Кислотность среды и способы ее измерения

Существует несколько причин, по которым я решила выбрать для исследовательской работы именно эту тему. Во-первых, она показалась мне интересной, поскольку проблема кислотного загрязнения природных вод и окружающей среды в целом очень актуальна сегодня, когда на улицах ежегодно становится все больше и больше автомобилей, появляются новые заводы и фабрики, отрицательно влияющие на экологию. Во-вторых, написание реферата – это хороший опыт исследовательской работы. При дальнейшей учебе в ВУЗе этот опыт поможет мне лучше справляться с выполнением курсовых и дипломных работ. Эта работа может научить, как правильно нужно подбирать литературу, выбирать из нее наиболее главное и необходимое. Меня привлекло и то, что для написания реферата по данной теме пришлось проводить эксперименты (я измеряла уровень кислотности воды, полученной путем растапливания снега, взятого в разных точках нашего, а затем делала самостоятельные выводы о влиянии различных факторов на загрязнение природных вод). А также защита реферата — это хороший способ научиться выступать на публике, что тоже очень может пригодиться в будущем.

Кислотность среды и способы ее измерения

Понятие кислотности

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H+) (моль/л или г/л).

Для характеристики кислотности среды вводят водородный показатель рН, который можно определить как отрицательную степень десяти величины концентрации ионов Н+, то есть С(Н+)=10-рН.

В зависимости от концентрации ионов Н+ в растворе может быть кислая, нейтральная или щелочная среда (табл. 1).

Таблица 1. рН в различных средах

Среда С(Н+) рН

Кислотная >10-7моль/л <7

Нейтральная 10-7моль/л 7

Щелочная <10-7моль/л >7

Существует ряд веществ, которые при растворении создают кислотную среду:

Во-первых, кислоты: кислоты — электролиты, в растворе или расплаве распадающиеся на катионы водорода и анионы кислотного остатка. Например, диссоциацию азотной кислоты можно отразить следующим уравнением:

HNO3→H++NO3-

Многоосновные кислоты (содержащие несколько в своем составе атомов водорода, способных замещаться на атомы металла) диссоциируют ступенчато.

H2SO4→H++HSO4-

HSO4-↔H++SO42-

Во-вторых, кислотные оксиды, которые при растворении в воде образуют кислоты, например, оксид серы (IV), взаимодействуя с водой, образует сернистую кислоту:

SO2+H2O↔H2SO3

В-третьих, некоторые соли, подвергающиеся гидролизу – реакции взаимодействия с водой. Рассмотрим более подробно процессы гидролиза на примерах некоторых солей, подвергающихся гидролизу по катиону, образованных сильной кислотой и слабым основанием:

1. Гидролиз хлорида меди (IV):

CuCl2→Cu2++2Cl-

Cu(OH)2 — слабое основание

HCl — сильная кислота

H2O↔H++OH-

Cu2++H2O↔CuOH++H+ кислая среда

2. Гидролиз хлорида алюминия:

AlCl3→Al3++3Cl-

Al(OH)3 ― слабое основание

HCl — сильная кислота

H2O↔H++OH-

Al3++H2O↔ AlOH2++H+ кислая среда

Как видно из представленных уравнений реакций, в растворах рассмотренных солей присутствуют ионы водорода, то есть среда кислая.

Способы измерения кислотности

Индикаторы

Для определения кислотность среды часто применяют кислотно-основные индикаторы — особые вещества имеющие в разных средах разную окраску. Как правило, в роли индикаторов выступают слабые органические кислоты или основания, содержащие хромофорные (от греч. «хрома» — «цвет» и «форо» — «несу») группы, которые придают этим веществам яркую окраску. В табл. 2 представлены некоторые индикаторы и интервал рН в происходящем изменении окраски.

