Химия воды : Аналитическое обеспечение лабораторного практикума

Министерство образования и науки российской Федерации 

уральский Федеральный университет  
иМени первого президента россии б. н. ельцина

в. и. аксенов, л. и. ушакова, и. и. ничкова

хиМия воды

аналитическое обеспечение 
лабораторного практикума

рекомендовано методическим советом урФу 
в качестве учебного пособия для студентов, 
обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры 
по направлению подготовки 270800 «строительство», 
по программе специалитета по направлению подготовки 
270112 «водоснабжение и водоотведение»

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2018 

2-е издание, стереотипное

удк 543.3(076.5)
 
а 424

рецензенты: 
Ю. а. г а л к и н, доктор технических наук, 
президент ооо нпФ «Эко-проект»;

е. в. н и ко л а е н ко, кандидат технических наук, 
доцент кафедры «водоснабжение и водоотведение» 
Южно-уральского государственного университета 
(национального исследовательского университета)

под общей редакцией
кандидата технических наук,  
профессора кафедры водного хозяйства и технологии воды, 
лауреата государственной премии ссср в. и. а к с е н о в а

Аксенов, В. И. 
а 424  
химия воды: аналитическое обеспечение лабораторно
го практикума [Электронный ресурс]: учеб. пособие / в. и. 
аксенов, л. и. ушакова, и. и. ничкова ; [под общ. ред. в. и. 
аксенова] ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. 
федер. ун-т. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. унта, 2018. — 139 с. ; ил.

ISBN 978-5-9765-3514-5 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1236-8 (Изд-во Урал. ун-та)

в учебном пособии приводятся основные сведения о качестве и свойствах природных вод, рассматриваются методы химического анализа воды 
и водных растворов, описываются методики выполнения лабораторных 
работ.

для студентов бакалавриата и специалитета, изучающих дисциплину 
«химия воды и микробиология», а также для магистрантов, осваивающих 
программы «водоотведение и очистка сточных вод», «водоснабжение городов и промышленных предприятий».

удк 543.3(076.5)

© уральский федеральный университет, 2014 
© аксенов в. и., ушакова л. и., ничкова и. и., 2014

ISBN 978-5-9765-3514-5 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1236-8 (Изд-во Урал. ун-та)

ПРЕДИСЛОВИЕ

предлагаемое учебное пособие посвящено вопросам, связанным с качеством и свойствами природных вод, а также основам 
и методикам химического анализа. аналитический контроль природных, питьевых и сточных вод, без которого невозможно судить 
об их качественной характеристике, обязателен при любой работе 
с водными системами, которая ведется как в лаборатории, так и на 
производстве.
химический анализ таких систем подробно описан во многих 
отечественных и зарубежных изданиях. в нашем пособии представлены те методы, которые используются при обучении студентов, магистрантов и аспирантов на кафедре водного хозяйства 
и технологии воды, а также в практике эксплуатации сооружений 
водного хозяйства.
отметим, что в настоящее время широко внедряются и весьма 
успешно используются различные быстродействующие, с повышенной точностью, многокомпонентные и другие инструментальные методы определения загрязнителей водных систем. но следует помнить, что самыми надежными методами были и остаются 
традиционные — весовой, объемный, колориметрический и электрометрический, с которых и следует начинать обучение и которыми необходимо владеть в полной мере.
учебная дисциплина «химия воды и микробиология» является основополагающей при подготовке студентов по специальности «водоснабжение и водоотведение». актуальность ее заключается в том, что именно с нее начинается реальное осознание 
студентами значимости химии как основы их профессиональной 
подготовки. 
прикладная часть дисциплины «химия воды и микробиология» — «химия воды. аналитическое обеспечение лабораторного практикума» — состоит из трех разделов. в первом разделе 

описаны современные представления о качестве и свойствах природных вод. во втором — рассмотрены основы химического анализа водных систем, наиболее часто используемого на практике. 
в третьем — представлены лабораторные работы по химии воды, 
в которых приведены методики определения основных показателей качества воды. Эти работы служат подготовке студентов к проведению тех исследований, которые осуществляются на действующем производстве, в лабораториях очистных станций, комплексах 
очистки хозяйственно-бытовых и производственных стоков.
при получении питьевой воды для выбора оптимального 
метода ее обработки необходима информация о загрязняющих 
веществах, их количестве, свойствах, распределении в исходной 
природной воде. более сложные задачи возникают при работе 
со сточными водами, особенно производственными. приходится определять весьма значительную номенклатуру различных 
веществ, присутствующих в стоках, в том числе в малых и сверхмалых концентрациях.
особую проблему составляют новые вещества, разрабатываемые и производимые химической промышленностью, которые тут 
же со стоками попадают в окружающую среду, часто оказывая на 
нее весьма серьезное негативное воздействие.
в заключение отметим, что данное учебное пособие позволит 
значительно облегчить работу специалистам-водникам (особенно 
молодым) по химическому анализу водных систем, поскольку 
в значительной степени освобождает их от необходимости глубоко 
изучать литературу по аналитической химии, совершенно самостоятельной и сложной химической дисциплине.

