авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«'е Н И Н Г Р А Д С К И Й О Р Д Е Н А Л Е Н И Н А ГО С У Д А РСТВ ЕН Н Ы Й У Н И В Е РС И Т Е Т им ени А. А. Ж Д А Н О В А А. А НСБЕРГ, В. П. Б О Р О В И ...»

-- [ Страница 3 ] --

текания;

ho— столб воды в 1 ~ водосливной лоток;

2 — груз, уравно­ -скважине;

Я — мощность во­ вешивающий поплавок;

3 — водомерный бак;

4 - водомерное стекло со шкалой;

доносного горизонта;

Го— р а ­ 5 — регулятор расхода;

6 — поплавок.

диус скважины., Если безнапорный водоносный горизонт вскрыт несовершеи ной скважиной, то при отсутствии наблюдательных выработок коэффициент фильтрации рассчитывается по формуле Д обро­ вольского 0,3 6 6 Q lg -:? = (64).^ Обозначения те же, что и в формулах (62) и (63).

При опробовании пород зоны аэрации движение воды при свободнюм наливе в скважину в водоненасыщенные породы имеет характер, показанный на рис. 49. К ак видно из рисунка, вода, растекаясь вокруг скважины, двигается в основном в вер­ тикальном направлении вниз. Метод налива в зоне аэрации применим лишь при глубоком залегании водоносного горизон­ та и при условии, что уровень воды в скважине не превышает верхнего конца фильтра.

Д л я расчета коэффициента фильтрации при опробовании пород в зоне аэрации обычно используется уравнение Н асберга (65).

/C = 0,423 4 l g — /о Го где /о — высота столба воды в фильтре над его нижним концом;

Го — радиус фильтра в м. Эта фор­ мула применима в пределах 12, - Го 5 0.

^ Налив в скважину в зоне насы­ щения. Порядок работы* 1. Проверить гидрогеологической рулеткой чистоту забоя скважины, в случае необходимости очистить ее и промыть. Замерить статический Уровень SodbiВ уровень воды в скважине и темпе­ скВаж ине ратуру воды. Результаты записать в ж урнал (табл. 21).

2. У скважины установить спе­ циальный цилиндрический бак (см.

рис. 48), имеющий регулирующее устройство для подачи воды в сква­ жину. Б ак наполнить водой.

3. После заполнения бака при­ ступить к проведению опыта. Д л я Рис. 49. Х арактер движения воды при наливе в скваж ину этого при помощи регулятора рас­ в зоне аэрации.

хода 5 направить воду по сливному Т — направление движения воды;

лотку 1 в устье скважины. Подача, 2 — скважина;

3 — фильтр.

воды регулируется автоматически плавающим в скважине поплавком 6. Положение динамическог»

уровня задано длиной шнура (или мерной ленты), на котором,под­ вешен поплавок. При повышении уровня воды в скважине по­ плавок всплывает, шнур ослабляется и подача воды в скважину автоматически уменьшается. При падении уровня вес поплавка натягивает шнур и заставляет регулятор расхода увеличить по­ дачу воды в скважину. ' 4. В процессе опыта производить замеры расходуемой на налив воды. Д ля этой цели на баке имеется водомерное стекло со шкалой (4). Расход определять с интервалами в 15 мин^ одновременно с помощью рулетки производить контрольные з а ­ меры уровня воды в скважине.

5. Опыт продолжать до установления постоянного расхода при заданном динамическом уровне воды в скважине. Расход считать стабилизировавшимся после получения 6—8 одинако­ вых замеров. Результаты наблюдений записать в ж урнал (см. табл. 21).

6. После прекращения опыта провести наблюдение за вос­ становлением уровня воды в скважине, определяя его через 5— 10—20 мин, а затем через каж ды е 30 мин. Одновременно можно начать демонтаж установки.

Обработка результатов опыта. 1. Рассчитать коэффициент фильтрации, использовав для этой цели уравне­ ние (62, 63).

2. Составить: 1) график зависимости расхода от времени, 2) схему опытной установки, 3) схему скважины с указанием положения и конструкции фильтра.

3. Составить краткий отчет, в котором описать оборудование опытного узла, методику работ и полученные результаты.

Налив в скважину в зоне аэрации. П о р я д о к р а б о т ы, 1. При помощи гидрогеологической рулетки проверить чистоту забоя скважины и в случае необходимости очистить ее.

2. Определить необходимое положение динамического уров­ ня воды в скважине при наливе, пользуясь данными об устрой­ стве фильтра, конструкции скважины и разрезе ее (уровень, воды во время налива не должен быть выше верхнего края ф ильтра).

3. Провести все операции, указанные в пунктах 2, 3, 4, 5 пре­ дыдущего опыта, после чего установку демонтировать. В се наблюдения записать в ж урнал (см. табл. 21).

Таблица 21!

Ж ур н ал опы тного налива в ск в аж и н у М естополож ение с к в а ж и н ы.................................................................................

Глубина и диам етр с к в а ж и н ы.................................. м П олож ение фильтра в скваж ине........................................................................м П олож ение стати ческого уровня в о д ы...........................................................м Глубина О бъем расхода Ф ильтрацион­ уровня за время Н аблю дение за ный расход, воды в примечание: наблюдения, расходом воды л1 м и н скваж ине, л м { 4. Расчет коэффициента фильтрации произвести по формуле (47), а всю последующую обработку результатов опыта выпол­ нить так же, как и при наливе в скважину в зоне насыщения.

§ 5. М ЕТО Д Н АЛИВА В Ш УРФЫ Особенности метода и расчет результатов. Метод применяется.для определения коэффициента фильтрации пород зоны аэрации.

'Свободное просачивание воды в пределах этой зоны по порам и трещинам, которые лишь частично заполнены водой, носит' на •звание инфильтрации. Д л я исследования таких пород методом налива выкапывается шурф, на дне которого заклады вается не­ большой по площади зумпф. В него в процессе опыта наливается вода, уровень которой поддерживается постоянным. Наблюдения ;

ведутся до стабилизации инфильтрационного расхода. При этом движение воды подчиняется закону Д арси, в соответствии с ко­ торым Q = K F I.

В условиях свободного просачивания воды напорный градиент •(/) может быть принят равным единице, поскольку при этом пе трепад напора (АН) численно равен длине пути фильтрации (А/) (см. стр. 17). Тогда коэффициент фильтрации находится по фор­ м уле К= ^. (66) Исследования показали, однако, что такой способ расчета зер ен лишь при изучении хорошо проницаемых пород типа галеч ликов или крупнозернистых песков. Именно в эти породы осуще­ ствлялись наливы в шурфы автором метоп я Болдыревым. В мел жозернистых грунтах просачивание воды подХействием гравита­ ционных сил сверху вниз сопровождается боковым растеканием и капиллярным впитыванием в силу капиллярных свойств пород, что никак не учитывается приведенной выше формулой.

С целью уменьшения потерь воды на боковое растекание и впитывание Нестеровым был предложен прибор, состоящий из двух колец, устанавливаемых во время опыта концентрически одно относительно другого. Во внутреннем кольце измеряется инфильтрационный расход, вода из внешнего кольца расходуется на боковое впитывание. Коэффициент фильтрации определяется по формуле W) :тде Fq— площ адь, ограниченная внутренним малым кольцом.

При наливах в мелкозернистые пески и супеси с исполь­ зованием металлических колец разного диаметра Гиринский цредлож ил свою ф ормулу для расчета коэффициента ф ильтра­ ции K=Ql, (68) г д е К — коэффициент фильтрации в м1сутки\ Q — установив­ шийся расход в л!м ин;

I — поправочный коэффициент, завися­ щий от высоты столба в кольце (//о) от капиллярного д авл е­ ния на границе сухой и влажной породы (Як) и Диаметра кольца. Значение ? м ож ет быть найдено по табл. 22, состав­ ленной автором уравнения.

Таблица Зн ачения поправочного к оэф ф и ц и ен та (п о Н. К. Г иринском у) Диаметры цилиндров, см -ь 0,66 0, 0,88 0, 0, 0, 0, 1.0 0, 0, 1, 1, 0,69 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1,12 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1,04 0, 1, 1, 0, 0,77 0, 0, 0, 0, 0, 1.04 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1,10 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0,90 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1,32 1. 1. 0, 0, 0,96 0, 1,12 1, 1, 1,33 1,25 1, 1,51 1. 0, 1,21 0, 1,10 1, 1, 1, 1, 1,42 1, 1 62 1, 0, 1, 1, 1,25 1. 1,28 1, 1, 1,54 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1. 1,38 1. 1,66 1,56 1, 1, 1, 0, 1,22 1, 1, 1,51 1. 1. 1, 1,80 1, 2,08 1. 0, 1, 1,40 1, 1, 1,64 1, 1,87 1, 1, 2,28 2, 0, 1,54 1,46 1, 1, 1, 1, 2.05 1, 2, 2, 0,40 2, 1,70 1,61 1, 2,02 1, 2,29 1, 2,45 2, 2,84 2, 0, 1,81 1, 1, 2, 2, 2,59 2,42 2, 2. 3,22 2, 0, 1, 2, 2, 2, 2,97 2,60 2, 2. 3,74 3,44 3, 0, 2, 2, 2, 3.78 2, 2, 3,50 3,24 3, 0,20 4, 4. 2, 2,99 2, 3, 3.94 3,67 3, 4, 4, 4. 0,15 5. 3, 3, 3, 4,60 4,28 3, 4. 5, 6,30 5. 0,10 6, Величина капиллярного давления (Як) определяется по табл.

3 или по максимальному капиллярному поднятию (/Ik). Як мо кет быть принято равным.половине h^.

Таблица В еличина капиллярного давл ен и я (п о Н. Н. Б и н дем ан у) Капиллярное давление Н аименование грунта (Як), 1, !!углин(1 т я ж е л ы й........................

К 0, легкий 0, Супесь тяжелая............................

0,, л е г к а я.......................

0, lecoK мелкозернистый, глинистый 0, lecoK мелкозернистый, чистый.

0, среднезернистый................

0, i. крупнозернистый....

применение метода налива в шурфы ограничено глубиной з а ­ легания водоносного горизонта, которая должна быть не менее 3—5 м. Н. Н. Биндеман, ж елая устранить неопределенность влия­ ния этой величины, предложил расчетную формулу, учитываю­ щую глубину промачивания.