Чаще всего в лабораторной практике используют индикаторы лакмус и метиловый оранжевый. Лакмус в нейтральной среде имеет фиолетовую окраску, в кислой – красную, а в щелочной – синюю. Метилоранж в нейтральной среде обладает оранжевой окраской, в кислой – красной, в щелочной – желтой.

Кислотно-щелочные индикаторы весьма разнообразны; многие из них легко доступны и потому известны не одно столетие. Это отвары или экстракты окрашенных цветов, ягод и плодов.

Обычный чай – тоже индикатор. Если в стакан с крепким чаем капнуть лимонный сок или растворить несколько кристалликов лимонной кислоты, то чай сразу станет светлее. Если же растворить в чае питьевую соду, раствор потемнеет (пить такой чай, конечно, не следует). Чай же из цветков («каркаде») дает намного более яркие цвета.

Я решила проверить данный факт на опыте, но вместо лимонной кислоты добавляла раствор серной кислоты, а вместо соды (раствор которой имеет щелочную реакцию) раствор гидроксида калия. В кислотной среде окраски и черного чая, и чая «каркаде» светлеют, а в щелочной среде заметно темнеют или, как в случае «каркаде» чай изменил цвет на зеленый.

Таблица 2. Индикаторы

Индикатор Интервал pH Изменение окраски

Метиловый фиолетовый (I) 0,13—0,5 Желтая — зеленая

Крезоловыи красный (I) 0,2—1,8 Красная — желтая

Метиловый фиолетовый (II) 1,0—1,5 Зеленая — синяя

Тимоловый синий (I) 1,2—2,8 Красная — желтая

Тропеолин 00 1,3—3,2 Красная — желтая

Метиловый фиолетовый (III) 2,0—3,0 Синяя — фиолетовая

Бромфеноловыи синий 3,0—4,6 Желтая — синяя

Метиловый оранжевый 3,1—4. 0 Красная — оранжево-желтая

Бромкрезоловый синий 3,8—5,4 Желтая — синяя

Метиловый красный 4,2—6,2 Красная — желтая

Лакмус (азолитмин) 5,0—8,0 Красная — синяя

Бромкрезоловый пурпурный 5,2—6,8 Желтая — ярко-красная

Бромтимоловый синий 6. 0—7,6 Желтая— синяя

Феноловый красный 6,8—8,4 Желтая — красная

Крезоловый красный (II) 7,0—8,8 Желтая — темно-красная

Тимоловый синий (II) 8,0—9,6 Желтая — синяя

Фенолфталеин 8,2—10,0 Бесцветная — красная

Тимолфталеин 9,3—10,5 Бесцветная — синяя

Нильский голубой 10,1—11,1 Синяя — красная

Диазофиолетовый 10,1—12,0 Желтая — феолетовая

Индигокармин 11,6—14,0 Синяя — желтая

Но наиболее часто в лабораторной практике используется универсальный индикатор — смесь нескольких кислотно-основных индикаторов. Он позволяет легко определить не только характер среды, но и значение кислотности раствора. На рис. 5 представлен универсальный индикатор в средах с различной кислотностью.

1. 2. 2 Ионометрический способ

Использование специального прибора ― рН-метра ― позволяет измерять рН в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы рН), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения рН основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов Н+ в окружающем растворе. Данный способ отличается удобством и высокой точностью, он позволяет также измерять рН непрозрачных и цветных растворов, отчего широко используется в практике.

2. Природные воды

2. 1 Природные воды

Под природными водами обычно понимают естественные водные растворы и смеси, в которых в растворенном состоянии содержатся разные соли, твердые, жидкие и газообразные вещества.

