Концентрация ионов водорода

Величина pH – один из важнейших показателей качества воды для определения ее стабильности, накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах.

Если рассматривать воду без примесей, то физическая сущность показателей pH выглядит следующим образом.

Химически чистая вода является очень слабым электролитом. Только одна из десяти миллионов молекул диссоциирует на ионы Н⁺ и ОН^-.

 

Т.к. распадается незначительное количество молекул воды, концентрация ионов и мала, тем более мало их произведение.

Согласно закону действия масс в водных растворах произведение активности ионов водорода и гидроксила является величиной постоянной и называется ионным произведением воды:

Характер среды (кислая, щелочная, нейтральная) определяется концентрациями этих ионов. Чаще используют водородный показатель рН, представляя его как отрицательный логарифм концентрации водородных ионов .

Для чистой воды при t =22 °C можно записать, что и при рН=7 среда нейтральна.

Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся при диссоциации воды.

Если в воде растворено какое-либо вещество, являющееся источником ионов H⁺ или ОН^- (HCl, H₂SO₄, NaOH) то концентрации H⁺ или ОН^- не будут равны, но их произведение будет постоянно.

Очень часто показатель путают с такими параметрами, как кислотность и щелочность воды. Важно понимать разницу между ними. Главное заключается в том, что – показатель интенсивности, но не количества. То есть, отражает степень кислотности или щелочности среды, в то время как кислотность и щелочность характеризуют количественное содержание в воде веществ, способных нейтрализовать соответственно щелочи и кислоты.

В зависимости от уровня можно условно разделить воду на несколько групп:

 

Таблица 2.1 – классификация воды по величине pH

Группа воды	Величина
сильнокислые воды	< 3
кислые воды	3-5
слабокислые воды	5, 0-6, 5
нейтральные воды	6, 5–7, 5
слабощелочные воды	7, 5-8, 5
щелочные воды	8, 5-9, 5
сильнощелочные воды	> 9, 5

Показатель – один из важнейших рабочих показателей качества воды, во многом определяющий характер химических и биологических процессов, происходящих в воде. В зависимости от величины может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и т.д.

Показатель рН учитывается при всех видах обработки воды. Измерение рН основано на потенциометрическом методе - определении разности электрических потенциалов двух электродов (индикаторного и электрода сравнения), помещенных в анализируемый раствор.

Солесодержание. Общая минерализация представляет собой суммарный количественный показатель содержания растворенных в воде веществ. Этот параметр также называют содержанием растворимых твердых веществ или общим солесодержанием, так как растворенные в воде вещества находятся именно в виде солей. К числу наиболее распространенных относятся неорганические соли (в основном бикарбонаты, хлориды и сульфаты кальция, магния, калия и натрия) и небольшое количество органических веществ, растворимых в воде.

В зависимости от минерализации природные воды можно разделить на следующие категории:

Таблица 2.2 – Классификация по степени минерализаци

Категория вод	Минерализация, г/дм3
Ультрапресные	< 0, 2
Пресные	0, 2-0, 5
Воды с относительно повышенной минерализацией	0, 5-1, 0
Солоноватые	1, 0-3, 0
Соленые	3-10
Воды повышенной солености	10-35
Рассолы	> 35

Сухой остаток, как условный, показатель позволяет косвенно судить о солесодержании воды, т.е. о сумме всех анионов и катионов в воде, за исключением ионов Н⁺ и ОН^-. Его получают путем упаривания определенного объема отфильтрованной пробы воды с последующим подсушиванием при температуре 105 °С. Однако при образовании сухого остатка несколько изменяется ионный состав примесей за счет разложения бикарбонатов. В сухой остаток входит также часть органических и коллоидных примесей, т.е. истинное значение солесодержания он не отражает.

Если упариванию подвергать нефильтрованную воду, то подсушенный при 105°С остаток называется плотным. В плотный остаток входят все грубодисперсные примеси воды. Их концентрация в воде может быть определена по разности величин плотного и сухого остатка воды.

Прокаленный остаток. Прокаливание сухого остатка при t =800 °С приводит к сгоранию органических примесей и распаду карбонатов. Поэтому разность значений прокаленного и сухого остатков позволяет (ориентировочно) оценить концентрацию в воде органических примесей.

Окисляемость – это величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых (при определенных условиях) одним из сильных химических окислителей.

Выражается этот параметр в миллиграммах кислорода, пошедшего на окисление этих веществ, содержащихся в 1дм³ воды.

Различают несколько видов окисляемости: перманганатную, бихроматную, иодатную, цириевую. Наиболее высокая степень окисления достигается бихроматным и иодатным методами. В практике водоочистки для природных малозагрязненных вод определяют перманганатную окисляемость, а в более загрязненных водах – как правило, бихроматную окисляемость (называемую также ХПК – “химическое потребление кислорода”).

Окисляемость является очень удобным комплексным параметром, позволяющее оценить общее загрязнение воды органическими веществами.

В ряде европейских стран введен показатель на общий органический углерод (ООУ). Этот показатель характеризует содержание углерода в органических соединениях, присутствующих в воде. Его определяют сжиганием порций раствора и измерением количества образовавшегося СО₂.

Содержание общего органического углерода ООУ достаточно надежный показатель содержания в воде органических веществ.

Жесткость воды является одним из важнейших показателей, определяющих возможность использования воды в теплоэнергетике.

