 Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Биологическое потребление кислорода (БПК) - количество кислорода, израсходованное на аэробное биохимическое окисление под действием микроорганизмов и разложение нестойких органических соединений, содержащихся в исследуемой воде.
В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть растворенного кислорода потребляется на биохимическое окисление, лишая таким образом кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию растворенного кислорода, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процессе
биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации растворенного кислорода, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ.
Определение БПК основано на измерении концентрации растворенного кислорода в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значение растворенного кислорода) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления. Так как скорость биохимической реакции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1)°С, причем от точности поддержания значения температуры зависит точность выполнения анализа на БПК.
Погрешность в определении БПК может внести также освещение пробы, влияющее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некоторых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инкубацию пробы проводят без доступа света (в темном месте).
Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органических веществ в воде приведена на рис. 1.
Рис.1 Динамика биохимического потребления кислорода:
а – легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества – сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.;
в – нормально окисляющиеся вещества – нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.;
с – тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества – неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.
Таким образом, БПК – количество кислорода в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся в 1л воды органических веществ в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов. Ориентировочно принимают, что БПК 5 составляет около 70% БПК полн, но может составлять от 10 до 90% в зависимости от окисляющегося вещества.
Лабораторная работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МЕТОДОМ БИОИНДИКАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ
Время: 2-ч.
Цель работы: интегральная экспресс-оценка качества среды обитания живых организмов по флуктуирующей асимметрии листовой пластины березы повислой (Betula pendula).
Перед выполнением работы студентам необходимо изучить общие принципы биоиндикации и особенности использования растений в качестве биоиндикаторов.
Порядок выполнения:
1. Сбор материала. Выборку листьев древесных растений необходимо делать с нескольких близко растущих деревьев на площади 10 х 10 м или на аллее длиной 30- 40 м, в исключительных случаях с 2-3 растений. Выборка листьев травянистых растений делается с нескольких экземпляров на площади 1 м 2 . Используются только средневозрастные растения, исключая молодые и старые. Всего надо собрать не менее 25 листьев среднего размера с одного вида растения. Листья собирать из нижней части кроны, на уровне поднятой руки, с максимального количества доступных веток, направленных условно на север, запад, восток и юг. У березы использовать листья только с укороченных побегов. На каждой площадке исследуют максимальное количество видов (но не менее одного древесного и одного травянистого), однако конкретный объем выборки должен определяться на основе статистических методов.
2. Обработка материала. Весь собранный материал должен быть снабжен точной информацией о месте сбора, наличии вблизи возможного загрязнения интенсивности движения транспорта, времени сбора и исполнителе. Хранить собранный материал можно не более недели на нижней полке холодильника.
3. Обработка заключается в измерении длин жилок на листьях справа и слева. На рис. 2 цифрами обозначены листья следующих деревьев: 1 - березы, измеряется первая жилка от основания листа; 2 - тополя, первая жилка от основания листа; 3 - остролистного клена, средняя жилка боковых пластин справа и слева; 4 - мать-и-мачехи, вторая жилка от основания черешка; 5 - клена американского, первая жилка от основания черешка; 6 - сныти, первая жилка от основания черешка; 7 - клевера ползучего, первая жилка от основания черешка.
Жилки измеряются курвиметром или линейкой с точностью до 1 мм. Интерес представляют не размеры жилок, а разница их длины справа и слева.
С одного листа снимают показатели по пяти параметрам (рис. 3). Отдельно фиксируют «загнутость» макушки листа (рис. 4). Данные измерений заносят в табл. 3 Величину флуктуирующей асимметрии оценивают с помощью интегрального показателя - величины среднего относительного различия по
признакам (среднее арифметическое отношение разности к сумме промеров листа справа и слева, отнесенное к числу признаков).