Вода широко распространена в природе. Гидросфера — водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, озёра, водохранилища, реки, подземные воды, почвенную влагу, составляет около 1,4-1,5 млрд. км3, причём на долю воды суши приходится всего около 90 млн. км3. Из них подземные воды составляют 60, ледники 29, озёра 0,75, почвенная влага 0,075, реки 0,0012 млн. км3. В атмосфере вода находится в виде пара, тумана и облаков, капель дождя и кристаллов снега (всего около 13-15 тыс. км3). Около 10% поверхности суши постоянно занимают ледники. На севере и северо-востоке России, на Аляске и Севере Канады ― общей площадью около 16 млн. км2 всегда сохраняется подпочвенный слой льда (всего около 0,5 млн. км3. В земной коре ― литосфере содержится, по разным оценкам, от 1 до 1,3 млрд. км3 воды, что близко к содержанию её в гидросфере. В земной коре значительные количества воды находятся в связанном состоянии, входя в состав некоторых минералов и горных пород (гипс, гидратированные формы кремнезёма, гидросиликаты и др. ). Огромные количества воды (13-15 млрд. км3) сосредоточены в более глубоких недрах мантии Земли. Вода входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше воды, чем во всех реках Земли. В живых организмах количество воды, за исключением семян и спор, колеблется между 60 и 99,7% по массе.

Вода в природных условиях всегда содержит растворённые соли, газы и органические вещества. Их количественный состав меняется в зависимости от происхождения воды и окружающих условий. При концентрации солей до 1 г/кг воды считают пресной, до 25 г/кг - солоноватой, свыше ― солёной.

Наименее минерализованными водами являются атмосферные осадки (в среднем около 10-20 мг/кг), затем пресные озёра и реки (50-1000 мг/кг). Солёность океана колеблется около 35 г/кг; моря имеют меньшую минерализацию (Чёрное 17-22 г/кг; Балтийское 8-16 г/кг; Каспийское 11-13 г/кг). Минерализация подземных вод вблизи поверхности в условиях избыточного увлажнения составляет до 1 г/кг, в засушливых условиях до 100 г/кг, в глубинных артезианских водах минерализация колеблется в широких пределах. Максимальные концентрации солей наблюдаются в соляных озёрах (до 300 г/кг) и глубокозалегающих подземных воды (до 600 г/кг).

В пресных водах обычно преобладают ионы HCO3-, Са2+ и Mg2+. По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO42-, Cl-, Na+ и К+. В высокоминерализованных водах преобладают ионы Cl- и Na+, реже Mg2+ и очень редко Ca2+. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, хотя почти все естественные элементы периодической системы найдены в природных водах.

Из растворённых газов в природных водах присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко сероводород и углеводороды. Первоисточниками солей природных вод являются вещества, образующиеся при химическом выветривании изверженных пород (Ca2+, Mg2+, Na+, К+ и др. ), и вещества, выделявшиеся на протяжении всей истории Земли из её недр (CO2, SO2, HCI, NH3 и др. ). От разнообразия состава этих веществ и условий, в которых происходило их взаимодействие с водой, зависит состав воды и ее кислотность.

На кислотность природных вод влияет минеральный состав, так, например, ионы Na+, К+, Cu2+ на кислотность не влияют, а ион Mg2+ оказывает влияние, подвергая гидролизу:

Mg2++H2O↔MgOH++H+

Оксиды серы и углерода также влияют на рН природных вод, так как при обработке кислоты раствором аммиака наоборот повышают рН, так как аммиак является основанием:

NH3+H2O↔NH4++OH-

Классификация природных вод a. Поверхностные воды b. Реки, озера c. Подземные воды d. Моря и океаны e. Осадки

2. 2 Осадки

Осадки – вода в жидком и твёрдом состоянии, выпадающая из облаков или образующаяся непосредственно на земной поверхности и на наземных предметах в результате конденсации водяного пара, находящегося в воздухе. Основными формами осадков являются следующие:

Снег ― форма осадков, состоящая из мелких кристаллов льда.

Дождь — атмосферные осадки, выпадающие из облаков в виде капель воды диаметром от 0,5 до 6—7 мм.

