Методы определения концентрации растворённого кислорода в воде (стр. 2 из 9)
В результате разнообразных процессов окисления кислород постоянно переходит из свободного состояния в связанное. Однако количество свободного кислорода остаётся практически неизменным, так как убыть его компенсируется жизнедеятельностью растений.
Физические свойства. При обычных условиях кислород – газ без цвета и запаха, слаборастворимый в воде (в 1 объеме воды при 0 'С растворяется 5, а при 20 °С – 3 объема кислорода). В других растворителях его растворимость также незначительна. При атмосферном давлении кислород сжижается при -183 °С, а затвердевает при -219 °С. В жидком и твердом состояниях кислород окрашен в голубой цвет, он обладает магнитными свойствами.
Химические свойства. Кислород относится к активным неметаллам. Во всех соединениях, кроме соединений со фтором и пероксидов, он имеет степень окисления -2. (В соединениях со фтором кислород проявляет степень окисления +2, а в пероксидных соединениях степень его окисления равна -1 или даже дробному числу. Это объясняется тем, что в пероксидах два или несколько атомов кислорода соединены друг с другом).
Кислород взаимодействует со всеми металлами, за исключением золота и платиновых металлов (кроме осмия), образуя оксиды:
2 Мg + О2 = 2 MgО (оксид магния)
4 Аl + 3 О2 = 2 Аl2O3 (оксид алюминия)
Ряд металлов, кроме основных оксидов, образует амфотерные (ZnО, Сr2О3, Аl2О3 и др.) и даже кислотные (СrО3, Мn2О7 и др.) оксиды.
Он взаимодействует также со всеми, кроме галогенов, неметаллами, образуя кислотные или несолеобразующие (индифферентные) оксиды:
S + О2 = SО2 (оксид серы (IV))
4 Р + 5 O2 = 2 Р2О5 (оксид фосфора (V))
N2 + О2 = 2 NО (оксид азота (II))
Оксиды золота и платиновых металлов получают разложением их (гидроксидов, а кислородные соединения галогенов – осторожным обезвоживанием их кислородсодержащих кислот).
В кислороде и на воздухе легко окисляются (сгорают или тлеют) многие неорганические и органические вещества. Из неорганических веществ, кроме металлов и неметаллов, с кислородом реагируют все соединения металлов с неметаллами, за исключением хлоридов и бромидов:
СаН2 + O2 = СаО + Н2О
2 ZnS + 3 O2 = 2 ZnО + 2 SO2
Мg3Р2 + 4 O2 = Мg3(РО4)2
Са2Si + 2 O2 = Са2SiО4
4 КI + O2 + 2 Н2О = 4 КОН + I2
Из органических соединений с кислородом взаимодействуют почти все, кроме полностью фторированных углеводородов (фреонов), а также хлор- и бромпроизводных с большим содержанием хлора или брома (хлороформ, тетрахлорид углерода, полихлорэтаны и аналогичные бромпроизводные):
С3Н8 + 5 O2 = 3 СО2 + 4 Н2О
2 С2Н5ОН + O2 = 2 СН3СНО + 2 Н2О
2 СН3СНО + О2 = 2 СН3СООН
C6Н12О6 + 6 O2 = 6 СО2 + 6 Н2О
2 C6H6 + 15 O2 = 12 СО2 + 6 Н2О
В атомарном состоянии кислород более активен, чем в молекулярном. Это свойство используют для отбеливания различных материалов (легче разрушаются окрашивающие органические вещества). В молекулярном состоянии кислород может существовать в виде кислорода O2 и озона O3, т.е. для него характерно явление аллотропии.
Получение. В лабораторных условиях кислород можно получить:
1) разложением перманганата калия при нагревании:
2 КМnO4 = К2МnО4 + МnО2 + O2
2) разложением бертолетовой соли в присутствии диоксида марганца как катализатора:
2 КСlO3 = 2 КСl + 3 O2
3) разложение нитратов щелочных или щелочноземельных металлов:
2 КNО3 = 2 КNО3 + О2
4) разложением окcида ртути:
2 НgО = 2 Нg + O2
5) электролизом воды, к которой для увеличения электропроводности добавляют щелочи или сульфаты щелочных металлов. Этот метод применяется также для промышленного получения кислорода.
В промышленности кислород получают также разделением (ректификацией) жидкого воздуха. Воздух сильно сжимают (100-200 атм), а затем резко понижают давление. Этот процесс называется дросселированием. Он сопровождается значительным понижением температуры газа. Описанный принцип используется при сжижении газов в холодильном цикле, простейшая схема которого приведена на рис. 41.