Рис. 3. Параметры промеров листьев для детального расчета:
1 - ширина половинки листа (лист складывают пополам, потом разгибают и по образовавшейся складке проводят измерений); 2 - длина второй жилки от основания листа; 3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок; 4 - расстояние между концами этих жилок; 5 - угол между главной и второй от основания жилками
Рис. 4. Примеры «загнутости» макушки листа:
1 - не загнута; 2 - загнута влево; 3 - загнута вправо; 4 - «ласточкин хвост»
Коэффициент флуктуирующей асимметрии определяют по формуле, предложенной В. М. Захаровым:
, (13)
где – среднее различие между сторонами;
– различие значений признаков между левой (l) и правой (r) сторонами;
n – число выборок.
Качественные признаки считают по проценту ассиметричных листьев:
где – число ассимитричных особей;
– число симметричных листьев.
Показатель асимметрии указывает на наличие в среде обитания живых организмов негативного фактора. Это может быть химическое загрязнение, изменение температуры, обитание биологического объекта на краю ареала и др. Показатель откликается повышением на изменение фактора и стабилен при адаптации к имеющимся условиям. Таким образом, на основании периодического вычисления показателя можно проследить изменения условий обитания объекта.
При балльной оценке используют таблицу соответствия баллов качества среды значениям коэффициентов асимметрии (см. табл. 4).
Таблица 4
4. Занести данные по всем листьям в табл. 5. Провести статистическую обработку данных.
5. Провести экспресс-оценку загрязнения окружающей среды по результатам всех измерений. Сделать вывод о качестве среды обитания живых организмов в соответствии с табл. 4.
Таблица 5
6. Провести экспресс-оценку загрязнения окружающей среды по результатам всех измерений. Сделать вывод о качестве среды обитания живых организмов в соответствии с табл. 4.
Баллы соответствуют следующим характеристикам среды обитания живых организмов: 1 - чисто; 2 - относительно чисто («норма»); 3 - загрязнено («тревога»); 4 - грязно («опасно»); 5 - очень грязно («вредно»).
Оборудование и материалы:
курвиметр (линейка), транспортир, гербарий листьев березы повислой.
Форма отчёта:
Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о качестве окружающей среды.
Литература:
1. Последствия Чернобыльской катастрофы: Здоровье среды / под ред. В. М. Захарова, Е. Ю. Крысанова. - М.: Моек. отд. Международного фонда «Биотест», 1996.
2. Стрельцов А. Б. Региональная система биологического мониторинга. - Калуга: Изд-во Калужского ЦНТИ, 2003.
3. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб, пособие для студ. высш. учеб, заведений / О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др.; под ред. О. П. Мелеховой и Е. И. Егоровой. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 288 с.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка - виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта - смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.
Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями - изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.
Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.
Сущность метода. В основе метода определения общей щелочности воды лежит принцип образования нейтральных солей при взаимодействии кислоты с гидратами, гидрокарбонатами и карбонатами щелочных и щелочнозечельных металлов, а также свойство различных индикаторов изменять свой цвет в зависимости от величины рН.
Учитывая эти свойства, исследуемую пробу воды подвергают титрованию раствором соляной или серной кислоты требуемой концентрации в присутствии индикаторов фенолфталеина и метилоранжа.
Применяемые реактивы:
децинормальный (0,1 н.) раствор соляной или серной кислоты;
1%-ный спиртовый раствор фенолфталеина для определения гидратной и карбонатной щелочности;
0,1%-ный раствор метилоранжа, служащий индикатором при определении карбонатной и гидрокарбонатной щелочности.
Подготовка_пробы воды. При титровании воды кислота вступает во взаимодействие как со щелочами, так и с веществами, которые могут находиться в воде во взвешенном состоянии и которые не обусловливают щелочность воды. Чтобы уменьшить расход кислоты на ненужные реакции и обеспечить правильность определения щелочности, анализируемую пробу охлаждают до 20°С, если она была горячей, и пропускают через бумажный фильтр.
Порядок анализа. К 100 мл соответственно подготовленной для титрования пробы воды добавляют 2-3 капли фенолфталеина.
При окрашивании пробу титруют раствором соляной или серной кислоты соответствующей нормальности (0,1 н. или 0,01 н.) до исчезновения окраски. Титрование проводят медленно, тщательно перемешивая пробу воды.