Крупа — атмосферные осадки в виде непрозрачных крупинок белого цвета диаметром от 2 до 5 мм

Выпадение осадков из облаков происходит в результате укрупнения уже существующих облачных элементов (капель или кристаллов) до размеров, при которых они приобретают заметную скорость падения. Наиболее крупные кристаллические элементы, выпадая из облака, сталкиваются с переохлажденными каплями, примораживая их к себе, или смерзаются между собой, образуя хлопья. Перейдя в атмосферные слои с температурами выше 0 0С, твёрдые частицы тают, образуя капли дождя. При низких температурах воздуха (около 0 0С и ниже) твёрдые частицы достигают земной поверхности, не растаяв (снег, крупа и др. )

2. 3 Мониторинг природных вод

Существует несколько способов контроля состава и качества природных вод и осадков. Далее рассмотрим наиболее распространенные из них.

А) Физико-химические методы

1. Определение температуры воды

От температуры воды зависят многие параметры состояния водоемов и водостоков: содержание в воде растворенного кислорода, скорость протекания биологических и физико-химических процессов и видовое разнообразие. Кроме того, разность температуры воды в разных створах дает информацию о существующих промышленных или бытовых сбросах в реки и озера.

2. Определение органолептических свойств воды:

Прозрачность

Этот показатель обусловлен цветом и мутностью воды, т. е. содержанием в ней различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ. Мерой прозрачности служит высота водяного столба, сквозь который можно определить на белой бумаге шрифт определенного размера и типа.

Цвет (окраска)

Чистая природная вода почти бесцветна. Наличие окраски поверхности вод обычно связано с присутствием гуминовых веществ и соединений железа.

Этот показатель обусловлен наличием в воде летучих пахнущих веществ, которые попадают в нее естественным путем или со сточными водами. На запах подземных и поверхностных вод влияет присутствие в них органических веществ.

3. Определение величины pH

4. Определение окисляемости воды.

Данный показатель дает возможность судить о количестве органических веществ в воде.

5. Экспресс-метод определения сульфатов в воде

6. Экспресс-метод определения хлоридов в воде

Б) Биоиндикаторные методы

1. Биоиндикация токсичности природных вод с помощью дафний

Дафнии – наиболее часто используемый тест-объект для определения токсичности воды.

2. Биоиндикация токсичности природных вод с помощью группи.

3. Кислотное загрязнение осадков

3. 1 Распределение рН осадков по земному шару.

Рассмотрим значение кислотности осадков в мире. На рис. 6 представлено распределение рН осадков по земному шару.

Обычная незагрязненная дождевая вода имеет рН = 5,65. Кислотными называются осадки с рН менее 5,65.

«Чистый» дождь обычно всегда имеет слегка кислую реакцию, поскольку содержащийся в воздухе диоксид углерода (СО2) вступает в химическую реакцию с дождевой водой, образуя слабую угольную кислоту.

CO2+H2O(H2CO3

Данная реакция является обратимой, и образование кислоты происходит лишь в незначительной степени.

На значительных территориях на востоке США, юго-востоке Канады и западе Европы и Японии среднегодовые значения рН атмосферных осадков колеблются от 4,0 до 4,5, тогда как на значительной территории Азии рН осадков находится в пределах значений 5,5-6,0. Восточные территории США, юго-восточной Канады, Европы и Японии являются наиболее промышленно-развитыми, то есть наблюдается прямая зависимость между кислотным загрязнением осадков и расположением промышленности. Основной причиной кислотного загрязнения, связанного с работой промышленных предприятий, является выброс сернистого газа. Сернистый газ образуется при сжигании серосодержащего топлива и переработке пирита, необходимого для производства стали и чугуна. Другими уменьшающими кислотность загрязнителями могут служить соли, металлов, подвергающихся гидролизу, например, соли меди.

3. 2 Россия и Ближайшее зарубежье

Представлено кислотное загрязнение снежного покрова на территории России и Ближайшего зарубежья.

В качестве объекта исследования взят снежный покров, так как он сохраняется со временем на поверхности земли, тогда как другие виды осадков впитываются в почву.