где I — глубина зоны промачивания, считая от дна шурфа (опре­ деляется по влажности породы под дном шурфа после налива);

Яо — слой воды в шурфе во время налива;

Q —-установившийся расход в м^1сутки;

Як — капиллярное давление на границе смачи­ вания, равное 50% максимальной высоты капиллярного подня­ тия.

Расчет по формуле Биндемана может быть использован при краткосрочных наливах на участках, где глубина зеркала менее Ъ м.

Налив по методу Болдырева. П о д г о т о в к а о п ы т а. I. В указанном месте на заданную глубину вырыть шурф сечением 0,7X 1,0 м. Н а дне шурфа или на одной из его ступеней заложит!

зумпф сечением 0,5 X 0,5 м, глубиной не более 15 см. Дно и стенки зумпфа тщательно выровнять и уложить слой гравия, предохра­ няющий дно зумпфа от размыва. У одной из стенок зумпфа уста­ новить рейку и указательный стержень для наблюдения за поло­ жением уровня воды во время опыта 2. Д ля подачи воды в шурф использовать мерный бачок с во­ домерным стеклом и регулирующим устройством (см. рис. 48).

Можно такж е применить большой металлический бак с вентилем.

Перед началом опыта залить бак водой.

П о р я д о к р а б о т ы. 1. Осторожно, не допуская разрушения стенок и поверхности дна зумпфа, заполнить его водой до зад ан ­ ной отметки (слой воды в зумпфе не должен быть более 10 см).

Записать в ж урнал время начала опыта. Измерить температур} воды в начале, а затем в конце опыта.

2. При постоянной подаче воды, уровень которой в зумпфе должен оставаться стабильным, вести наблюдения за расходом воды, поступающей из бачка. Инфильтрационный расход зам е­ рять через каждые 10 мин, снимая отсчеты со шкалы водомера и делая соответствующие записи в ж урнале опытного наливг (табл. 24). В перерыве между зам ерам и произвести зарнсовк\ стенок шурфа.

3. Из нижней части шурфа отобрать при помощи стаканг с режущими краями монолит породы для определения коэффи циента фильтрации в трубке Знаменского (для сравнения с вели чиной К, полученной при наливе в ш урф ). Выполнить это опреде ление,.руководствуясь методикой, изложенной в гл. 3, § 3.

4. Опыт продолжать до полной стабилизации инфильтрацион­ ного расхода. Последний можно считать установившимся, когда получено 6— 8 одинаковых или близких результатов, после чего опыт заканчивают. В производственных условиях рекомендуется делать замеры через 30 мин и, прекращ ать наблюдения, если в течение 2 ч уровень колеблется не более чем на 10%. Д литель­ ность опыта в скальных и гравийно-песчаных породах 10— 12 ч, в супесях и суглинках — 24—48 ч.

Таблица Ж урнал пров едения опы та инф ильтрации в ш у р ф е М е т о д..............................

. Глубина ;

.................................................... м № ш у р ф а..........................

Х арактеристика грунта..........................................................................................

Установивш ийся р а с х о д..............................................................................л1м ин Высота слоя воды в зумпфе { Щ ).................................................................. м Д иаметр малого к о л ь ц а.........................................................................................лс Д иам етр больш ого к о л ь ц а.....................................................................................м Заглубление кольца в грунт..................................................... см Высота слоя воды в к о л ь ц е..........................................................................'. м Высота капиллярного п о д н я т и я.......................................................................м Т ем пература в о д ы................................................................................................. °С Отсчет по Дата Интервал Фильтрацион­ Время Объем шкале начала Примечание замера, воды, ный расход, замера, бака, и конца л1мин л м ая ч и м ан л опыта 5. После окончания опыта установку для налива демонтиро­ вать, в обязательном порядке засыпать вы,рытый шурф.

6. Коэффициент фильтрации рассчитать по формуле (49), со­ ставить график зависимости инфильтрационного расхода от вре­ мени, схему опытной установки и написать.краткий отчет, в кото­ ром отразить условия проведения опыта и полученные резуль­ таты.

Налив по методу Каменского, Д ля проведения налива по этому методу используется металлическое кольцо диаметром 35,75 см, высотой около 20 см. Кольцо устанавливается в зумпф сечением 40 см. Н ад зумпфом на специальной подставке помещается в пе­ ревернутом состоянии наполненная водой бутыль, закры тая пробкой и снабж енная выводной трубкой (рис. 50). В момент установки конец выводной трубки погружается в воду, запол­ няющую зумпф. При снижении уровня воды в зумпфе в процессе просачивания конец выводной трубки обнажится, и часть воды из бутыли выльется в зумпф. Благодаря такому устройству уро­ вень воды в зумпфе будет поддерживаться на постоянной отметке автоматически.

При больших расходах на инфильтрацию удобно использо­ вать автоматический регулятор уровня Симонова, изображенный на рис. 51. Можно такж е применять сосуд М ариотта (рис. 52) — цилиндрический бачок с водомерным стеклом. В верхней части бачка есть отверстие для наполнения его водой, закрывающееся пробкой (5). В днище бачка вставлены две трубки, одна из них короткая — воздушная (/ ), другая длинная — водяная (7). Водя­ ная трубка Имеет кран. Трубки при помощи зажимных гаек (2) могут выдвигаться и вдвигаться в цилиндр. Воздушная трубка служит для поступления в сосуд воздуха, водяная — для выхода воды из бачка в кольцо во время опыта. Подача воды осущест­ вляется автоматически по принципу М ариотта.

Подготовка опыта.

1. Вырыть на заданную глубину шурф, дно которого тщательно выровнять. Н а дно шурфа поме­ стить кольцо', не вдавливая его в грунт. Пространство между стенками шурфа и кольцом плот­ но засыпать породой, а дно вну­ три кольца покрыть слоем гра­ вия.

2. Н а специальной подставке, установленной в строго горизон­ тальном положении над металли­ ческим кольцом, поставить сосуд Рис. 50. С хема'опы тной установки М ариотта. Перед началом опыта для определения коэффициента проверить положение трубок в ф ильтрации по способу Г. Н. К а­ менского. этом сосуде;

длина их обеспечи­ 1 — металлическое кольцо с диаметром, вает определенный уровень воды равным 35,75 сж;

2 — подставка для бу­ в кольце. Воздушная трубка тыли;

3 — бутыль.

должна быть выдвинута на 1—• 1,5 см больше, чем водяная. Затем залить сосуд, водой и подго­ товить запасной бачок, в котором такж е проверить положение трубок.

П о р я д о к р а б о т ы. 1. В кольцо осторожно налить воду до риски примерно на высоту 10 см. Открыть краны у трубок сосуда МариотТа и пустить из него воду. Отрег^^лировать уровень воды в кольце и положение трубок в сосуде. В дальнейшем вода в кольцо будет поступать автоматически. П ри обнажении ниж­ него конца воздушной трубки в сосуд поступит воздух, под дейст­ вием которого из сосуда в кольцо выльется вода и закроет от­ верстие воздушной трубки.

2. Выполнить все операции, указанные в пунктах 2, 4, 5 и 6 предыдущего опыта. Коэффициент фильтрации, рассчитать по формулам (67) и (68).

Налив по методу Нестерова. Автором метода было предложено при опытах по инфильтрации воды из шурфа применять два коль­ ца, одно из которых меньшего диаметра устанавливается в цент­ ре большего. Вода подается одновременно в оба кольца. Высота уровня воды в них при наливе долж на быть одинаковой. Во время:

Рис. 52. Сосуд М ариотта Рис. 51. У становка для опы т­ (схем а-разрез).

ного налива с автоматическим регулятором уровня. 1 — воздушная трубка;

S— зажимные гайки;

3 — нробка;

— ленточный уровнемер;

2 — мер­ 4 — цилиндрический бачок с ный бачок;

3 — резиновый шланг;

4 — водомерным стеклом;

5 — руч­ трубка;

5 — поплавок с конусом, авто­ ка;

б — кран на водяной труб­ матически регулирующий уровень во­ ке;

7 — водяная-трубка.

ды в кольце;

6 — стальное кольцо.

олыта вода из внешнего кольца расходуется на боковое впитыва­ ние, из малого, внутреннего, кольца — на вертикальную инфиль­ трацию. Коэффициент фильтрации по данным такого налива при использовании формулы Болдырева находится делением устано­ вившегося расхода воды из внутреннего малого кольца на его пло­ щадь. Метод налива, по Нестерову, нашел широкое применение, так как использовать его можно для пород разного литологиче­ ского состава, вклю чая и мелкозернистые разности песчаных об­ разований. В практике этот метод с конечным расчетом резуль­ татов, по Болдыреву, принято называть методом Болды рева— Нестерова. Одним из условий применения метода Нестерова, как и метода. Болдырева, является глубина залегания зеркала водо HOCHoro горизонта. Опыт дает хорошие результаты при глубине не менее 3— 5 м. Н. Н. Биндеман, совершенствуя этот метод, пред­ ложил определять глубину зоны промачивания при наливе и зн а­ чение это вводить в расчетное уравнение. Формулой Биндемана учитывается также величина капиллярного давления (Як), воз­ никающего на границе смачивания и сухой породы. В настоящее время метод Болдырева— Нестерова с расчетной формулой Бин­ дем ана широко применяется в гидрогеологической практике.

Прибор Нестерова, выпускаемый фабрикой геологического оборудования в Москве, состоит из двух металлических колец ди ­ аметром 25 и 40 см. П рибору приданы подставка и два сосуда М а­ риотта. Принцип действия такого сосуда был описан выше, при рассмотрении метода Каменского. Прибор упакован в специ­ альный ящик, удобный для транспортировки.

П о д г о т о в к а и п р о в е д е н и е о п ы т а. 1. В указанном месте на заданную глубину вырыть шурф сечением 0,7 X 1,0 ж.

Н а выровненном дне шурфа установить два кольца, меньшее внутри большего. Кольца вдавить в породу до нижней риски, на­ несенной на их внутреннюю поверхность выше режущ его края.

Пространство меж ду стенкой большого кольца и стенками шурфа заполнить уплотненным грунтом. Внутри колец уложить гравий для предохранения верхнего слоя опробуемой породы от размыва водой.