Количество 0,1 н. или 0,01 н. раствора соляной или серной кислоты, пошедшее на титрование с фенолфталеином, записывают с пометкой "фф". Если в процессе прибавления фенолфталеина окрашивания не наступает, значит, в воде отсутствуют гидратная и карбонатная щелочности. В этом случае титровать пробы воды раствором кислоты не нужно, так как щелочность по фенолфталеину отсутствует.
После этого в эту же пробу добавляют 2-3 капли метилоранжа и титруют 0,1 н. или 0,01 н. раствором кислоты до перехода окраски пробы из желтой в оранжевую. Количество раствора кислоты, пошедшее на титрование с метилоранжем, записывают с пометкой "МО".
Для расчета общей щелочности воды берут суммарный расход кислоты, пошедшей на титрование с фенолфталеином и метилоранжем.
Расчет результатов анализа. Расчет результатов анализа основан на том, что каждый 1 мл нормального раствора соляной или серной кислоты оттитровывают 1 мг×экв щелочности. Соответственно этому 1 мл децинорнального (0,1 н.) раствора соляной кислоты оттитровывает 0,1 мг×экв. щелочности, а 1 мл сантинормального (0,01 н.) раствора оттитровывает 0,01 мг×экв щелочности.
Следовательно, общая щелочность воды
где Щ - общая щелочность воды, мг×экв/кг;
1000 - перерасчет результатов анализа на 1 л воды;
К - коэффициент нормальности раствора кислоты;
Б - суммарный расход кислоты на титрование, мл;
100 -объем пробы воды, взятой для анализа, мл.
При титровании 100 мл пробы воды децинормальным раствором кислоты (0,1 н.) формула упрощается:
Щ = Б, мг×экв/кг.
При использовании саитинормального раствора кислоты (0,01 н.):
Щ = 0.1 Б, мг×экв/кг.
Для воды типа конденсата щелочность принято выражать в микро-грамм эквивалентах на литр (мкг×экв/кг). В этом случае
Щ =Б 0.01 × 1000 × 1000/100
или Щ=100 Б мкг×экв/кг.
СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Для оформления отчета необходимо заполнить табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчетов
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чем обусловлена и в каких единицах измеряется карбонатная жесткость?
2. Чем обусловлена и в каких единицах измеряется некарбонатная жесткость?
3. Что такое общая жесткость?
4. Как определить класс жесткости воды?
5. Почему карбонатная жесткость устраняется при кипячении? Напишите, какие при этом протекают реакции.
6. Как устраняют жесткость воды в промышленных условиях?
7. Как определяют карбонатную жесткость?
8. Как определяют некарбонатную жесткость?
9. Как определяют общую жесткость?
10. Что такое окисляемоеть воды и чем она обусловлена, в каких единицах измеряется?
11. Как определяют окисляемоеть воды?
12. Что такое общая щелочность воды, в каких единицах измеряется?
13. Как определяют щелочность воды?
14. Что такое сухой остаток, в каких единицах измеряется и как определяется?
Щелочность воды – это общее содержание в воде веществ, обуславливающих при диссоциации или в результате гидролиза повышенную концентрацию ионов ОН - .
В исходной воде щелочность обычно связана с присутствием ионов . В умягченной и котловой воде, кроме перечисленных веществ, щелочность обусловливается также ионами В зависимости от того, какой анион присутствует в воде , щелочность называется соответственно бикарбонатной Щ б, карбонатной Щ к или гидратной Щ г.
Большая щелочность воды определяется количеством соляной кислоты, затраченной на титрование анализируемой пробы воды (100 мл пробы) в присутствии индикатора фенолфталеина (I этап) и метилоранжа (II этап) 0,1 н. Количество кислоты (мл), израсходованной при титровании, равно щелочности испытуемой воды при рН = 3...4 .
Малая щелочность воды определяется путем титрования 100 мл пробы в присутствии фенолфталеина (I этап) и метилрота или смешанного индикатора (II этап) 0,01 н. раствором серной или соляной кислоты. Величина щелочности при этом определяется по формуле:
где п – количество израсходованного 0,01 н. раствора кислоты, мл.
