Методические указания по отдельным видам занятий лабораторная работа №1

3.5.9.6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОТДЕЛЬНЫМ ВИДАМ ЗАНЯТИЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ФИЗИЧЕСКИЙ И ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗЫ ВОДЫ

Цель работы: знакомство с видами анализа природных вод.

Природная вода характеризуется физическими, химическими, технологическими и санитарно-бактериологическими показателями (параметрами), которым соответствуют определенные виды анализа.

При физическом анализе воды производят измерение ее температуры (в момент отбора пробы), цветности, прозрачности, мутности, а также определяют вкус и запах.

Цветность может быть определена путем сравнения окраски воды с окраской стандартных эталонных растворов, в качестве которых применяют растворы хлорплатината калия K2
[PtCl6
] и хлорида кобальта (II) различной концентрации. Для изготовления шкалы цветности вместо хлорплатината калия применяют сульфат кобальта (П) и бихромат калия.

Для изготовления шкалы стандартных цветных растворов приготавливают два раствора:

а) раствор, содержащий в 1 л 0,0875 г бихромата калия K2
Cr2
O7
, 2 г CoSO4
× 7H2
O и 1 мл концентрированного раствора серной кислоты d = 1,84 г/см3
. Этот раствор отвечает цветности 500°;

б) раствор серной кислоты, содержащий 1 мл концентрированной серной кислоты в 1 л раствора.

Смешивая растворы а) и б) в определенных соотношениях, получают приведенную в табл. 1.1 шкалу цветности.

Таблица 1.1

Шкала цветности

Растворы, мл		Градусы цветности	Растворы, мл		Градусы цветности
а	б		а	б
0	100	0	10	90	50
1	99	5	12	88	60
2	98	10	16	84	80
3	97	15	20	80	100
4	96	20	25	75	125
5	95	25	30	70	150
6	94	30	40	60	200
8	92	40	50	50	250

Мутность определяют с помощью нефелометров (при концентрации взвешенных веществ менее 3 мг/л).

Вкус и запах определяют органолептически (с помощью органов чувств).

При химическом анализе воды определяют следующие показатели (параметры): рН (активную реакцию среды), щелочность (общую, гидратную, бикарбонатную и карбонатную), жесткость (общую, карбонатную, некарбонатную), наличие ионов кальция, магния, бария, железа (П) и (III), меди, cвинца, цинка, аммония, сульфат-ионов хлор-ионов, окисляемость, растворенный кислород, биологическое и химическое потребление кислорода и некоторые другие.

При технологическом анализе определяют фильтруемость, осаждаемость воды и ее стабильность.

При санитарно-бактериологическом анализе определяют коли-титр - количество воды, мл, в которой находится одна кишечная палочка Coli
, общее количество бактерий а 1 мл, количество кишечных палочек в в 1 л.

Экспериментальная часть

Взять у преподавателя пробу воды. Измерить температуру, а затем определить ее цветность. Для этого налить в цилиндр Несслера 100 мл исследуемой воды и сравнить ее окраску с окраской одного из стандартных растворов, налитых в такой же цилиндр. Сопоставление окрасок растворов производят путем просмотра их сверху вниз на белом фоне. Если цветность эталона не совпадает с цветностью воды, то, выливая либо воду, либо стандартный раствор из цилиндра, добиваются выравнивания окрасок. В этом случае цветность воды определяют по следующей формуле:

,

где и - высота столба исследуемой воды и стандартного (эталонного) раствора, см;

и Цэ
– цветность исследуемой воды и стандартного (эталонного) раствора, градус.

Определить активную реакцию среды, пользуясь табл. 1.2, с помощью индикаторов (фенолфталеина, метилоранжа, смешенного).

Таблица 1.2

Окраска индикаторов в различных средах

Индикатор	Окраска индикаторов в среде
	кислой	щелочной	нейтральной
Фенолфталеин Метилоранж Смешанный	Бесцветная Розовая Фиолетовая	Малиновая Желтая Зеленая	Бесцветная Оранжевая Серая

При помощи универсального индикатора определить примерное значение рН, а затем с помощью рН-метра определить точное значение- рН исследуемой воды.

Определить наличие в воде следующих ионов Cl-
(по образованию белого осадка хлорида серебра), (по образованию белого осадка сульфата бария), Fe+3
(по образованию кроваво-красного раствора родонита железа Fe(CNS)3
), Mg+2
, Ca+2
, Sr+2
(по образованию белого осадка карбонатов этих металлов), Pb+2
(по образованию желтого осадка иодида свинца), Fe+2
(по образованию раствора ферроцианида железа синего цвета), Cu+2
(по образованию аммиаката меди). Реакция образования аммиаката меди идет по следующим уравнениям:

Cu+2
+ 2OH → Cu(OH)2

Cu(OH)2
+ 4NH3
→ [Cu(NH3
)4
](OH)2

фиолетовое окрашивание

Определить наличие аммиака или ионов аммония по посинению лакмусовой бумажки, помещенной в пары подогретой и подщелоченной исследуемой воды. Наличие аммиака можно определять и по запаху.

Определить наличие в воде сероводорода по образованию черного осадка сульфида свинца. Для этого смоченную нитратом свинца фильтровальную бумагу поместить в пары подогретой и подкисленной исследуемой воды.

Написать уравнения соответствующих процессов.

Список литературы

1. Возная Н. Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, I979.

2. Вехотко Т. И.. Ильменкова Л. И. Химия и микробиология природных и сточных вод. Ч. 1. Общие свойства воды и водных растворов: Учебное пособие. – Л.: ЛИИЖТ, 1977.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

Цель работы: ознакомление с процессом гидролиза различных типов солей, измерение рН растворов солей, изучение влияния разбавления раствора соли на смещение равновесия процесса гидролиза.

В водных растворах осуществляется реакция взаимодействия между ионами соли и водой. В результате этого взаимодействия один из ионов воды (Н+
или ОН-
) связывается ионом соли в слабодиссоциирующую частицу или труднорастворимое вещество, а другой ион воды накапливается в растворе, сообщая ему кислую или щелочную реакцию. Процесс обменного взаимодействия ионов соли с молекулами воды, в результате которого смещается равновесие электролитической диссоциации воды (изменяется рН среды) называется гидролизом (от греческих слов «гидро» – вода и «лизис» – разложение).

