Углекислый газ – источник углерода для растений, без которого не было бы жизни в воде. Однако слишком высокие концентрации его угнетают жизненные процессы. Углекислый газ оказывает существенное влияние на концентрацию водородных ионов. Кроме того, он является важным фактором круговорота углерода в природе. В реках и озерах концентрация углекислого газа редко превышает 20–30 мг/л. Максимум его бывает в конце зимы.
Присутствие в пресных водоемах растворенного СО2 обусловлено биохимическими процессами окисления органических веществ, содержащихся в водоемах и в почве, а также дыханием водных организмов и выделением его при геохимических процессах.
Содержание углекислоты определяют титрованием 0,1 н раствором NaOH в присутствии фенолфталеина до появления розовой окраски раствора, соответствующей окраске стандартного раствора сравнения, рН которого по фенолфталеину равен 8,4:
– коническая колба на 250 мл;
Для приготовления раствора сравнения в колбу наливают 200 мл дистиллированной воды, прибавляют 0,5 мл 10% раствора едкого натра и 0,2 мл разбавленного (0,1%) раствора фенолфталеина.
Концентрацию растворенного углекислого газа определяют по формуле
х = , (20)
где х — концентрация углекислого газа;
Vх — объем NaOH, пошедший на титрование, соответственно;
N — нормальность раствора NaOH;
V — объем исследуемой воды, взятой на титрование, мл.
Сероводород встречается в основном в подземных водоисточниках, образуясь в результате восстановления и разложения некоторых минеральных солей, в поверхностных водах он почти не встречается, так как легко окисляется. Появление его в поверхностных источниках является следствием протекания гнилостных процессов или сброса сточных вод.
Содержание сероводорода определяют колориметрически, используя реакцию сероводорода с ацетатом или нитратом свинца, в результате которой образуется осадок черного цвета PbS. В щелочной среде осадок растворяется. Интенсивность окрашивания раствора сравнивают со шкалой.
Приблизительно содержание сероводорода определяют с реактивом Каро (Приложение 4). При добавлении реактива Каро окраска раствора изменяется от светло-зеленой до интенсивно синей, в зависимости от концентрации сероводорода.
– щелочной раствор соли свинца (к 5% раствору нитрата или ацетата свинца добавить порциями 10% раствор щелочи до растворения образующегося осадка, затем ввести еще 25 мл);
– стандартный раствор сульфида натрия, содержащий 1 мг H2S/мл, (растворить 0,705 г кристаллического химически чистого сульфида натрия в 1 л дистиллированной воды), раствор нестойкий;
– шкала стандартных растворов. В пробирки добавляют 1, 2, 3, 4 и 5 мл стандартного раствора сульфида натрия. Затем доводят объем до 20 мл щелочным раствором соли свинца.
В пробирку наливают 10 мл исследуемой воды и прибавляют 3 мл реактива Каро. В зависимости от содержания сероводорода в воде окраска изменяется от светло-зеленой до интенсивно-синей. Параллельно к 10 мл дистиллированной воды прибавляют 3 мл реактива Каро и сравнивают полученную окраску с окраской исследуемой воды. Содержание сероводорода определяют по табл.3.2
Приближенное определение сероводорода
Содержание сероводорода, мг/л
При рассматривании сверху отсутствует
При рассматривании сверху светло-зеленая
Через 2 минуты при рассматривании сбоку разницы с контрольной пробиркой нет, сверху зеленоватая
Через 1 минуту при рассматривании сбоку – слабая светло-зеленая
Через ½ мин – светло-зеленая
Содержащийся в воде растворенный кислород поступает из атмосферного воздуха, а также образуется в результате фотосинтеза водорослями органических веществ (углеводов) из неорганических (Н2СО3, H2O). Содержание кислорода в воде уменьшается вследствие протекания процессов окисления органических веществ и потребления его живыми организмами при дыхании.
Определение растворенного в воде кислорода проводят йодометрическим титрованием в присутствии крахмала (метод Винклера). Метод Винклера применим для определения кислорода в природной воде при содержании в воде не более 0,1 мг/л азота нитратов, не более 10 мг/л окисного железа, не более 0,3 мг/л активного хлора и при окисляемости не более 15 мгO2/л.
Метод Винклера представляет собой йодометрическое титрование, когда о концентрации О2 судят по количеству выделившегося йода.
В склянку с пробой вводят раствор сульфата или хлорида Мn (II) и щелочной раствор КI. Мn (II) реагирует с КОН, образуя гидроокись марганца (II) Mn(ОН)2.
2 KOH + MnСl2 ® Мn(ОН)2 ¯ + 2KCl (21)
Это осадок белого цвета, неустойчивое соединение, которое легко окисляется растворенным в воде кислородом до гидроокиси марганца (III) бурого цвета
4 Мn(ОН)2 ¯ + О2 + 2 H2O ® 4 Мn(ОН)3¯ (22)
Осадок H2МnО3 растворяют в соляной или серной кислоте. При этом Мn (III) восстанавливается до Мn (II) и выделяется свободный йод, в количестве, эквивалентном количеству растворенного кислорода:
2 Мn(ОН)3 + 3 H2SO4 ® Mn2(SO4)3 + 3H2O (23)
Mn2(SO4)3 + 2 КI ® 2 MnSO4 + K2SO4 + I2 (24)
Суммарное уравнение (22) и (23):
2 Мn(ОН)3 + 2 H2SO4 + 2 КI ® 2 MnSO4 + K2SO4 + I2 + 3H2O (25)
Выделившийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала:
I2 + 2 Na2S2O3 ® 2 NaI + Na2S4O6 (26)
– HCl или H2SO4, концентрированная;
– щелочная смесь (70 г КОН и 15 г КI растворяют в дистиллированной воде и доводят общий объем раствора до 1000 мл).
Подготовка к проведению анализа
Калибровка склянок. Склянки взвешивают на технохимических весах сначала пустые, затем заполненные дистиллированной водой. Разность двух взвешиваний равна весу воды в склянке.
Заполнение склянки. Перед заполнением каждая склянка ополаскивается исследуемой пробой. Склянки заполняют доверху, переливая часть пробы. Заполнять осторожно, чтобы исключить попадание пузырьков воздуха. Попавшие в склянку пузырьки удаляют, оставив склянку открытой в течение 1 мин и постукивая по стенкам склянки. При заполнении склянки следует избегать попадания прямых солнечных лучей.
Консервирование пробы. Содержание растворенного кислорода в пробе фиксируют, добавляя в склянки поочередно: 1 мл MnCl2 и 1 мл щелочного раствора KI. Пипетки при этом держат под самой поверхностью воды. Потерянные 2 мл пробы учитывают при последующем расчете. После фиксации склянку закрывают и переворачивают несколько раз.
После этого пробы помещают в темное место для отстаивания осадка. Законсервированная проба может храниться в течение суток.
