Окислительно-восстановительные процессы в природных водах представляют собой, главным образом, превращения органических соединений. Одним из непременных условий существования водных экосистем являются процессы разложения органических соединений, в результате которых идет окисление соединений до углекислого газа, воды и различных соединений азота, фосфора, серы. Пока имеется в воде свободный кислород, окисление органических соединений идет, как правило, до оксидов элементов в высшей степени окисления, в идеале до СО2 и Н2О.
В анаэробных условиях (при недостатке или отсутствии кислорода в воде) окислительно-восстановительные процессы идут несколько иначе. Микроорганизмы для окисления органических соединений используют кислород нитратов, сульфатов и других соединений. В виде общей схемы процесс анаэробного окисления можно представить так:
СОРГ + 2NO3- + 2H+ → N2 + 2,5CO2 + H2O
Или так:
СОРГ + SO42- + 2H2O → H2S + 2HCO3-
Разложение органических веществ в анаэробных условиях осуществляется путем брожения с образованием продуктов неполного окисления (спиртов и альдегидов). Примером могут служить следующие реакции:
C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH – спиртовое брожение
C6H12O6 → CH3–CH2–CH2–COOH + 2CO2 + 2H2O – маслянокислое
брожение
CH3–CH2–OH → CH3–COOH + H2 – метановое
CH3–COOH → CO2 + CH4 брожение
4H2 + CO2 → 2H2O + CH4
Реальные процессы окисления органических соединений ещё сложнее и разнообразнее.
Одной из характеристик природных вод может служить их окисляемость - общее количество содержащихся в воде восстановителей (чаще органических соединений), реагирующих с сильными окислителями, например, бихроматом, перманганатом и др.
Результаты определения окисляемости выражают в миллиграммах кислорода на 1 л воды (мг О/л). По этому показателю можно предположить, какое количество органических и легкоокисляемых неорганических веществ содержится в исследуемой воде. Изменение степени окисления органических веществ в пробе, а значит и их содержание в воде, можно контролировать, отбирая пробы воды и определяя величину их окисляемости через различные промежутки времени.
Наиболее полное окисление соединений достигается при использовании бихромата калия, поэтому бихроматную окисляемость нередко называют "химическим потреблением кислорода" (ХПК). Это основной метод определения окисляемости. Большинство соединений окисляется при этом на 90 - 100 % с образованием диоксида углерода и воды, азот выделяется в виде газа.
Есть, однако, небольшое число соединений (бензол, толуол, пиридин и др.), которые не окисляются бихроматом калия даже в присутствии катализатора.
Нормативы ХПК воды водоемов хозяйственно-питьевого водопользования составляют 15 мг О/л, культурно-бытового - 30 мг О/л.
Однако представленный способ определения окисляемости природных вод недостаточно точно позволяет смоделировать процессы в водоемах. Гораздо ближе отражает естественные процессы определение количества кислорода (мг), необходимого для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях при 20°С в результате протекающих в воде биохимических процессов за определенный период времени (5, 21 суток). Такой показатель называют БПК - биохимическое потребление кислорода. Наиболее распространен метод установления БПК по разности содержания растворенного кислорода до и после инкубации пробы воды, с внесенными в нее микроорганизмами, при стандартных условиях (20°С, аэробные условия, без доступа воздуха и света).
Установлено, что при загрязнении водоемов преимущественно хозяйственно-бытовыми сточными водами с относительно постоянным составом и свойствами БПК5 (пятисуточное) составляет 70 % БПК полного.
Развитие промышленности обусловило увеличение сброса сточных вод, содержащих загрязняющие вещества с самыми разнообразными свойствами. Среди них могут быть как тормозящие процессы БПК, так и увеличивающие потребление кислорода. В зависимости от категории водоема регламентируется величина полного БПК: не более 4 мг/л кислорода для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования и не более 2-3 мг/л кислорода для рыбохозяйственного водопользования. Для водоемов с хорошо сбалансированной экосистемой показатели ХПК и БПК отличаются незначительно (на величину органических веществ, идущих на построение клеток тела микроорганизмов). Для водоемов, загрязненных химическими и незначительно биологическими отходами антропогенного характера, величина бихроматной окисляемости (ХПК) гораздо выше, чем БПК.
Цель работы: познакомиться со способами определения суммарного количества органических загрязнителей в воде через определение окисляемости природных вод.
Реактивы:концентрированная серная кислота; N-фенилантраниловая кислота; бихромат калия 0,25 н. стандартный раствор; соль Мора 0,25 н. раствор.