Смещение равновесия в реакции гидролиза обнаруживается как с помощью индикаторов – веществ, приобретающих окраску в определенной среде, так и электрометрическим методом (с помощью рН-метра).

Если среда нейтральная, значит, в растворе данной соли равновесие диссоциации воды не смещено, т.е. соль гидролизу не подвергается.

Если среда кислая, значит, в растворе соли образуется избыток ионов водорода, т.е. протекает гидролиз по катиону. Катион связывает гидроксид-ионы воды, а ионы Н+
накапливаются в растворе, придавая среде кислый характер.

Если среда щелочная, значит, в растворе соли образуется избыток гидроксид-ионов ОН-
, т.е. протекает гидролиз по аниону. Анион связывает ионы Н+
, а ионы ОН-
накапливаются в растворе, придавая среде щелочной характер.

На интенсивность процесса гидролиза влияют сила кислоты или основания, образующих соль, процесс разбавления раствора, температура.

Гидролиз является обратимым процессом, на смещение равновесия которого влияют изменение концентрации соли, температура, изменение концентрации продуктов гидролиза, подкисление или подщелачивание раствора соли. Так, уменьшение концентрации несвязанных ионов Н+
или ОН-
приводит к смещению равновесия в сторону их накопления, т.е. усилению гидролиза.

Лабораторная работа включает в себя следующие разделы:

1. Предварительную расчетную часть, которая выполняется заранее и является допуском к работе.

2. Экспериментальную часть, включающую приготовление раствора требуемой концентрации, инструментальные замеры соответствующих показателей на приборе.

3. Сравнение результатов эксперимента с предварительными теоретическими расчетами.

4. Отчет о работе.

1. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

До выполнения экспериментальной части работы необходимо ознакомиться с теорией процессов гидролиза и выполнить расчетные задания по теме по номеру варианта таблицы 1. Результаты расчетов сравниваются с результатами экспериментальных данных.

ЗАДАНИЯ

1. Написать уравнение гидролиза соли А (если он возможен) в ионном и молекулярном виде.

2. Рассчитать рН растворов соли А концентраций М1
и М2
.

3. Сделать вывод о влиянии разбавления раствора на сдвиг равновесия процесса гидролиза.

Исходные данные для расчета по вариантам представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

№ в-та	Исходные данные			Справочные данные
	Соль А, формула	Концентрация М, моль/л		Формула электролита	Числовые значения констант диссоциации при t 25°C
		М1	М2
1	К2 CO3	0,1	0,01	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
2	CH3 COONa	0,1	0,001	CH3 COOH	K=1,75×10-5
3	NH4 Cl	0,1	0,001	NH4 OH	K=1,8×10-5
4	Na2 CO3	0,1	0,001	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
5	(NH4 )2 SO4	0,1	0,01	NH4 OH	K=1,8×10-5
6	NaHCO3	0,1	0,01	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
7	Na2 CO3	0,1	0,001	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
8	NaNO2	0,1	0,01	HNO2	K=4,0×10-4
9	CH3 COONa	0,1	0,01	CH3 COOH	K=1,75×10-5
10	NH4 Cl	0,1	0,001	NH4 OH	K=1,8×10-5
11	K2 S	0,1	0,001	H2 S	K1 =6,0×10-8 ; K2 =1,0×10-14
12	Na2 SO3	0,1	0,001	H2 SO3	K1 =1,7×10-2 ; K2 =6,2×10-8
13	K2 S	0,1	0,01	H2 S	K1 =6,0×10-8 ; K2 =1,0×10-14
14	Na2 SO3	0,1	0,01	H2 SO3	K1 =1,7×10-2 ; K2 =6,2×10-8
15	Na2 CO3	0,1	0,01	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
16	NaHCO3	0,1	0,001	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
17	NH4 Cl	0,1	0,01	NH4 OH	K=1,8×10-5
18	CH3 COONa	0,1	0,01	CH3 COOH	K=1,75×10-5
19	(NH4 )2 SO4	0,1	0,001	NH4 OH	K=1,8×10-5
20	(NH4 )2 SO4	0,1	0,01	NH4 OH	K=1,8×10-5
21	K2 S	0,1	0,01	H2 S	K1 =6,0×10-8 ; K2 =1,0×10-14
22	NaHCO3	0,1	0,001	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
23	К2 CO3	0,1	0,001	H2 CO3	K1 =4,3×10-7 ; K2 =5,6×10-11
24	K2 S	0,1	0,01	H2 S	K1 =6,0×10-8 ; K2 =1,0×10-14
25	Na2 S	0,1	0,01	H2 S	K1 =6,0×10-8 ; K2 =1,0×10-14
26	(NH4 )2 SO4	0,1	0,001	NH4 OH	K=1,8×10-5
27	Na2 SO3	0,1	0,01	H2 SO3	K1 =1,7×10-2 ; K2 =6,2×10-8
28	CH3 COONa	0,1	0,01	CH3 COOH	K=1,75×10-5
29	Na2 SO3	0,1	0,001	H2 SO3	K1 =1,7×10-2 ; K2 =6,2×10-8
30	CH3 COONa	0,1	0,01	CH3 COOH	K=1,75×10-5

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Рассчитать рН 0,01 М раствора соли Na2
CO3.

Решение

Уравнение гидролиза соли по I ступени:

Na2
CO3
+ H2
O ® NaHCO3
+ NaOH

CO3
2-
+ HOH ® HCO3
-
+ OH-

Расчет константы гидролиза соли концентрации 0,01 М:

Кг
=

Кг
=

моль/л

рН = 12 – lg 7,7 = 11,3

Аналогично рассчитать рН раствора соли другой концентрации и, сравнив полученные значения, сделать вывод о направлении смещения равновесия при разбавлении раствора.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Определение рН раствора соли производится электрометрическим методом с помощью преобразователя ионометрического И-500.

Электрометрический метод определения рН основан на измерении электродвижущей силы гальванической цепи, составленной из двух электродов, одним из которых является электрод с известным потенциалом, или стандартный электрод, или электрод сравнения, а вторым – электрод, величина потенциала которого зависит от концентрации ионов водорода в исследуемом растворе.

Выполнение эксперимента производится в следующем порядке:

1. Приготовить раствор соли А заданной по номеру варианта концентрации М2
из раствора соли с исходной концентрацией М1
.