Количество растворенного кислорода определяют в откалиброванных склянках емкостью 150…200 мл.
После добавления осадителей (MnCl2 и KI) осадок отстаивают (см. консервирование пробы). После отстаивания пробы осадок растворяют, добавляя 1. 3 мл концентрированной серной кислоты (кончик пипетки — под поверхностью раствора). Закрывают склянку пробкой и перемешивают пробу до полного растворения осадка. Затем отбирают аликвоту 25. 100 мл в коническую колбу и титруют раствором тиосульфата натрия до соломенно-желтой окраски.
После этого добавляют 1. 2 мл крахмала (появляется синяя окраска) и продолжают титровать тиосульфатом до полного обесцвечивания. Результат записывают. Повторяют определение 2. 3 раза.
Концентрацию растворенного кислорода рассчитывают по формуле:
O2 = , мг/л (27)
где n — количество тиосульфата, пошедшего на титрование;
N — нормальность тиосульфата;
K — поправка на нормальность тиосульфата;
8 — эквивалентная масса кислорода;
1000 — пересчет на 1л пробы;
V1 — объем титрованной пробы;
V2 — количество утерянной пробы, равное объему реактивов (раствор KI и МnSO4), взятых для осаждения (при титровании всего объема склянки).
источник
Конические колбы объёмом 200 мл, едкий натрий 0,1 N
Колбы с меткой 100-150 мл — 4 шт., фенолфталеин 1%
Мерный цилиндр на 200 мл, соляная кислота 0,1 N
Пипетки 1-2,25-50 мл метилоранжевый 0,1 %
Ход анализа
Способ определения свободной углекислоты сводится к следующему. Исследуемую воду, в которую добавлен фенолфталеин, титруют раствором щелочи определенной концентрации. Пока вся свободная углекислота не будет нейтрализована щелочью, раствор остается бесцветным. Как только свободная углекислота перейдет в бикарбонатную, раствор окрасится в розовый, а при дальнейшем прибавлении щелочи – в красный цвет. Реакция связывания свободной углекислоты протекает по следующей схеме
Если вместо свободной углекислоты в воде присутствует монокарбонатная углекислота, то вода окрашивается в розовый цвет сразу после добавления фенолфталеина. В этом случае титруют не щелочью, а кислотой до тех пор, пока окраска жидкости не ослабеет до бледнорозовой, т.е. монокарбонатная углекислота не перейдет в бикарбонатную:
В колбу с меткой 150 мл наливают исследуемую воду, предварительно несколько раз ополоснув её. Затем добавляют 0,1 мл раствора фенолфталеина и титруют раствором едкого натрия. Количество свободной углекислоты вычисляется по формуле:
где n – число мл едкого натрия, пошедшего на титрование, N – нормальность едкого натрия, V – объем титровавшейся жидкости.
Количество растворенной в воде углекислоты зависит от ее температуры (табл. 5) и рассчитывается аналогично по формуле насыщения кислорода.
Таблица 5. Растворимость двуокиси углерода в дисциллированной воде для влажной атмосферы в пересчете на единицу объема сухих компонентов
воздуха на уровне моря, по Хатчинсону Д.
| Температура, ˚С | Содержание двуокиси углерода, % | |
| 0,03 | 0,033 | 0,044 |
| 1,00 | 1,10 | 1,47 |
| 0,96 | 1,06 | 1,41 |
| 0,93 | 1,02 | 1,36 |
| 0,89 | 0,99 | 1,30 |
| 0,86 | 0,94 | 1,26 |
| 0,83 | 0,91 | 1,22 |
| 0,80 | 0,88 | 1,17 |
| 0,78 | 0,86 | 1,14 |
| 0,75 | 0,82 | 1,10 |
| 0,72 | 0,79 | 1,06 |
| 0,70 | 0,76 | 1,02 |
| 0,67 | 0,74 | 0,98 |
| 0,65 | 0,72 | 0,95 |
| 0,63 | 0,69 | 0,92 |
| 0,61 | 0,67 | 0,89 |
| 0,59 | 0,65 | 0,87 |
| 0,57 | 0,62 | 0,84 |
| 0,55 | 0,60 | 0,81 |
| 0,54 | 0,59 | 0,79 |
| 0,52 | 0,58 | 0,76 |
| 0,51 | 0,56 | 0,74 |
| 0,49 | 0,54 | 0,72 |
| 0,48 | 0,52 | 0,70 |
| 0,46 | 0,51 | 0,68 |
| 0,45 | 0,50 | 0,66 |
| 0,44 | 0,48 | 0,64 |
| 0,42 | 0,46 | 0,62 |
| 0,41 | 0,45 | 0,60 |
| 0,40 | 0,44 | 0,59 |
| 0,39 | 0,43 | 0,57 |
| 0,38 | 0,42 | 0,56 |
Определение перманганатной окисляемости воды
Колбы конические – 4 шт., серная кислота 25 %
Мерный цилиндр, марганцовокислый калий 0,01 N
Пипетки 5,10 мл щавелевая кислота 0,01 N
Окисляемость воды является косвенным показателем загруженности воды органическими веществами и выражается количеством мг кислорода, идущего на разрушение части органических веществ, заключенных в 1л исследуемой воды в строго определенных условиях. При определении окисляемости разрушается около 30 % всех органических веществ. Определение окисляемости натуральной не фильтрованной воды дает представление как о растворенном, так и взвешенном органическом веществе. Определение же окисляемости фильтрованной воды – только о растворенном.
Окисляемость принято определять методом, основанным на способности марганцовокислого калия окислять органические вещества, отдавая им свой кислород. Окисление в кислой среде, которое особенно энергично протекает при прогревании, приводит к восстановлению марганца до двухвалентного иона:
* — идет на окисление органических веществ.
Марганцовокислый калий добавляется к исследуемой воде в избытке, избыток которого разрушается строго определенным количеством щавелевой кислоты. Количество щавелевой кислоты, оставшейся после восстановления избыточного марганцовокислого калия, определяется титрованием новой порции KMnO4. В конечном счете, чем больше марганцовокислого калия пошло на последнее титрование, тем больше кислорода израсходовалось на окисление органических веществ исследуемой воды. На этом основаны расчеты. Условность определения окисляемости заставляет требовать строгого соблюдения единообразия приемов анализа, в частности, точного десятиминутного кипячения исследуемой воды.
В колбу емкостью 200-300 мл отмерить 100 мл перемешанной исследуемой воды, добавить в нее пипеткой 5 мл 25 % серной кислоты и нагреть на ровном пламени. Как только жидкость закипит, колбу снимают и приливают в нее пипеткой 10 мл 0,01N раствора KMnO4 и снова ставят на нагревательный прибор, поддерживая слабое равномерное кипение жидкости точно 10 минут, считая с момента закипания после прибавления реактива. Для равномерного кипения колба закрывается пробкой. Если во время кипения жидкость совершенно обесцветится или вместо розовой станет светло – бурой, определения повторяют, разбавив исследуемую воду дистиллированной.
