Химико-органолептические свойства воды

Химические вещества, определяющие органолептические свойства воды. Кроме органолептических показателей основной группы (физико-органолептических), следует обратить внимание на группу химико-органолептических показателей.

К показателям, характеризующим природный химический состав воды, относятся: сухой остаток, водородный показатель (рН), жесткость общая, содержание железа, сульфатов, хлоридов, марганца, меди, цинка.

Сухой остаток — это количество растворенных веществ, преимущественно минеральных солей, в 1 л воды. Количество органических веществ в сухом остатке составляет не более 10%, поэтому можно считать, что этот показатель характеризует общую минерализацию воды.

При определении сухого остатка сначала проводят выпаривание основной массы пробы, которая может составлять 250−500 мл. Далее оставшуюся часть пробы высушивают во взвешенной, доведенной до постоянной массы чашке (стакане, тигле) в сушильном шкафу в стандартных условиях в два этапа. На первом этапе высушивание проводят при температуре 103−105°С в течение 1−2 часов. При этом удаляются влага и все летучие органические вещества, однако сохраняется почти вся кристаллизационная вода солей — кристаллогидратов. На втором этапе высушивание проводят при температуре 178−182 °С также в течение 1−2 часов. В этих условиях разлагаются кристаллогидраты, более полно испаряются и разлагаются органические вещества, разлагаются также некоторые соли — например, гидрокарбонаты до карбонатов и далее до оксидов (частично или полностью). Величину сухого остатка определяют по разности масс остатка пробы до и после высушивания, причем, иногда выполняют промежуточное взвешивание — после высушивания при температуре 103−105°С. Взвешивание выполняют на аналитических весах с погрешностью не более ±1 мг (лучше ±0,1 мг). Перед взвешиванием тигель необходимо охладить до комнатной температуры.

Воду с сухим остатком до 1000 мг/л называют пресной. Именно такая минерализация свойственна воде рек, большинства пресных озер и водохранилищ. Воду называют солоноватой, если ее минерализация составляет 1000—3000 мг/л, и соленой при минерализации свыше 3000 мг/л, что характерно для воды морей и океанов [8].

Водородный показатель (рН) является основой кислотно-основного состояния, которое достигается в воде благодаря наличию различных растворимых соединений.

Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся при диссоциации воды. Если ионы ОН^- в воде преобладают — то есть рН>7, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н⁺ — рН<7- кислую (см. Таблица 6). В дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга и рН будет приблизительно равен 7. При растворении в воде различных химических веществ, как природных, так и антропогенных, этот баланс нарушается, что приводит к изменению уровня рН [4].

Таблица 6.

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

Обычно уровень рН находится в пределах, при которых он не влияет на потребительские качества воды. При высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, способна вызывать раздражение глаз и кожи. Низкий уровень pH < 4 тоже может вызывать неприятные ощущения. Влияет pH и на жизнь водных организмов. Для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальным считается уровень рН в диапазоне от 6 до 9 единиц [3].

Жесткость. Различают общую, карбонатную, постоянную и устранимую жесткость.

Общая жесткость — это природное свойство воды, обусловленное наличием так называемых солей жесткости, т. е. всех солей кальция и магния в сырой воде (сульфатов, хлоридов, карбонатов, гидрокарбонатов и др.).

Карбонатная жесткость — это жесткость, обусловленная присутствием гидрокарбонатов и карбонатов Са₂₊ и Mg₂₊, растворенных в сырой воде.

Устранимая, или гидрокарбонатная, жесткость — это жесткость, которую удается устранить при кипячении воды. Она обусловлена гидрокарбонатами Са²⁺ и Mg²⁺, которые во время кипячения воды превращаются в нерастворимые карбонаты, и выпадают в осадок:

Са (НСО₃)₂ = СаСО₃ + Н₂О + CО₂^.

Mg (HCО₃)₂ = MgCО₃ + Н₂О + CО₂^.

Под постоянной жесткостью понимают жесткость кипяченой воды в течение 1 часа, которая обусловлена наличием хлоридов и сульфатов Са₂₊ и Mg₂₊, не выпадающих в осадок. Сегодня общую жесткость воды выражают в единицах ммоль/дм³.

Характеристика вод по значению общей жесткости:

Таблица 7.

Известно, что значительное содержание солей жесткости, особенно магния сульфата, придает воде горький вкус. Потребители ощущают этот вкус, если общая жесткость воды превышает 7 ммоль/дм³. Чтобы вода не имела горького вкуса интенсивностью выше 2 баллов, ее общая жесткость не должна превышать 7 ммоль/дм³. Иначе говоря, доброкачественная вода должна быть мягкой (с общей жесткостью до 3,5 ммоль/дм³) или умеренно жесткой (от 3,5 до 7 ммоль/дм³). То есть верхний предел общей жесткости питьевой воды — 7 ммоль/дм³ — установлен на основании ее влияния на органолептические свойства.