авторы разделов пособия: предисловие, глава 1 — в. и. аксенов; глава 2, лабораторный практикум — л. и. ушакова; лабораторный практикум — и. и. ничкова.

1. КАЧЕСТВА И СВОЙСТВА  
ПРИРОДНОЙ ВОДЫ

вода — одно из самых распространенных веществ на планете. 
она имеет большое значение в эволюции как живой, так и неживой 
природы, покрывает 70  % поверхности земли и является средой 
обитания большого количества представителей флоры и фауны.
на земле происходит непрерывный круговорот воды, включающий использование ее на бытовые и производственные нужды 
человека, потребление растениями и животными, испарение 
и фильтрацию через почву и многое другое. характер процессов, 
протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества.
вода (оксид водорода) имеет формулу н2о и представляет 
собой простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом. химически чистая вода обладает рядом свойств, резко отличающих ее от химических аналогов (гидридов элементов шестой 
группы периодической системы Менделеева) и других жидкостей. Эти особые свойства воды называют аномальными, так как 
большинство из них являются уникальными в природе. к наиболее существенным аномальным свойствам воды можно отнести 
следующие:
 – вода — единственное вещество, которое существует в трех 
агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. 
Это связано с особенностями ее физических свойств — аномалией точек кипения и замерзания;
 – вода обладает самым большим поверхностным натяжением 
среди всех жидкостей, существующих в природе, за исключением ртути;
 – силы взаимодействия между молекулами воды настолько 
велики, что она собирается в капли там, где другие жидкости растекаются;

– при переходе воды из жидкого состояния в кристаллическое 
значительно (более чем в 2 раза) увеличивается внутренняя 
энергия ее молекулярной системы;
 – вода при замерзании расширяется, а не сжимается, как все 
другие тела;
 – температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожидать;
 – плотность воды зависит от температуры, причем в твердом 
состоянии (лед) она меньше, чем в жидком, а ее максимум 
достигается при 4 °с (при дальнейшем нагревании плотность уменьшается);
 – вода закипает (при атмосферном давлении 760 мм рт. ст.) 
при температуре 100 °с; если бы вода подчинялась общефизическим закономерностям в молекулярном строении жидкостей, то температура ее кипения была бы 80 °с;
 – вода характеризуется особыми тепловыми свойствами: у нее 
очень высокие удельная теплоемкость, скрытые теплоты 
испарения и плавления;
 – вода имеет аномально высокую диэлектрическую проницаемость;
 – электропроводность воды меньше, чем у льда; для других 
веществ электропроводность в жидком состоянии больше, 
чем в твердом.
основные физические свойства чистой воды приведены 
в табл. 1.
высокая диэлектрическая проницаемость воды обусловливает ее универсальность как растворителя. поэтому природная 
вода в естественных условиях не встречается в химически чистом 
состоянии. она представляет собой растворы, содержащие в своем 
составе различные элементы в виде простых и сложных ионов, 
комплексных соединений, растворенных или газообразных молекул. кроме того, в воде содержатся сложные органические соединения, живые и отмершие микроорганизмы, механические и коллоидные вещества разного состава, сложные органоминеральные 
и другие комплексы.

Таблица 1

Физические свойства чистой воды

Молекулярная масса
18,01
радиус молекул, нм
0,138
плотность, кг/м3:
при t = 0 °с
при t = 3,98 °с
при t = 20 °с

999,841
999,973
998,203
плотность льда (при t = 0 °с), кг/м3
916,8
плотность насыщенного пара (при t = 100 °с), кг/м3
0,598
удельная теплоемкость воды, кдж/кг ∙ K:
при t = 0 °с
при t = 20 °с
4,218
4,182
удельная теплоемкость льда при t = 0 °с, кдж/кг ∙ к
2,04
удельная теплоемкость водяного пара при t = 100 °с, кдж/кг ∙ к
2,14
удельная теплота плавления льда  
(при нормальных условиях), кдж/кг ∙ к
317,6
удельная теплота парообразования воды  
при атмосферном давлении и t = 100 °с, кдж/кг ∙ к
2250,8
теплопроводность воды, ккал/м ∙ ч ∙ °с:
при t = 0 °с
при t = 20 °с
при t = 100 °с

0,47
0,52
0,59
теплопроводность льда при t = 0 °с, ккал/м ∙ ч ∙ °с
1,94
теплопроводность водяного пара  
при атмосферном давлении и t = 100 °с, ккал/м ∙ ч ∙ °с
0,02
поверхностное натяжение на границе с воздухом, мн/м:
при t = 0 °с
при t = 20 °с
при t = 100 °с

74,6
72,7
58,9
динамическая вязкость, мпа ∙ с:
при t = 0 °с
при t = 20 °с
при t = 100 °с

1,79
1,00
0,28
динамическая вязкость насыщенного водяного пара
при t = 100 °с, мп ∙ с
0,012
удельная электропроводность абсолютно чистой воды, см/м
1,5 ∙ 10–6