Если после кипячения жидкость не обесцветится, то колбу снимают и сразу добавляют 10 или 0,01 N раствора щавелевой кислоты. Жидкость размешивают, после чего она обесцвечивается. Обесцвеченную горячую жидкость титруют при энергичном помешивании. Для титрования используют 0,01 N раствора KMnO4. Титрование продолжают до появления устойчивости, но очень слабой розовой окраски. Сразу после этого приступают к установки титра раствора марганцовокислого калия, для чего в жидкость добавляют 10 мл 0,01 N раствора щавелевой и снова титруют KMnO4 до появления точно такой же слабой розовой окраски. Результаты анализа рассчитывают следующим образом::
где А – число мл 0,01 N раствора KMnO4, пошедшего на титрование избытка щавелевой кислоты, с – число мл 0,01 N раствора KMnO4, пошедшего на титрование для установления титра, V – объем испытуемой воды, N – нормальность раствора.
Все полученные в ходе титрования данные по определению кислорода и диоксида углерода заносятся в соответствующие таблицы полевого дневника. Затем результаты по концентрации кислорода и диоксида углерода пересчитываются на температуру воды водоема при взятии проб по приведенным формулам и таблицам Г.Г. Винберга (табл. 4) и Д. Хадчинсона (табл. 5). Температурная поправка по данным окисляемости НЕ рассчитывается.
Полученные Вами результаты составляют базу обсуждения и сравнения с данными других авторов, работавших в этой области. Если Вы выяснили, что Ваши работы оказываются повторением, то в этом случае Ваши результаты могут рассматриваться как мониторинговые и требуют выяснения возможных причин современного состояния водного объекта, что крайне важно. В случае первичности проведенной Вами работы полученные данные должны быть Вами проанализированы, по возможности объяснены или Вами выдвигается предположение (гипотеза) для объяснения. Полученные результаты могут быть проверены в течение следующего сезона или в лабораторном эксперименте, а также послужить отправной точкой для последующих мониторинговых исследований. В нашей области достаточно слабо изученных водных объектов, которые ждут Вас – пытливых исследователей. В добрый путь!
Рекомендуемый библиографический список
1. Алекин О.А. Основы гидрохимии. – Л.: Гидрометиздат, 1970. – 444 с.
2. Баканина Ф.М., Воротников В.П., Лукина Е.В., Фридман Б.И. Озера Нижегородской области. – Н.Новгород: ВООП, 2001. – 165 с.
3. Бакка С.В., Киселёва Н.Ю. Особо охраняемые природные территории Нижегородской области. – Н. Новгород: Минприроды Ниж. обл., 2008. — 560 с.
4. Богословский Б.Б. Озероведение. – М.: МГУ, 1960. – 325 с.
5. Доманицкий А.П., Дубровина Р.Г., Исаева А.И. Реки и озера Советского Союза. – Л.: Гидрометиздат, 1971. — 103 с.
6. Жизнь пресных вод СССР. Под ред. Жадина В.И. В 4-х т. — М.-Л.: АН СССР.
7. Константинов А.С. Общая гидробиология. – М.: Высшая школа, 1986. – 471 с.
8. Природа Горьковской области. Под ред. Н.В. Кузнецова. – Горький: Вол-го-Вятское кн. изд-во, 1974. – 416 с.
9. Станковская Т.П. К вопросу комплексного использования малых озер. / Вестник НГСХА — Н.Новгород: НГСХА, 2014, с. 270 -274. . (сайт НГСХА).
10. Станковская Т.П. Экологические основы рыбоводства. – Н.Новгород: НГСХА, 2005. – 169 с. (сайт и библиотека НГСХА).
11. Станковская Т.П. Гидробиологические основы прудово-озерного рыбоводства. – Н.Новгород: НГСХА, 2014. – 283 с. (библиотека НГСХА).
12. Унифицированные методы исследования качества вод. – М.: СЭВ, 1983. Часть III. Методы биологического анализа вод, с. 82-91, с. 250-265, с. 323-329.
13. Харитонычев А.Т. Физическая география Горьковской области.- Горький: ГГПИ, 1985. — 96 с.
— указанные издания могут быть представлены в Областной библиотеке имени В.И. Ленина, в Интернет, где помимо них можно найти и другие источники, а также карты, атлас Нижегородской области, сведения об отдельных водных объектах области и т.п.;
— в ходе оформления работы при использовании материалов Интернета указывать в библиографическом списке адрес сайта, информацией которого Вы пользовались.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
источник
Настоящий документ устанавливает титриметрический метод определения содержания свободной углекислоты в пробах питьевых и природных вод в диапазоне измерений от 5,0 до 300 мг/дм 3 .
Метод определения содержания свободной углекислоты включает три этапа:
1) определение общей кислотности;
2) определение свободной кислотности;
3) определение кислотности, обусловленной слабыми нелетучими кислотами.
Содержание свободной углекислоты определяют по общей кислотности за вычетом свободной кислотности и кислотности, обусловленной слабыми нелетучими кислотами. Соотношение форм углекислоты от рН воды приведено в Приложении А.
В настоящем документе использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 12.0.004-90 ССБТ. Организация обучения безопасности труда. Общие положения.
ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.
ГОСТ 12.1.007-76 ССБТ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
ГОСТ 12.4.009-83 ССБТ. Пожарная техника для защиты объектов. Основные виды. Размещение и обслуживание.
ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.
ГОСТ 12.4.021-75 ССБТ. Системы вентиляционные. Общие требования.
ГОСТ 1770-74 Посуда мерная лабораторная стеклянная. Цилиндры, мензурки, колбы, пробирки. Общие технические условия.
ГОСТ 4328-77 Натрия гидроокись. Технические условия.
ГОСТ 6709-72. Вода дистиллированная. Технические условия.
ГОСТ 9147-80 Посуда и оборудование фарфоровые. Технические условия.
ГОСТ 10733-98 Часы наручные и карманные механические. Общие технические условия.
ГОСТ 14919-83 Электроплиты, электроплитки и жарочные электрошкафы бытовые. Общие технические условия.
ГОСТ 18300-87 Спирт этиловый ректификованный технический. Технические условия.
ГОСТ 24104-2001 Весы лабораторные. Общие технические требования.
ГОСТ 25336-82 Посуда и оборудование лабораторные стеклянные. Типы, основные параметры и размеры.
ГОСТ 27752-88 Часы электронно-механические кварцевые настольные, настенные и часы будильники. Общие технические условия.
ГОСТ 28498-90 Термометры жидкостные стеклянные. Общие технические условия. Методы испытания.
ГОСТ 29251-91 Посуда лабораторная стеклянная. Бюретки. Часть 1. Общие требования.
ГОСТ Р 51592-2000 Вода. Общие требования к отбору проб.
ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002 Точность (правильность и прецезионность) методов и результатов измерений. Часть 6. Использование значений точности на практике.
Весы лабораторные по ГОСТ 24104, с ценой деления не более 10 мг и наибольшим пределом взвешивания не менее 500 г.
Термометр стеклянный лабораторный по ГОСТ 28498 с ценой деления 2 °С, с диапазоном измерений от 0 до 150 °С.
РН-метр с погрешностью измерения не более ±0,1 ед. рН.
Бюретки по ГОСТ 29251, 2 класса точности, номинальной вместимостью 2, 5, 10, 25 см 3 .
Пипетки градуированные по ГОСТ 29227.
Колбы мерные по ГОСТ 1770, 2 класса точности.
Цилиндры с носиком 2 класса точности или мензурки по ГОСТ 1770.
Часы любого типа, например, по ГОСТ 10733 или ГОСТ 27752.
Шкаф сушильный общелабораторного назначения, обеспечивающий поддержание температуры (105 ± 5) °С.
Электроплитки с закрытой спиралью по ГОСТ 14919.
Колбы конические по ГОСТ 25336, вместимостью 250 см 3 .
Стаканчики для взвешивания по ГОСТ 25336.
Натрия гидроокись по ГОСТ 4328, ч.д.а. или стандарт-титр, например, по ТУ-2642-001-0750062
Соляная кислота стандарт-титр, например, по ТУ 6-09-2540.
Фенолфталеин (индикатор), например, по ТУ-6-09-5360.
Допускается использование средств измерений, вспомогательного оборудования и реактивов с метрологическими и техническими характеристиками не хуже указанных.
Общие требования к отбору проб по ГОСТ Р 51592 и ГОС Р 51593.
Для измерения содержания свободной углекислоты пробы воды отбирают в посуду из стекла или полимерных материалов вместимостью не менее 500 см 3 так, чтобы между слоем воды и пробкой не было воздушного пространства. Пробы не консервируют, к анализу приступают как можно быстрее, но не позднее, чем через 6 ч.
5.1 Приготовление растворов
5.1.1 Раствор гидроксида натрия молярной концентрации С (NaOH) = 15 моль/дм 3
Растворяют 625 г гидроксида натрия в 800 см 3 дистиллированной воды и оставляют раствор для осветления не менее, чем на 48 часов. Хранят раствор в плотно закрытом полиэтиленовом сосуде не более 6 мес.
5.1.2 Раствор гидроксида натрия молярной концентрации С (NaOH) = 0,1 моль/дм 3
Для приготовления 1 дм 3 раствора 6,6 см 3 раствора гидроксида натрия, приготовленного по 5.1.1, вносят в мерную колбу вместимостью 1 дм 3 и доводят до метки прокипяченной дистиллированной водой. Раствор хранят в сосуде с закрытой пробкой с хлор-кальциевой трубкой. Срок хранения — не более 1 мес. с еженедельным определением титра раствора.
В случае применения стандарт-титра (фиксанала) раствор готовят в соответствии с инструкцией по приготовлению. Раствор хранят в плотно закрытом полиэтиленовом сосуде. Срок хранения — не более 1 мес.
Поправочный коэффициент устанавливают по раствору соляной кислоты молярной концентрации С (НСl) = 0,1 моль/дм 3 .
5.1.3 Раствор гидроксида натрия молярной концентрации С (NaOH) = 0,01 моль/дм 3
Для приготовления 1 дм 3 раствора 100 см 3 раствора гидроксида натрия, приготовленного по п. 5.1.2, вносят в мерную колбу вместимостью 1 дм 3 и доводят до метки прокипяченной дистиллированной водой.
Поправочный коэффициент устанавливают по раствору соляной кислоты молярной концентрации С (НСl) = 0,01 моль/дм 3 .
Хранят раствор в плотно закрытом полиэтиленовом сосуде. Срок хранения — не более 7 сут.
5.1.4 Раствор соляной кислоты молярной концентрации С (НСl) = 0,1 моль/дм 3
Раствор готовят из стандарт-титра (фиксанала) в соответствии с инструкцией по приготовлению. Раствор хранят в плотно закрытом стеклянном сосуде. Срок хранения — не более 6 мес.
5.1.5 Раствор соляной кислоты молярной концентрации С (НСl) = 0,01 моль/дм 3
Для приготовления 1 дм 3 раствора 100 см 3 раствора соляной кислоты, приготовленного по п. 5.1.4, вносят в мерную колбу вместимостью 1 дм 3 и доводят до метки прокипяченной дистиллированной водой. Срок хранения — не более 3 мес.
5.1.6 Раствор гидроксида натрия молярной концентрации С (NaOH) = 0,02 моль/дм 3
Для приготовления 1 дм 3 раствора 200 см 3 раствора гидроксида натрия, приготовленного по п. 5.1.2, помещают в мерную колбу вместимостью 1 дм 3 и доводят дистиллированной прокипяченной водой до метки. Хранят раствор в плотно закрытом полиэтиленовом сосуде. Срок хранения — не более 7 сут.
5.1.7 Приготовление индикаторов
5.1.7.1 Раствор метилового оранжевого
Для приготовления 1 дм 3 раствора 0,5 г метилового оранжевого растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды, количественно переносят в мерную колбу вместимостью 1 дм 3 и доводят до метки дистиллированной водой. Срок хранения — не более 6 мес.
5.1.7.2 Раствор фенолфталеина
0,5 г фенолфталеина растворяют в 50 см 3 96 % этилового спирта и добавляют 50 см 3 дистиллированной воды. В раствор по каплям добавляют раствор гидрооксида натрия, приготовленный по 5.1.6, до появления слабой розовой окраски. Срок хранения — не более 1 года.
5.2 Установление поправочных коэффициентов растворов гидроксида натрия
В коническую колбу вместимостью 250 см 3 наливают 70 ÷ 80 см 3 прокипяченной дистиллированной воды, 10 см 3 соляной кислоты (VHCL), см 3 , добавляют 3 — 5 капель раствора фенолфталеина и титруют раствором гидроксида натрия, (VNaOH), см 3 , до бледно-розового окрашивания, не исчезающего в течение 10 ÷ 30 с. Титрование повторяют 1 — 3 раза. Из полученных результатов берут среднее. Поправочный коэффициент раствора гидроксида натрия вычисляют по формуле:
Значение поправочного коэффициента должно быть равным (1,00 ± 0,03). Если поправочный коэффициент выходит из указанных пределов, то раствор гидроксида натрия, соответственно, укрепляют или разбавляют. Поправочный коэффициент устанавливают при приготовлении растворов гидроксида натрия, но не реже 1 раза в неделю.
