ćwiczenie nr 2 oznaczanie kwasowości i zasadowości skażonych

ĆWICZENIE NR 2
OZNACZANIE KWASOWOŚCI I ZASADOWOŚCI SKAŻONYCH
GLEB, OZNACZANIE ZASOLENIA WÓD I OZNACZANIE
OBECNOŚCI W WODACH NIEKTÓRYCH JONÓW
1. OZNACZANIE KWASOWOŚCI I ZASADOWOŚCI SKAŻONYCH GLEB
Odczyn gleby mówi nam o tak zwanym zakwaszeniu gleby. Jony wodorowe
zakwaszające glebę pochodzą z różnego rodzaju kwasów organicznych i nieorganicznych
oraz fizjologicznie kwaśnych soli. Większość kwasów glebowych powstaje w wyniku
procesów życiowych mikroorganizmów.
Wszystkie elektrolity a więc kwasy, zasady i sole dysocjują w wodzie na jony:
HCl = H+ + Cl–
NaOH = Na+ + OH–
Mocne kwasy takie jak kwas solny, azotowy i siarkowy dysocjują prawie całkowicie
i o tych kwasach mówimy, że są silnie kwaśne. Przeciwieństwem wymienionych wyżej
kwasów są kwasy słabo zdysocjowane. Należą do nich wszystkie kwasy organiczne jak kwas
octowy, mrówkowy, cytrynowy i inne w których roztworach obecne są małe ilości jonów
+
wodorowych H . Odpowiednikami mocnych i słabych kwasów są mocne i słabe zasady.
O ile jony wodorowe decydują o kwasowości danego roztworu, o tyle jony wodorotlenowe są
odpowiedzialne za jego zasadowość.
Jeżeli w roztworze znajduje się tyle samo jonów wodorowych i wodorotlenowych mówimy
o środowisku obojętnym. Dla scharakteryzowania kwasowości lub zasadowości danego
roztworu można podawać stężenie tego samego rodzaju jonów, mianowicie jonów
wodorowych. Stężenie to jest małą liczbą i dlatego dla wygody podaje się ujemny logarytm
dziesiętny ze stężenia jonów wodorowych, oznaczony skrótem pH. I tak stężenie jonów
wodorowych w 1 litrze destylowanej wody w temp. 25oC wynosi 7. Czyli:
•
środowisko obojętne ma pH = 7
•
środowisko kwaśne, poniżej 7
•
środowisko zasadowe, powyżej 7
Wartość pH jest wielkością logarytmiczną. Stąd zmianie pH o jednostkę odpowiada
10-ciokrotny wzrost stężenia jonów wodorowych.
W glebie można wyróżnić dwa rodzaje kwasowości: aktywną i potencjalną. Przez
pojęcie kwasowości aktywnej rozumie się ilość zdysocjowanych wolnych jonów
wodorowych występujących w roztworze glebowym; ich miarą jest pH oznaczone
w zawiesinie wodnej.
Kwasowość
potencjalna
obejmuje
niezdysocjowane
jony
wodorowe
związane
z kompleksem sorpcyjnym gleby czyli bardzo drobnymi cząsteczkami i fazy stałej gleby.
Jony te mogą być ujęte przy pomiarze pH po uprzednim ich przeprowadzeniu z kompleksu
sorpcyjnego do roztworu glebowego przy użyciu roztworu chlorku potasowego.
Dla charakterystyki gleb z punktu widzenia gleboznawczego mierzy się pH w zawiesinie
wodnej. Natomiast dla celów rolniczych oznacza się pH w roztworze chlorku potasowego.
Potencjometryczne oznaczanie pH roztworu glebowego
Pobieranie próbek gleby
Próbki gleby należy pobierać z warstwy 0-20 cm łopatką lub łyżką.
Zasada pomiaru pH
Pomiar pH gleby polega na zmierzeniu siły elektromotorycznej (różnicy potencjałów)
ogniwa zbudowanego z dwóch elektrod i elektrolitu w postaci zawiesiny glebowej o stężeniu
2,5 części roztworu na 1 część gleby.
Najczęściej do oznaczania pH stosuje się elektrodę kombinowaną, którą stanowi
ogniwo zbudowane z elektrody pracującej, o zmiennym potencjale zależnym od stężenia
jonów wodorowych (elektroda szklana) i elektrody porównawczej o stałym potencjale
(elektroda chlorosrebrowa). Elektrody te są umieszczone w jednej wspólnej oprawce
wyposażonej w przewód koncentryczny. Punkt zerowy tej elektrody leży w pobliżu pH 7.
Elektrodę kombinowaną przechowuje się w naczyniu z nasyconym
roztworem chlorku
potasowego.