Сжатый в компрессоре 1 воздух охлаждается в водяном холодильнике 2 и противоточном теплообменнике 3, проходит дроссель 4, где от резкого понижения давления сильно охлаждается, и через теплообменник 3 выходит из системы, охлаждая новые порции сжатого воздуха, которые направляются к дросселю. Чем ниже температура сжатого газа перед дросселем, тем ниже она после дросселирования. Когда температура воздуха достигнет -192 °С, он сжижается и собирается в сборнике 5. Полученный жидкий воздух, как и газообразный, состоит в основном из азота (около 80%) и кислорода (около 20%). Примеси составляют около 1%. Жидкий воздух подвергают разгонке на ректификационной колонне. Поскольку азот кипит при -195,8 °С, а кислород – при -183 °С, из жидкого воздуха вначале отгоняется азот, а затем кислород. Полученный таким образом кислород содержит некоторое количество азота, а отогнанный азот может иметь примеси кислорода. Для получения более чистых азота и кислорода их подвергают дополнительной очистке или используют другие методы получения.
Экологические основания
Растворённый кислород – один из важнейших показателей качества воды. Контроль его содержания проводится как в природных незагрязнённых водах, так и в одах прошедших очистку.
В химической промышленности растворённый кислород – окислитель, присутствие которого необходимо учитывать, при проведении химических реакций в водных растворах.
Прежде всего, растворённый кислород в водоёмах важен для живых организмов, обитающих в водной среде. Изменение концентрации может привести к изменениям в локальной экосистеме. Изменение его концентрации может быть вызвано как естественными факторами, так и антропогенными.
К природным факторам относятся:
1) Сезонные изменения. Эти изменения не влияют на состояние экосистемы.
2) Изменение, вызванное природными катаклизмами (например, особо толстый слой льда, большое количество осадков и т.д.) Эти изменения могут нанести серьёзный урон экосистеме. Службы охраны окружающей среды по возможности пытаются свести эти изменения к минимуму. Например, при большой толщине льда просверливаются специальные отверстия, которые благоприятствуют насыщению воды кислородом.
К антропогенным факторам относятся изменения концентрации, вызванные сбросом сточных вод. Сточные воды по источнику образования делятся на производственные и бытовые.
К производственным относят сточные воды технологических процессов (промышленных, сельскохозяйственных, транспортных и т.д.) изготовления и перемещения материальных благ. Нормы водопотребления в различных отраслях изменяются в широких пределах и на единицу продукции или исходного сырья составляют, м3/т: производство цемента 0,1; добыча угля и нефти 0,3 и 0,4; производство удобрений, бумаги, сульфитной целлюлозы соответственно 3,9, 37 и 218; проката 300; цветных металлов 4000; продуктов растениеводства до 1 млн. Как правило, изменение концентрации кислорода при сбросе вызывается его расходованием на окисление легкоокислимых веществ, присутствующих в сточных водах. Однако, нерастворимые в воде маслянистые вещества, нефтепродукты создают на поверхности воды плёнку, которая препятствует растворению кислорода, вызывая снижение его концентрации. В связи с этим, все сточные воды, участвующие в технологическом процессе, проходят очистку.
В бытовые входят стоки от санитарных узлов, душевых и им подобных установок, все стоки предприятий сферы услуг, коммунального хозяйства, жилищного фонда. Суточный расход воды на одного жителя России составляет 262 литра. Таким образом, очистные сооружения миллионного города очищают в сутки колоссальный объём воды.
Процесс очистки любых сточных вод сопровождается постоянным контролем концентрации растворённого кислорода, так как он является одним из показателей качества воды.
Иногда необходим особенно точный контроль содержания растворённого кислорода. Такие ситуации возникают, например, в рыбной промышленности при разведении мальков, так как они наиболее чувствительны к изменениям концентрации. Или в химической промышленности, где вода выступает в роли реакционной среды.
Физико-химия растворения газов в воде
Растворимость кислорода в большинстве жидкостей, включая воду, приближенно описывается законами растворения идеального газа.
При достаточно малых парциальных давлениях кислорода мольная доля растворенного кислорода в равновесных условиях прямо пропорциональна его давлению над раствором. В области умеренных и средних давлений данные многих авторов с учетом ошибок эксперимента также удовлетворительно описываются законом Генри:
,где p – давление пара, K – коэффициент Генри, y – растворимость.