6.1 Определение общей кислотности
В коническую колбу вместимостью 250 см 3 помещают мензуркой или цилиндром 100 см 3 исследуемой пробы, добавляют 5 ÷ 10 капель раствора фенолфталеина и титруют раствором гидроксида натрия, приготовленным по 5.1.2 или 5.1.3, до появления слаборозовой окраски, не исчезающей в течение 2 ÷ 3 мин.
Конечную точку титрования можно определить потенциометрически, проводя титрование до получения устойчивого значения рН = (8,3 ± 0,1).
Если при добавлении фенолфталеина к исследуемой пробе раствор сразу приобретает розовую окраску, отмечают, что углекислота отсутствует.
При необходимости определение общей кислотности повторяют следующим образом: в коническую колбу вместимостью 250 см 3 помещают 5 ÷ 10 капель раствора фенолфталеина, почти весь объем титрованного раствора гидроксида натрия, затем 100 см 3 исследуемой пробы, после чего дотитровывают по каплям до устойчивого розового окрашивания, либо до рН (8,3 ± 0,1) при потенциометрическом титровании.
6.2 Определение свободной кислотности
В коническую колбу вместимостью 250 см 3 помещают мензуркой или цилиндром 100 см 3 исследуемой воды, добавляют 3 капли раствора метилового оранжевого и титруют раствором гидроксида натрия, приготовленным по 5.1.2 или 5.1.3 до перехода окраски в золотисто-розовую.
Конечную точку титрования можно определить потенциометрически, проводя титрование до получения устойчивого значения рН = (4,5 ± 0,1).
Если при добавлении раствора метилового оранжевого к исследуемой пробе раствор становится желтым, отмечают, что свободная кислотность отсутствует (значение содержания свободной кислотности равно нулю).
6.3 Определение кислотности, обусловленной слабыми нелетучими кислотами
Оттитрованную по 6.2 пробу воды кипятят в течение 2 мин для удаления свободной двуокиси углерода, быстро охлаждают, добавляют 5 ÷ 10 капель раствора фенолфталеина и титруют раствором гидроксида натрия, приготовленным по 5.1.2 или 5.1.3, до появления устойчивого слабо-розового окрашивания. Конечную точку титрования можно определить потенциометрически, проводя титрование до получения устойчивого значения рН = (8,3 ± 0,1).
7.1 Значение общей кислотности, соб ммоль/дм 3 , вычисляют по формуле:
где С — молярная концентрация раствора гидроксида натрия, моль/дм 3 ;
K — поправочный коэффициент раствора гидроксида натрия;
VToб — объем раствора гидроксида натрия, пошедшего на титрование, см 3 ;
1000 — коэффициент массового пересчета;
V — объем пробы, взятой для определения, см 3 .
7.2 Значение свободной кислотности, ссв, ммоль/дм 3 , вычисляют по формуле:
где С — молярная концентрация раствора гидроксида натрия, моль/дм 3 ;
K — поправочный коэффициент раствора гидроксида натрия;
VTcв — объем раствора гидроксида натрия, пошедшего на титрование, см 3 ;
1000 — коэффициент массового пересчета;
V — объем пробы, взятой для определения, см 3 .
7.3 Значение кислотности, обусловленной слабыми нелетучими кислотами, сснк, ммоль/дм 3 , вычисляют по формуле:
где С — молярная концентрация раствора гидроксида натрия, моль/дм 3 ;
K — поправочный коэффициент раствора гидроксида натрия;
VTснк — объем раствора гидроксида натрия, пошедшего на титрование, см 3 ;
1000 — коэффициент массового пересчета;
V — объем пробы, взятой для определения, см 3 .
7.4 Значение содержания свободной углекислоты, у, мг/дм 3 , вычисляют по формуле:
где 44 — коэффициент пересчета.
7.5 При необходимости проверки приемлемости результатов измерения в условиях повторяемости (например, по требованию заказчика или в случае анализа сложных проб) получают два результата измерений содержания свободной углекислоты в пробах природных и питьевых вод по разделу 6 в условиях повторяемости.
Проверяют приемлемость результатов измерений, сравнивания расхождение между ними с пределом повторяемости (r для n = 2, таблица 2). Если полученное значение расхождения не превышает предела повторяемости, то за результат измерений содержания свободной углекислоты в пробе принимают среднее из двух полученных значений. В противном случае процедуру повторяют.
Результаты измерений содержания свободной углекислоты в анализируемой пробе в документах, предусматривающих их использование, представляют в виде:
где U — расширенная неопределенность, вычисленная по формуле:
где 
— значение расширенной неопределенности в относительных единицах из таблицы 1.
Настоящая методика выполнения измерений обеспечивает получение результатов с расширенной неопределенностью, значения которой приведены в таблице 1.
Диапазон измерений содержания свободной углекислоты, у, мг/дм 3
Суммарная стандартная неопределенность, 
, %
Расширенная неопределенность, k = 2, 
, %
Контроль стабильности результатов измерений в лаборатории осуществляют, используя методы контроля стабильности стандартного отклонения повторяемости. Для этого используют приведенные к среднему значению результатов анализа значения расхождений (w‘) полученных результатов единичных измерений с1 и с2, которые сравнивают с рассчитанными при построений контрольных карт пределами предупреждения и действия
где UCL — пределы действия, UCLд = 3,686σr или
где σr — стандартное отклонение повторяемости результатов для значения у численно равного 1. Значение стандартного отклонения повторяемости приведено в таблице 2.
Диапазон измерений содержания свободной углекислоты, мг/дм 3
Стандартное отклонение повторяемости, σ r , %
Предел повторяемости, r , % ( n = 2)
Пример. За три дня получены результаты параллельных определений: 5,2 и 6,3 мг/дм 3 ; 23 и 25 мг/дм 3 ; 34 и 36 мг/дм 3 .
Значения расхождений наносят на контрольную карту.
Для расчета UCLп и UCLд из таблицы 2 берут σr = 9 %.
Расчет UCLп = 2,834∙0,09 = 0,26; UCLд = 3,686∙0,09 = 0,33, где 0,09 — абсолютное значение σr = 9 % для у = 1.
При неудовлетворительных результатах контроля, например, превышение предела действия или регулярное превышение предела предупреждения, выясняют причины этих отклонений, в том числе проверяют работу оператора.
Периодичность проведения контроля стабильности результатов измерений устанавливают индивидуально для каждой лаборатории в соответствии с документами по внутрилабораторному контролю качества результатов анализа.
После внедрения МВИ в практику работы лаборатории при необходимости проверки приемлемости результатов измерений, полученных в условиях воспроизводимости, проводят межлабораторные сравнительные испытания с использованием данной методики для оценки стандартного отклонения воспроизводимости. Для расчета стандартного отклонения воспроизводимости используют ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002, пункт 7.4. Проверку приемлемости результатов измерений в условиях воспроизводимости осуществляют по ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002, пункт 5.3.
При выполнении анализов необходимо соблюдать требования техники безопасности при работе с химическими реактивами по ГОСТ 12.1.007 и ГОСТ 12.4.021.