2. На торец большого кольца установить подставку. Рамку подставки при помощи отвеса привести в горизонтальное полож е­ ние. Заполненные водой сосуды Мариотта установить на под­ ставке так, ^тобы вода одного из них поступала в большое коль­ цо, а из другого— в малое (рис. 53). Заполнение сосуда водой производится заранее. В момент установки оба сосуда следует герметически закрыть пробками. Н еобходимо проверить длину воздушной и водяной трубок, последняя долж на быть длиннее первой. Нижние концы воздушных трубок в момент установки сосуда должны находиться на уровне верхних рисок большого и малого колец. В момент установки вентили на водяных трубках нужно закрыть.

3. Установив с,осуДы Мариотта на подставке, осторожно через шланг заполнить кольца водой из ведра или специального сосуда.

Затем открыть водоспускные краны сосудов Марио,тта и начать подачу воды в кольца.

4. При постоянной подаче воды, уровень которой в обоих кольцах долж ен держ аться на одной отметке, вести наблюдения за расходом воды из внутреннего кольца. Инфильтрационный расход замерять через каждые 10 мин, снимая отсчеты со шкалы сосуда Мариотта, подающего воду во внутреннее кольцо. Вести запись наблюдений в ж урнале (табл. 24).

5. Опыт продолжать до полной стабилизации инфильтраци­ онного расхода. Последний можно считать установившимся после получения 6 — 8 одинаковых замеров. По достижении постоянного расхода опыт прекратить.

6. Во время опыта провести определение высоты капилляр­ ного поднятия (йк) для пород в месте заложения шурфа. Капил­ лярное поднятие находится методом, изложенным в гл. 1, § J.

7. Установить глубину промачивания (/) с помощью двух буровых скважин, из которых отобрать образцы на влажность.

Рис. 53. Схема. опытного н а л 'в а по методу Н естерова.

1 — в о д о сл и в н ы е т р у б к и ;

2 — в о зд у ш н ы е т р у б к и ;

3 — к р а н ы ;

4 — у к а з а т е л ь р а в н о в е с и я (о т в е с ): 5 — ш к а л ы ;

6 - сосуды М а р и о т т а ;

7 — м о с т и к ;

8 — в н у тр е н ­ ний ц и л и н д р ;

9 — вн еш н и й ц и л и н д р ;

1 0 — гр ав и й.

Первая из скважин бурится в центре малого кольца, вторая — на расстоянии 3— 4 м от шурфа. Д ля бурения использовать ручной буровой комплект диаметром 2Ъ мм. При бурении скважины вести описание извлекаемой породы и отбор образцов на влажность через 20 см, желательно из одних и тех ж е горизонтов. Бурение закончить при глубине скважин 2— 3 м ниже дна шурфа. О б­ разцы помещать в специальные заранее взвешенные бюксы.

Бюксы с образцами взвесить на технических весах. В дальней­ шем определение влажности провести по методике, описанной в гл. 1, § 1. Результаты определения влажности представить по форме (см. табл. 4 ).

8. После окончания опыта установку для налива демонтиро Бсть и в обязательном порядке засыпать вырытый шурф.

Обработка р е з у л ь т а т о в о п ы т а. 1. Коэффициент фильтрации рассчитать по формуле (69). Глубина промачивания (/) определяется сопоставлением влажности образцов, отобран­ ных при бурении скважин. Постоянная влажность, которая уста­ 7 Зак. новится на какой-то глубине в обеих скважинах, укаж ет на гра ницу промачивания. Величина капиллярного давления Як, если определялось максимальное капиллярное поднятие h^, будет рав­ на 0,5 от Ак- Если йк опытом не найдено, то Я« берется из табл. 23.

;

2. Составить график зависимости инфильтрационного расхода от в,ремени, схему опытной установки, разрезы шурфа из сква­ жин с показом точек отбора образцов на влажность, график из­ менения влажности с глубиной по двум скважинам и указанием границы просачивания. Написать краткий отчет, в котором отра­ зить условия проведения опыта и полученные результаты.

РАЗДЕЛ П. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДЫ И МЕТОДЫ СОКРАЩЕННОГО АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМ ИЧЕСКОГО СОСТАВА ГЛАВА I ВОДЫ § 1. ОБЩ ИЕ СВЕДЕНИЯ В природных водах всегда имеются различные растворенные и взвешенные вещества. Они поступают в воду при ее взаимодей­ ствии с горными породами, атмосферой и биосферой. По совре^ менным представлениям, химический состав воды рассматривает­ ся как подвижная система взаимосвязанных сложных компонен­ тов: порода— вода— газ— живое вещество.

Первый компонент, порода, содерж ит в своем составе ионно­ солевой комплекс. По данным А. Н. Бунеева (1956), его обр а­ зуют;

1. Воднорастворимые простые и сложные соли, которые нахо­ дятся в породах или в рассеянном состоянии в виде отдельных кристаллов, или нацело слагают породы.

2. Адсорбированные ионы, входящ ие в поглощающий ком­ плекс горных пород. Из адсорбированных ионов наиболее хорош© изучены катионы, так как они присутствуют в количествах, кото-^ рые сравнительно легко поддаются определению;

анионы изу­ чены плохо, поскольку содерж ание их выражается весьма малы­ ми величинами.

3. Ионно-молекулярные растворы, весьма прочно связанные с частицами породы. Природа их исследована недостаточно. И з­ вестно, что извлеченные из обнажений или из скважин «сухие» на первый взгляд породы обладаю т относительно высокой электро­ проводностью, и при хранении на их поверхности образую тся со­ левые выцветы. Эти явления свидетельствуют о наличии д а ж е в «сухих» породах воды, содерж ащ ей растворенные веще­ ства в ионной или солевой формах. Удаление такой воды возмож ­ но лишь с применением высоких давлений (10 О О кг/сж^ и более) О и осуществляется в специальных приборах (Крюков, 1947).

7* Втррой компонент, вода, представляет весьма сложный при­ родный раствор. В зависимости от степени дисперсности находя­ щихся в воде твердых растворенных веществ различают истинные и коллоидные растворы. В истинных вещество находится в иони­ зированном состоянии;

по принципу элект.ронейтральности в них всегда содержатся равные количества эквивалентов анионов и катионов. Ионные растворы образуются при взаимодействии во­ ды с простыми солями (галитом,, гипсом, различными карбона­ тами и пр.), при гидролитическом разложении некоторых слож ­ ных солей (алюмосиликатов, фернсилнкатов и пр.), а также при реакциях катионного замещения, когда из поглощающего ком­ плекса горных пород за счет обменных реакций в раствор пере­ ходят основания (Na, Са, M g и др.).

Коллоидными называются растворы, в которых вещество на­ ходится не в ионизированном состоянии, а в виде отдельных ча­ стиц— групп молекул. Размеры коллоидных частиц составляют от 10 до 2000 А. В устойчивых растворах они большей частью несут электрические заряды, различные по величине, но одинако­ вые по знаку для всех частиц данной коллоидной системы. В при­ родных условиях коллоидные растворы образуются преимущест­ венно при гидролитическом разложении силикатов. Последние при гидролизе отдают заключающиеся в них основания (щелочи, щелочные зем ли), в результате чего возникают истинные рас­ творы. Одновременно такие компоненты, как кремний, железо, алюминий и другие, дают коллоидные растворы, хотя какое-то количество их может присутствовать и в виде ионов. Также не­ редко коллоидными являются растворы органических соедине­ ний, практически всегда имеющихся в природной воде.

Третий компонент, газы, в земной коре по-разному связаны с горными породами, водами (и нефтью). Различают газы: а) сво­ бодные, заполняющие все пустоты, не занятые водой, б) сорби­ рованные, удерживающ иеся молекулярными (сорбционными) силами на поверхности частичек породы, в) растворенные, нахо­ дящиеся в воде (или нефти) в молекулярно-дисперсном состоя­ нйи. Количество последних в значительной мере зависит от дав­ ления;

как правило, на больших глубинах вследствие высокого гидростатического давления почти весь газ растворен в ж идко­ сти. При подъеме жидкости к поверхности земли газы переходят из растворенного, молекулярно-дисперсного в макроскопическое, «спонтанное» состояние и выделяются в виде пузырьков из ж и д ­ кости. И з большого количества газообразных веществ в земной коре только некоторые являются наиболее распространенными.

К, ним принадлежат азот, кислород, углекислый газ и метан.

К числу газов, встречающихся реже, но иногда образующ их не ф л ьш и е скопления, относятся водород, гелий, сероводород, тя­ жёлые углеводородные газы и пр, ;

, В зависимости от характера взаимодействия с водой все при­ родные газы делятся на две группы: химически связанные с во­ дой и химически с водой не связанные. В первой группе находятся углекислый газ и сероводород;

они обладаю т очень высокой рас­ творимостью. Во вторую группу попадают все прочие газы;

для них типична сравнительно малая растворимость.

Четвертый компонент, живое вещество, представлено главным образом различными бактериями, принадлежащими к числу од ноклеточных, реж е — многоклеточных организмов. Бактерии при­ сутствуют в атмосфере, гидросфере и литосфере. Вероятной гра­ ницей их существования в литосфере служит зона повышенных температур (более 100° С), находящаяся на разной глубине,' иногда превышающей 4— 5 км от дневной поверхности. Бактерии активно участвуют в формировании химического состава воды, поскольку природные воды служ ат основной средой, в которой идут микробиологические процессы. Влияние бактерий выражено по трем основным направлениям:

1. Они перерабатывают в процессе своей жизнедеятельности (вследствие размножения и обмена веществ) органические и не­ органические соединения и обусловливают круговорот ряда эле­ ментов — углерода, серы, азота, фосфора, ж елеза и пр.

2. Они обладают способностью выделять в окружающую среду особые вещества — ферменты, которые оказываются менее при­ хотливыми и более устойчивыми, чем сами бактерии, и так же„ как они, вызывают ряд биохимических реакций.

3. Бактерии и ферменты, накапливаясь в отдельных участках земной коры, приводят к новообразованию весьма сложных орга­ нических соединений.