Для этого в мерную колбу на 50 мл внести пипеткой необходимое количество исходного раствора соли с концентрацией 0,1М, а, именно, - 5 мл, если требуется разбавление в 10 раз, и 0,5 мл, если требуется разбавление в 100 раз. Долить в раствор до метки дистиллированную воду, перемешать содержимое колбы.

2. Измерить рН исходного и разбавленного растворов соли на рН-метре. Перед началом измерений электроды должны быть опущены в дистиллированную воду, резиновый ободок на электроде поднят вверх, чтобы было открыто отверстие.

Выполнение измерений производится в следующем порядке:

2.1. Вынуть электроды из стакана с дистиллированной водой, промокнуть их фильтровальной бумагой и опустить в стакан с исследуемым раствором на глубину не менее 20 мм.

2.2. Включить прибор кратким (0,5 сек) нажатием клавиши 0/1. На дисплее появятся надписи «измерение» и «параметры».

2.3. Нажать клавишу ¿
, преобразователь переходит в режим измерения. На дисплее высвечиваются обозначения Т и рН и вскоре появляются значения этих параметров, Записать значения параметров в таблицу 2.

2.4. Выключить прибор нажатием клавиши 0/1.

2.5. Вынуть электроды из раствора, осторожно промокнуть, опустить в следующий исследуемый раствор и провести операцию по п.п. 2.1-2.4.

Таблица 2.2

№ варианта	№ измерения	Соль А		Значение рН		Концентрация ионов, моль/л
		Формула	Концентрация М, моль/л	Экспериментальное	Расчетное	Экспериментальная		Расчетная
						[H+ ]	[OH- ]	[H+ ]	[OH- ]

3. ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет должен включать:

- наименование, цель работы;

- расчеты по заданию (по варианту таблицы 2.1);

- результаты измерений и расчетов (таблица 2.2);

- выводы по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

щелочность и кислотность природных вод

Цель работы: познакомиться с видами кислотности и щелочности природных вод и определением их методом титрования.

3.1. Теоретическая часть

Щелочность природных вод чаще всего обусловлена гидролизом солей, образованных угольной кислотой (бикарбонатов и карбонатов) и сильными основаниями. Реже в природных водах встречаются соли других слабых кислот (борной, кремниевой и т.п.), которые также придают щелочную реакцию среде. Гидролиз таких солей соответствует равновесиям, описываемым следующими уравнениями:

При гидролизе солей сильных кислот и слабых оснований, находящихся в природных водах, образуется кислая среда.

Между концентрацией (активностью) водородных и гидроксильных ионов в природных водах существует определенное соотношение, количественно связанное с концентрацией свободной углекислоты, бикарбонатов и карбонатов, которое отвечает определенным требованиям рН. Это соотношение выражается представленным ниже графиком, рассчитанным по значениям констант диссоциации угольной кислоты (рисунок).

Так, при рН = 0-4 в природных водах могут находиться сильные минеральные кислоты; при рН = 4-8,36 - угольная кислота в равновесии с бикарбонатами; при рН = 8,36-12 - бикарбонаты в равновесии с карбонатами; при рН = 12-14 - сильные основания.

Равновесия между угольной кислотой и бикарбонатами, а также бикарбонатами и карбонатами могут быть описаны следующими уравнениями, каждому из которых соответствуют константы равновесия, являющиеся константами диссоциации угольной кислоты по I и II ступеням:

Исходя из этих констант и рН воды, можно рассчитать соотношения между концентрациями ионов.

При определении кислотности и щелочности природных вод могут быть следующие варианты.

3.1.1. При добавлении к пробе воды двух - трех капель раствора фенолфталеина он не окрашивается в малиновый цвет, а при добавлении нескольких капель смешанного индикатора последний приобретает фиолетовую окраску. В этом случае рН среды лежит в интервале от 0 до 4, т.е. в воде содержатся сильные минеральные кислоты. Для определения их концентрации необходимо определенный объем исследуемой воды оттитровать раствором щелочи строго определенной концентрации до перехода фиолетовой окраски в серо-голубую и рассчитать кислотность по следующей формуле, мэ/л:

Кислотность = ,

где Nщ
- нормальность щелочи, э/л; Vщ
- объем щелочи, мл; - объем исследуемой воды.

3.1.2. При добавлении к пробе воды двух - трех капель фенолфталеина окраска его не изменяется, а при добавлении нескольких капель смешанного индикатора он окрашивается в зеленый цвет. В этом случае рН среды лежит в интервале от 4 до 8,36. В воде содержится свободная углекислота СО2
в равновесии с бикарбонатными ионами и водородными ионами. Концентрация угольной кислоты (или других слабых кислот) определяется титрованием пробы воды в присутствии фенолфталеина раствором щелочи до появления малинового окрашивания и рассчитывается по следующей формуле, мэ/л:

[CO2
] =

Реакция в этом случае протекает по уравнению:

Концентрацию бикарбонатных ионов определяют в отдельной пробе воды титрованием раствором соляной кислоты в присутствии смешанного индикатора до перехода зеленой окраски в серо-голубую и рассчитывают по следующей формуле, мэ/л:

,

где NHCl
- нормальность раствора соляной кислоты, э/л;

VHCl
- объем раствора соляной кислоты, пошедшего на титрование, мл.

Реакция в этом случае протекает по уравнению

3.1.3. При добавлении к пробе 2-3 капель раствора фенолфталеина он окрашивается в малиновый цвет, а смешанный индикатор приобретает зеленое окрашивание. Значение рН в этом случае находится в интервале от 8,36 до 14. Данная вода может содержать либо бикарбонатные ионы в равновесии с карбонатными и водородными, либо только карбонатные и гидроксильные, либо только гидроксильные.

Концентрацию этих ионов определяют последовательным титрованием пробы воды в присутствии фенолфталеина раствором соляной кислоты до обесцвечивания малиновой окраски, а затем, добавляя несколько капель смотанного индикатора, продолжают титровать до перехода зеленого окрашивания в серовато-голубой. При этом могут быть следующие варианты:

- если при титровании по фенолфталеину расходуется определенный объем соляной кислоты, а по смешанному индикатору кислота не расходуется, то в воде содержатся только сильные щелочи, обусловливающие только гидратную щелочность. Ее рассчитывают по следующей формуле, мэ/л:

Щг
=

При этом реакция происходит по следующему уравнению:

- если при последовательном титровании по фенолфталеину и по смешанному индикатору расходуется одинаковое количество миллиэквивалентов кислоты, то в этом случае вода содержит только карбонатные ионы, обуславливающие карбонатную щелочность.