При работе с электроустановками должны соблюдаться требования по электробезопасности по ГОСТ 12.1.019.
Помещение лаборатории должно соответствовать требованиям пожарной безопасности по ГОСТ 12.1.004 и иметь средства пожаротушения по ГОСТ 12.4.009.
Исполнители должны быть проинструктированы о мерах безопасности при работе с нагревательными приборами. Организация обучения работающих безопасности труда производится по ГОСТ 12.0.004.
Измерения по методике может выполнять лаборант, имеющий навыки работы в химической лаборатории и освоивший данную методику.
При подготовке к выполнению измерений и при их проведении необходимо соблюдать условия, установленные в руководстве по эксплуатации или паспортах средств измерений и вспомогательных устройств. Измерение объема воды производится при температуре от 15 до 25 °С.
Рисунок 1А
Соотношения форм производных угольной кислоты от рН воды.
В зависимости от рН воды углекислота встречается в ней в свободном состоянии в виде углекислого газа СО2, в виде бикарбонат-ионов НСО — 3 и карбонат-ионов СО 2- 3. При рН — 3 и при рН выше 10,5 — только ионы СО 2- 3.
Находящиеся в воде ионы НСО — 3, СО 2- 3 и углекислый газ связаны углекислотным равновесием
Часть свободной углекислоты, находящаяся в равновесии с бикарбонатами, называется равновесной. Она как бы связана с бикарбонатами и поэтому не вступает в химические реакции. Избыточная свободная (или иначе агрессивная) углекислота в отличие от равновесной является очень активной и реакционно-способной.
В водах открытых водоемов вследствие низкого содержания углекислоты в воздухе наличие агрессивной углекислоты маловероятно. В подземных водах содержание агрессивной углекислоты иногда бывает довольно значительным.
Центр Исследования и Контроля Воды
аккредитован в Системе аккредитации аналитических лабораторий (центров)
Госстандарта России, № Госреестра РОСС RU.0001.510045
Метрологическая служба аккредитована на право аттестации методик выполнения
измерений и проведения метрологической экспертизы документов, в том числе
применяемых в сферах распространения государственного метрологического
контроля и надзора,
№ Госреестра 01.00031-2002
195009, Санкт-Петербург, ул. Комсомола, 9
Факс (812) 542-72-38
о метрологической аттестации
методики выполнения измерений содержания свободной углекислоты
в пробах питьевых и природных вод
Методика выполнения измерений содержания свободной углекислоты в пробах питьевых и природных вод,
разработанная Центром исследования и контроля воды,
регламентированная в документе:
«Качество воды. Методика выполнения измерений содержания свободной углекислоты в пробах питьевых и природных вод. Титриметрический метод. ЦВ 1.01.17-2004»
аттестована в соответствии с ГОСТ Р 8.563-96.
Аттестация осуществлена по результатам экспериментального исследования МВИ и метрологической экспертизы материалов по ее разработке.
В результате аттестации установлено, что МВИ соответствует предъявляемым к ней метрологическим требованиям и обладает следующими основными метрологическими характеристиками:
Диапазон измерений содержания свободной углекислоты, у, мг/дм 3
Суммарная стандартная неопределенность, , %
Расширенная неопределенность, вычисленная с применением коэффициента охвата k = 2, , %
Дата выдачи свидетельства 22 октября 2004 года
источник
Угольная кислота и ее соли – постоянные компоненты природных вод. Содержание свободной угольной кислоты Н2СО3 зависит от концентрации растворенной двуокиси углерода. Так как в форме угольной кислоты находится лишь незначительная часть растворенной СO2 (около 1 %), то содержание свободной углекислоты в воде характеризуется суммой: Н2СО3 + СO2. При этом расчет ведут не на кислоту, а на СO2. Угольная кислота диссоциирует в водном растворе:
Константы диссоциации для I и II ступени:
К1 = 
, К2 = 
.
Из уравнений следует, что концентрация свободной угольной кислоты находите прямой зависимости от концентрации водородных ионов, а концентрация карбонатных ионов — в обратной. При рН — , причем с возрастанием рН увеличивается концентрация НСО3 — ионов и понижается концентрация свободной угольной кислоты. При рН=8,4 в воде присутствуют практически только гидрокарбонаты (99,7%). При дальнейшем увеличен рН в воде наряду с НСО3 — — ионами появляются СO3 2- ионы, которые при рН > 10 становятся преобладающими.
Связанной считается углекислота в форме карбонатов. В форме гидрокарбонатов она состоит из связанной и полусвязанной кислоты (поровну), так как при кипячении половина гидрокарбонатов переходит в свободную углекислоту:
Определение свободной углекислоты
Объемное определение свободной углекислоты СO2 проводят методом нейтрализации. К исследуемой воде прибавляют NaOH, при этом СO2 переходит в гидрокарбонат:
Точка эквивалентности соответствует такому значению рН, при котором в воде находятся гидрокарбонаты (8,4). Индикатор — фенолфталеин (розовая окраска появляется при рН > 8,3). Вследствие того, что окраска титруемого раствора изменяется постепенно, конец реакции определяют, сравнивая полученную окраску с интенсивностью окраски раствора-«свидетеля». В качестве «свидетеля» применяют раствор, приготовляемый следующем образом. Вначале 2 г СuСl2·6Н2O и 2 г CuSO4·5H2O растворяют в мерной колбе емкостью 200 мл, прибавляют 2 мл концентрированной НСl и доводят до метки дистиллированной водой. Затем, разбавляя 20 мл приготовленного раствора до 200 мл исследуемой водой, получают для сравнения раствор — «свидетель». Чтобы не было потерь СO2, титруют в колбе, закрытой резиновой пробкой с отверстием, через которое и ведут титрование.
В коническую колбу на 250 мл осторожно отмерить пипеткой с сифоном 100 мл исследуемой воды. Внести 2-3 капли фенолфталеина, закрыть пробкой и перемешать. Через отверстие в пробке опустить в колбу кончик бюретки с рабочим 0,02н раствором NaOH и титровать пробу до появления розового окрашивания, не исчезающего 3 мин. (сравнить с окраской «свидетеля»),
ХCO2 = 
,
где ХCO2 – содержание свободной двуокиси углерода, мг/л;
V1 – объем рабочего раствора NaOH, пошедший на титрование пробы, мл;
N – нормальность рабочего раствора NaOH;
Э – эквивалент СО2 в данной реакции (44);
V2 – объем исследуемой воды, мл.
Опыт повторить три раза. Результаты записывать в виде таблицы:
Объем NaOH, пошедший на титрование пробы, V1, мл
Определение карбонатов и гидрокарбонатов
При одновременном присутствии в воде ионов НСО3 — и СО3 2- определение ведут в одной пробе, нейтрализуя рабочим раствором соляной кислоты щелочность, создаваемую этими ионами. Определение основано на изменении содержания различных форм углекислоты в зависимости от рН. В присутствии кислоты ионы НСО3 2- и СО3 2- переходят в свободную форму. Карбонаты с соляной кислотой взаимодействуют в две стадии. На первой стадии карбонаты переходят в гидрокарбонаты.
