При каком давлении кислород растворяется в воде

Кислород вместе с другими газами, входящими в состав воздуха, легко растворяется в воде.

Сколько же воздуха может раствориться в воде? Говорить о растворимости воздуха в целом нельзя, нужно говорить о растворимости каждой составной части воздуха в отдельности.

Кислород, азот, аргон, двуокись углерода и другие газы обладают различной растворимостью. При одинаковых температуре и давлении чистого кислорода в воде растворится почти в 2 раза больше, чем азота, а углекислого газа — в 35 раз больше, чем кислорода.

Однако существуют общие закономерности для всех газов. Чем выше температура жидкости, тем меньше растворимость газов. В литре чистой воды при нормальном атмосферном давлении, равном 760 миллиметрам ртутного столба, и при температуре 0° растворяется около 50 кубических сантиметров чистого кислорода. А при температуре 30° — примерно в 2 раза меньше. Чистого азота при температуре 0° и нормальном атмосферном давлении растворится 24 кубических сантиметра, а при температуре 30° — 14 кубических сантиметров.

Чем выше давление газа над жидкостью, тем больше его растворимость.

Если в закрытом сосуде, наполненном на одну треть водой, создать давление в 2 атмосферы, то газа растворится вдвое больше, чем при 1 атмосфере. И, наоборот: при пониженном давлении газа растворится во столько же раз меньше, во сколько ниже давление.

Два равных объема различных газов, смешанных при давлении в 1 атмосферу, растворяясь в воде, будут вести себя как два самостоятельно существующих газа, находящихся под давлением в 1/2 атмосферы. Растворимость каждого из них будет в 2 раза меньше их растворимости при нормальном атмосферном давлении.

Воздух — это смесь газов. Так как в воздухе содержится 21 процент кислорода, то его парциальное давление, то есть та часть давления, которая падает только на кислород, будет в 5 раз меньше давления воздуха. Поэтому кислорода воздуха при нормальном атмосферном давлении растворится в воде в 5 раз меньше, чем чистого кислорода при том же давлении.

В самом деле, если при нормальном давлении и при температуре 0° насытить воду не чистым кислородом, а воздухом, то в литре воды растворится только 10 кубических сантиметров кислорода вместо 50, а азота из воздуха растворится 19 кубических сантиметров вместо 24.

В воде, содержащей различные соли, растворимость газов снижается. В речной воде кислорода растворяется меньше, чем в чистой (дистиллированной), а в морской меньше, чем в речной.

Чтобы растворить газ в воде, его нужно привести в соприкосновение или перемешать с водой; чтобы вытеснить газ из воды, воду нужно подогреть. Доведя температуру воды до 100°, можно почти полностью вытеснить из нее газ.

Возьмите колбу, наполненную доверху водой, закройте ее пробкой, в которую вставлена загнутая стеклянная трубка. Второй конец этой трубки вставьте в стакан с водой и наденьте на этот конец трубки наполненную водой пробирку. Доведите воду в колбе до кипения. В опрокинутой пробирке появится газ, тот самый газ, который был растворен в воде до ее кипячения.

Хотя до кипячения вода соприкасалась только с воздухом, но в силу различной растворимости кислорода и азота состав вытесненного газа будет существенно отличаться от состава обычного воздуха. В него входит 1 объем кислорода и 2 объема азота. А это означает, что в полученном газе кислорода уже не 21, как в воздухе, а 33 процента.

В обыкновенной, неочищенной воде, кроме растворенного газообразного кислорода, имеется еще кислород, входящий в состав растворенных в ней солей. Этот кислород вытеснить кипячением нельзя, так как он прочно связан с каким-нибудь другим элементом.

Чтобы освободить воду от солей, ее нужно перегнать.

Прибор для перегонки состоит из колбы для кипячения воды, холодильника, где конденсируются пары, и приемника, куда стекает дистиллированная вода.

Полученная таким образом вода содержит только растворенные газы, которые можно вытеснить кипячением.

Что же содержится в воде, в которой нет ни солей, ни растворенных газов?

Вода, как и всякое химическое соединение, состоит из однородных молекул.