Elektrodę przed wykonaniem pomiaru należy przemyć wodą destylowaną. Głębokość
zanurzenia elektrody podczas pomiaru nie może być większa niż 2/3 długości części szklanej.
Pomiar siły elektromotorycznej (E) między elektrodami pracującą i porównawczą,
zanurzonymi
w
badanym
roztworze
przeprowadza
się
za
pomocą
specjalnych
potencjometrów, które w przypadku skali wycechowanej w jednostkach pH nosi nazwę
pehametrów. Istnieje wiele różnych rozwiązań konstrukcyjnych pehametrów. Ich schematy
i obsługa opisane są w instrukcjach dołączonych do przyrządu.
Pomiar pH gleby metodą potencjometryczną, przeprowadza się w zawiesinie wodnej albo
w zawiesinie 1 n roztworu chlorku potasowego.
Wykonanie oznaczenia
Odważyć 10 g gleby powietrznie-suchej, roztartej i przesianej przez sito o średnicy
oczek 1 lub 2 mm w zlewce o pojemności 100 ml. Dodać 50 ml wody destylowanej
i wymieszać. Następnie zmierzyć temperaturę zawiesiny glebowej i ustawić regulator
temperatury pehametru na aktualną temperaturę badanej zawiesiny. Z kolei podłączyć
do aparatu elektrodę, przepłukując ją wodą destylowaną i zanurzyć w roztworze buforowym
o znanym pH do wycechowania aparatu. Wybrać bufor o odczynie bliskim spodziewanej
wartości pH badanej zawiesiny.
Po wycechowaniu aparatu odstawia się bufor, przemywa elektrodę wodą destylowaną, miesza
się zawiesinę glebową i przystępuje do pomiaru pH zanurzając elektrodę w zawiesinie
glebowej. Po zakończeniu oznaczeń elektrodę przepłukuje się wodą destylowaną, i zanurza
do nasyconego roztworu chlorku potasowego.
Za wynik przyjmuje się średnią arytmetyczną dwóch pomiarów.
2. OZNACZANIE ZASOLENIA WÓD
Ciągły wzrost ludności na świecie, urbanizacja i rozwój przemysłu powodują
zwiększenie masy ścieków komunalnych i przemysłowych. Ścieki te odprowadzane do jezior
i rzek powodują zanieczyszczenie wód.
Zanieczyszczenia wody mogą mieć charakter fizyczny, chemiczny i biologiczny.
Zanieczyszczenia fizyczne to zmiana zabarwienia, mętność, zawiesiny oraz
makroskopowe ciała stałe pochodzenia organicznego i nieorganicznego.
Chemiczne zanieczyszczenia pochodzenia organicznego to przede wszystkim białka,
tłuszcze i cukry. Znajdują się one w ściekach komunalnych i ściekach gospodarczych
(odpadach z mleczarni, garbarni, rzeźni, fabryk konserw, przemysłów: spożywczego,
papierniczego, włókienniczego oraz przetwórstwa rybnego).
Chemiczne zanieczyszczenia pochodzenia nieorganicznego to w głównej mierze
kwasy, zasady, kationy metali ciężkich i niektóre aniony.
Znaczną ilość kwaśnych ścieków wprowadzają do rzek kopalnie węgla. Ścieki
te powstają w wyniku reakcji miedzy wodą, powietrzem i pirytem (FeS2) zawartym w złożach
węglowych. Powstający w tej reakcji kwas siarkowy jest wymywany wodą deszczową
do rzek. Odprowadzanie do rzek wód kopalnianych jest nadzwyczaj szkodliwe dla
środowiska. Zawierają one znaczne ilości jonów siarczanowych oraz chlorkowych (tzw.
solanki kopalniane), np. wody kopalniane Zagłębia Górnośląskiego zawierają głównie chlorek
sodu (kilka do kilkudziesięciu g/dm3), w wodach kopalnianych byłego Zagłębia
Wałbrzyskiego występują przeważnie siarczany i węglany wapniowe i magnezowe, natomiast
głównym składnikiem wód kopalni Bełchatów jest wodorowęglan wapniowy Ca(HCO3)2.
Nadmierne stężenie soli w rzekach niszczy ich faunę i florę, powoduje korozje
instalacji przemysłowych zakładów korzystających z wody, a także korozję wodociągów
i kanalizacji.
Ścieki komunalne i przemysłowe odprowadzane do wód powierzchniowych
przenikają do wód podziemnych powodując ich skażenie.
Nieumiejętne i często nadmierne stosowanie nawozów sztucznych, które spłukiwane
z pól przez wody opadowe przedostają się do zbiorników wodnych powodując eutrofizację
jezior. Eutrofizacja polega na gwałtownym rozwoju roślin, a zwłaszcza glonów, które
obumierając zużywają rozpuszczony w wodzie tlen. W miarę ubytku tlenu obumarła masa
roślinna zamiast ulegać mineralizacji (utlenienie węgla do CO2, azotu do HNO3, siarki
do H2SO4, fosforu do H3PO4) ulega rozkładowi beztlenowemu. W tych warunkach następuje
redukcja węgla do metanu i etanu, azotu do amoniaku, a siarki do siarkowodoru.