При этом происходят процессы по следующим схемам:

Щелочность карбонатная рассчитывается по формуле, мэ/л:

Щк
= 2 ×

- если при последовательном титровании по фенолфталеину расходуется большее количество миллиэквивалентов кислоты, чем по смешанному индикатору, то вода обладает гидратной и карбонатной щелочностью. При этом щелочность карбонатная рассчитывается по приведенной выше формуле, а щелочность гидратная – по следующей, мэ/л:

Щг
= ,

где V1
– объем раствора соляной кислоты, пошедшей на титрование по фенолфталеину,

мл;

V2
– объем раствора соляной кислоты, пошедшей на титрование по смешанному

индикатору, мл.

Общая щелочность в этом случае равна: Що
= Щк
+ Щг
.

- если при последовательном титровании по фенолфталеину расходуется меньшее количество миллиэквивалентов соляной кислоты, чем по смешанному индикатору, то вода обладает карбонатной и бикарбонатной щелочностью. При этом щелочность карбонатная рассчитывается по приведенной выше формуле, а щелочность бикарбонатная – по следующей, мэ/л:

Щг
= ,

Общая щелочность в этом случае равна: Що
= Щк
+ Щб
.

При определении щелочности можно использовать вместо смешанного индикатора метилоранж, расчет по которому производится аналогично вышеприведенным.

3.2. Экспериментальная часть

3.2.1.
Получить у преподавателя набор проб исследуемой воды. В отдельные пробирки налить по 2-3 мл каждой из них и добавить по 2-3 капли раствора фенолфталеина.

3.2.2. Те воды, в которых фенолфталеин окрасился в малиновый цвет, оттитровать раствором соляной кислоты. Для этого отобрать 100 мл исследуемой воды в коническую колбу для титрования, добавить 2-3 капли раствора фенолфталеина и титровать воду раствором соляной кислоты до обесцвечивания. Измерить объем кислоты, пошедший на титрование, и рассчитать количество миллиэквивалентов ее Ф, приходящееся на 1 литр исследуемой воды, по формуле, мэ/л:

Ф = NHCl
× VHCl
× 10

Затем добавить 2-3 капли смешанного раствора индикатора в обесцвеченный раствор и продолжать титрование его раствором соляной кислоты до перехода зеленой окраски в серо-голубую. Измерить объем раствора кислоты и рассчитать количество миллиэквивалентов ее С, пошедшее на титрование 1 литра исследуемой воды по смешанному индикатору, по формуле, мэ/л:

C = NHCl
× VHCl
× 10

Сравнить соотношения между Ф и С. Исходя из пункта 1.3, сделать вывод о видах щелочности в этих водах и рассчитать Щг
, Щк
, Щб
и Що
.

3.2.3. В те воды, в которых фенолфталеин не окрасился в малиновый цвет, добавить по 2-3 капли смешанного индикатора. Те пробы, в которых раствор приобрел фиолетовый цвет, оттитровать раствором щелочи. Для этого отобрать в коническую колбу для титрования 100 мл исследуемой воды, добавить 2-3 капли смешанного индикатора и оттитровать ее раствором щелочи до перехода фиолетового окрашивания в серо-голубое.

По формуле п. 1.1 определить кислотность воды.

3.2.4. Те воды, в которых смешанный индикатор окрасился в зеленый цвет, оттитровать раствором соляной кислоты.

Для этого в коническую колбу для титрования отобрать 100 мл исследуемой воды, добавить 2-3 капли смешанного индикатора и оттитровать их раствором соляной кислоты до перехода зеленого окрашивания в серо-голубой. Рассчитать концентрацию бикарбонатных ионов по п. 1.1.2.

3.2.5. Взять 100 мл той же воды, добавить 2-3 капли раствора фенолфталеина и оттитровать ее раствором щелочи до появления слабого малинового окрашивания. Рассчитать концентрацию свободной углекислоты по п. 1.1.2, замерив объем израсходованного раствора щелочи.

3.2.6. Проверить у преподавателя полученные результаты и составить отчет о работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

СТАБИЛЬНОСТЬ ПРИРОДНЫХ ВОД

Цель работы: ознакомиться с методами определения стабильности природных вод.

4.1. Теоретическая часть

Одним из технологических показателей природных вод является стабильность.

Стабильностью воды называется способность ее при длительном хранении и транспортировке по трубопроводам сохранять постоянный состав. Стабильная вода не выделяет и не растворяет карбонат кальция CaCO3
. Она зависит от концентрации свободной углекислоты СО2
и гидрокарбонатов кальция и магния.

При контакте воды, содержащей растворенную углекислоту, с карбонатом кальция устанавливается равновесие:

Кравновесия
= = 3,43 × 10-5
.

Если учесть, что [Са2
] = 1/2 (из уравнения равновесия), то

Кравн.
=

Та концентрация [CO2
], которая отвечает равновесию, называется равновесной, а такая вода – стабильной. Если [CO2
] исследуемой воды больше [CO2
] равновесной, то происходит растворение карбоната кальция. Такая вода называется агрессивной. Агрессивная углекислота может вызывать коррозию металлических, бетонных и железобетонных сооружений. Если [CO2
] исследуемой воды меньше [CO2
] равновесной, то из воды выделяется карбонат кальция. Такая вода называется нестабильной. Отложение карбоната кальция из нестабильной воды способствует забиванию трубопроводов, а впоследствии и углекислотной коррозии бетонов, а также, если при этом происходят биологические обрастания поверхностей, и электрохимической коррозии стали при неравномерной аэрации.

Количественной характеристикой стабильности воды является показатель стабильности, который может быть рассчитан либо по щелочности исследуемой воды, либо по измерению ее рН.

Показатель стабильности представляет собой отношение щелочности или рН исследуемой воды к щелочности или рН этой же вода, насыщенной СаСО3
.

Если Ст
> 1 - вода агрессивна; если Cт
< 1 - вода нестабильна; если Ст
= 1 - вода стабильна.