Образовавшиеся гидрокарбонаты на второй стадии переходят в свободную углекислоту
Таким образом, можно считать, что объем кислоты, затраченный на перевод СО3 2- в НСО3 — , соответствует половине содержащихся в воде карбонатов. Индикатор — фенолфталеин. Проба, оттитрованная рабочим раствором кислоты в присутствии фенолфталеина, содержит гидрокарбонаты, ранее находившиеся в воде, и гидрокарбонаты, образовавшиеся из карбонатов. Гидрокарбонаты переводят в свободную углекислоту последующим титрованием пробы кислотой в присутствии метилового оранжевого.
При расчете на содержание СO3 2- ионов объем соляной кислоты, израсходованный на титрование пробы воды с фенолфталеином, соответственно удваивается. А при расчете количества гидрокарбонатов из объема кислоты, израсходованный на титрование воды в присутствии метилоранжа, вычитается объем пошедший на титрование с фенолфталеином.
Карбонат ионы содержатся в щелочных водах. Обычно питьевая вода не содержит карбонатов. На это указывает отсутствие розовой окраски от прибавления к пробе фенолфталеина. В этом случае в воде определяют только гидрокарбонаты титрованием кислотой в присутствии метилоранжа.
В коническую колбу на 250 мл пипеткой отмерить 100 мл исследуемой щелочной воды. Внести 2-3 капли фенолфталеина. Оттитровать 0,1н соляной кислотой до исчезновения розовой окраски. Записать объем кислоты на титрование.
К оттитрованной пробе прибавить 2-3 капли метилоранжа и титровать 0,1н HCl до появления оранжевой окраски. Объем кислоты на титрование записать.
Повторить определение с водопроводной водой.
,
где V1 – объем 0,1н НС1, израсходованный на титрование пробы, мл;
N – нормальность раствора НСl;
,
где V1 – объем 0,1н НСl, израсходованный на титрование пробы воды в присутствии метилоранжа, мл;
Э – эквивалент НСO3 — (61,018).
При наличии в исследуемой воде только гидрокарбонатов, расчет ведут по формуле:
,
Результаты проведенных опытов записывают в виде таблицы:
Объем НСl, израсходованный на титрование с фенолфталеином, V1, мл
Объем НСl, израсходованный на титрование с метилоранжем, V2, мл
Содержание карбонатов XСO3 2- , мг/л
В каких формах содержится углекислота в воде?
От каких факторов зависит форма нахождения углекислоты в воде?
Напишите уравнения 1 и 2-й ступени диссоциации угольной кислоты.
Напишите константы диссоциации для 1 и 2-й ступени диссоциации угольной кислоты.
Каким методом проводят определение свободной углекислоты?
Какой индикатор применяют при определении свободной углекислоты?
На чем основано определение карбонатов и гидрокарбонатов в воде?
Напишите уравнения реакций карбонатов с соляной кислотой.
Объясните необходимость использования индикаторов фенолфталеина и метилоранжа при определении карбонатов и гидрокарбонатов.
Почему питьевая вода не содержит карбонатов?
источник
Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.
Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.
А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.
Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.
Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).
Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.
CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
- Дыхание животных и растений.
Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки приточной вентиляции. Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше. - Вулканическая деятельность.
Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают. - Разложение органических веществ.
Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.
Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.
Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.
Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:
Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.
Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.
CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.
Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.
Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.
источник
Цели:
- Расширить представления об истории открытия, свойствах и практическом применении углекислого газа.
- Познакомить учащихся с лабораторными способами получения углекислого газа.
- Продолжить формирование экспериментальных навыков учащихся.
Используемые приемы: “верные и неверные утверждения”, “зигзаг-1”, кластеры.
Лабораторное оборудование: лабораторный штатив, прибор для получения газов, стакан на 50 мл, кусочки мрамора, соляная кислота (1:2), известковая вода, зажим Мора.
I. Стадия вызова
На стадии вызова используется прием “верные и неверные утверждения”.
Утверждения
–
+
–
+
+
+
–
II. Стадия осмысления
1. Организация деятельности в рабочих группах, участники которых получают тексты по пяти основным темам “зигзага”:
- История открытия углекислого газа
- Углекислый газ в природе
- Получение углекислого газа
- Свойства углекислого газа
- Практическое применение углекислого газа
Идет первоначальное знакомство с текстом, первичное чтение.
2. Работа в экспертных группах.
В экспертные группы объединяются “специалисты” по отдельным вопросам. Их задача – внимательное чтение текста, выделение ключевых фраз и новых понятий либо использование кластеров и различных схем для графического изображения содержания текста (работа ведется индивидуально).
3. Отбор материала, его структурирование и дополнение (групповая работа)
4. Подготовка к трансляции текста в рабочих группах
- 1-я группа экспертов составляет опорный конспект “История открытия углекислого газа”
- 2-я группа экспертов составляет схему распространения углекислого газа в природе
- 3-я группа экспертов составляет схему получения углекислого газа и рисунок установки для его получения
- 4-я группа экспертов составляет классификацию свойств углекислого газа
- 5-я группа экспертов составляет схему практического применения углекислого газа
5. Подготовка к презентации (плакат)
III. Стадия рефлексии
Возвращение в рабочие группы
- Трансляция в группе тем 1–5 последовательно. Сбор установки для получения углекислого газа. Получение углекислого газа и исследование его свойств.
- Обсуждение результатов эксперимента.
- Презентация отдельных тем.
- Возвращение к “верным и неверным утверждениям”. Проверка своих первоначальных предположений. Расстановка новых значков.
Утверждения
+
+
+
+
–
–
+
1. История открытия углекислого газа
Углекислый газ был первым между всеми другими газами противопоставлен воздуху под названием “дикого газа” алхимиком XVI в. Вант Гельмонтом.
Открытием СО2 было положено начало новой отрасли химии – пневматохимии (химии газов).
Шотландский химик Джозеф Блэк (1728 – 1799 г.г.) в 1754 году установил, что известковый минерал мрамор (карбонат кальция) при нагревании разлагается с выделением газа и образует негашеную известь (оксид кальция):
CaCO3CaO + CO2
карбонат кальция оксид кальция углекислый газ
Выделяющийся газ можно было вновь соединить с оксидом кальция и вновь получить карбонат кальция :
CaO + CO2CaCO3
оксид кальция углекислый газ карбонат кальция
Этот газ был идентичен открытому Ван Гельмонтом “дикому газу”, но Блэк дал ему новое название – “связанный воздух” – так как этот газ можно было связать и вновь получить твердую субстанцию, а также он обладал способностью притягиваться известковой водой (гидроксидом кальция) и вызывать её помутнение:
CO2 + Ca(OH)2CaCO3 + H2O
углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода
Несколько лет спустя Кавендиш обнаружил еще два характерных физических свойства углекислого газа – его высокую плотность и значительную растворимость в воде.