В зависимости от характера биогеохимических процессов, вызываемых бактериями, и получающихся при этом веществ — твердых и газообразных бактерии подразделяются на ряд физио­ логических групп. Например, денитрификаторы — это микроор­ ганизмы, разлагающие нитраты и нитриты с выделением свобод­ ного азота;

десульфатизаторы восстанавливают сульфаты до сероводорода;

аммонификаторы продуцируют аммиак за счет разложения органических веществ животного и растительного происхождения, содержащ их в своем составе белок, и т. д.

Учитывая специфику настоящего пособия, предназначенного для изучающих общий курс гидрогеологии, в дальнейшем мы рассматриваем только твердые растворенные в воде вещества к некоторые наиболее важные газы.

Качественный состав и количественное содерж ание твердых растворенных веществ в водах являются функцией многих фак­ торов, однако в.первую очёредь зависят от распространенности того или иного элемента в земной коре и от растворимости его природных соединений. Основываясь на соотношении этих двух наиболее важных факторов, все компоненты, встречающиеся в водах, можно разделить на три группы: главные, второстепенные и микрокомпоненты.

10?

Главными называются такие компоненты, которые присутст­ вуют во всех природных водах;

содерж ание их может достигать иногда очень больших величин (сотен г/л);

количественные соот­ ношения меж ду ними определяют химический тип воды. Главные компоненты образуются за счет наиболее распространенных в земной коре и наиболее растворимых природных соединений. П о­ скольку широко распространены и имеют высокую раствори­ мость преимущественно простые соли (хлориды, сульфаты, кар­ бонаты щелочных и щелочноземельных металлов), диссоции­ рующие в воде на ионы К, Na, M g, Cl, S O 4, Н С О 3 и СОз, ионы эти и называются главными компонентами, или главными ионами.

Второстепенными называются такие компоненты, которые имеются во всех природных водах, но в малых количествах (обычно не свыше первых десятков миллиграммов на литр). Н е­ большие их содержания обусловлены тем, что либо они сравни­ тельно мало распространены в земной коре, либо тем, что при­ родные соединения их, хотя и очень широко распространенные, характеризуются слабой растворимостью. К числу таких компо­ нентов можно отнести соединения азота, ж елезо, алюминий, крем некислоту и органическое вещество. Соединения азота обычно присутствуют в водах в виде ионов N H 4, N O 2 и N O 3, тогда как ж елезо, алюминий, кремнекислота и органические соединения дают как ионные, так и коллоидные растворы.

Микрокомпонентами А. П. Виноградов (1950) называет такие, среднее содерж ание которых в водах составляет менее 0,0 0 1 % (т. е. менее 1 м г !л ). Поскольку в природе нет абсолютно нерас­ творимых веществ, в водах, очевидно, должны присутствовать все из известных в земной коре элементов. Однако весьма малая рас­ пространенность и очень низкая растворимость соединений мно гйх из этих элементов определяют столь незначительное их коли­ чество в природных водах, что некоторые р них даж е не улавли­ ваются методами современного ан ал и за.'Б ол ее или менее изу­ чены и сравнительно легко определяются при помощи химиче­ ского, радиохимического, спектрального и полярографического анализов следующие микрокомпоненты: J, Вг, В, F, Р, As, Sr, Li, Pb, Zn, Mn, A g, Mo, Cu, радиоактивные элементы и пр.

§ 2. НЕКОТОРЫЕ КОМПОНЕНТЫ СОЛЕВОГО И ГАЗОВОГО СОСТАВА ВОДЫ Главные ком поненты. Н а т р и й и к а л и й (Na^ и К+). Нат­ рий очень широко распространен в земной коре. Количество его составляет по весу 2,6%. В маломинерализованных водах содерж ание натрия весьма невелико и выражается миллиграм­ мами, реж е — несколькими десятками миллиграммов на 1 л.

В то ж е время в минерализованных водах натрий оказывается основным преобладающ им компонентом, количество его в не­ которых водах достигает десятков граммов на килограмм, 102.

Источником натрия в водах служ ат залеж и его солей и рас­ сеянные в породах соли (галит, мирабилит и др.);

кроме тога, натрий поступает в воду при процессах гидролитического р аз­ ложения различных силикатов, а также при реакциях катион­ ного обмена м еж ду породами, содержащ ими в составе погло­ щенных оснований Na, и водами, в которых имеются соли дру­ гих оснований. Особенностью почти всех без исключения солей натрия является их высокая растворимость, поэтому мигра­ ционные во-зможности натрия весьма широки. Удерживают натрий, выводя его из раствора, лиш ь' обменные реакции с поглощающим комплексом горных пород.

Несмотря на то, что в природе соединения калия распростра­ нены не менее широко, чем соединения натрия, и растворимо'сть его солей очень' высока, калия" находится в водах гораздо мень­ ше, чем натрия. Известно^, что его количества обычно состав­ ляет 4— 10% от содержания натрия. Сравнительная бедность калием природных вод объясняется тем, что он имеет более высокую адсорбционную способность, чем натрий, и легко поглощается коллоидами почв и пород. Кроме того, калий яв­ ляется питательным веществом для многих растений и извле­ кается ими весьма энергично' из растворов.

К а л ь ц и й и м а г н и й (Са^+ п Mg^+). Кальций составляет 3,4% от веса земной коры. Характерен кальций главным обра­ зом для маломинерализованных вод. Содержание его обычно не поднимается выше 1 г\л. Это объясняется небольшой рас­ творимостью его сернокислых и особенно углекислых солей, выпадающих в виде C a S 0 4 - 2 H 2 0 и С а С О з при увеличении минерализации воды. Однако известны воды высокой минера­ лизации, в которых присутствуют десятки граммов на кило­ грамм кальция. Такие воды отличаются низкой карбонатнюстью ;

и являются почти бессульфатными, этим и объясняется возм ож ­ ность сохранения кальция в растворе.

Главным источником кальция в природных водах служат известняки, растворяющиеся под влиянием СО2 и воды по сле­ дую щ ей схеме:

СаСО.,- f СОз + H g O Са (НСОз)з.

Большие количества кальция переходят в воду при раство­ рении гипса, широко распространенного в земной коре. Кроме того, ионы кальция поступают в воду при разложении алюмо­ силикатов, при выщелачивании карбонатного цемента многих.осадочных пород, при реакциях катионногО’ замещения и пр.

Магний составляет 2% от веса земной коры. Вследствие сравнительно хорошей растворимо-сти природных солей магния относительные содержания его мало изменяются при увеличе­ нии минерализации воды. Абсолютное содерж ание магния в умеренно минерализованных водах выражается величинами д о нескольких граммов на литр, в высокоминерализованных водах может достигать первых десятков граммов на килограмм.

Несмотря, однако, на хорошую растворимость магниевых солей и их широкую распространенность, воды, где преобладающим компонентом (среди -катионов) является магний, в природе встречаются не часто. Сравнительно небольшая роль магния в природных водах объясняется, по-видимому, тем, что свобод­ ной миграции его в растворах препятствуют процессы образо­ вания некоторых вторичных минералов, в состав которых вхо­ дит магний;

кроме тогО', магний уходит из воды, поглощаясь растительностью.

Главным источником магния в водах являются доломиты (MgCOs • С а С О з ). Кроме того-, он может переходить в водные растворы при гидролитическом разложении некоторых силика­ тов, при реакциях катионното замещения и пр.

Содержание солей кальция и магния обусловливает так называемую жесткость воды. Ж есткость проявляется в обр азо­ вании накипи в паровых котлах, в поглощении мыла и пр. Р а з­ личают жесткость;

а) общую, вызванную суммарным содерж а­ нием солей Са, M g и других многозарядных катионов;

б) кар­ бонатную, связанную с кальциево-магниевыми солями уголь­ ной кислоты;

в) устранимую, образующ уюся за счет гидрокар­ бонатов Са и Mg;

этот вид жесткости легко удалить простым кипячением воды, так как Са(Н СО з)г и M g(H C 03)2 разлага /ю тся при кипячении на СО2 и выпадающие в осадок карбонаты Са, Mg;

г) постоянную, которая не разрушается кипячением и обязана кальциево-магниевым солям всех присутствующих в воде анионов, за исключением гидрокарбонатного.

Величину жесткости до последнего времени выражали иег мецкими градусами. Д ля вычисления градусов общее содерж а­ ние Са и M g пересчитывалось на СаО. Принималось, что 10 м г СаО в 1 л соответствует Г. Такой чисто условный способ изображения жесткости основывался на принципе, теперь уж е устаревшем, пересчета анализов воды в окисную форму. Рацио­ нальнее выражать жесткость через, сумму миллиграмм-эквива­ лентов много’ арядных катионов, содерж ащ ихся в 1 л воды.

з По величине жесткости природные воды делятся на;

До 1,43 м г - э О чень мягкие.. До 4° св1л М ягкие...... 4 -8 1,4 3 -2,8 У м еренно-ж есткие 8 -1 6 2,8 6 -5,7 Ж есткие...... 1 6 -2 4 5,72—8, О чень ж есткие.. 24 8, Поверхностные воды, как правило, относятся к числу мяг­ ких или умеренно жестких вод. Среди подземных вод в зависи­ мости от величины минерализации встречаются как очень мяг­ кие, так и воды с огромной жесткостью (например, рассолы:

нефтяных м есторож дений).

Х л о р (С1~). По распространенности значительно уступает щелочным и щелочноземельным металлам, составляя 0,2 % от веса земной коры. Однако в природных водах хлор пользуется весьма широким развитием. Количество его колеблется от не­ скольких миллиграммов на 1 уг в маломинерализованных водах:

д о первых сотен граммов на 1 к г в рассолах. Природные соеди­ нения хлора обладают высокой растворимостью. Ионы хлора не усваиваются растениями и микробами и выделяются, не задерживаясь в них, организмами животных. Указанные осо­ бенности обусловливают широкую способность хлора к мигра­ ции и превращают его в преобладающий компонент высоко минерализованных вод.

Главным источником хлора в природных водах является галит (N aC l), как рассеянный в породах, так и содержащ ийся в них в виде пластов и штоков. Кроме того, он может поступать в воду при выветривании некоторых, магматических пород (хлорапатита, содалита и пр.). Какая-то часть хлора попадает в воду с вулканическими выбросами. Наконец, одним из источ­ ников его для неглубоко залегающих грунтовых вод являются:

хозяйственные и промышленные отходы.

