Реакция среды

Мерой активной реакции среды является водородный показательрН(р — начальная буква слова potenz — показатель). рН — это десятичный логарифм активности водородных ионов, взятый с отрицательным знаком:

(П.2.4)

Вода является слабым электролитом и диссоциирует согласно уравнению (П.2.5) (упрощенный вариант):

(П.2.5)

Термодинамическая константа диссоциации воды равна:

(П.2.6)

Активность воды в водных растворах остается практически постоянной (1000г*л^--1/18 г*моль^-1 @ 55,6 моль/л), поэтому можно ввести новую константу , которую называют ионное произведение воды:

(П.2.7)

При 25 ^оС ; оно растет с ростом температуры.

В электронейтральной среде поэтому .

В кислых растворах , т. е. рН < 7. В щелочных растворах , т. е. рН > 7.

Вода хозяйственно-питьевого назначения должна иметь рН 6,5 – 8,5. Такое требование связано с необходимостью удовлетворения физиологических потребностей человека и исключения коррозии материалов труб и сооружений. Для большинства природных водоисточников величина рН не выходит за эти пределы.

Значения рН определяют электрометрически (потенциометрически) с помощью лабораторного рН-метра. Обычно используют стеклянный электрод, потенциал которого однозначно зависит от концентрации ионов водорода в растворе. В паре со стеклянным электродом используют вспомогательный хлорсеребряный электрод.

Кроме понятия активной кислотности, обусловленной присутствием в растворе свободных ионов водорода, пользуются также понятием «общая кислотность» или «титруемая» или «аналитическая». Кислотностьюназывается содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с гидроксил-ионами. Расход гидроксида выражает общую кислотность воды. В обычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободного диоксида углерода. Естественную часть кислотности могут создавать также гуминовые и другие слабые органические кислоты. В этих случаях рН воды не бывает ниже 4,5.

В загрязненных водоемах могут содержаться большие количества сильных кислот или их солей за счет сброса промышленных сточных вод. В этих случаях рН может быть ниже 4,5. Часть общей кислотности, снижающая рН ниже 4,5, называется свободной.

Кислотность воды определяют титрованием раствором сильного гидроксида. Обычно используют 0,1 N раствор щелочи, для более точного определения — 0,01N раствор. Количество титрованного раствора, израсходованного до получения рН 4,5, соответствует свободной кислотности; количество, израсходованное до получениярН8,3, соответствует общей кислотности. Если рН воды больше 8,3, то ее кислотность равна нулю.

Конечную точку титрования определяют визуально или электрометрически. Кислотность выражают в мг-экв/л.

При визуальном определении свободной кислотности к 100 мл пробы добавляют 0,1 мл раствора метилового оранжевого и титруют 0,1 N (0,01 N) раствором NaOH до появления желтой окраски индикатора.

При электрометрическом титровании используют рН-метр со стеклянным индикаторным электродом и хлорсеребряным (или каломельным) электродом сравнения. Титруют пробу в высоком стакане с магнитной мешалкой до рН 4,5.

При визуальном определении общей кислотности к 100 мл пробы добавляют 0,15 мл раствора фенолфталеина и тируют 0,1 N (0,01 N) раствором гидроксида натрия до появления розовой окраски индикатора.

При электрометрическом определении используют рН-метр и титруют до рН 8,3.

Визуальному определению конца титрования мешает окраска и мутность пробы, а также свободный хлор, обесцвечивающий индикатор.

В точке эквивалентности количество титранта (в мг-экв) химически эквивалентно количеству реагирующего с ним вещества. Если положить, что конечная точка титрования и есть точка эквивалентности, то

,

(П.2.8)

где С_к — концентрация кислоты — кислотность свободная (С) или общая (О), [мг-экв/л]; V_пр — объем пробы, взятой на титрование [л]; С_щ — концентрация щелочи [мг-экв/л]; V_щ — объем щелочи, израсходованной на титрование [л], тогда

(П.2.9)

Щелочность — содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами, т. е. с ионами водорода. На щелочность воды оказывают влияние состояние соединений углекислоты. Углекислота может присутствовать в форме недиссоциированных молекул Н₂СО₃ (в малых количествах), молекулярно растворенного диоксида углерода СО₂ и гидрокарбонатов (бикарбонатов) , если рН воды меньше 8,4, и в виде гидрокарбонатов и карбонатов , если рН больше 8,4.

При рН3,7 – 4 вся находящаяся в воде углекислота представлена только диоксидом углерода СО_2. По мере повышения рН доля СО₂ уменьшается, следовательно, возрастает доля гидрокарбонатов. При рН 8,3 – 8,4 практически вся углекислота находится в виде гидрокарбонатов, а на долю СО₂ и приходится менее 2 %. При повышении рН сверх 8,4 свободного СО₂ нет, есть только гидрокарбонат- и карбонат-ионы. При рН выше 12 в растворе находятся только карбонаты.

Экспериментально щелочность определяют титрованием соляной или серной кислотой последовательно с фенолфталеином и метиловым оранжевым. При рН 8,2 – 8,4 окраска фенолфталеина переходит из розовой в бесцветную. Метилоранж меняет окраску при рН 4 – 4,3, т. е. когда в растворе остается свободный диоксид углерода.

При титровании в присутствии фенолфталеина протекает реакция нейтрализации и -ионов:

,	(П.2.10)
,	(П.2.11)

т. е. расход кислоты эквивалентен содержанию гидроксидов и половины карбонатов (в мг-экв/л), так как последние нейтрализуются до .

Таким образом, свободная щелочность воды

,

(П.2.12)

где и — концентрации гидроксильных и карбонатных ионов в мг-экв/л.

При дальнейшем титровании в присутствии метилового оранжевого происходит реакция нейтрализации гидрокарбонатов:

.

(П.2.13)

Таким образом, общая щелочность воды

, [мг-экв/л].

(П.2.14)

Если рН воды меньше 4 – 4,3, то ее щелочность равна нулю.

Воды рек средней полосы европейской части страны имеют рН ~ 7,8. Щелочность этой воды обычно составляет 3 – 4 мг-экв/л.

Углекислотные соединения обусловливают и такое свойство воды, как ее агрессивность, которая выражается в разрушающем действии воды на металлы и даже на бетон.