Анализы по определению отдельных форм щелочности основаны на том, что при титровании пробы воды сильной кислотой, реакции, протекающие между кислотой и различными анионами, обусловливающими форму щелочности, заканчиваются при различных значениях рН раствора. Титрование проводится в присутствии двух индикаторов, каждый из которых рассчитан на определенный диапазон значений рН. Одним индикатором является метилоранж, окраска которого изменяется на желтую в кислой среде при рН=3...4, вторым - фенолфталеин, окраска которого изменяется на розовую в щелочной среде при рН > 8,4. Следует особо отметить, что значение рН=8,4 имеют растворы чистых гидрокарбонатов (НСО3), постоянно присутствующих в водах. При анализе пробы воды на первом этапе используется фенолфталеин, а на втором - метилоранж.
Оценка отдельных форм щелочности производится в соответствии с полученными при титровании данными. При этом возможны следующие случаи:
1) фенолфталеин не дает розового окрашивания, т.е. Ф = 0, где Ф - расход соляной кислоты, пошедшей на титрование пробы, окрашенной фенолфталеином, мл. Метилоранж дает желтое окрашивание пробы, которая затем титруется соляной кислотой до изменения окраски. В этом случае в воде присутствуют только бикарбонаты (бикарбонатная щелочность) Щб, которая подсчитывается по формуле (1), где А = М, а М - расход кислоты на титрование пробы воды, окрашенной метилоранжем, мг-экв/л;
2) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем при титровании пробы оказалось, что 2Ф < М. В этом случае в воде присутствуют как бикарбонаты, так и карбонаты. Расчет Щб производится по формуле (1), где А = М - 2Ф, для расчета Щк следует принять А = 2Ф;
3) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем 2Ф = М. В этом случае в воде присутствуют только карбонаты; для расчета Щк в формулу (1) следует подставить А = 2Ф;
4) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем 2Ф>М. В этом случае в воде присутствуют карбонаты и гидраты. Для расчета Щк в формулу (1) следует подставить А=2(М-Ф), а для расчета Щг - А = (2Ф - М);
5) фенолфталеин дает розовое окрашивание, причем М = 0 (т.е. после обесцвечивания фенолфталеина дальнейшее увеличение объема метилоранжа сразу вызывает оранжевую окраску пробы воды). В этом случае присутствуют только гидраты; для расчета Щг в формулу (1) следует подставить А = Ф. При Кн = 0,1 мг-экв/л и V = 100 мл для определения формы и численного значения щелочности удобно пользоваться таблицей.
Вода является основным жизненно важным элементом, без которого невозможно здоровое функционирование не только человеческого организма, но и всего живого на планете. Однако нередко случается так, что та вода, которая поступает в жилища людей или на промышленные предприятия, является настолько засоренной и непригодной для употребления и использования, что остро нуждается в проверке на несколько основных показателей и срочной очистке. Для того чтобы произвести правильную и эффективную очистку воды для бытового использования, сначала нужно понять из чего она состоит, выяснить определение щелочности воды ГОСТ и то, какие патогенные реакции и химические процессы загрязнение может вызвать при попадании в организм.
Для того чтобы понять важность своевременной проверки жидкостей на пригодность и определение щелочности воды, нужно также понимать, насколько важна и необходима жидкость для человеческого организма. Важность этого элемента и его необходимость человек может не замечать и принимать как данность. Однако от жидкости в теле человека зависит множество реакций и функций. Крепкое и здоровое тело – результат употребление здоровых продуктов питания и воды. Поэтому от чистоты и качества состава жидкости зависит напрямую длительность и качество жизни каждого человека. В воде, которую мы ежедневно употребляем в пищу или в чистом виде, может содержаться большое количество патогенных веществ и микроэлементов, бактерий и вирусов, которые при повышенной концентрации могут спровоцировать появление побочных заболеваний, инфекций, раковых опухолей и эпидемий.