диэлектрическая проницаемость, Ф/м
81

наличие в воде некоторых примесей определяет ее качество. под качеством природной воды понимают совокупность ее 
свойств, обусловленных характером и концентрацией содержащихся в ней веществ.
поверхностные источники характеризуются большими колебаниями качества воды и количества загрязнений в отдельные 
периоды года. качество воды рек и озер в большой степени зависит от интенсивности выпадения атмосферных осадков, таяния 
снега, а также загрязнения ее поверхностными стоками и сточными водами городов и промышленных предприятий.
речная вода обычно характеризуется значительным содержанием взвешенных веществ, т. е. мутностью, часто — цветностью, 
малым содержанием солей, относительно малой жесткостью, наличием большого количества органических веществ, относительно 
высокой окисляемостью и значительным содержанием бактерий. 
сезонные колебания качества речной воды нередко бывают весьма 
значительными. в период паводков сильно возрастают мутность 
и бактериальная загрязненность, но обычно снижаются жесткость, 
щелочность и солесодержание.
Морская вода отличается весьма высоким содержанием солей. 
сухой остаток колеблется в пределах 1,1–3,6 % массы воды. 
общая жесткость ее достигает 140 мг-экв/дм3, при этом только 
4 мг-экв/ дм3 приходится на долю карбонатной жесткости.
воды подземных источников, особенно глубоко залегающие 
артезианские воды, характеризуются большой прозрачностью, 
отсутствием цветности, значительным содержанием минеральных 
солей, большой жесткостью и иногда наличием марганца, железа, 
кремния и др.
Механизм поступления примесей в природную воду формирует определенное постоянство важнейших ионов, содержащихся в различных водоемах. сведения о наиболее распространенных в природных водах ионах и их концентрациях приведены 
в табл. 2.

Таблица 2

Важнейшие ионы природных вод

группа
катион
анион
концентрация, мг/дм3

I
Na+, K+, Ca2+, Mg2+
, Cl–, 
от нескольких единиц 
до десятков тысяч

II
, Fe2+, Mn2+
, F
–, 
, 
от десятых долей 
до единиц

III
Cu2+, Zn2+, Ni2+, Al3+
HS–, I –, 
, 
Менее десятых долей

природные воды классифицируют по ряду признаков, простейший из них — солесодержание или минерализация воды. 
Минерализация воды показывает суммарное содержание всех 
минеральных веществ, присутствующих в воде. солесодержание 
природных вод, определяющее их удельную электропроводность, 
изменяется в широких пределах.
основными химическими примесями речных вод, содержащих 
до 500–600 мг/дм3 растворенных солей, являются ионы са
2+, Mg
2+, 
Na
+, 
, 
, Cl
–. Маломинерализованные воды рек содержат 
преимущественно ионы са
2+ и 
. по мере повышения степени 
минерализации речных вод содержание в них ионов Na
+, 
, Cl
– 
увеличивается, а относительное содержание ионов са
2+ уменьшается, поскольку происходит осаждение сасо3 и саSO4 ввиду их 
малой растворимости. вследствие лучшей растворимости Mgсо3 
и MgSO4 ионы магния могут содержаться в природной воде в больших концентрациях. удельная электропроводность речных вод 
варьируется от 30 до 1500 мк ∙ см/см.
степень минерализации подземных вод зависит от условий 
залегания водоносного горизонта и колеблется от 100–200 мг/ дм3 
до нескольких граммов на 1 дм3. по мере повышения степени 
минерализации подземных вод возрастает относительное содержание ионов Na
+, 
 и Cl
–.
содержание солей в водах океанов и некоторых морей достигает 50 г/кг и более. основными химическими примесями морских 
вод являются ионы Na
+ и Cl
–, составляющие в сумме около 30 г/кг. 

содержание солей в водах внутренних морей значительно меньше 
(от 7 до 16 г/кг).
удельная электропроводность атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/дм3 составляет 10–120 мк ∙ см/см.
характеристика вод по минерализации приведена в табл. 3.

Таблица 3

Характеристика вод по общей минерализации

наименование воды
общая минерализация, г/дм3

ультрапресная
до 0,1

пресная
более 0,1 до 1,0

слабопресная
более 1,0 до 3,0

соленая
более 3,0 до 10,0

сильносоленая
более 10,0 до 50,0

рассол
более 50,0 до 300,0

ультрарассол
более 300

по содержанию ионов в воде определяют общую степень их 
минерализации М:

кат
ан
  
,
М =
+
∑
∑

где 
 — сумма катионов, мг/дм3; 
 — сумма анионов, мг/дм3.

воды классифицируют также на три класса по преобладающему иону: гидрокарбонатные (и карбонатные) (
 + 
), 
хлоридные (Cl
–) и сульфатные (
). каждый класс по преобладающему катиону (са
2+, Mg
2+, Na
+ + K
+) делят на три группы — кальциевую, магниевую и натриевую.
поверхностные воды большей частью имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав, т. е. среди анионов в них преобладает 
анион 
, а среди катионов — са2+. появление иона 
 
в воде прямо или косвенно связано с деятельностью водных организмов (растворение со2 атмосферы, дыхание водных организмов, разложение мертвых остатков растений и животных, почвообразование на берегах и др.).