Методы стабилизации заключаются в следующем:

Нестабильную воду подкисляют сильными кислотами

Агрессивную воду обрабатывают едким натром (гидроксидом натрия) или карбонатными солями для удаления избыточной углекислоты:

Агрессивную воду можно стабилизировать фильтрованием через карбонатные минералы (мел, известняк, мраморную крошку) или песчано-известковые фильтры.

4.2. Экспериментальная часть

4.2.1. Определение стабильности воды по измерению рН

Получить у преподавателя задание - пробу исследуемой воды.

Измерить ее рН с помощью рН-метра.

Налить в коническую колбу заданный объем исследуемой воды (50-100 мл) и всыпать в нее карбонат кальция до насыщения. Перемешивать воду с СаСО3
в течение 25-30 мин.

Отфильтровать оставшийся осадок. После насыщения измерить рН полученного раствора.

Рассчитать показатель стабильности по следующей формуле:

Сделать вывод о стабильности воды.

4.2.2. Определение стабильности по изменению щелочности исследуемой воды

Отмерить заданный объем исследуемой воды (50 или 100 мл), влить ее в коническую колбу для титрования, добавить 2-3 капли смешанного индикатора на , который в щелочной среде окрашивается в зеленый цвет.

Титровать зеленый раствор 0,1 Н раствором НСl до перехода его в серо-голубой.

Отметить объем кислота, пошедшей на титрование, и рассчитать щелочность воды, исходя из закона эквивалентов:

Отмерить такой же объем исследуемой вода, добавить карбонат кальция и перемешивать содержимое в течение 25-30 мин до насыщения воды карбонатом кальция, отфильтровать оставшийся осадок СаСО3
.

Определить щелочность в фильтрованном растворе.

Рассчитать показатель стабильности исходя из щелочности по следующей формуле:

Сделать вывод о стабильности воды.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОКИСЛЯЕМОСТИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Цель работы: ознакомиться с перманганатным методом определения окисляемости природных и сточных вод.

5.1. Теоретическая часть

Окисляемость воды является одним из важных химических показателей при санитарно-гигиенической оценке качества воды. Большой окисляемостью характеризуются воды, загрязненные хозяйственно-бытовыми и сточными водами. Окисляемость выражается в количестве миллиграммов кислорода в 1 л воды. Она вызывается присутствием в природных и сточных водах различного рода восстановителей как органического, так и минерального (неорганического) происхождения. К неорганическим восстановителям, находящимся в водах, относятся сероводород, соединения железа П, сульфиты, аммиак, нитриты и др.

В сточных водах окисляемость обусловлена в большей мере органическими веществами. В чистых природных водах она составляет 2-5 мг/л О2
, а более загрязненные речные и озерные воды обладают окисляемостью в 5-12 мг/л О2
.

Восстановительная способность органических веществ различна и зависит как от их природы, так и от условий, в которых протекают окислительно-восстановительные процессы. Поэтому величина окисляемости зависит не только от общего содержания органических веществ в воде, но и от условий ее определения.

Окисляемость может быть определена перманганатным (с использованием перманганата калия) и бихроматным (с использованием бихромата калия) методами.

Более полное окисление органических соединений достигается при использовании бихромата калия. Окисляемость, определенная бихроматным методом, называют химическим потреблением кислорода (ХПК). Недостатком этого метода является применение сульфата серебра, так как некоторые вещества в отсутствие этого соедине-

ния не окисляются.

Перманганатный метод определения окисляемости недостаточно точен, тем не менее его используют чаще.

В качестве окислителя при этом методе используют раствор перманганата калия, который в этом случае сам является индикатором.

При окислении всех веществ, содержащихся в исследуемой пробе, одна избыточная капля раствора вызывает появление розовой окраски.

При небольшом содержании хлоридов окисляемость определяют в кислой среде. При большом содержании их (выше 300 мг/л) - в щелочной.

При наличии в воде значительных количеств минеральных восстановителей (солей двухвалентного железа, сероводорода и др.), окисляющихся перманганатом калия, надо в отдельной пробе на холоде оттитровать перманганатом калия эти соединения и израсходованный объем раствора перманганата калия вычесть из общего объема, пошедшего на определение окисляемости воды.

5.2. Экспериментальная часть

5.2.1. В коническую колбу для титрования отобрать 250 мл исследуемой воды, полученной у преподавателя, добавить к ней из мерного цилиндра 5 мл 25%-ного раствора серной кислоты.

5.2.2. К подкисленной пробе воды из бюретки прилить 20 мл 0,1 Н раствора перманганата калия.

5.2.3. Колбу с полученным раствором нагреть на плитке до кипения и кипятить в течение 10 мин. За это время в воде происходят процессы окисления находящихся в ней восстановителей за счет перманганата калия. Раствор при этом не должен терять розовой окраски, указывающей на наличие избытка перманганата калия.

Примечание
. Если при кипячении этого раствора происходит изменение его окраски, то необходимо повторить опыт либо с большим количеством перманганата калия, либо разбавить исследуемую воду в несколько раз дистиллированной водой.

5.2.4. По истечении 10 мин прекратить кипячение раствора и прилить к нему из бюретки 20 мл 0,1 Н раствора щавелевой кислоты (или оксалата натрия).

При этом происходит восстановление избытка перманганата калия, неизрасходованного на окисление восстановителей, находящихся в исследуемой воде. Раствор обесцвечивается, В нем будет находиться избыток щавелевой кислоты.

5.2.5. Этот раствор оттитровать 0,1 Н раствором перманганата калия до появления устойчивого (неисчезающего в течение 2-3 мин) слабого розового окрашивания. Измерить объем, мл, пошедшего на титрование раствора перманганата калия и рассчитать окисляемость исследуемой воды по следующей формуле, мг/л:

Окисляемость =

где 8 - миллиэквивалентная масса кислорода, мг.

5.2.6. Написать отчет о проделанной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО В ВОДЕ КИСЛОРОДА

Цель работы: ознакомление с методикой определения и расчета концентрации кислорода, растворенного в воде.

6.1. Теоретическая часть

Содержание кислорода в воде является одним из важных химических показателей, по которому определяются санитарно-гигиенические и технические качества воды и количество загрязнений, допустимых к сбросу в водоемы.