В состав молекулы воды (Н2O) входит 2 атома водорода и 1 атом кислорода, тесно связанные между собой.

Разделить, разорвать молекулу воды на ее составные части нелегко, на это нужно затратить энергию.

Молекулярный вес воды равен 18. Он состоит из 2 атомных весов водорода, равных 2 единицам, и атомного веса кислорода — 16. Следовательно, в молекуле воды содержится около 89 процентов кислорода и около 11 процентов водорода. В килограмме воды насчитывается 890 граммов кислорода.

Это означает, что все реки, моря и океаны состоят главным образом из кислорода.

Вода занимает три четверти земной поверхности.

Но в природе вода встречается не только в жидком виде. В полярных странах и на высоких горах круглый год сохраняются огромные толщи льда и снега. Большие количества воды мы встречаем в воздухе в виде пара.

Животные и растения больше чем наполовину состоят из воды. В человеческом организме, при среднем весе тела 65—70 килограммов, содержится до 40 килограммов воды.

Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953

Руководство
по определению показателей качества воды полевыми методами »
…

    Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Снижение концентрации РК свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохимически интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием водных организмов.

    Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Кислород также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами. Поэтому существует много причин, вызывающих повышение или снижение концентрации в воде растворенного кислорода.

    Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул
О2. Содержание РК зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др. При каждом значении температуры существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таблицам, составленным для нормального атмосферного давления. Степень насыщения воды кислородом, соответствующая равновесной концентрации, принимается равной 100%. Растворимость кислорода возрастает с уменьшением температуры и минерализации и с увеличением атмосферного давления.

    В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В эвтрофированных и сильно загрязненных органическими соединениями водных объектах может иметь место значительный дефицит кислорода. Уменьшение концентрации РК до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыб и других гидробионтов.

    В воде водоемов в любой период года до 12 часов дня концентрация РК должна быть не менее 4 мг/л. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов установлена 6 мг/л (для ценных пород рыбы) либо 4 мг/л (для остальных пород).

    Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. При его определении особо тщательно следует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с воздухом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соединение).

    Контроль содержания кислорода в воде – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промышленность, службы охраны окружающей среды. Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Определение РК является частью анализа при определении другого важнейшего показателя качества воды – биохимического потребления кислорода (БПК).

    Определение концентрации РК в воде проводится методом йодометрического титрования – методом Винклера, широко используемым и общепринятым при санитарно-химическом и экологическом контроле*. Метод определения концентрации РК основан на способности гидроксида марганца (II) окисляться в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), количественно связывая при этом кислород. В кислой среде гидроксид марганца (IV) снова переходит в двухвалентное состояние, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количество йода. Выделившийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала в качестве индикатора.

    Определение РК проводится в несколько этапов. Сначала в анализируемую воду добавляют соль Мn (II), который в щелочной среде реагирует с растворенным кислородом с образованием нерастворимого дегидратированного гидроксида Мn (IV) по уравнению:

    Таким образом производится фиксация, т.е. количественное связывание, кислорода в пробе. Фиксация РК, являющегося неустойчивым компонентом в составе воды, должна быть проведена
сразу после отбора пробы.

    Далее к пробе добавляют раствор сильной кислоты (как правило, соляной или серной) для растворения осадка и раствор йодида калия, в результате чего протекает химическая реакция с образованием свободного йода по уравнению:

    Затем свободный йод титруют раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала, который добавляют для лучшего определения момента окончания титрования. Реакции описываются уравнениями:

J2 + крахмал —» синее окрашивание

    О завершении титрования судят по исчезновению синей окраски (обесцвечиванию) раствора в точке эквивалентности. Количество раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование, пропорционально концентрации растворенного кислорода.

    В ходе анализа воды определяют концентрацию РК (в мг/л) и степень насыщения им воды (в %) по отношению к равновесному содержанию при данных температуре и атмосферном давлении.

    В сточных и загрязненных поверхностных водах могут присутствовать компоненты, оказывающие мешающее влияние и искажающие результаты определения РК методом Винклера. К таким компонентам относятся следующие загрязняющие вещества.