Со временем было доказано, что в зависимости от жесткости вода поразному влияет на здоровье людей. Резкий переход при пользовании от мягкой воды к жесткой, а иногда и наоборот, может вызвать у людей диспепсию. В районах с жарким климатом пользование водой с высокой жесткостью приводит к ухудшению течения мочекаменной болезни. Вода с высокой жесткостью способствует развитию дерматита.

К тому же надо учитывать, что с повышением жесткости воды усложняется кулинарная обработка пищевых продуктов, а именно: хуже развариваются мясо и бобовые, плохо заваривается чай, образуется накипь на стенках посуды.

Однако и очень мягкая вода может отрицательно влиять на организм вследствие уменьшения поступления, прежде всего кальция. Известно, что кальций выполняет в организме множество функций, в том числе пластическую: он крайне необходим для остеогенеза и репарации костей (в костях содержится 99% кальция), принимает участие в образовании дентина. Кальций необходим для поддержания нервно-мышечного возбуждения, участвует в процессах свертывания крови, влияет на проницаемость биологических мембран. Суточная потребность взрослого человека в кальции колеблется от 800 до 1100 мг (от 1000 мг/сут. в возрасте до 7 лет и почти 1400 мг — в возрасте 14−18 лет). Во время беременности потребность в нем повышается до 1500 мг/сут., во время грудного вскармливания — до 1800−2000 мг/сут.

Хлориды и сульфаты распространены в природе в виде солей натрия, калия, кальция, магния и других металлов. Они составляют большую часть сухого остатка пресных вод. Наличие хлоридов и сульфатов в воде водоемов может быть обусловлено природными процессами вымывания их из почвы, а также загрязнением водоема различными сточными водами.

Природное содержание хлоридов и сульфатов в воде поверхностных водоемов незначительно и в большинстве случаев колеблется в пределах нескольких десятков миллиграммов на литр.

Хлориды в воде — это лишние и вредные примеси в воде. И если анализ воды показал, что их количество больше, чем нужно, то — их нужно удалять из воды. Почти все природные воды, дождевая вода, сточные воды содержат хлорид-ионы. Присутствие хлоридов объясняется присутствием в породах наиболее распространенной на Земле соли — хлорида натрия [1].

ПДК хлоридов в воде согласно СанПиН 2.1.4.1175−02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников» составляет 350 мг/дм³. Повышенные содержания хлоридов ухудшают вкусовые качества воды, делают ее малопригодной для питьевого водоснабжения и ограничивают применение для многих технических и хозяйственных целей, а также для орошения сельскохозяйственных угодий [9].

Если в питьевой воде есть ионы натрия, то концентрация хлоридов выше 250 мг/дм³ придает воде соленый вкус. Концентрации хлоридов и их колебания, в том числе суточные, могут служить одним из критериев загрязненности водоема хозяйственно-бытовыми стоками.

Определение хлоридов в воде основано на осаждении хлора азотнокислым серебром в присутствии хромовокислого калия в качестве индикатора. При титровании хлора азотнокислым серебром вначале выпадает хлористое серебро и раствор сохраняет желтую окраску, обусловленную наличием ионов Сl⁺. Когда весь хлор будет осажден, при дальнейшей прибавлении азотнокислого серебра образуется красный осадок хромовокислого серебра и желтая краска перейдет в слабо-оранжевую. Качественное определение. В пробирку берется 5 мл исследуемой воды, добавляется 3 капли 10%-го азотнокислого серебра (подкисленного азотной кислотой). При наличии хлоридов выпадает белый осадок или появляется муть, в зависимости от качества хлоридов.

Сульфаты, как и хлориды, влияют на органолептические свойства воды. Они придают ей горький вкус. Пороговые концентрации по влиянию на вкус воды составляют для натрия, кальция и магния сульфата соответственно 500, 900 и 600 мг/дм³. Горький вкус становится ощутимым для большинства потребителей, если содержание сульфатов в воде превышает 500 мг/л. Кроме того, сульфаты в количестве 1−2 г оказывают слабительное действие. Также влияет вода, если содержит 700 мг/дм³ магния сульфата. Однако со временем организм человека адаптируется к таким и даже более высоким концентрациям сульфатов в воде.

Принцип определения сульфатов основан на осаждении в кислой среде ионов хлористым барием ВаСl₂ в виде сернокислого бария Ba₂SO₄, нерастворимого в воде. Качественный анализ на сульфаты. В пробирку берут 5 мл исследуемой воды, добавляют 1−2 капли 25% раствора соляной кислоты и 5 капель 10% раствора хлористого бария, нагревают, получается белый осадок или муть в зависимости от количества сульфатов. По степени мутности, используя табл., можно определить приблизительное количество сульфатов.

