Экологическая роль водородного показателя. Задание на выполнение лабораторной работы

Задание на выполнение лабораторной работы

Изучить:

- правила техники безопасности при работе с прибором;

- описание лабораторной установки;

- теоретические основы исследования;

- порядок проведения опытов и методику обработки опытных данных;

Выполнить следующий объем работы:

- произвести измерения по методике, изложенной в п.3.4, 3.5, 3.6;

- оформить отчет, сформулировать выводы по результатам исследования и защитить у преподавателя.

Теоретические основы исследования

Экологическая роль водородного показателя

Водородный показатель характеризует концентрацию свободных ионов водорода в воде. Для удобства отображения был введен специальный показатель, названный рН и представляющий собой логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком: pH= –lg[H].

Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН-, образующихся при диссоциации воды. рН - это показатель интенсивности, но не количества. Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода (рН>7) по сравнению с ионами ОН^-, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н⁺ (рН<7) – кислую. В идеально чистой дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга. В таких случаях вода нейтральна и рН=7. При растворении в воде различных химических веществ этот баланс может быть нарушен, что приводит к изменению уровня рН и во многом определяет характер химических и биологических процессов, происходящих в воде.

По степени кислотности природные воды делят на следующие категории (таблица 1):

Таблица 1

Диапазон значений рН природных вод

Категория	Величи-на рН	Природные воды	Факторы образования
Сильнокислые	< 3	Воды вулканических извержений	Гидролиз природных солей (FeSО4, Fe2(SO4)3, Al2(SO4)3 при взаимодействии с водной средой и почвенной влагой. Растворение в воде угольной кислоты, гуминовых, фульвокислот и других органических кислот в результате разложения органических веществ. Естественное подкисление атмосферных осадков под воздействием биогенных оксидов серы, азота, летучих органических соединений.
Кислые	3-5	Рудничные воды Болота Воды лесной зоны
Слабокислые	5– 6,5
Нейтральные	6,5-7,5	Подземные воды Реки Пресные озера Мировой океан	Гидролиз природных солей, составленных из слабых кислот и сильных оснований (К+, Na+, Ca2+,Mg2+). Наличие свободных ионов натрия в почвенном растворе. Процессы фотосинтеза в сверхосвященных водоемах.
Слабощелочные	7,5 – 8,5
Щелочные	8,5-9,5
Сильнощелочные	>9,5	Соляные (содовые) озера Термальные воды с t=37-42оС.

Повышение кислотности воды (снижение уровня рН) связано с увеличением ее температуры. При температуре около 0°С, величина рН чистой воды составляет приблизительно 7, а по мере повышения температуры и приближения к точке кипения (100°С) снижается до значений около 6,5. Снижение уровня рН обусловлено растворением СО₂, содержащегося в воздухе.

Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина рН для большинства речных систем составляет 6,8 – 7,4; летом при интенсивном фотосинтезе рН повышается до 7,4 – 8,2.

Снижение рН происходит также во время паводка, когда содержание карбонатов в речной воде падает вследствие разбавления. Напротив, растворение твердых карбонатов приводит к обратному эффекту.

Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор (5,6 – 5,7). Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО₂), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃.

Для поверхностных вод в связи с меньшим содержанием в них углекислоты pH обычно выше, чем для подземных.

В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и т.д.

Сильное влияние на рН оказывает сточные воды, кислотные дожди и другие антропогенные факторы.

Под воздействием кислотных дождей происходит снижение величины рН, что влечет повышение степени миграции большинства металлов, возрастание содержания токсичных форм Al, Cd, Hg, Pb; снижение содержания фосфора и общих показателей биомассы; нарушение процесса самоочищения вод (понижение скорости разложения некоторых органических веществ, осложнение процессов сорбции и седиментации); биоаккумуляция тяжелых металлов и радионуклидов в количествах, превышающих уровень токсичности для живых организмов; сокращение числа видов, изменение численности и скорости роста. Кислотные осадки растворяют сооружения из мрамора и известняка. Исторические памятники, простояв тысячелетия, быстро разрушаются.

От реакции почвенного раствора во многом зависит минеральное питание растений. Кислотность почв, имеющих рН < 7, под действием кислых дождей снижается на 1 – 2 единицы. Для большинства культурных растений оптимум рН почвенного раствора находится в пределах 5,5…7,0. Оптимальные значения рН почвы для выращивания основных сельскохозяйственных культур приведены в табл. 2.

Таблица 2

Оптимальные значения pH почвы для некоторых растений

Растение	рН	Растение	рН
Овес	5,0 – 7,7	Кукуруза	6,0 – 7,0
Картофель	5,0 – 5,5	Капуста	6,7 – 7,4
Рожь озимая	5,5 – 7,5	Томаты	6,3 – 6,7
Сахарная свекла	7,0 – 7,5	Морковь	5,5 – 7,0
Пшеница яровая	6,0 – 7,5	Огурцы	6,0 – 7,9
Ячмень	6,8 – 7,5	Просо	5,5 – 7,5
Гречиха	4,7 – 7,5	Подсолнечник	6,0 – 6,8

Менее вреден сдвиг значения рН почвы в щелочную сторону. Это объясняется тем, что клетки корня растения выделяют СО₂, а иногда и органические кислоты, которые нейтрализуют избыточную щелочность. Повышение кислотности ведет к повреждению корневой системы растений, нарушению обмена веществ между растением и средой. От уровня кислотности зависит степень проникновения имеющихся в почве металлов Al, Mn, Fe, Cu, Zn в ткани растений. Если показатель рН находится в пределах нейтральной области, тяжелые металлы остаются связанными в почве и лишь незначительная их часть попадает и накапливается в растениях. Напротив, кислые почвы с низким показателем рН содержат большое количество алюминия, железа и марганца в форме ядовитых для растений соединений.

Для устранения избыточной кислотности в почвы вносят известь, органические удобрения, гипс, силикатные и фосфорные удобрения.

Роль рН в жизнедеятельности человека исключительно велика. Наш организм нормально функционирует только тогда, когда способен поддерживать определенный уровень рН и в крови и в других тканевых жидкостях. Например, рН желудочного сока = 1,1–1,7. При других значениях рН поступающие питательные вещества не расщепляются и нарушается пищеварение. рН крови = 7,4; слез = 7,0 – 7,4; слюны = 6,3 – 6,9.

Бытовые сточные воды имеет слабощелочную реакцию, производственные - от сильнокислой до сильнощелочной.

Контроль за уровнем рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его отклонения в ту или иную сторону могут не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий.

Гигиенические требования к качеству питьевой воды определяются ГОСТ 2874 - 82 "Вода питьевая", по которым водородный показатель рН не должен превышать нормативов 6,0 - 9,0. Уровень рН пресноводных подземных и поверхностных источников водоснабжения не должен выходить за пределы

6,5 - 8,5.