С у л ь ф а т н ы й и о н ( S O 4 ’ ). Я[вляется главным компонентом:

маломинерализо'ванных и умеренно минерализованных вод.

Только в высокоминерализованных водах SO 4 уступает первое место хлору вследствие сравнительно малой растворимости:

кальциевых солей серной кислоты. Содержание сульфат-иона в водах колеблется от нескольких миллиграммов на 1 л до десят­ ков граммов на 1 кг. Однако известны воды, почти не содерж а­ щие сульфатов. Такие воды обычно характерны для нефтяных месторождений, где бактериальные процессы приводят к редук­ ции сульфатов и их восстановлению до сероводорода.

Главным источником SO 4” в водах служ ат отложения гипса’ и ангидрита. Кроме того, накопление SO^” происходит при:

процессах окисления пирита, самородной серы, сероводорода.

Какое-то количество сульфатов попадает в воды из промышлен­ ных и бытовых отходов, так как в процессе распада и окисле­ ния органических веществ растительного и животного проис­ хождения, содержащ их серу, образуется серная кислота.

Присутствие в водах сульфатного иона обусловливает так называемую сульфатную агрессивность воды, т. е. вредное воз­ действие ее на бетон и другие строительные материалы. Это;

вредное воздействие объясняется образованием гипса и других:

сернокислых солей в порах бетона по реакции меж ду сульфата­ ми воды и известью цемента. П ереход извести в гипс сопровож­ дается значительным увеличением объема, благодаря чему ослабляется прочность бетона и в конце концов происходит егог разрушение..

Карбонат ный и гидрокарбонат ны й ионы (С01 и Н СО Г). Являются важной частью химического состава мало минерализованных вод. И з-за очень низкой растворимости карбонатов кальция и магния содерл^ание СОз~ редко превы­ шает в водах несколько миллиграммов на 1 л. Гидрокарбонатные -соли кальция и магния имеют более высокую растворимость, :поэтому количество НСОд мож ет достигать 2 0 0 —500 м г !л.

Однако в природе известны воды (не часто встречающиеся), 2_ _ в которых содерж ание СОз и НСОз выражается граммами и да ж е десятками граммов на 1 кг. Это так называемые щелоч­ ные, содовые воды;

в них карбонатные и гидрокарбонатные -И Н связаны с натрием (углекислые соли натрия характери­ ОЫ зуются большой растворимостью).

Источником СОз” и НСО^ служ ат различные карбонатные породы— известняки, доломиты, мергели и пр., карбонатный цемент многих осадочных пород, а также некоторые органиче •ские вещества, при разложении и окислении которыд выделяет­ ся углекислота, реагирующая с окружающими породами с обра­ зованием карбонатов и гидрокарбонатов.

Н екоторы е второстепенны е компоненты. С о е д и н е н и я азот а N 0 ^, N O F). Аммоний (N H ^ ) содержится в водах не всегда и обычно в очень небольших количествах, состав­ ляю щ их сотые, реж е — десятые доли миллиграмма на 1 л.

Повышенные количества N H I, доходящ ие до нескольких мил­ лиграммов на 1 уг в неглубоких водах, свидетельствуют о на­ личии органического загрязнения воды, так как аммоний обра­ зуется главным образом при процессах бактериального разло­ жения сложных органических веществ растительного и живот­ ного происхож дения, содерж ащ их в своем составе белок.

В очень больших количествах (до 100 жг/Л и более) NH^ встре­ чается в водах некоторых нефтяных месторождений. Повы­ шенные содержания N H I обязаны здесь, по-видимому, процес­ сам анаэробного разложения органического вещества, проис­ ходящим в закрытых структурах земной коры, к которым при­ урочены нефтяные залежи.

Ион аммония довольно неустойчив в природных водах.

В верхних зонах земной коры,5 присутствии свободного кисло­ В рода под влиянием бактерий, называемых нитрификаторами, аммоний переходит сначала, в нитриты по следующей реакции:

NHl + 2 0 2 N02“ - f 2НгО, а затем и в нитраты по реакции 2N 02' + 0 2 ^ 2 N 0 3 “.

Нитритные ионы (n OF) весьма нестойкие, так как легко окисляются кислородом воздуха до нитратов. Содержание J :их,в подземных водах не поднимается выше сотых или десяты х долей миллиграмма на 1 л. П одобно аммонию, нит ритные ионы указывают на загрязнение подземных вод, причем в отличие от N 0 ^ ионы N O 3 и N H 4 свидетельствуют о свежем поступлении веществ, образую щ ихся в результате распада раз­ личных бытовых отходов. Ион N O 3, являющийся конечным продуктом окисления азотистых соединений, говорит о пр еж ­ нем, „старом“ загрязнении вод. N 0 ^ мож ет содерж аться в верхних горизонтах подземных вод в количестве до несколь­ ких миллиграммов на 1 тг. В бол ее глубоких водоносных гори­ зонтах нитраты либо отсутствуют, либо не превышают сотых.долей миллиграмма на 1 л.

К р е м н е к и с л о т а (HgSiOg). Кремний весьма широко рас­ пространен в земной коре. Его количество составляет по весу,25,7%..Однако из-за очень низкой растворимости кремневых минералов, а также благодаря тому, что кремнекислые соли яв­ ляются питательными веществами для мно'гих организмов, нахо­ дящихся в воде (идут на построение " ск ел ета), содерж ание ;

.кремния в водах обычно очень невелико..

Кремний присутствует в виде производных кремниевой кис­ лоты. П оследняя принадлежит к числу слабых кислот й диссо­ циирует в незначительной степени по схеме H g SiO s^S Н + + Н ЗЮ з“.

Соотнош ение форм H.SiO j и HSiOi" находится в зависимости от величины pH раствора. В табл. 25 приведены формы крем иекислоггы в процентах от е е суммарного количества при раз­ личных.значениях pH.

Таблица С оотнош ение ф орм крем некислоты pH Ф ормы крем н е­ кислоты 7 HaSiOg 99,6 71,5 2, H S iO ^ 0,4 97, 28, Таблица показывает, что при pH, соответствующих нейтраль­ ной и слабощелочной реакции, практически вся HiSiO s, раство­ ренная в воде, присутствует в неионизированном состоянии, и только при pH, отвечающих сильнощелочной реакции, начи­ нает преобладать ионизированная форма.

Помимо слабодиссоциированной кремнекислоты, часть крем­ ния в водах находится в коллоидном состоянии в виде частиц состава S i0 2 'H 2 0 и в виде поликремневой кислоты состава jjS i0 2 - г/НгО. Следует отметить, что коллоидная кремнекислота в природных водах еще изучена слабо.

Содержание S i02 в подземных водах составляет обычно пер­ вые десятки миллиграммов на 1 л. Очень большие количес-гва S i02 обнаружены в гейзерах. Так, по данным Кларка, в гейзе­ рах Иеллоустонского парка (США) найдено более 570 м г !л S i0 2. При выходе воды гейзеров на поверхность земли вслед­ ствие понижения температуры обычно происходит выпадение S i02 и о'бразование мощных кремнистых туфов близ источника.

Относительна обогащены кремнекислотой ультрапресные воды высоких широт, где S i0 2 нередко составляет значительную часть минерализации воды. Источником кремния являются силикаты, на долю которых в земной коре приходится более 95% всей ее массы.

Ж е л е з о (Fe^+ и Рез+), Очень широко распространено в зем ­ ной коре, составляя по весу 4,7%. в водах оно присутствует в виде закисного и окисного. Содержание этих форм ж елеза лимитируется величиной pH. Наименее устойчиво окисное ж ел е­ зо. Вследствие тото, что подземные воды имеют чаще всего нейтральную или слабощелочную реакцию, количество ионного ж елеза в них выражается небольшими величинами (десятые доли миллиграмма на 1 л, реж е — единицы миллиграммов).

Более устойчиво ж елезо в коллоидном состоянии. Оно характерно для поверхностных вод, тогда как закисное ж е ­ лезо типично для подземных. В особой группе так называе­ мых кислых вод присутствие ж елеза выражается десятками, и сотнями миллиграммов на 1 л.

Источником ж елеза служат самые различные горные поро­ ды, в которых оно распространено очень широко, хотя иногда и в малых количествах.

О р г а н и ч е с к и е с о е д и н е н и я. Построены главным образом:

из углерода, кислорода и водорода, составляющих 98,5% от их:

веса. Кроме того, в небольших количествах в них присутствуют азот, фосфор, сера, калий, кальций и многие другие элементы..

Химический состав органических веществ весьма сложен и за ­ висит от их происхождения. Формы нахождения этих веществ в подземных водах изучены недостаточно. При общем анализе вод обычно определяют суммарное содержание органического вещества, характеризующегося величиной, которая носит назва­ ние окнсляемости. Окисляемость воды измеряется количеством кислорода, требующегося на окисление всего органическото вещества, имеющегося в воде.

Среди природных вод более высокой величиной окисляемо сти отличаются поверхностные воды, по сравнению с подземны­ ми. Чистые горные реки и озера имеют окисляемость в 2— 3 м г !л.

кислорода, реки равнинные — 5— 12 жг/л, реки с болотным питанием — десятки миллиграммов на 1 л. В подземных водах окисляемость измеряется десятыми и сотыми долями милли­ граммов на 1 л. Исключение представляют воды нефтяных месторождений, для которых характерна сравнительна высо­ кая окисляемость, достигающая десятков и сотен милли­ граммов кислорода на 1 л воды. Довольно высокую окисляе­ мость имеют такж е грунтовые воды, загрязненные сточными водами или питающиеся за.счет болот (десятки м.г\л Ог).

Н екоторы е компоненты га зов ого состав а. У г л е к и с л ы й г а з (COg). Не имеет цвета и обладает весьма слабым запахом в 1,5 раза тяж елее воздуха, характеризуется высокой раствори­ мостью в воде. СО2 присутствует в том или ином количестве во всех природных водах. Он образуется биохимическим путем, при сложных геохимических процессах, идущих в глубинных слоях земной коры (мет'аморфизации горных пород), и прони­ кает из атмосферы.

Почти весь углекислый газ в водах находится в молекуляр­ но-дисперсном состоянии, и лишь часть его, составляющая величину, меньшую 1 %, вступает в химическое взаимодействие с водой по следующей реакции:

СО^ + НгО^^НгСОз.

