Определение разных форм угольной кислоты

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗНЫХ ФОРМ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ.

Лекция 5

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗНЫХ ФОРМ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ

Углекислота содержится в водоеме как в свободном состоянии (в виде
газа, растворенного в воде), так и в виде ионов. Углекислый газ может
попадать в воду из атмосферы. Этот процесс инвазии идет в основном в
морях; в природной воде СО2 появляется в результате различных
биохимических процессов, протекающих в воде и грунтах — в первую
очередь окисления органических остатков, а также дыхания водных
организмов.
Углекислый газ соединяется с водой, образуя угольную кислоту:
СO2 + Н2О↔Н2СO3
Наличие в воде угольной кислоты способствует растворению карбоната
кальция и переводу его в гидрокарбонат, обладающий большой
растворимостью:
СаСO3 + Н2СO3↔Са (НСO3)2
Вследствие растворения углекислых солей воды обогащаются карбонат
и бикарбонат-ионами.

3.

В природных водах углекислота содержится в
следующих формах:
1) в свободном состоянии в виде газа СO2,
растворенного в воде — двуокись углерода, или
«свободная углекислота»;
2) 2) в виде ионов НСО3- — гидрокарбонат-ионы;
3) 3) в виде ионов СO32+ — карбонат-ионы.
Все эти формы находятся в подвижном химическом
равновесии:
Н2СО3↔ Н+ + НСО3- ↔2 Н+ + СO32+.
Уменьшение содержания СO2 в воде ведет, в свою
очередь, к повышению рН воды. Как видно из табл. 1,
при рН ниже 8 вся углекислота представлена свободной
углекислотой и ионами НСО3-, ионов СO32+ нет. При рН
между 8 и 9 почти вся углекислота находится в виде
ионов HCCV, содержание свободной углекислоты
незначительно.

4. Таблица 1 - Соотношение различных форм углекислоты (% от ее общего содержания) при различных значениях рН воды

рН
-
СО3-
СО2
НСО3
5
97,09
2,91
0,00
6
76,92
23,08
0,00
7
25,00
75,00
0,00
8
3,21
96,31
0,48
9
0,32
94,94
4,74
10
0,02
66,66
33,32
При рН больше 9 свободная углекислота практически
отсутствует и остаются только ионы НСО3- и СO32+.

5.

Свободная углекислота является источником питания
растений, которые используют углерод для построения
клеток и тканей. Поэтому в летнее время в период
усиленного развития водорослей (цветение водоемов)
содержание ее может сильно колебаться.
В дневные часы зеленые растения ассимилируют углерод
— в результате количество свободной углекислоты в воде
быстро падает. Иногда свободная углекислота расходуется
полностью, после чего начинается распад гидрокарбонатов и
образование карбонатов кальция, которые слабо
растворяются в воде и выпадают в осадок:
Са(НСО3)2↔СаСО3+Н2O + СO2
Как показывают многочисленные исследования, между
концентрацией свободной углекислоты в воде и
интенсивностью фотосинтеза водорослей существует
определенная зависимость. Оптимальные условия для
фотосинтеза наблюдаются при концентрации углекислоты до
0,1-0,9%. При концентрации ее 1-5% интенсивность
фотосинтеза снижается.

6. Таблица 2 - Влияние СO2 на рыб (по Строганову) (концентрация СО2, мг/л)

Виды рыб
Учащенное
дыхание,
аритмия
Нарушение
равновесия
Боковое или
спинное
положение
Ручьевая
форель
Карп
36
50
100-147
44-73
202
257
110-128
385
440
Линь
Отношение отдельных видов рыб к повышенному содержанию СO2
различно. Одни из них, например, линь, карась, менее чувствительны к
нему, другие (форель) — более чувствительны (табл. 2). Отрицательное
влияние высоких концентраций СO2 заключается в том, что рыба, находясь в
угнетенном состоянии, хуже использует кислород, растворенный в воде.

7.