Кислород, растворенный в воде, играет большую биологическую и техническую роль, Концентрация его в природных водах зависит от температуры вода, давления растворяющегося газа и природы веществ, содержащихся в воде.

При всех прочих равных условиях концентрация кислорода в чистых водах всегда выше, чем в загрязненных. Содержание растворенного кислорода в воде при учете ее температуры и интенсивности аэрации дает возможности судить о степени загрязнения воды минеральными и органическими восстановителями и определять по этим показателям санитарно-гигиенические качества воды.

Растворенный кислород не должен содержаться в воде для питание паровых котлов высоких давлений, т.к. при концентрации его больше 0,1 мг/л и высоких температурах наблюдается коррозия металлических 'деталей.

Определение концентраций кислорода в воде по методу Винклера основано на способности гидроксида марганца (П) окисляться за счет растворенного кислорода до гидроксида марганца (Ш). которым затем окисляют ионы йода /J-
/
до свободного состояния (J2
). Последний может быть оттитрован раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала в качестве индикатора/ По эквивалентному количеству израсходованного тиосульфата натрия определяется концентрация кислорода в воде.

6.2. Экспериментальная часть

Порядок выполнения работа.
Получив у преподавателя пробу исследуемой воды, наполнить ею кислородную склянку, которую слегка прикрыть пробкой, чтобы выдавить небольшое количество воды. Затем к отобранной пробе цилиндром прибавить I мл смеси, представляющей собой водный раствор гидроксида натрия и иодида калия, и другим цилиндром или пипеткой ввести 1 мл раствора хлорида марганца (П).

Осторожно закрыв кислородную склянку пробкой таким образом, чтобы в воду не попали пузырьки воздуха, тщательно перемешать полученный раствор; переворачивая склянку примерно 10-15 раз. При этом происходит взаимодействие гидроксида натрия с хлоридом марганца (II) с образованием гидроксида марганца (П) телесного цвета, который окисляется кислородом, содержащемся в воде, до гидроксида марганца (III).

Написать уравнения соответствующих процессов.

Оставить склянку с образовавшимися веществами до их полного оседания. Затем ее осторожно открыть и прибавить цилиндром или пипеткой 3 мл серной кислоты (1:3), снова закрыть и тщательно перемешать до растворения осадка. При этом происходит процесс, схема которого представлена ниже. Необходимо составить полное и электронно-ионные уравнения этого процесса, протекающего по следующей схеме:

Mn(OH)3
+ H2
SO4
+ KJ ® MnSO4
+ J2
+ H2
O + K2
SO4

Вылить полученный раствор, окрашенный за счет йода в бурый цвет, в коническую колбу, добавить в качестве индикатора 1 мл 1%-ного крахмала. Раствор приобретает синюю окраску. Оттитровать его децинормальным (0,1 н) раствором тиосульфата натрия до полного обесцвечивания. При этом происходит процесс окисления тиосульфата натрия и восстановление йода по следующей схеме:

J2
+ Na2
S2
O3
® NaJ + Na2
S4
O6

Соcтавить полное и электронно-ионные уравнения процесса.

Исходя из закона эквивалентов, рассчитать концентрацию кислорода мг/л, по следующей формуле:

,

где - нормальность тиосульфата;

- объем тиосульфата натрия, пошедшего на титрование выделившегося йода, мл;

- объем исследуемой воды, мл;

8 - миллиэквивалентная масса кислорода;

1000 - коэффициент перевода концентрации к 1 литру.

Полученный результат проверить у преподавателя и написать отчет по работе.

Список литературы

1. Возная Н. Ф. Химия воды и микробиология. - М.: Высшая школа, 1979.

2. Вехотко Т. И., Ильменкова Л. И. Химия и микробиология природных и сточных вод. Ч. I: Общие свойства воды и водных растворов: Учебное пособие.
- Л.: ЛИИЖТ, 1977

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

Цель работы: познакомиться с методами получения и свойствами коллоидных систем.

7.1. Теоретическая часть

В природных и сточных водах многие вещества: гуминовые кислоты, частицы глины, гидроксиды и сульфиды металлов, нефепродукты, минеральные масла, кремниевая кислота, продукты распада органических веществ и другие – могут находиться в коллоидном состоянии. Коллоиды относятся к устойчивым микрогетерогенным системам. Диаметр коллоидных частиц (10-1000 или 10-5
-10-7
см) меньше длины волн видимого цвета, поэтому они рассеивают его, т.е. частично пропускают, а частично отражают под разными углами. Вследствие этого коллоиды в проходящем свете кажутся прозрачными, а в отраженном – мутными. Чем меньше диаметр коллоидных частиц, тем меньше длина волн рассеиваемого света. Если в воде содержатся очень мелкие частицы, то она приобретает синюю или голубую окраску (морская вода). При наличии в воде крупных коллоидных частиц она окрашивается в коричневый цвет (гуминовые воды болотного происхождения).

Благодаря небольшому диаметру коллоидных частиц, их суммарная поверхность очень велика. Поэтому эти системы обладают большой поверхностной (свободной) энергией и характеризуются способностью адсорбировать молекулы растворителя и ионы, содержащиеся в растворе. Вследствие этого коллоидные частицы приобретают мицеллярное строение. Мицелла не имеет строго определенного состава, тем не менее, ее строение можно представить в следующем виде (на примере коллоидной частицы иодида серебра):

{M[AgJ] nJ-
(n-x)K+
}-
x
хК+

Ядро Адсорбционный Диффузный

слой слой

Гранула

Мицелла

Заряд гранулы определяют ионы адсорбционного слоя (в данном случае ионы J-
), называющиеся потенциалобразующими и являющиеся родственными веществу ядра. На границе ядра за счет этих ионов возникает потенциал, равный сумме их зарядов, который называется термодинамическим, или e-потенциалом. Ионы К+
, входящие в адсорбционный слой, называются противоионами адсорбционного слоя, и их количество в нем меньше количества потенциалобразующих ионов. За счет этой разницы частица, состоящая из ядра и адсорбционного слоя, носящая название гранулы, обладает зарядом. На границе адсорбционного слоя возникает потенциал, называемый электрокинетическим или дзета-потенциалом ( x-потенциал). Ионы К+
, входящие в диффузный слой, носят название противоионов диффузного слоя, и их количество равно заряду гранулы, которая вместе с диффузионным слоем образует мицеллу - нейтральную частицу коллоидной системы. Но мицелла коллоида иодида серебра может иметь и другую формулу в зависимости от условий ее получения:

{m [AgJ] nJ-
(n-x) K}-
x
xK+
(в случае избытка KJ)

{m [AgJ] nAg+
(n-x) }+
x
x (в случае избытка AgNO3
)

По степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой коллоидные системы делятся на лиофобные и лиофильные. Если дисперсионной средой является вода, то соответственно они называются гидрофобными и гидрофильными.