Угольная кислота имеет две ступени диссоциации:

СО2 + Н,0 Н.,СОз ^ Н+ + НСОз" 2Н+ + С01“.

Из написанного равенства следует, что количество СО2, х;

имически связанной с водой, находится в определенных взаимоотношениях с ионами НСОГ и СОз~, присутствующими в воде. Удаление СО2 и подкисление раствора сдвигает рав­ новесие влево, тогда как связывание ионов водорода добавле­ нием щелочи приводит к образованию ионов НСОз~' и СОз"" Таким образом, совместное сущ ествование отдельных форм углекислых соединений определяется концентрацией водород­ ных ионов, т. е. величиной pH (табл. 26).


Т а б л и ц а С оотнош ен ие ф орм углек ислоты pH Форма C O j, мол. % 6,0 4,0 8, _ С О 2 свободная 1, 76, 99, НСО3 - 0,3 23,3 97, 1, — 80, соГ — Из таблицы видно, что СО2 свободная присутствует в зам ет­ ном количестве лишь при кислой реакции воды (pH 7 ), а СОз” находится в растворе при ярко выраженной щелочной реакции воды (pH 8,5).

Суммарное содерж ание свободной СО2 зависит от темпера­ туры раствора, О'бщей минерализации и парциального давления СОг в атмосфере, с которой имеющаяся в воде СОг стремится:^ прийти в равновесие. Как видно из равенства взаимодействия отдельных форм СО2, всегда какое-то количество ее находится в равновесии с карбонатами, поддерживая их в раствО:ренном:

состоянии. Однако в водах СО2 может быть мното больше, чем это нужно для равновесия с карбонатами. Такая избыточная углекислота носит название агрессивной. Следовательно, сум ­ марное содержание свободной СО2 составляется из равновес- ной и агрессивной.

Агрессивная углекислота способна переводить в раствор из горных пород различные карбонатные соединения. П оэтом у в естественных условиях, если свободная СОз содержится в;

избытке над равновесной при данной температуре, oHas стремит­ ся растворять горные породы. Если ж е таковых на пути нет, то при выходе на поверхность СО2 уходит в атмосферу в виде спонтанного газа, так как упругость СО2 в атмосфере весьма;

мала.

В подземных водах всегда есть свободная углекислота, при­ чем иногда ее довольно много — д о нескольких десятков милли­ граммов на 1 л. В минеральных источниках часто количество:

СО2 достигает сотен и тысяч миллиграммов на Г л: Меньше всего СО2 содерж ат поверхностные воды из-за постоянного выравнивания с атмосферой, из-за потребления на фотосинте."?

и т. д. Обычно в них находится не более первых единиц милли­ граммов на 1 л углекислоты. • С е р о в о д о р о д (H jS). Горючий газ с неприятным специфи­ ческим запахом, тяж елее воздуха. Очень ядовит, примесь его к воздуху в количестве долей процента смертельна- для' чело­ века. Сероводород весьма легко растворяется в воде. В подзем­ ных водах появление сероводорода обусловливается процесса­ ми как органического, так и неорганического характера. Серо­ водород является одним из продуктов распада белковых ве­ ществ, содерж ащ их в своем составе серу, и поэтому он часто наблюдается в придонных слоях водоемов при гниении различ­ ных органических остатков. Кроме того, сероводород м ож ег образоваться из сульфатов при восстановлении их в анаэроб­ ных условиях (при участии микроорганизмов);

и, наконец, мно­ го H2S выделяется при вулканических извержениях. В воде H2S при-сутствует в виде растворенного газа и в виде солей слабо диссоциированной сероводородной кислоты. Диссоциация H 2S происходит по двум ступеням:

2Н+ -ь H^s н++ HS- i t Соотношение форм H 2S в воде определяется величиной рН (табл. 2 7 ). Как показывает таблица, в кислой среде имеется преимущественно H 2S, в слабо щелочной — и только б сильно щелочной становится устойчивым S^~..

11й Сульфиды присутствуют в водах, по сравнению с другими.;

:

компонентами, в очень малых количествах. Д а ж е доли милли­ грамма на 1 л придают воде специфический запах и вкус, что.' заставляет считать воду сульфидной. Как правило, поверхност­ ные воды содерж ат H 2S сравнительно редко. Иногда лишь он;

:

наблюдается в придонных слоях (например, в Черном море).

В подземных водах H2S довольно частое явление. В повышен­ ных количествах, иногда до нескольких сотен миллиграммов нал 1 л, он находится в водах нефтяных месторождений и в мине-- ральных источниках вулканических областей.

Таблица С оотнош ение ф орм сероводорода pH Формы H2S, мол. % 6 8 0, H2S 99,91 9, 91, HS" 0,09 99, 8,34 90, 0, s^ Концентрация водородных ионов (pH). Вода диссоциирует :огласно уравнению* 2 Н 2 0 ^ 5 Н з0 + + 0 Н -.

На основании закона действую щ их масс можно написать [Н + ].[О Н -] К.

[Н^О]»

Степень диссоциации воды весьма мала, поэтому количества ^eдиccoцииpoвaнныx молекул воды можно считать практически юстоянным. Тогда [№]-[ОН-]=/зоды.

'^воды носит название ионного произведения воды. При данной температуре оно является постоянным. При 22°С Квот = 1 0 “^.'^ Ъ воде, не содерж ащ ей растворенных веществ, [Н"^] = [ОН"] = =V Вследствие равенства концентраций [Н+^ ” OF такая вода имеет нейтральную реакцию. Очевидно, при ^Н+ [ОН"] или [Н+] 10"^ реакция воды будет кислая, при ;

н+ [ОН"] или [ № ] 10"^ — щелочная.

Хонцентрацию водородны х ионов принято выражать в виде югарифмов, взятых с обратным знаком, и обозначать сим юлом pH:

. pH = - l g H +.

(H3O+V зависы вается * В дальнейшем для простоты ион водорода как Н+.

im Щ елочную реакцию также показывают в виде концентрации водородных ионов, так как их легче определять, чем ионы гид­ роксильные. ТакиТм образом, pH = 7 — реакция нейтральная, pH 7 — реакция щелочная, pH 7 — реакция кислая.

Природные воды, являясь сложными многокомпонентными растворами, в зависимости от содержания различных форм угольной кислоты, от присутствия органических кислот, газов, микроорганизмов, от гидролиза солей и пр. имеют различную величину pH. Большей частью о«а изменяется от 6 д о 8,5.

Однако известны воды, обладающ ие повышенной кислотностью (pH ниже 6). К таковым относятся болотные, рудничные воды и воды некоторых минеральных источников. Также встречаются воды с отчетливо выраженной щелочной реакцией. Они распро­ странены в районах развития изверженных пород и солонцева­ тых разностей осадочных отложений и, кроме того, типичны для отдельных нефтяных месторождений. Щелочной реакцией неред­ ко обладают высокоминёрализованные грунтовые воды аридных областей, где значение pH может достигать 9— 11.

Д ля понимания химических процессов, протекающих в при­ родных водах, величина pH имеет большое значение. Она обусловлена взаимодействием растворенных солёй, газов и микроорганизмов и служит критерием возможности сущ ество­ вания в водных растворах многих компонентов (С г, НгЗ, НСО О з, С з, ЗЮг, тяжелых металлов и п р.).

О Окислительно-восстановительный потенциал ( ii). Под окисли­ тельно-восстановительным потенциалом понимается концентра­ ция- электронов, способных принимать участие в окислительно восстановительных процессах (окисление — отдача электронов, восстановление — присоединение электронов). Известно, что если полоску благородного металла поместить в раствор, в ко­ тором содержится окислитель или восстановитель, то полоска примет заряд. Этот заряд будет положительным, если в рас­ творе находится окислитель, способный отнимать электроны у пластинки. Восстановитель, нао'борот, сообщит пластинке от{)ицательный заряд, так как отдаст ей свои электроны. Потен­ циал, до которого заряж ается пластинка (платиновый или зол о­ той электрод), опущенная в раствор, является мерой окисли­ тельной (восстановительной) активности раствора. Разность потенциалов меж ду индифферентным электродом, погруженным' в данный исследуемый раствор, и нормальным водородным электродом служит физической величиной для характеристики окислительно-восстановительного потенциала, обозначается сим­ волом 'h и выражается -в вольтах, может быть больше или меньше потенциала нормального водородного электрода и прини­ мать соответственно положительное или отрицательное значе­ ние. Системы с большими окислительно-восстановительными потенциалами являются окислителями по отношению к систе­ мам с меньшими потенциалами.

Величина в природных водах отраж ает равновесное жислительно-восстановительное состояние всех находящихся в 1анной воде компонентов, имеющих переменную валентность.

Лоэтому она служит в качестве одного из наиболее общих пока ;

ателей окислительно-восстановительного режима вод. Исследо !ания показывают, что в разрезе земной коры Еь, строго законо­ мерно уменьшается с глубиной и у нижней границы зоны окпс !епия составляет примерно 250— 300 мв. В зоне окисленля -Еь ф ям о пропорциональна содержанию в водах свободного кисло­ рода, в более глубоких частях земной коры зависит от количе ;

тва сероводорода, уменьшаясь с увеличением последнего (Щер 5аков, 1956).

Минерализация воды. Минерализация выражается суммой вердых растворенных в воде компонентов, найденных анали ом или сухим остатком, полученным путем вьшариваиия опре ;

еленного объема воды и последующего взвешивания остатка.

Триближенное представление о величине минерализации дает дельный вес воды. Единицами измерения минерализации слу­ жат граммы иа 1 л для пресных и солоноватых вод и граммы :а 1 кг для соляных вод и рассолов.

П о величине минерализации природные воды делят на сверх ipecHbie, или ультрапресные (минерализация менее 0,1 г / л ), !ресные (0,1— 1 г / л ), солоноватые (1 — 10 г / л ), соляные (10— д г / к г ) и рассолы (более 50 г / к г ).

Обычно внутри каждой из групп производят более дробное еление. Выбор размера интервалов зависит от детальности меющихся аналитических данных и целей исследования.