Важно помнить, что отказаться от воды нельзя, поскольку человеческий организм состоит по большей части из жидкостей, запасы которых нужно постоянно пополнять. Поэтому избежать проблемы загрязнения и очистки воды невозможно. Международные организации постоянно работают над тем, чтобы придумать максимально эффективные и действенные способы как определить щелочность воды, проверить и очистить жидкости, дабы каждый человек мог быть уверенными в том, что употребляет максимально качественный фильтрованный продукт без наличия побочных примесей, бактерий и тяжелых металлов.
Для того чтобы понять, зачем нужно очищать и делать на щелочность, стоит сначала разобраться в том, какие основные свойства и критерии воды считаются жизненно важными для человеческого функционирования и здоровья. В настоящее время существует несколько стандартизирующих организаций, которые могут определить качество воды и нормы ее загрязненности:
- правила санитарного характера, которые устанавливает научное сообщество микробиологов и химиков Российской Федерации (ГОСТ щелочности воды, СанПиН РФ);
- стандарты качества воды и нормы ее очистки, которые регламентируются международными организациями по охране окружающей среди и здравоохранения (ВОЗ);
- нормы и рамки здорового очищения и состава воды, которые были оговорены научными сообществами и организациями стран Европейского Союза.
Что такое щелочность воды и для чего она нужна?
Щелочность питьевой воды в норме или, другими словами, кислотность воды, является специальным понятием, которое отображает наличие в воде активных ионов водорода, без которых невозможно осуществление многих химических и биологических реакций. Важно отметить, что впервые понятие щелочности воды единицы измерения было выведено и оформлено в единый показатель лишь в 1909 году датским ученым. Тогда для определения кислотности воды был введен символ pH. На что влияет щелочность воды? Примеси водорода в жидкости можно встретить практически везде, щелочь также присутствует в организме человека, что подтверждает важность данного химического понятия и его открытия. В начале двадцатого века было проведено много химических и микробиологических исследований, которые доказали наличие активной концентрации ионов водорода в человеческих тканях и жидкостях. Из этого следует, что от правильной нормы щелочности воды зависит напрямую слаженное и здоровое функционирование человеческого организма и всех его систем.Закажите бесплатно консультацию эколога
Щелочность питьевой воды является регламентированным и строго контролируемым показателем, рамки которого устанавливает и контролирует каждая страна. Прибор для определения кислотности и щелочности воды сигнализирует о том, что кислотность питьевой воды может отличаться от регламентированной кислотности воды для промышленных целей. В зависимости от типа производства и целей использования жидкости, многие предприятия имеют специальные буферы, в которых стабильно поддерживается постоянный уровень концентрации ионов водорода, необходимый для осуществления химических или биологических реакций.
Питьевая вода, согласно регламентированным международным рамкам, должна содержать водород в концентрации не более 9 единиц. Превышение этой нормы считается опасным для человеческого здоровья, поскольку из-за перенасыщения тканей тела водородом в жидкостях происходят необратимые химические реакции, которые влекут за собой биологические деформации и развитие патологий.
Как определить удовлетворительный уровень щелочности?
Поскольку из воды и жидких веществ состоит основная часть человеческих тканей и органов, употребление жидкого вещества является необходимым ритуалом, без которого невозможно прожить ни единого дня. По этой причине очень важно постоянно следить за составом и качеством воды, которая употребляется ежедневно. Малейшие сбои и отклонения от регламентированных рамок могут губительно сказаться на организме и его функционировании, спровоцировать появление многих опасных и даже неизлечимых недугов.Как определить щелочность воды в домашних условиях? Максимально пригодной и полезной для повседневного употребления человеком считается вода со щелочным показателем не выше 7,5-8,5. Такая норма называется слабой кислотностью и сигнализирует о нейтральном содержании активных ионов водорода, количество которых удовлетворяет все жизненно важные потребности и функции организма. Щелочность - как повысить щелочность воды? Очищается вода от лишней кислотности специальными фильтрующими установками или с помощью химических добавок. Если у человека нет возможности осуществлять регулярную очистку воды, использовать методику определения щелочности котловой воды и производить контроль ее качества, стоит приобретать уже очищенную воду в таре, которая продается в супермаркетах.
