Воронина Тамара Николаевна – кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической химии ЯГПУ им. К. Д. Ушинского, Ганина Галина Ивановна - кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической химии ЯГПУ им. К. Д. Ушинского, Отюкова Наталия Геннадьевна – старший лаборант-исследователь лаборатории гидрологии и гидрохимии ИБВВ РАН, Цельмович Ольга Леонидовна – научный сотрудник лаборатории гидрологии и гидрохимии ИБВВ РАН
Гидрохимический режим рек складывается под воздействием целого комплекса условий, определяемых физико-географической обстановкой, свойственной данной территории.
Хлорид-ион – важнейший показатель минерализации и генезиса природных вод. Первичными их источниками являются магматические породы, в состав которых входят хлорсодержащие минералы. Значительное содержание поступает в воду в результате обмена с океаном через атмосферу, взаимодействия атмосферных осадков с почвами, особенно засоленными, а также при вулканических выбросах. Возрастающее значение приобретают промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды.
Хлорид-ионы обладают наибольшей миграционной способностью, что объясняется хорошей растворимостью солей, слабо выраженной способностью к сорбции на взвесях и потреблением водными организмами. В речных водах и водах пресных озер их содержание колеблется от долей миллиграмма до десятков, сотен, а иногда тысяч миллиграммов на литр, в морских и подземных водах содержание значительно выше – вплоть до пересыщенных растворов и рассолов.
Концентрация хлорид-ионов в поверхностных водах подвержена заметным сезонным колебаниям, коррелирующим с изменением общей минерализации воды. Эти колебания могут служить одним из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками. ПДК хлорид-ионов в природных водах составляет 300 мг/л. Повышенное содержание ухудшает вкусовые качества воды, делает ее малопригодной для питьевого водоснабжения и ограничивает применение для многих технических и хозяйственных целей, а также для орошения сельскохозяйственных угодий.
Знание содержания и поведения хлорид-ионов в водах необходимо при решении вопросов их круговорота в природе и процессов соленакопления.
Большая часть (около 80%) поверхностных вод относится к гидрокарбонатному классу, т. к. среди главных анионов в них преобладают гидрокарбонаты. Содержанием гидрокарбонатных и карбонатных ионов обусловливается щелочность воды.
Щелочность - это концентрация суммы анионов слабых кислот (главным образом анионов угольной кислоты), присутствующих в воде.
Основным источником гидрокарбонатных ионов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород типа известняков, мергелей, доломитов. Значительные количества гидрокарбонатных ионов поступают с атмосферными осадками и грунтовыми водами.
В поверхностных водах гидрокарбонат-ионы присутствуют главным образом в растворенном состоянии. В речных водах их содержание колеблется от 30 до 500 мг/л. Концентрация этих ионов подвержена заметным сезонным колебаниям.
Главным источником сульфат-ионов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения серосодержащих минералов, в основном гипса, а также окисления сульфидов и серы. Значительные количества поступают в водоемы в процессе отмирания организмов и окисления наземных и водных веществ растительного и животного происхождения и с подземным стоком.
Сульфат-ионы выносятся со сточными водами предприятий, с бытовыми стоками и водами, выносимыми с сельскохозяйственных угодий.
В речных водах содержание сульфат-ионов колеблется от 5 до 60 мг/л. Повышенное содержание ухудшает органолептические свойства воды и оказывает физиологическое воздействие на организм. ПДК сульфат-ионов в природных водах составляет 500 мг/л.
Определение хлорид-ионов
Меркуриметрический метод определения массовой концентрации хлорид-ионов основан на взаимодействии хлорид-ионов с ионами ртути (II) с образованием малодиссоциированного соединения хлорида ртути.
Избыток ионов ртути (II) образует с индикатором дифенилкарбазоном в кислой среде (рН = 2,5 0,2) окрашенное в фиолетовый цвет комплексное соединение.