Кроме того, сульфаты и хлориды в питьевой водопроводной воде всегда содержатся одновременно. Поэтому они оказывают комбинированное воздействие на вкусовые рецепторы, результатом которого является усиление вкусовых ощущений. И если в отдельности хлориды в концентрации 350 мг/дм³, а сульфаты — 500 мг/дм³ не ухудшают органолептических свойств воды, то присутствуя одновременно они придают ощутимый вкус интенсивностью свыше 2 баллов.

Нитраты. Нитраты — это соли азотной кислоты, наличие которых как правило вызвано поступлением в воду хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, а также стоков воды с сельскохозяйственных угодий, обрабатываемых азотосодержащими удобрениями, и с атмосферными осадками.

Метод определения содержания нитратов.

Объем пробы воды для определения содержания нитратов должен быть не менее 200 см³. Пробу отбирают в день проведения определения или ее консервируют, добавляя на 1 дм³ исследуемой воды 2 — 4 см³ хлороформа или 1 см³ концентрированной серной кислоты.

Колориметрический метод с фенолдисульфокислотой Метод основан на реакции между нитратами и фенолдисульфоновой кислотой с образованием нитропроизводных фенола, которые со щелочами образуют соединения, окрашенные в желтый цвет. Чувствительность метода 0,1 мг/дм³ нитратного азота.

Приготовление основного стандартного раствора азотнокислого калия.

0,7218 г азотнокислого калия, высушенного при (105 ± 2) °С, растворяют в мерной колбе в дистиллированной воде, доводят объем до 1 дм³ и добавляют 1 см³ хлороформа. 1 см³ этого раствора содержит 0,1 мг нитратного азота.

Приготовление рабочего стандартного раствора азотнокислого калия.

50 см³ основного раствора выпаривают досуха на водяной бане, затем к охлажденному сухому остатку добавляют 2 см³ фенолдисульфоновой кислоты и тщательно растирают стеклянной палочкой до полного смешения с сухим остатком. Затем добавляют несколько кубических сантиметров дистиллированной воды, количественно переносят в мерную колбу вместимостью 500 см³ и доводят объем до метки дистиллированной водой. 1 см³ этогораствора содержит 0,01 мг нитратного азота.

Приготовление суспензии гидроокиси алюминия:

125 г алюмоаммонийных квасцов NH₄Al (SO₄)₂ · 12Н₂O или алюмокалиевых квасцов КА1 (SO₄)₂ · 12Н₂0 растворяют в 1 дм³ дистиллированной воды. Затем раствор подогревают до 60 °C и постепенно, при постоянном помешивании, добавляют 55 см³ концентрированного раствора аммиака. После отстаивания в течение 1 ч осадок переносят в большой стакан и промывают декантацией дистиллированной водой до отсутствия в промывной воде аммиака, хлоридов и нитратов.

Приготовление фенолдисульфокислоты:

25 г кристаллического бесцветного фенола (если препарат окрашен, необходима его очистка перегонкой) растворяют в 150 см³ концентрированной серной кислоты и нагревают в течение 6 ч на водяной бане в колбе с обратным холодильником. Раствор хранят в склянке из темного стекла с притертой пробкой.

Приготовление раствора сернокислого серебра:

4,40 г сернокислого серебра Аg₂SO₄ растворяют в дистиллированной воде и доводят в мерной колбе дистиллированной водой до 1 дм³. 1 см³ раствора приблизительно эквивалентен 1 мг СlЇ. Раствор хранят в склянке из темного стекла с притертой пробкой.

Приготовление шкалы стандартных растворов:

Для визуального определения в колориметрические цилиндры вместимостью по 50 см³ вносят 0,0; 0,5; 0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 3,5; 6,0; 10; 15; 20 и 30 см³ рабочего раствора азотнокислогокалия (1 см³ — 0,01 мг N). Если используют цилиндры вместимостью по 100 см³, количество стандартного раствора удваивают, что соответствует содержанию нитратного азота в стандартных растворах шкалы от 0,1 до 6,0 мг/дм³ нитратного азота. В каждый цилиндр добавляют по 2 см³ фенолдисульфоновой кислоты и 5 — 6 см³ щелочи (NН₄ОН) до максимального развития окраски. Объем раствора в цилиндрах доводят дистиллированной водой до метки и перемешивают. Приготовленная стандартная шкала может сохраняться в течение нескольких недель без изменения окраски раствора.

При определении нитратов с помощью электрофотоколориметра для построения калибровочного графика используют эти же стандартные растворы. Оптическую плотность окрашенных растворов измеряют на фотоэлектроколориметре с синим светофильтром (л =480 нм) в кюветах с толщиной рабочего слоя 1 — 5 см. Из найденных значений оптических плотностей вычитают оптическую плотность нулевой пробы. Полученные результат наносят на график [5].