Правильная щелочность воды может повлиять на следующие факторы:
- Обменные процессы. Техника определения щелочности воды, видео которой мы привели выше, говорит о том, что стабилизация концентрации ионов водорода в воде приводит к тому, что в человеческом организме налаживаются обменные процессы и восстанавливается бактериальная флора желудочно-кишечного тракта.
- Умственная деятельность.Измеритель щелочности воды помог установить, что из-за нормированного поступления щелочности мозг человека работает слаженно, поскольку в него поступает достаточное количество кислорода и полезных веществ.
- Иммунитет. Благодаря поступлению в организм правильного количества щелочи стабилизируется иммунная система и налаживается работа эндокринной железы.
Жесткость воды зависит от присутствия в ней растворимых солей кальция и магния. Различают карбонатную (устранимую) жесткость и постоянную. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в растворе бикарбонатов кальция и магния Са(НСО 3) 2 и Mg (НСО 3) 2 . Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в воде других растворимых солей кальция и магния (сульфатов). Сумма постоянной и карбонатной жесткости составляет общую жесткость воды. Общая щелочность воды обусловлена присутствием ионов ОН - , СОз 2- , НСОз - .
Определение основано на титровании раствора, содержащего NaOH и Na 2 CO 3 , стандартным раствором хлорводородной кислоты с двумя индикаторами - фенолфталеином и метиловым оранжевым, применяемыми последовательно. При титровании раствора, содержащего эти вещества, хлорводородной кислотой в присутствии фенолфталеина происходят следующие реакции:
HCl+NaOH= NaCl +H 2 O
HCl+ Na 2 CO 3 =NaCl + NaHCO 3
Следовательно по фенолфталеину оттитровывается вся щелочь и карбонат до бикарбоната и обесцвечивание фенолфталеина указывает на то, что обе реакции полностью завершились, и вместо исходных веществ в растворе имеются NaCl и NaHCO 3 . Бесцветный раствор, содержащий эти продукты реакции, имеет слабощелочную реакцию, при добавлении метилового оранжевого он окрашивается в желтый цвет, и если продолжать титрование кислотой, будет происходить следующая реакция:
HCl + NaHCO 3 = NaCl+H 2 CO 3 = NaCl+CO 2 +H 2 O
Следовательно, по метиловому оранжевому оттитровывается бикарбонат. Изменение желтой окраски на розовую свидетельствует о том, что реакция полностью закончилась.
Разность объемов хлорводородной кислоты (V HCl м-о - V HCl ф-ф), затраченных на титрование смеси с метиловым оранжевым и фенолфталеином, соответствует половине количества карбоната натрия, присутствующего в растворе. Удваивая эту разность, получают объем кислоты , эквивалентный количеству всего карбоната. Вычитая указанную разность из объема V HCl ф-ф, израсходованного на титрование смеси с фенолфталеином, находят объем кислоты, эквивалентный количеству гидроксида натрия.
У подавляющего большинства природных вод ионы НСОз - связаны только с ионами кальция и магния. Поэтому в тех случаях, когда щелочность по фенолфталеину равна нулю, можно считать, что общая щелочность воды равна ее карбонатной жесткости.
Порядок выполнения работы. 1. Из общего раствора объемом 100 мл исследуемой воды, отбирают 20 мл пипеткой или цилиндром в коническую колбу вместимостью 100 мл.
2. Добавляют 2-3 капли раствора фенолфталеина и быстро титруют кислотой. До 12-15 мл титрование проводят быстро, перемешивая раствор, а под конец титрант добавляют по каплям до обесцвечивания. Записывают отсчет по бюретке (V HCl ф-ф),
3. Прибавляют в колбу 2 капли метилового оранжевого и продолжают титрование до перехода окраски из желтой в оранжевую. Производят второй отсчет по бюретке (V HCl м-о).