Минерализация относится к числу весьма важных величин, ающих возможность в первом приближении судить об общем олевом составе воды, поскольку одним из основных факторов, пределяющих поведение элементов в природных водных рас ворах является растворимость различных соединений этих эле ентов. Известно, что воды пресные большей частью оказы аются гидрокарбонатно-щелочноземельными, воды солонова ые — сульфатно-кальциевыми или сульфатно-натриевыми, воды эляные и рассольные — хлоридными, натриевыми и кальциевы и. Это происходит потому, что возможность гидрокарбонатных онов мигрировать в водных растворах ограничивается сравни 2льно низкой растворимостью кальциевых солей, выпадающих осадок при достижении минерализации примерно 1 г/л. Соот гтственно сульфаты кальция, также сравнительно плохо рас зоримые, препятствуют свободной миграции сульфатного иона, следствие чего при минерализации более 5 г/л сульфатный ион :тупает первое место хлору. Последний принадлежит к числу аиболее подвижных (среди главных анионов) компонентов и эвместно с натрием и кальцием составляет основу солевого эстава соляных вод и рассолов (Валяшко, 1955).


[ 13 ' Зак. МЕТОДИКА СОКРАЩЕННОГО АНАЛИЗА ВОДЫ Г Л А В А 2.

§ 1. О БЩ И Е С В Е Д Е Н И Я Опираясь на цовременное учение о химическом составе вод как о сложной системе взаимосвязанных компонентов поро­ д а — вода— газ—живое вещество-, полным следует называть такой химический анализ природных вод, в результате которого определяются все компоненты этой системы. Однако в практике гидрогеологических работ полным считают анализ, сводящийся к исследованию твердых растворенных в воде веществ (главных и второстепенных компонентов) и углекислого газа. Полевым называют анализ, в процессе которого находят главные компо­ ненты (причем натрий, кальций или магний — расчетным пу­ тем) и из второстепенных — ж елезо и азотистые соединения (Справочник гидрогеоло'га, 1962). Такое разделение, по нашему мнению,., сейчас уж е несколько устарело, поскольку оно отве­ чает тому уровню знаний, когда изучение химического состава воды сводилось к определению в ней только отдельных твердых растворенных веществ и лишь некоторых газов. В настоящем посо'бии мы придерживаемся иной ‘классификации видов анали­ за (т а б л.28).

Методы, при помощи которых олробуются все компоненты системы порода— вода— газ— живое вещество (полный химиче­ ский анализ), включают весовые, объемные, электрохимиче­ ские, оптические, газовые и микробиологические определения.

Обычно, когда выполняется сокращенный анализ воды, исполь­ зуются объемный и оптический (колориметрический) методы;

ниже только они и рассматриваются.

Н еобходимо иметь в виду, что как объемным, так и колори­ метрическим определениям предшествует качественный анализ, который дает возможность установить наличие того или иного компонента в водном растворе. Кроме того, качественное опробо­ вание выполняет вспомогательные функции: помогает выбрать Ш Т аблица К лассиф икация видов анализа О пределяем ы е компоненты Н аим енование анализа Ионно-солевой комплекс, главные, второсте* Полный химический пенные и микрокомпоненты солевого соста­ ва, газы, микроорганизмы Главные, второстепенны е и микрокомпоненты Полный солевой Г лавны е и второстепенны е, некоторы е газы С окращ енны й лабораторный Главные, отдельны е второстепенны е (преиму­ С окращ енны й полевой щ ественно качественно),, некоторы е газы Элементы рудной минерализации и др.

Специализированный ДЛЯ последующего количественного анализа величины исходных объемов (или навесок) исследуемой воды., В основе качественного анализа леж ат реакции, протекаю* щие или с образованием осадка, или с выделением газообраз* ных веществ, обладающ их запахом, или.дающие окрашенные' соединения. Все известные химические элементы по сходпрсти реакций с так называемыми «групповыми реактивами» раздёле* ны на ряд аналитических групп. В их пределах отдельный элв' мент находится с помощью специфической, присущей ем у реак-' ции и чаще всего после тщательного отделения аналитических групп друг от друга. Однако при исследовании природных вод качественный анализ выполняется для ограниченного числа компонентов и обычно для таких, которые не мешают друг др у­ гу, вследствие чего предварительного разделения групп не про­ изводится.

Объемный анализ. Основан на измерении объема «рабочего»

реактива известной концентрации, необходимого для реакции с определяемым компонентом. Реакции, которые могут быть использованы в объемном анализе, должны удовлетворять ряду требований: 1) проходить количественно по уравнению, 2 ) про­ ходить практически мгновенно, 3) должен существовать надеж ­ ный метод нахождения конца реакции (точки эквивалентности), 4) «рабочий» реактив не долж ен расходоваться ни.на одно из посторонних веществ, присутствующих в исследуемом растворе, 5) посторонние вещества не должны реагировать с индика­ тором.

Всем перечисленным требованиям лучше всего удовлетво­ ряют обратимые реакции. Среди них наиболее часто исполь. зуются три типа реакций: нейтрализации, окисления-восстанов­ ления, осаждения и комплексообразования.

Реакции нейтрализации основаны на соединении водородных и гидроксильных ионов с образованием воды. К ним относятся взаимодействия:

8* 1) сильных кислот с сильными основаниями:

H C l-f-N aO H ^ rN aC l-f-H aO, 2) анионов слабы х кислот с сильны ми 1Л1Слотами:

С 1 + Н гО + С 0 „ НСОз“ + Н С 1, 3 ) катионов слабых оснований с сильными основаниями:

N H l + NaOH N a++ NHs + Н,0.

Реакции нейтрализации не сопровождаются видимыми ва глаз изменениями (окраски раствора, мутности и пр.). Однако при их прохождении меняется величина pH, приобретающая для каждой конкретной реакции определенное значение в мо­ мент эквивалентности. Д ля установления такого момента употребляются индикаторы, которые окрашиваются в различ­ ный цвет в зависимости от значения pH раствора. Индикаторы представляют собой органические вещества, способные при соответствующих условиях вести себя как слабые кислоты или как слабые основания. Согласно' ионно-хромофорной теории изменение окраски их является следствием изомерного превра­ щения,' т. е. внутримолекулярной перегруппировки, меняющей строение. И з форм, не диссоциирующих на ионы, окрашенных в определенный цвет, они превращаются в формы, диссоциирую, щие йа ионы, причем sito превращение сопровождается появле­ нием новой окраски. Процесс перехода одной формы индикатора Б другую можно изобразить следующей схемой:

RH H R i №- 1 - К Г (слабая кислота), ROH Ri'OH Ri*”-} -0 Н “ (слабое основание), где R и Ri органические радикалы, отличающиеся друг от др у­ га внутренним строением.

Внутримолекулярная перегруппировка индикатора вызы­ вается изменением величины pH раствора. То или иное значе­ ние концентрации водородных ионов сдвигает равновесие р аз­ личных форм индикатора либо в сторону неионизированных его молекул, либо в сторону молекул, распадающихся на ИО'НЫ. Оба превращения приводят к новой окраске. Она нарастает посте­ пенно, по мере того как увеличивается в растворе количество водородных ИЛИ'гидроксильных ионов. Однако наш глаз имеет ограниченную способность к восприятию окрасок. Он видит не весь И : диапазон;

..обычно глаз перестает замечать присутствие Х одной из окрашенных форм индикатора, когда концентрация.ее становится в 10 раз меньше концентрации преобладающ ей формы. П оэтому изменение окраски индикатора мы можем наблюдать лишь внутри какого-то определенного интервала значений pH. Такой интервал носит название области (или интервала) перехода и неодинаков для различных индикаторов.

;

Поскольку интервал перехода — это та область, где наш глаз;

видит новую: окрзску, выбирать индикатор для определения конца реакции в методе нейтрализации следует, руководствуясь;

значением величины pH в момент эквивалентности реагирую- ' щих вешеств. Если он наступает в щелочной среде, употреб­ ляют индикаторы, интервал перехода которых лежит- при pH больше 7. Д ля реакций, заканчивающихся в кислой среде, при­ меняют индикаторы с интервалом перехода.меньш е 7.

В объемном анализе наиболее часто используются^ метил­ оранж и фенолфталеин. М етилоранж относится к амфотерны-м.

индикаторам. При диссоциации он образует одновременно кис­ лотные и основные радикалы-ионы. Степень диссоциации метил- орапж а как основания очень мала, и поэтому его обычно, рас- сматривают как слабую кислоту. : Процесс превращения метилоранжа идет по схеме желтый Красны й Молекулы метилоранжа окрашены в красный цвет,-ионы — в желтый. В кислой среде ионы водорода подавляют диссоциа­ цию метилоранжа (кислоты очень слабой), поэтому в кислых растворах равновесие сдвигается влево и метилоранж окрашен в красный цвет. В щелочной среде он желтый, так как ионы ОН щелочи связывают водородные ионы метилоранжа в плохо диссоциированные молекулы воды, сдвигая тем самым равно­ весие системы вправо. Интервал перехода окраски метилоран­ ж а находится при значениях pH от 3,1 до 4,4. Следовательно, метилоранж можно употреблять для определения конца таких реакций, момент эквивалентности которых наступает в' кислой' среде.

Фенолфталеин относится к числу кислотных индикаторов.

Его кислотная форма является значительно более слабой кис­ лотой, чем у метилоранжа. Превращение его идет по схеме R H ? 3 iH R,^ 1 1 + + R,.

бесцветный красный Недиссоциированные молекулы фенолфталеина бесцветны,, ионы окрашены в красный цвет. В кислой среде диссоциация фенолфталеина, как очень слабой кислоты, подавляется пол­ ностью, поэтому в кислых растворах фенолфталеин бесцветен.;

В щелочных растворах он красный, поскольку ионы ОН щелочи, связывая ионы водорода, сдвигают равновесие системы в сто­ рону образования окрашенных ионов фенолфталеина. Интервал,:

перехода окраски фенолфталеина находится при pH от 8 до 10,:

поэтому он употребляется в таких реакциях, момент эквивалент­ ности которых наступает в щелочной среде.

Реакции окисления-восстановления, применяющиеся при, объемно-аналитических определениях, идут с изменением заря­ да реагирующих веществ. Окисление — это процесс отдачи электронов, восстановление — присоединение электронов. Оба процесса, всегда проходят одновременно: одно из реагирующих веществ окисляется— его называют восстановителем, другое — восстанавливается, его называют окислителем.