Наиболее сильное кислотное загрязнение снежного покрова наблюдается в западной части России, где сосредоточены основные промышленные предприятия, загрязняющие окружающую среду. Наиболее неблагоприятными районами являются: Мурманская область, Москва и Московская область, Центрально-Черноземный район, Среднее Поволжье, Калмыкия, низовья Волги, Краснодарский край, Уральский район, Кузбасс, Норильский промышленный центр, север Западной Сибири и юг Восточной Сибири. Возможные причины загрязнения представлены выше. Можно проследить две основные тенденции пространственного распределения кислотных осадков, выпадающих в России и Ближайшем зарубежье:

1. отмечается рост pH в направлении с запада на восток с некоторым отклонением, связанным с влиянием промышленных центров и рельефа местности;

2. к северу и югу кислотность осадков в целом уменьшается.

4. Экспериментальная часть работы

Я исследовала кислотность природных вод Красносельского района. Отбирала пробы снега: свежевыпавшего, лежащего. Внешний вид образцов представлен на рис. 8.

Для измерения кислотности применялся индикаторный метод. В качестве индикатора использовали универсальный индикатор.

В таблице 3 представлено описание исследованных образцов. На рисунке 10 представлена карта микрорайона Лигова и Красного Села, происходил отбор проб.

Исследованию подвергалось пять образцов снега и один – очищенной воды. Кислотность очищенной вода равна 6.

Из таблицы видно, что кислотность свежевыпавшего снега (образцы 1,4 и 5) находится в пределах pH 5 – 6, что является нормой для чистой воды, причем внешне данные образцы представляют собой белый рассыпчатый снег без видимых загрязнений.

Кислотность образцов, взятых около оживленных автомобильных магистралей (Кингисеппское шоссе) приблизительно равна 4, что показывает на кислотное загрязнение. Внешне образцы представляют собой темно-серый с примесями песка снег.

Низкое значение кислотности образцов 2 и 3 может быть связана с тем, что снег, выпадающий около оживленный автомобильных магистралей со временем поглощает выхлопные газы, содержащие различные примеси. При сгорании топлива, содержащего примеси серы или сульфидов, например сероуглерода, происходит образование оксида серы (IV), который взаимодействуя с водой образует сернистую кислоту. Реакции, происходящие при этом можно отразить следующими уравнениями:

CS2 + 3O2→ CO2 + 2SO2

SO2 + H2O→ H2SO3

Сгорание хлорсодержащего топлива приводит к образованию хлороводорода, образующего при растворении в воде соляную кислоту.

Так же выхлопные газы содержат примеси солей свинца, меди и других металлов, соли которых подвергаются гидролизу, что тоже уменьшает кислотность снега.

Табл. 3

Исследованные образцы снега

№ Дата Адрес Внешний вид Кислотность Примечание

1 29. 01. 06 Придворовая территория д. 18 ул. П. Белый, рассыпчатый 6 Снег выпал 27. 01

Германа

2 11. 02. 06 Кингисеппское шоссе Серый цвет ≈4

3 15. 02. 06 Кингисеппское шоссе Темно-серый цвет ≈4

4 29. 01. 06 У проезжей части перекресток ул. Белый, рассыпчатый 5,5 Снег выпал 27. 01

П. Германа и пр. Ветеранов

5 04. 02. 06 Очищенная вода ≈6

5. Заключение.

Кислотность — одно из важнейших свойств водных растворов. Кислотность природных вод является одной из важнейших показателей качества воды, на равнее с другими показателями: температурой, органолептическими и биологическими свойствами.

Проведенные исследования образцов снега, взятого в Красносельском районе, показали, что:

1)Кислотность свежевыпавшего снега находится в переделах рН 5-6, что является нормой для чистой воды.

2)Кислотность образцов, взятых около оживленных автомобильных магистралей приблизительно равна 4, что показывает на кислотное загрязнение.