Критический уровень СO2 для разных видов и
возрастных групп рыб различен:
• для лососевых — 120-140мг/л,
• для крупных осетровых — около 80,
• для молоди осетровых — около 40,
• для крупных растительноядных — 280-300,
• для молоди — 200, для личинок — 160 мг/л.
Содержание СO2 является также косвенным
показателем загрязнения водоемов
органическими веществами. Согласно
существующим нормативам, для рыбоводных
прудов желательна концентрация СO2, не
превышающая 20 мг/л летом и 40 мг/л зимой.

8. Определение свободной углекислоты

Принцип метода. Определение свободной
угольной кислоты основано на том, что
приливание к воде щелочи (NaOH или Na2CO3)
связывают свободную углекислоту:
СO2 + Н20↔Н2СО3;
H2CO3 + NaOH↔NaHCO3 + H2O
Конечным этапом титрования считают
достижение рН около 8,3—8,4, при котором
количество С02 практически равно нулю.
Индикатором для этого диапазона служит
фенолфталеин, имеющий при рН выше 8,3
розовую окраску. При дальнейшем прибавлении
раствора едкого натра происходит реакция
НСO3 + ОН = СO3 + Н2O

9.

При этом рН становится больше 8,4 и окраска
раствора все более усиливается, хотя и не резко.
Поэтому для точного установления конца реакции
титрование производят до совпадения окраски
титруемого раствора и специально приготовленного
стандартного раствора. В связи с тем, что во время
титрования часть свободной угольной кислоты может
улетучиться, титрование необходимо вести в закрытой
колбе.
Недостатком метода является то, что одновременно с
СO2 титруются и слабые органические кислоты,
присутствующие иногда в большом количестве в водах с
болотным питанием. Осаждаются также и некоторые
катионы, которых также достаточно много, например
Са2+, Mg 2+, Fe2+. Поэтому при определении СO2
указанным методом в исследуемой воде содержание
гуминовых кислот (не окрашенных в желтый цвет)
должно быть незначительным, а минеральных веществ
— не превышать 1 г/л.

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНАТОВ

Если вода после прибавления фенолфталеина приобрела более
интенсивную окраску, нежели стандарт, то это свидетельствует о
присутствии ионов СО32-.
В колбу емкостью 150—200 мл наливают 100 мл воды,
прибавляют 0,1 мл фенолфталеина и титруют соляной кислотой (0,05
или 0,1 н.) до тех пор, пока жидкость не примет переходного
розового цвета, совпадающего с цветом минерального стандарта.
Титрование лучше производить в колбе с пробкой. После
прибавления кислоты колбу закрывают и осторожно перемешивают
пробу.
Вычисление результатов. Содержание карбонатов (С02, мг/л)
вычисляют по формуле:
2,2× П × К ×1000/О,
где П — мл раствора НСl, пошедшего на титрование;
К — поправка для соляной кислоты 0,05 н.;
О — объем пробы воды, взятой для исследования.

11. Определение бикарбонатной углекислоты (НСО3)

Принцип определения ионов НСО3 основан на
реакции:
НСО3 + Н+ = Н2O + СO2
Титрование воды производится соляной кислотой в
присутствии метилового оранжевого. Конец реакции
устанавливают по изменению цвета индикатора из
желтого в розоватый. При титровании воды соляной
кислотой ион водорода расходуется не только на
реакцию с ионами НСO3-, но также и с ионами других
слабых кислот. Но поскольку количество их в природных
водах незначительно, расчет содержания ионов НСO3 по общему расходу соляной кислоты существенной
ошибки не дает.

12. Определение содержания карбонатов и бикарбонатов при их совместном присутствии

Определение, которое проводят обычно путем титрования
воды соляной кислотой, основано на реакциях:
СO32- + Н+↔НСO3-;
НСО - + Н+↔Н O + СO
3
2
2
При прибавлении кислоты увеличивается концентрация
ионов водорода в воде. Это вызывает нарушение указанного
выше равновесия — в результате обе реакции пойдут слева
направо: вначале первая, так как ионы СO32- будут связывать
ионы водорода, превращаясь в ионы НСО3-, после того, как
рН достигнет 8,4, в воде практически не останется пи иона
СO32- , ни свободной углекислоты, а только ионы НСО3-.
Окончание первой реакции устанавливается по
фенолфталеину, а второй — по метиловому оранжевому.