    1.
Взвешенные и окрашенные вещества. Они могут помешать
определению, адсорбируя йод на своей поверхности или химически взаимодействуя с ним. При наличии в анализируемой воде взвешенных веществ их отделяют отстаиванием (не фильтрованием!) либо осветлением при добавлении раствора алюмокалиевых квасцов и аммиака.

    2.
Биологически активные взвешенные вещества (например, активный ил биохимических очистных сооружений). Пробы сточных вод, содержащие плохо оседающие взвешенные вещества, которые могут вызвать снижение концентрации кислорода вследствие продолжающейся жизнедеятельности микроорганизмов, необходимо осветлять также прибавлением раствора алюмокалиевых квасцов при одновременном добавлении токсичного для микроорганизмов вещества (растворов сульфаминовой кислоты, хлорида ртути или сульфата меди) сразу после отбора пробы.

    3.
Восстановители, реагирующие с выделенным йодом в кислой среде (сульфиты, тиосульфаты, сульфиды). Для устранения влияния восстановителей используют метод Росса, основанный на добавках к пробам растворов гипохлорита натрия
NaOCl, хлорной извести CaOCl2 и роданида калия
KNCS.

    4.
Окислители, выделяющие йод из йодида калия (активный хлор, нитриты, катионы железа (III) и др.). Влияние железа (III) устраняется добавлением раствора фторида калия. 

    Влияние
нитритов, которые часто встречаются в природных и сточных водах, устраняют добавлением раствора сульфаниловой кислоты, обычно предусмотренного в измерительных комплектах производства ЗАО «Крисмас+».

    Процесс определения РК проводится в кислородных калиброванных склянках из комплекта и включает:
    – специальную обработку пробы для устранения мешающего влияния примесей (выполняется при необходимости, преимущественно при анализе сточных вод);
    – фиксацию кислорода, проводимую немедленно после заполнения кислородной склянки;
    – титрование, которое может быть проведено через некоторое время (но не более суток).

    При выполнении анализа несколько раз повторяются следующие операции.

Оборудование и реактивы

    Барометр любого типа; груша резиновая или медицинский шприц; колба коническая вместимостью 250–300 мл; склянка кислородная калиброванная (100–200 мл) с пробкой; мешалка (стеклянные шарик, палочка и т.п.) известного объема; пипетки мерные на 1 мл и 10 мл; термометр с ценой деления не более 0,5°С; поддон.
    Раствор соли марганца; раствор серной кислоты (1:2); раствор тиосульфата натрия (0,02 моль/л экв.); раствор крахмала (0,5%); раствор йодида калия щелочной.
    Если в лаборатории имеются приборы для измерения содержания растворенного в воде кислорода (оксиметры), их с успехом можно использовать для выполнения анализов в полевых условиях.
    Приготовление растворов см. приложение
3.

Отбор пробы

    Отбор проб на содержание РК имеет ряд особенностей.

    Для отбора проб на РК в общем случае (ГОСТ 17.1.5.05) используют батометр, к крану которого прикреплена резиновая трубка длиной 20–25 см. Для отбора проб воды из поверхностных горизонтов используют эмалированную либо стеклянную посуду. Если отбирается общая проба воды для анализов по разным компонентам, то проба для определения РК должна быть первой, взятой для дальнейшей обработки.

    Водой из отобранной пробы ополаскивают 2–3 раза чистые калиброванные склянки из состава комплекта или (если требуется специальная подготовка проб, например отстаивание) стеклянные бутыли. 

   
Наполнение склянок из батометра осуществляют сифоном через резиновую трубку, опущенную до дна склянки. После наполнения кислородной склянки до горлышка ее наполнение продолжают до тех пор, пока не выльется около 100 мл воды, т.е. пока не
вытиснится вода, соприкасавшаяся с находившимся в склянке воздухом, и еще один объем. Трубку вынимают из склянки, не прекращая тока воды из батометра. Аналогично проводят заполнение склянки из бутыли с анализируемой водой либо бутыли из батометра (в последнем случае резиновую трубку сифона погружают примерно до половины высоты водяного столба в бутыли). Сразу после заполнения склянки производят фиксацию кислорода, как описано ниже.