Окислительно-восстановительные реакции нередко проте­ кают сравнительно медленно. Н а увеличение скорости их влияют концентрации реагирующих соединений, повышение температуры и присутствие катализаторов. Иногда бывает, что роль последних играют те вещества, которые образуются в про­ цессе самой: реакции. Такое явление называется автокатали­ зом. В качестве примера автокатализа можно указать на роль иона образующ егося по реакции меж ду КМПО4 и Н2С2О и выполняющего функции катализатора. Влияние температуры на скорость окислительно'-восстановительных реакций огромно.

Повышение ее на каждые 10° увеличивает скорость реакции в 2— 3 раза. Нередки случаи, когда реакции, практически не идущ ие при комнатной температуре, при нагревании проходят весьма быстро (например, взаимодействие КМПО4 и Н 2 С2 О4 ).

В объемном анализе наиболее часто в качестве рабочих реактивов используются перманганат калия и йод.

Перманганат калия является довольно сильным окислите­ лем. Его окислительный потенциал высок, поэтому очень мно­ гие вещества по отношению к нему являются восстановителями.

П роцесс восстановления перманганата различен в зависимости огсреды.. В кислой среде он идет по схеме МпОГ + 8 Н++ 5е ^ Мп2++ 4HjO, в щ елочной или в нейтральной — по схем е М п О Г + 2 Н,0 + Зе ^ МпОз + 4 0 Н".

Титрование перманганатом производят без индикатора. Р а з­ личные ионы марганца окрашены в разный цвет;

МПО4- — фио­ летовый, Мп^+ — бурый, Мп^+ — бесцветный. Этим и пользуют­ ся’ для установления конца реакции. Одна капля раствора КМПО4, даж е при концентрации его, равной 0,01 н, окрашивает 50 м л исследуемой воды в отчетливый розовый цвет. й о д может выступать и как окислитель, и как восстанови­ тель, участвуя в обратимой реакции. J2 + 2 e ^ 2 J ~. Вещества, у которых окислительный потенциал больше, чем у йода, играют роль окислителей по отношению к йоду J~, отнимая от него электрон и выделяя свободный йод, окрашенный в бурый цвет.

Н аоборот, вещества с меньшим окислительным потенциалом играют роль восстановителей по отношению к свободному йоду, отдавая ему электрон и превращая его в являющийся бес­ цветным. Д ля установления ' конца титрования может быть использовано свойство йода менять свою окраску при переходе из молекулярной в ионную форму. Однако при малых количе­ ствах йода наблюдать изменение окраски глазом не всегда П удается. Поэтому при йодометрическом титровании чаще всего прибавляют индикатор крахмал. Крахмал образует со сво­ бодным (молекулярным) йодом адсорбционное соединение синего цвета. В присутствии ионного йода крахмал бесцветен.

При йодометрическом титровании нужно соблюдать строго определенные условия, поскольку окислительный потенциал Р невелик.

Реакции осаждения и комплексообразования составляют содерж ание таких объемно-аналитических определений, при которых в результате взаимодействия меж ду исследуемым веществом и рабочим реактивом происходит количественное осаж дение определяемого иона или связывание его в виде мало диссоциированного комплекса.

Метод осаждения сходен с весовым анализом, однако в отли­ чие от последнего образующ иеся осадки в дальнейшем не взве­ шивают, а о количестве искомого вещества судят по объему затраченного на реакцию рабочего реактива. Число реакций осаждения, используемых в объемном анализе, весьма ограни­ чено, так как лишь немногие удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям:

1. Осадки должны быть практически не растворимы. Д о б и ­ ваться уменьшения растворимости осадков, прибавляя избыток осадителя, нельзя, так как осадитель вводится в строго эквива­ лентном количестве.

2. О саждение не долж но сопровождаться соосаждением посторонних примесей, так как промывание осадков не произ­ водится.

3. Реакции должны иметь аналитический открываемый ко­ нец, т. е. давать возможность фиксировать момент эквивалент­ ности.

Н аиболее важное значение в объемном анализе методом осаж дения имеют реакции образования труднорастворимых соединений серебра (аргентометрия) и ртути ^меркурометрия).

В основе аргентометрии лежит реакция меж ду азотнокислым серебром и галогенами (С1~, Вг~ и J ~ ), выпадающими в виде труднорастворимых осадков. Меркурометрия базируется на взаимодействии галогенов с солями одновалентной ртути.

Индикаторами служ ат различные вещества, образующ ие с рабо­ чими реактивами окрашенные осадки. Выпадение их происходит после связывания всего искомого компонента из-за различия в величинах произведения растворимости осадков. Индикаторы подбираются так, что осадки их с рабочим реактивом имеют более высокую растворимость, чем осадки рабочего реактива с иссле!дуемым веществом. Поэтому, пока в растворе есть ионы последнего, реакция идет в сторону их полного связывания, и только затем с рабочим реактивом взаимодействует инди­ катор, в основе метода комплексообразования леж ат обратимые реакции, в процессе которых образуются плохо диссоциирован­ ные комплексные соединения. Равновесие и распад их характе­ ризуются константой нестойкости. Чем меньше эта константа тем хуж е диссоциирован комплекс и тем полнее реакция сдви­ гается в сторону его образования. В практике объемных опреде­ лений наиболее часто используются реакции меж ду щелочнымк землями и трилоном Б. Последний представляет собой натрие­ вую соль этилендиаминотетрауксусной кислоты, которая обра­ зует с ионами Са и M g плохо- диссоциированные комплексы, В качестве индикатора применяются такие вещества, которые дают окрашенные соединения с магнием, причем они являются менее прочными, чем комплексы трилона со щелочными зем ля­ ми, и поэтому в конце титрования (в момент эквивалентности) разрушаются с выделением свободного индикатора, окрашен­ ного в определенный цвет.

Р а с ч е т ы в о б ъ е м н о м а н а л и з е. При выполнении объ ем ­ ного анализа необходимо точное измерение объемов реагирую­ щих растворов— исследуемого. и рабочего. Д ля вычисления результатов анализа должна быть известна концентрация рабо­ чего раствора. Концентрацией называют количество вещества, содерж ащ ееся в единице объема раствора. И звестно несколько способов выражения концентрации. В объемном анализе наи­ более часто пользуются растворами определенной нормально­ сти, в которых количество вещества дается в грамм-эквивален­ тах на 1 л раствора. Грамм-эквивалент — это вес какого-либо соединения или иона, приведенный в граммах, в реакционном отношении равноценный 1 г-ат ом водорода. Эквивалентный вес не является постоянной величиной, он зависит от типа реакции, в которой участвует данное вещество. В реакциях, идущих без изменения заряда ионов, грамм-эквивалентный вес находится делением молекулярного (атомного) веса на основность (валент­ ность). В реакциях окислительно-восстановительных грамм эквивалентный вес равен молекулярному весу, деленному на число отданных или приобретенных одной молекулой или ионом электронов.

Растворы одинаковой нормальности характеризуются тем, что реагируют меж ду собой одинаковыми объемами, потому что они содерж ат равное количество грамм-эквивалентов рас- творенных веществ. Если нормальность растворов различна, то реагируют они разными объемами, причем объемы обратно про­ порциональны нормальностям.

Если /V] и Л/" — нормальности реагирующ их растворов, Vl и Ц — объемы реагирующ их растворов, то в соответствии:

с указанным выше можно написать V,N,=.V,N„ ^ = 1 ? или т Второе равенство показывает, что произведение из объема р ас­ твора на его нормальность есть величина постоянная для дан ­ ной пары реагирующих веществ. Это равенство является основ­ ным расчетным уравнением в объемном анализе. Оно дает возможность, зная нормальность рабочего реактива, его объем и объем исследуемой воды, найти нормальность искомого ком­ понента, т. е. содерж ание его в грамм-эквивалентах на 1 л Обозначим Л^ — нормальность искомого компонента;

\ \ — объем исследуемой воды;

N 2 — нормальность рабочего реактива;

Уг — объем рабочего реактива. Тогда N,= Зная нормальность искомого компонента, легко вычислить содержание его в мг • ж е, г или мг на 1 л. Д ля этого следует нормальность компонента умножить соответственно на 1000' ( м г - э к в ), на эквивалентный вес (г), на 1000 и на эквивалент­ ный вес ( м г )..

Н екот оры е практ ические указан ия для проведения о б ъ е м н о г о а н а л и з а. 1. При анализе пресных -вод (с мине­ рализацией менее 1 г/л ) следует брать для объемного анализа 50— 100 м л исследуемой пробы. Солоноватые воды отбираются в количестве 10— 25 мл, и к ним в титровальную колбу добав­ ляется дистиллированная вода до объема 50— 100 мл (при рас­ чете анализа эта вода не учитывается). Соляные врды и рас­ солы нужно разбавлять дистиллированной водой, причем она:

учитывается при расчете. Величина разбавления тем больше, чем выше минерализация воды. Поскольку каждая капля рас­ сола содержит весьма много растворенных веществ, исходные количества его нельзя брать при помощи какой-либо мерной:

посуды, в которой точность отмеривания не выше одной капли;

, пробу рассола отбирают обычно весовой пипеткой.

2. Определенный объем исследуемой воды (исходной или;

разбавленной) для объемного анализа отмеривают пипеткой..

Она должна быть предварительно тщательно вымыта и ополос­ нута исследуемой водой. Взятую пробу помещают в коническую!

колбу для титрования. Если проба набиралась пипеткой, необ­ ходимо для отжатия «последней» капли из нее закрыть плотно­ верхнее отверстие пальцем и нагреть рукой расширенную часть пипетки. Ни в коем случае не следует выдувать оставшуюся каплю ртом. Колба для титрования предварительно моется и, споласкивается дистиллированной водой.

3. Титрование производится из бюреток, укрепленных на?, штативе. П еред началом титрования следует проверить, запол­ нен ли полностью «носик» бюретки рабочим раствором. Если в «носике» есть пузырь воздуха, его необходимо удалить, пустив сильную струю из бюретки, или ж е заполнить бюретку реакти­ вом, затягивая его ртом через верхнее отверстие бюретки. К аж :дое титрование нужно производить, установив уровень жидко •сти в бюретке на нуле, т. е. пользоваться всегда одной и той ж е частью бюретки.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.