Стандартизация раствора нитрата ртути по раствору хлорида натрия
В коническую колбу для титрования наливают 90 см3 дистиллированной воды, приливают 10 см3 раствора хлорида натрия, перемешивают, добавляют 0,3 см3 смешанного индикатора, вводят по каплям раствор азотной кислоты до перехода окраски от синей к желтой, дополнительно приливают 1 см3 раствора азотной кислоты (для установления рН = 2,5) и титруют раствором нитрата ртути (II) до изменения желтой окраски на фиолетовую.
Точную концентрацию раствора нитрата ртути находят по формуле:
C = 0,05 · 10 / V , где
10 – аликвотная часть раствора NaCl, см3; С – концентрация раствора нитрата ртути(II), моль/дм3; 0,05 – концентрация раствора хлорида натрия, моль/дм3.
Выполнение измерений
100 см3 исследуемой воды переносят в коническую колбу для тирования, добавляют 0,3 см3 смешанного индикатора. Если анализируемый раствор окрашивается в желтый цвет, то добавляют по каплям раствор гидроксида натрия до перехода желтой окраски в синюю, затем вводят по каплям раствор азотной кислоты до желтого окрашивания раствора, дополнительно приливают 1см3 раствора азотной кислоты (анализируемый раствор должен иметь рН = 2,5 0,2) и тируют раствором нитрата ртути (II) до фиолетового окрашивания.
Если после добавления смешанного индикатора анализируемая проба окрашивается в синий цвет, то, исключив добавление раствора гидроксида натрия, добавляют по каплям раствор азотной кислоты и далее как указано выше.
Холостое измерение проводят со 100 см3 дистиллированной воды, проводя через весь ход анализа.
Вычисления
Содержание хлорид-ионов Х (мг/дм3) рассчитывают по формуле:
X = (V1 - V0) · C · 35,45 · 1000 / V, где
V1 – объем раствора нитрата ртути (II), пошедший на титрование анализируемой прбы, см3; V0 - объем раствора нитрата ртути, пошедший на титрование холостой пробы, см3; С – концентрация раствора нитрата ртути; 35,45 – молярная масса хлорид-иона, г/моль; V – объем пробы, взятой на анализ, см3.
Определение гидрокарбонат-ионов
Тириметрический метод определения массовой концентрации гидрокарбонатов основан на взаимодействии гидрокарбонатных ионов с сильной кислотой с образованием слабой угольной кислоты, распадающейся в растворе на воду и свободный СО2.
Стандартизация раствора соляной кислоты
10 см3 раствора НС1 с концентрацией 0,05 моль/дм3 переносят в коническую колбу, добавляют 90 см3 свободной от С02 дистиллированной воды и 10 капель раствора индикатора. Титруют раствором буры до перехода окраски от малиновой к интенсивно зеленой.
Точную концентрацию раствора НС1 находят по формуле:
СK = CБ · VБ / VК, где
Ск - молярная концентрация раствора НС1 моль/дм3; СБ - молярная концентрация эквивалента раствора буры, моль/дм3; VБ - объем раствора буры, израсходованный на титрование, см3; VК - объем раствора НС1, взятый для титрования, см3.
Выполнение измерений
В коническую колбу вносят 100 см3 пробы. Добавляют 10 капель раствора индикатора и приливают такой объем раствора НС1, чтобы содержимое колбы приняло малиновую окраску. Затем добавляют еще 4 см3 раствора НС1 и удаляют С02 кипячением в течение 10 мин. Пробу охлаждают и титруют раствором буры до появления устойчивой зеленой окраски.
Вычисления
Содержание гидрокарбонат-ионов в пробе воды Х, мг/дм3, находят по формуле:
Х = 61,02 · (СК · VК - CБ · VБ) · 1000 / V , где
СК - молярная концентрация раствора НС1, моль/дм3; VК - объем раствора НС1, добавленный в пробу, см3; СБ - молярная концентрация эквивалента раствора буры, моль/дм3; VБ - объем раствора буры, пошедший на титрование, см3; V - объем пробы воды, см3; 61,02 – молярная масса гидрокарбонат-иона, г/моль.