Лиофобные коллоиды практически не взаимодействуют с молекулами растворителя. Лиофильные коллоиды способны связывать большое количество растворителя.

Различают два типа устойчивости коллоидных систем: кинетическую и агрегативную.

Кинетическая устойчивость определяется интенсивностью броуновского движения, препятствующего оседанию (или всплыванию) частиц. Интенсивность броуновского движения увеличивается с понижением вязкости и с повышением температуры среды. Агрегативная устойчивость препятствует слипанию (агрегации) частиц. Она обусловлена наличием одноименных электрических зарядов на гранулах коллоидных частиц, вследствие чего они отталкиваются. Сила отталкивания зависит от величины дзета-потенциала. Знак заряда гранул можно определить с помощью электрофореза – направленного движения частиц дисперсной фазы в электрическом поле постоянного тока к одному из электродов. Установлено, что гранулы коллоидов гидроксидов железа, алюминия и других металлов имеют положительный заряд, а гранулы коллоидов кремневой кислоты, гуминовых кислот, сульфидов металлов, серы и других обладают отрицательным зарядом.

При понижений дзета-потенциала до 0,03 В коллоидные частицы, сталкиваясь, образуют более крупные агрегаты и осаждаются Такое укрупнение коллоидных частиц называется коагуляцией, внешним признаком которой является помутнение коллоида за счет образования агрегатов, способных отражать видимый свет. Наступающая за ней седиментация − осаждение этих агрегатов под действием силы тяжести.

Уменьшить дзета-потециал можно путем увеличения в растворе концентрации электролита. Роль коагулянта (вещества, ввызывающего коагуляцию) играет ион, противоположный по знаку заряда гранулы. При увеличении концентрации противоположно заряженных ионов в диффузионном слое они могут переходить в адсорбционный слой и понижать величину дзета-потенциала. Состояние коллоидной системы, при котором его величина становится равной нулю, называется изо-электрическим, а величина рН, отвечающая этому состоянию, − изоэлектрической точкой. Чем больше валентность коагулирующего иона, тем выше его способность вызывать коагуляцию (правило Шульце-Гарди). Минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции.

Коагуляция коллоидов может быть вызвана также путем повышения температуры, смешивания коллоидов с различными знаками зарядов гранул и др. Некоторые коллоиды при коагуляции способны создавать из коллоидных частиц пространственные сетки, образуя твердообразные не текучие структурированные системы, называемые гелями. Гели, способные к набуханию, называются эластичными. При их старении возникает явление синерезиса − разделения гелия на две фазы − жидкую и твердую.

Некоторые гели, например глинистых и цементных растворов, под влиянием механических воздействий могут переходить в золь (коллоид), который через некоторое время снова переходит в гель. Такое явление называется тиксотропией.

Коллоидные системы могут быть получены двумя противоположными методами: укрупнения молекул, атомов (конденсации) и раздробления макрочастиц (диспергирования). Эти методы могут осуществляться различными способами. Так, конденсацию можно осуществить в результате химической реакции, путем замены растворителя и др. Диспергирование можно осуществить как механическим путем (с помощью коллоидных мельниц), так и химическим − введением в систему пептизатора − вещества, за счет которого из свежеприготовленного осадка или геля получается коллоид. Такой способ диспергирования называется пептизацией.

7.2. Экспериментальная часть

Получение золя гидроксида железа (
III).
Нагреть до кипения 100 мл дистиллированной воды. К кипящей воде прибавить небольшими порциями 5 мл 10%-ного раствора хлорида железа (Ш). Пронаблюдать образование красно-кирпичного золя гидроксида железа (Ш).

Составить молекулярное и ионное уравнения полного гидролиза хлорного железа; формулу мицеллы золя гидроксида железа (Ш), учитывая, что заряд гранулы положительный.

Диализ золя гидроксида железа (Ш).
Диализатор заполнить наполовину коллоидом гидроксида железа (Ш), поместить сосуд в стаканчик с небольшим количеством дистиллированной воды и закрепить сосуд на штативе так, чтобы он не касался дна стакана. Через 30 мин воду из стаканчика разлить в две пробирки. В первую пробирку прилить пять-шесть капель нитрата серебра, во вторую − столько же метилоранжа. Написать уравнения реакций и объяснить, почему в первой пробирке образовался небольшой белый осадок, а во второй − изменилась окраска раствора; какие частицы проникли через мембрану в воду и вызвали образование осадка и изменение окраски метилоранжа.

Влияние заряда иона на коагулирующую способность электролита.
В четыре чистых пробирки налить по 1/3 их объема диализованного золя гидроксида железа. В каждую пробирку прилить из бюретки по пять-шесть капель одного из нижеуказанных электролитов:

1. KCl (0,5 н)

2. KCl (насыщенный)

3. K2
SO4
(0,5 н)

4. K3
[Fe(CN)6
] (0,5 н)

Что при этом наблюдается?

Какие ионы вызывают коагуляцию? Сделать вывод о коагулирующей способности ионов по интенсивности помутнения раствора в пробирках и записать результат, расположив ионы по их убывающей способности.

Защитное действие раствора высокомолекулярного соединения.
В две пробирки налить до 1/3 их объема коллоида гидроксида железа (III), затем в одну из них прилить из бюретки 1 мл раствора желатина, а в другую − 1 мл дистиллированной воды. Пробирки встряхнуть. В каждую из пробирок добавить по пять-шесть капель 0,5 н раствора сульфата калия и снова встряхнуть содержимое пробирок.

Как сказалась добавка высокомолекулярного соединения (желатина) на устойчивость золя гидрата окиси железа?

Приготовление эмульсии керосина в воде.
Нижеуказанные опыты А и Б проделать параллельно.