Biologiczne zanieczyszczenie wód jest spowodowane przez bakterie, wirusy,
pierwotniaki, pasożyty, grzyby i pleśnie. Są one typowe dla ścieków komunalnych
i przemysłu rolno-spożywczego.
Wodne ekosystemy są zdolne do mineralizacji tych zanieczyszczeń pod warunkiem,
że zrzuty ścieków do wód nie są nadmierne.
Miarą zasolenia i zanieczyszczenia wód jest sucha pozostałość.
PRZEBIEG ĆWICZENIA
1. Oznaczanie suchej pozostałości
1.1. Zasada metody
Oznaczanie suchej pozostałości polega na odparowaniu określonej objętości wody
(5 cm3) lub ścieków, wysuszeniu pozostałości w temperaturze 105oC do stałej masy
i zważeniu.
1.2. Aparatura i przyrządy
a) parownica szklana lub kwarcowa o średnicy 7 cm,
b) suszarka elektryczna.
1.3. Przygotowanie próbki do badań
Oznaczanie wykonuje się przed upływem czterech godzin od chwili pobrania próbki.
W przypadku gdy jest to niemożliwe próbkę należy utrwalić przez dodanie 2 cm3 chloroformu
na 1 dm3 wody i przechowywać w temperaturze ok. 4oC. Z zabezpieczonej próbki oznaczenie
powinno być wykonane przed upływem 48 godzin.
1.4. Wykonanie oznaczenia
Parownicę wysuszyć w suszarce w temperaturze 105oC przez 30 min, chłodzić przez
kilka minut na powietrzu a następnie w eksykatorze do temperatury pokojowej, po czym
zważyć. Z dobrze wymieszanej próbki wody odmierzyć do parownicy 5 cm3. Próbkę
odparować w suszarce, a po odparowaniu suszyć jeszcze przez pół godziny, następnie
ochłodzić w eksykatorze do temperatury pokojowej i zważyć.
1.5. Obliczanie wyników
Suchą pozostałość badanej próbki obliczyć w mg/dm3 wg wzoru:
x1 =
gdzie:
( m − m1 )
⋅ 1000
V
m – masa parownicy z osadem, mg
m1 – masa parownicy bez osadu, mg
V – objętość próbki odmierzonej do oznaczenia, cm3
Za wynik końcowy oznaczenia należy przyjąć średnią arytmetyczną co najmniej
dwóch oznaczeń. Wynik końcowy przy wartościach do 1000 mg/dm3 należy podać
z dokładnością do 1 mg, a przy wartościach wyższych z dokładnością do 10 mg.
2. Sprawdzenie obecności jonów zawartych w wodach kopalnianych
2.1. Oznaczanie jonów chlorkowych
Obecność jonów chlorkowych sprawdza się za pomocą roztworu azotanu srebra.
W tym celu do probówki wlewa się kilka cm3 wody kopalnianej i zadaje kilkoma kroplami
roztworu AgNO3. W przypadku obecności jonów chlorkowych powstaje biały, serowaty
roztwór chlorku srebra, zgodnie z reakcją:
Cl– + Ag+ → AgCl
2.2. Oznaczanie jonów siarczanowych
Obecność jonów siarczanowych (SO42-) sprawdza się roztworem chlorku baru.
Do probówki wlewa się kilka cm3 wody kopalnianej, a następnie roztwór chlorku baru.
W przypadku obecności jonów SO42- powstaje biały krystaliczny roztwór siarczanu baru
zgodnie z reakcją:
SO42– + Ba2+ → BaSO4
3. Adsorpcyjne właściwości gleby
1. Umieścić na sączku warstwę gleby i przefiltrować przez tę warstwę rozcieńczony wodą
atrament (10 cm3). Podobne doświadczenie wykonać z węglem aktywnym (aktywowanym).
atrament
rozpuszczony w
wodzie
gleba
węgiel aktywowany
2. Na tej samej glebie przefiltrować próbkę zasolonej wody (10 cm3). Sprawdzić
w przesączu zawartość jonów chlorkowych (Cl–) i siarczanowych (SO42–).
Adsorbat
Adsorbent
Gleba
Węgiel aktywny
Atrament
Zasolona woda
Obecność jonów:
ClSO42-
4. Praca własna
Przygotować z książki J. Więckowska „ Katalityczno-adsorpcyjne odsiarczanie gazów”
rozdziały 3.1 i 4.1.