Определение сульфат-ионов
Турбидиметрический метод основан на определении сульфат-иона в виде BaS04 в солянокислой среде с помощью гликолевого реагента. Гликоль, введенный в реакционную смесь при осаждении сульфата бария, стабилизирует образующуюся суспензию BaS04 и делает возможным турбидиметрическое микроопределение сульфатов.
Выполнение измерений
К 5 см3 исследуемой пробы прибавляют 1 - 2 капли раствора НС1 и 5 см3 гликолевого реагента, тщательно перемешивают. После 30 мин. экспозиции измеряют оптическую плотность раствора на фотоэлектроколориметре. Исследуемая проба воды с добавлением гликолевого реагента, приготовленного без BaCl2, является раствором сравнения. Содержание сульфатов находят по калибровочной кривой.
Экспериментальная часть.
Объектом исследования была малая река Латка бассейна Рыбинского водохранилища. Длина Латки - 15 км, площадь водосбора - 35,1 км2 .
Цель работы - исследование химического состава малых водотоков как среды обитания гидробионтов и выявление возможных нарушений под влиянием антропогенных факторов.
Задача исследования – провести определение хлорид-, гидрокарбонат- и сульфат-ионов в воде р. Латки и сделать выводы о гидрохимическом режиме реки в различное время года.
Материал был собран в мае, августе и октябре 1999г. на пяти станциях: 1 - фоновая, 2 - бобровый пруд, 3 - место сброса сточных вод сырзавода, 4 - в 2 км ниже сброса, 5 - в 6,5 км ниже сброса.
Результаты исследования представлены в таблицах.
Таблица 1
Содержание хлорид-ионов в реке Латка, мг/дм3
|
№ станции |
май |
август |
октябрь |
|||
|
X |
Хср. |
X |
Хср. |
X |
Хср. |
|
|
1 |
6,58 |
6,56 |
19,00 |
18,97 |
14,70 |
14,68 |
|
6,54 |
18,97 |
14,70 |
||||
|
6,56 |
18,94 |
14,66 |
||||
|
2 |
6,58 |
6,56 |
17,20 |
17,19 |
15,56 |
15,52 |
|
6,54 |
17,18 |
15,52 |
||||
|
6,54 |
17,20 |
15,48 |
||||
|
3 |
7,90 |
7,89 |
109,40 |
109,36 |
61,93 |
61,93 |
|
7,90 |
109,32 |
61,93 |
||||
|
7,88 |
109,40 |
61,93 |
||||
|
4 |
8,35 |
8,33 |
22,52 |
22,51 |
21,50 |
21,44 |
|
8,31 |
22,50 |
21,50 |
||||
|
8,35 |
22,51 |
21,38 |
||||
|
5 |
11,47 |
11,43 |
20,80 |
20,74 |
18,10 |
18,06 |
|
11,39 |
20,80 |
18,02 |
||||
|
11,43 |
20,68 |
18,06 |
Таблица 2
Содержание гидрокарбонат-ионов в реке Латка, мг/дм3
|
№ станции |
май |
август |
октябрь |
|||
|
X |
Хср. |
X |
Хср. |
X |
Хср. |
|
|
1 |
329,0 |
328,9 |
391,1 |
391,1 |
430,9 |
430,8 |
|
329,0 |
391,1 |
430,7 |
||||
|
328,8 |
391,1 |
430,8 |
||||
|
2 |
332,7 |
332,6 |
379,1 |
379,2 |
405,8 |
405,8 |
|
332,7 |
379,3 |
405,8 |
||||
|
332,5 |
379,1 |
405,8 |
||||
|
3 |
325,3 |
325,2 |
318,6 |
318,5 |
400,9 |
400,8 |
|
325,4 |
318,4 |
400,9 |
||||
|
325,1 |
318,5 |
400,7 |
||||
|
4 |
309,9 |
309,9 |
316,4 |
316,4 |
391,0 |
390,5 |
|
400,0 |
316,6 |
390,0 |
||||
|
309,8 |
316,2 |
390,0 |
||||
|
5 |
310,6 |
310,6 |