    Отбор пробы для измерения концентрации РК непосредственно на водоеме выполняют следующим образом.

Примечания. 
1. В склянке не должно остаться пузырьков воздуха.
                         
2. Анализируйте пробу, по возможности, скорее. 

Проведение анализа

А. Фиксация кислорода в пробе

    Примечание. Склянку с фиксированной пробой можно хранить в затемненном месте не более 1 суток.

В. Титрование

    При наличии в анализируемой воде мешающих примесей (взвешенных и окрашенных веществ, восстановителей, железа в концентрациях более 1 мг/л) выполняют специальную обработку пробы (подробно описано в паспорте на комплект «Растворенный кислород»). Далее пробой заполняют кислородную склянку, выполняют фиксацию и титрование, как описано выше.

Вычисление результатов анализа

    В случае титрования всего количества раствора в кислородной склянке массовую концентрацию РК в анализируемой пробе воды (СРК) в мг/л рассчитайте по формуле:

где:
8 – эквивалентная масса атомарного кислорода;
CТ – концентрация титрованного стандартного раствора тиосульфата, моль/л экв.;
VТ – общий объем раствора тиосульфата, израсходованного на титрование (до и после добавления раствора крахмала), мл;
V – внутренний объем калиброванной кислородной склянки с закрытой пробкой (определяется заранее для каждой склянки отдельно), мл;
V1 – суммарный объем растворов хлорида марганца и йодида калия, добавленных в склянку при фиксации РК, а также мешалки, мл (рассчитывается как V1=1+1+0,5=2,5 мл);
1000 – коэффициент пересчета единиц измерения из г/л в мг/л.

Примечание. Принимается, что потери растворенного кислорода в фиксированной форме при сливе излишков жидкости из склянки и при выполнении других операций много меньше результата измерений (пренебрежимо малы).

    В случае титрования части пробы (50,0 мл) в кислородной склянке, массовую концентрацию РК в анализируемой пробе воды (СРК в мг/л) рассчитывают по формуле:

Пример расчета концентрации растворенного кислорода в воде.

    При общем объеме раствора тиосульфата, израсходованного на титрование, равном 4,7 мл, концентрации раствора тиосульфата 0,02 ммоль/л экв. и объеме кислородной склянки 102,5 мл содержание растворенного кислорода рассчитывается как:

    Для определения степени насыщения воды кислородом по табл. 13 определите величину концентрации насыщенного раствора кислорода в воде (СН, мг/л), исходя из температуры воды, зафиксированной в момент отбора пробы.

    Далее рассчитайте степень насыщения воды кислородом
(R) в % с учетом фактической величины атмосферного давления по формуле:

где:
100 – коэффициент пересчета единиц измерения из мг/л в %;
760 – нормальное атмосферное давление, мм рт. ст.;
СН – величина концентрации насыщенного раствора кислорода для условий отбора, определенная по табл. 13.
Р – фактическая величина атмосферного давления в момент отбора пробы.

Примечание. При отсутствии данных об атмосферном давлении в момент отбора допускается его принимать равным нормальному (т.е. 760 мм рт. ст.).

Таблица 13

Зависимость равновесной концентрации кислорода в воде от температуры
(атмосферное давление – 760 мм рт. ст.)

Пример расчета степени насыщения воды кислородом.

    При значениях
СРК=7,52 мг/л, СН=9,82 мг/л, Р=735 мм рт. ст. и температуре воды в момент отбора 16°С степень насыщения составляет:

Контроль точности измерений

    При выполнении измерений концентрации РК в воде контроль точности необходимо проводить по поверенному (образцовому) оксиметру.

* Например, РД 52.24.419, ИСО 5813 и др.

**
Если вода не содержит нитритов или их содержание менее 0,05 мг/л, раствор сульфаминовой кислоты можно не добавлять. Однако концентрация нитритов, как правило, неизвестна, поэтому мы рекомендуем добавлять сульфаминовую кислоту при каждом анализе. 

***
В данном случае из одной фиксированной пробы можно получить несколько параллельных результатов измерений, однако это приводит к некоторому снижению точности анализа.

« Назад | Содержание |
Далее »