Все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Однако на практике Fe, Mn, Sr оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими пренебрегают. Поэтому понятие жесткости воды принято связывать с катионами Ca²⁺, Mg²⁺.

 

Общей жесткостью Ж_о называется суммарная концентрация ионов Са²⁺ и Мg²⁺, выражаемая в мг-экв/кг, а при малых значениях - в мкг-экв/кг. По определяющему катиону общая жесткость подразделяется на жесткость кальциевую Ж_Са и жесткость магниевую Ж_Мg. Часть общей жесткости, эквивалентная концентрации бикарбонат и карбонат ионов называется карбонатной жесткостью Ж_к. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется еще временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, соляной, азотной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость). По значению общей жесткости природных вод установлена следующая классификация:

Ж_о < 1, 5 мг-экв/кг ¾ малая;

Ж_о = 1, 5¸ 3 мг-экв/кг ¾ средняя;

Ж_о =3¸ 6 мг-экв/кг ¾ повышенная;

Ж_о =6¸ 12 мг-экв/кг ¾ высокая;

Ж_о > 12 мг-экв/кг ¾ очень высокая.

В мировой практике используются несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м³).

Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция () 20, 4 г/м³ и ионов магния () 12, 153 г/м³. Числовое значение жесткости, выраженное в молях на кубический метр равно числовому значению жесткости, выраженному в миллиграмм-эквивалент на литр (или кубический дециметр), т.е.

1моль/м³=1ммоль/л=1мг-экв/л=1мг-экв/дм³.

Кроме этого в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус , французский градус , американский градус, .

Соотношение этих единиц жесткости представлено в таблице 2.3:

Таблица 2.3 – Соотношение единиц жесткости

Единицы жесткости воды
Моль/м3 (мг-экв/л)	Немецкий градус, d°	Французский градус, f°	Американский градус	ppm (мг/дм3)
1, 000	2, 804	5, 005	50, 050	50, 050

 

Примечание:

1. Один немецкий градус соответствует 10 мг/дм³ или 17, 86мг/дм³ в воде

2. Один французский градус соответствует 10 мг/дм³ в воде.

3. Один американский градус соответствует 1мг/дм³ в воде

Щелочность. Под общей щелочностью природных или очищенных вод понимают способность некоторых их компонентов связывать эквивалентное количество сильных кислот. Этот параметр также часто называют буферной емкостью воды, имея в виду способность воды нейтрализовать коррозионное воздействие кислот.

Общей щелочностью воды Щ_о, называется суммарная концентрация всех анионов слабых кислот и ионов гидроксила, за исключением ионов Н⁺, выраженная в мг-экв/кг или мкг-экв/кг.

В зависимости от типа анионов, обусловливающих ее, щелочность подразделяется на:

- Бикарбонатную Щ_б ;

- Карбонатную Щ_к ;

- Силикатную Щ_с ;

- Гидратную Щ_г ;

- Фосфатную Щ_ф .

Таким образом, можно записать

Щ_о= Щ_б+Щ_к+Щ_о+Щ_г+Щ_ф (2.3)

Обычно в природных водах бикарбонатная щелочность существенно преобладает над другими видами щелочности, поэтому ее значение с небольшой погрешностью выражает щелочность общую. В редких случаях при рН> 8, 5 возникает гидратная щелочность.

Кислотностью называют содержание в воде веществ, способных вступать в реакцию с гидроксид- ионами (ОН^–). Кислотность воды определяется эквивалентным количеством гидроксида, необходимого для реакции нейтрализации. В теплоэнергетике данный показатель используется при контроле за ходом химической промывки оборудования, нейтрализации кислых стоков и так далее. Он является показателем не природной воды, а технологической.

Кремнесодержание. Кремневая кислота находится в природной воде в основном в недиссоциированном состоянии. Ангидрид кремневой кислоты SiО₂ образует с водой ряд кислот (мета-, орто- и поликремневые). Их целесообразнее не идентифицировать, а определять в виде суммарного кремнесодержания воды, которое существенно зависит от ионного состава воды. Кремневые кислоты в воде практически нерастворимы и образуют в ней коллоидные соединения. Оценивают кремнесодержание в SiО₂ мг/кг.

Электропроводимость – это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электропроводимость зависит от концентрации растворенных минеральных солей и температуры.

Удельная электропроводимость воды характеризуется электропроводимостью 1 см³(1 м³) жидкости с размером граней 1 см (1 м) и выражается в Sm/см (Sm/м). Она является важнейшим показателем качества природной и обработанной воды, указывающим на суммарную концентрацию ионных примесей.

Удельная электропроводимость воды c не содержащей примесей при температуре 20 °C составляет 0, 04 mSm/см и определяется переносом в электрическом поле только ионов Н⁺ и ОН^-. В воде с солесодержанием порядка 1000 мг/кг – c =2000 mSm/см.

Связь между c и концентрацией ионных примесей зависит от множества факторов, в том числе от температуры, вида ионов, степени диссоциации, что существенно затрудняет измерения. В основе принципа действия приборов для измерения c лежит кондуктометрический метод, основанный на явлении переноса электрических зарядов ионами вещества при прохождении тока через анализируемый раствор.

В приложении 1 приведены показатели качества некоторых поверхностных источников водснабжения.