296,6 |
296,6 |
329,6 |
329,4 |
|
310,6 |
296,2 |
329,4 |
||||
|
310,6 |
296,8 |
329,2 |
Таблица 3
Содержание сульфат-ионов в реке Латка, мг/дм3
|
№ станции |
май |
август |
октябрь |
|||
|
X |
Хср. |
X |
Хср. |
X |
Хср. |
|
|
1 |
3,35 |
3,3 |
14,0 |
14,1 |
18,0 |
18,0 |
|
3,31 |
14,0 |
18,0 |
||||
|
3,31 |
14,2 |
18,0 |
||||
|
2 |
2,5 |
2,5 |
11,0 |
10,7 |
14,5 |
14,4 |
|
2,5 |
10,7 |
14,4 |
||||
|
2,5 |
10,4 |
14,3 |
||||
|
3 |
3,3 |
3,3 |
98,2 |
98,0 |
11,8 |
11,8 |
|
3,3 |
98,0 |
11,7 |
||||
|
3,3 |
97,9 |
11,9 |
||||
|
4 |
11,1 |
11,1 |
4,8 |
4,8 |
14,7 |
14,7 |
|
11,1 |
5,0 |
14,7 |
||||
|
11,1 |
4,6 |
14,7 |
||||
|
5 |
7,0 |
6,9 |
12,4 |
12,4 |
15,6 |
15,8 |
|
7,0 |
12,3 |
15,6 |
||||
|
6,8 |
12,5 |
16,0 |
Обсуждение результатов эксперимента
Весной содержание хлорид-ионов в воде р. Латки было в пределах 6,56 - 11,43 мг/дм3. Содержание сульфат-ионов колебалось от 2,5 (бобровый пруд) до 11,1 мг/дм3 (ст.4). Гидрокарбонат-ионы держались в пределах 309,9 - 332,6 мг/дм3.
В период засушливого лета влияние сточных вод сырзавода отрицательно сказалось на содержании хлорид-ионов на ст. З: 109,36 мг/дм3. Также сточные воды отрицательно сказались и на содержании сульфат-ионов: 98,0 мг/дм3. Но благодаря активно идущему процессу самоочищения следующая станция (№4) характеризуется уже лучшими показателями: 22,51 мг/дм3 хлорид-ионов и 4,8 мг/дм3 сульфат-ионов.
Показатель содержания гидрокарбонат-ионов постепенно снижался от фонового значения (391,1 мг/дм3) к водохралилищу (296,6 мг/дм3 на ст. 5).
Осенью на содержание хлорид-ионов также повлияли стоки сырзавода (61,93 мг/дм3 на ст.З). Содержание сульфат-ионов было в пределах 11,8 - 18,0 мг/дм3, а гидрокарбонат-ионов уменьшалось от фонового значения (430,8 мг/дм3) к водохранилищу (329,4 мг/дм3 наст.5).
Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что изменение химического состава воды р. Латки носит сезонный характер.
Изменение концентрации хлорид- и сульфат-ионов обусловлено поступлением сточных вод сырзавода. Влияние стоков наиболее заметно в период летней межени (когда объем водного стока резко уменьшается), а также в октябре при отсутствии дождевых паводков.
Данная работа является лишь малой частью комплексных исследований по изучению взаимосвязей между развитием гидробионтов и химическими, гидрологическими, геоморфическими характеристиками среды.
Алекин О. А. Гидрохимия. Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1952.
Лаптев Ф.Ф. Анализ воды. Госгеолтехиздат, М., 1995.
Перечень ПДК и ОБУВ вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов. М, 1995.
Посохов Е.В. Формирование хлоридных вод гидросферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши под ред. А. Д. Семенова. Гидрометеоиздат, Л., 1977.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.yspu.yar.ru