2. Углекислый газ в природе
Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, всего 0,04–0,03% (по объему). CO2, сосредоточенный в атмосфере, имеет массу 2200 биллионов тонн.
В 60 раз больше углекислого газа содержится в растворенном виде в морях и океанах.
В течение каждого года из атмосферы извлекается примерно 1/50 часть всего содержащегося в ней CO2 растительным покровом земного шара в процессе фотосинтеза, превращающего минеральные вещества в органические.
Основная масса углекислого газа в природе образуется в результате различных процессов разложения органических веществ. Углекислый газ выделяется при дыхании растений, животных, микроорганизмов. Непрерывно увеличивается количество углекислого газа, выделяемого различными производствами. Углекислый газ содержится в составе вулканических газов, выделяется он и из земли в вулканических местностях. Несколько столетий функционирует в качестве постоянно действующего генератора CO2 “Собачья пещера” вблизи города Неаполя в Италии. Она знаменита тем, что собаки в ней не могут находиться, а человек может там пребывать в нормальном состоянии. Дело в том, что в этой пещере углекислый газ выделяется из земли, а так как он в 1,5 раза тяжелее воздуха, то располагается внизу, примерно на высоте роста собаки (0,5 м). В таком воздухе, где углекислого газа 14% , собаки (и другие животные, разумеется) дышать не могут, но стоящий на ногах взрослый человек не ощущает избытка углекислого газа в этой пещере. Такие же пещеры существуют в Йеллоустонском национальном парке (США).
Природные источники углекислого газа называются мофетами. Мофеты характерны для последней, поздней стадии затухания вулканов в которой находится, в частности, знаменитый вулкан Эльбрус. Поэтому там наблюдаются многочисленные выходы пробивающихся сквозь снега и льды горячих источников, насыщенных углекислым газом.
Вне земного шара оксид углерода (IV) обнаружен в атмосферах Марса и Венеры – планетах “земного типа”.
3. Получение углекислого газа
В промышленности углекислый газ получается главным образом как побочный продукт обжига известняка спиртового брожения и др.
В химических лабораториях либо пользуются готовыми баллонами с жидким углекислым газом, либо получают CO2 в аппаратах Киппа или приборе для получения газов действием соляной кислоты на куски мрамора:
CaCO3 + 2HCl CaCl2 + CO2+ H2O
карбонат кальция соляная кислота хлорид кальция углекислый газ вода
Пользоваться серной кислотой вместо соляной при этом нельзя, потому что тогда вместо растворимого в воде хлорида кальция получался бы гипс – сульфат кальция (CaSO4) – соль, малорастворимая в воде. Отлагаясь на кусках мрамора, гипс крайне затрудняет доступ к ним кислоты и тем самым очень замедляет течение реакции.
Для получения углекислого газа:
- Закрепите в лапке лабораторного штатива прибор для получения газов
- Выньте из пробирки с отростком пробку с воронкой
- Поместите в насадку 2–3 кусочка мрамора величиной ? горошины
- Вставьте пробку с воронкой в пробирку снова. Откройте зажим
- Прилейте в воронку (осторожно!) соляную кислоту (1:2) так, чтобы кислота слегка покрывала мрамор
- Наполните оксидом углерода (IV) химический стакан и закройте зажим.
4. Свойства углекислого газа
CO2 – это бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха в 1,5 раза, с трудом смешивается с ним (по выражению Д.И. Менделеева, “тонет” в воздухе), что можно доказать следующим опытом: над стаканом, в котором закреплена горящая свечка, опрокидывают стакан, наполненный углекислым газом. Свечка мгновенно гаснет.
Оксид углерода (IV) обладает кислотными свойствами и при растворении этого газа в воде образуется угольная кислота. При пропускании CO2 через подкрашенную лакмусом воду можно наблюдать изменение цвета индикатора с фиолетового на красный.
Хорошая растворимость углекислого газа в воде делает невозможным собирание его методом “вытеснения воды”.
Качественной реакцией на содержание углекислого газа в воздухе является пропускание газа через разбавленный раствор гидроксида кальция (известковую воду). Углекислый газ вызывает образование в этом растворе нерастворимого карбоната кальция, в результате чего раствор становится мутным:
CO2 + Ca(OH)2CaCO3+ H2O
углекислый газ гидроксид кальция карбонат кальция вода
При добавлении избыточного количества CO2 мутный раствор снова становится прозрачным из-за превращения нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат кальция:
CaCO3 + H2O + CO2Ca(HCO3)2
карбонат кальция вода углекислый газ гидрокарбонат кальция
5. Практическое применение углекислого газа
Прессованный твердый углекислый газ получил название “сухого льда”.
Твердый CO2 скорее похож на спрессованный плотный снег, по твердости напоминающий мел. Температура “сухого льда” –78 о С. Сухой лед, в отличие от водяного льда, плотный. Он тонет в воде, резко охлаждая её. Горящий бензин можно быстро потушить, бросив в пламя несколько кусочков сухого льда.
Главное применение сухого льда – хранение и перевозка продуктов питания: рыбы, мяса, мороженого и др. Ценность сухого льда заключается не только в его охлаждающем действии, но и в том, что продукты в углекислом газе не плесневеют и не гниют.
Сухим льдом испытывают в лабораториях детали, приборы, механизмы, которые будут служить в условиях пониженных температур. С помощью сухого льда испытывают морозоустойчивость резиновых покрышек автомобилей.
Углекислый газ применяют для газирования фруктовых и минеральных вод, а в медицине – для углекислотных ванн.
Жидкий углекислый газ используют в углекислотных огнетушителях, огнетушительных системах самолетов и кораблей и в пожарных углекислотных машинах. Он особенно эффективен в тех случаях, когда вода непригодна, например, при тушении загоревшихся огнеопасных жидкостей или при наличии в помещении невыключенной электропроводки или уникального оборудования, которое от воды может пострадать.
Во многих случаях CO2 используют не в готовом виде, а получают в процессе использования, например, хлебопекарных порошков, содержащих смесь бикарбоната натрия с кислым виннокислым калием. При смешивании таких порошков с тестом соли растворяются и возникает реакция с выделением CO2 . В результате тесто всходит, наполняясь пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается мягким и вкусным.
Литература
- Перемена // Международный журнал о развитии мышления через чтение и письмо. – 2000. – №№ 1, 2.
- Современный студент в поле информации и коммуникации: Учебно-методическое пособие. – СПб.: PETROC, 2000.
- Загашев И.О., Заир-Бек С.И. Критическое мышление: технология развития. – СПб.: Издательство “Альянс “Дельта”, 2003.
источник