А. В пробирку налить из бюретки 1 мл приготовленного раствора мыла, а затем туда же прилить 1 мл керосина. Закрыть пробирку резиновой пробкой и содержимое пробирки сильно встряхнуть. Когда весь керосин будет смешан с мыльным раствором, к полученной массе прилить 10 мл дистиллированной воды и, закрыв пробирку пробкой, снова несколько раз сильно встряхнуть содержимое пробирки.

Б. В другую пробирку налить 1 мл дистиллированной воды, а затем туда же прилить 1 мл керосина. Закрыть пробирку резиновой пробкой и содержимое пробирки сильно встряхнуть. Когда весь керосин будет смешан с мыльным раствором, к полученной массе прилить 10 мл дистиллированной воды и, закрыв пробирку пробкой, снова несколько раз сильно встряхнуть содержимое пробирки. Отметить время начала и конца расслоения эмульсии в каждой пробирке.

Примечание Молекулы мыла адсорбируются на поверхности капельки эмульсии, создавая структурированную оболочку. Такая оболочка является вязкой, прочной, упругой и предохраняет капельки эмульсии от слияния, придавая им высокую устойчивость. Мыло в этом случае является эмульгатором.

Список литературы

1. Глинка Н. Л. Общая химия. – М.: Высшая школа, 1983-1988.

2.
Курс химии / Под редакцией Г. А. Дмитриева. М.: Высшая школа, 1971.

3. Дисперсные системы: Программированный химический тренажер для самостоятельной работы студентов всех форм обучения / Сост. М. С. Барвинок, В. Л. Шубаев, Т. В. Шатрова. – Л.: ЛИИЖТ, 1989.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ДОЗЫ КОАГУЛЯНТА

Цель работы: ознакомиться с методикой определения дозы коагулянта.

8.1. Теоретическая часть

Для очистки природных и сточных вод от коллоидных загрязнений в водоснабжении используются коагулянты − легкогидрализующиеся соли алюминия и железа: Al(SO4
)3
· 18H2
O – восемнадцативодный сернокислый глинозем; FeCl3
· 6H2
O – хлорное железо; FeSO4
· 7H2
O – сульфат железа (II); Al2
(OH)5
Cl · 6H2
O - гидрохлорид алюминия; NaAlO2
- алюминат натрия; Fe2
(SO4
)3
-
сульфат железа (Ш). Применяется также смешанный коагулянт, представляющий собой смесь растворов сульфата алюминия и хлорида железа (III) в соотношении I:I, моль.

Доза коагулянта Дк
безводного сернокислого глинозема для цветных вод, мг/л, рассчитывается по эмпирической формуле:

Дк
= 4

где Ц0
– цветность воды в градусах платиново-кобальтовой шкалы.

Для мутных вод доза коагулянта рассчитывается, мг/л, по величине мутности М по формуле:

Дк
= 3,5

Расчетная доза коагулянта не всегда дает требуемый эффект - быстрое образование и осаждение хлопьев осадка, достаточно хорошую очистку воды (понижение окисляемости и цветности воды), повышение прозрачности и др. Поэтому оптимальную дозу коагулянта (минимальную его дозу, которая вызывает по истечении 10-15 мин эффективную коагуляцию – образование крупных, быстро осаждающихся хлопьев осадка, достижение требуемой очистки) часто определяют экспериментально.

Если щелочность воды недостаточна для нейтрализации кислот, образующихся при гидролизе коагулянта, то воду подщелачивают. Доза щелочи рассчитывается по формуле:

Дщ
= 0,075 Дк
– Щ0
+ 1

где Дщ
- доза щелочи, обеспечивающая нормальное протекание гидролиза, мэ/л;

Дк
– доза коагулянта, мг/л;

Щ0
– общая щелочность исходной воды, мэ/л;

1 – резервная остаточная щелочность воды, мэ/л.

Для перевода дозы щелочи в мг/л ее умножают на величину эквивалента того вещества, которым осуществляется подщелачивание.

Процесс коагуляции характеризуется несколькими стадиями, После смешивания раствора коагулянта с очищаемой водой в первое время никаких изменений не происходит. Затем появляется опалесценция, после чего вода мутнеет от образования большого количества мельчайших хлопьев (до 5000 в 1 мл), которые агрегируются в более крупные. При этом число их в единице объема уменьшается, а после того, как достигает 5-10 единиц в 1 мл (конец хлопьеобразования), начинается их осаждение. Перемешивание воды вызывает ускорение роста частиц.

8.2. Экспериментальная часть

Взять у преподавателя пробу исследуемой воды. Определить ее окисляемость, измерить цветность (в градусах бихроматно-кобальтовой шкалы) и рН на рН-метре. Рассчитать теоретически необходимую дозу коагулянта по цветности исходной воды. В 4 цилиндра налить по 0,5 л этой воды и к каждой порции добавить в качестве коагулянта соответственно 0,5; I;.1,5 и 2,5 мл 0,5 н раствора сернокислого глинозема (сульфата алюминия). Рассчитать, какому количеству коагулянта, мг/л, отвечают прилитые объемы. Растворы тщательно перемешать стеклянной палочкой с резиновым наконечником в течение 1-3 мин.

Отметить время образования хлопьев, размеры хлопьев (мелкие, средние, крупные), время осаждения основной массы хлопьев, внешний вид отстоявшейся воды.

Через 10-15 мин после введения коагулянта определить, в каком из цилиндров условия для коагуляции были оптимальными. Отфильтровать эту воду, определитьее окисляемость, цветность и рН.

Сопоставить экспериментально найденную дозу коагулянта с теоретически вычисленной.

Сделать вывод об оптимальной дозе коагулянта.

Список литературы

1. Возная Н. Ф. Химия воды и микробиология. - М.: Высшая школа, 1979.

2. Вехотко Т. И., Ильменкова Л. И. Химия и микробиология природных и сточных вод. Часть 3. Технологический анализ. Отстаивание и коагуляция воды: Учебное пособие.
- Л.: ЛИИЖТ, 1979.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ С ПОМОЩЬЮ ИОНОСЕЛЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРОДА «ЭКОМ – СА+MG» И АНАЛИЗАТОРА «ЭКСПЕРТ–001-3»

Цель работы: экспериментальное (инструментальное) определение исходной жесткости пробы воды и умягчение ее реагентным способом с последующим определением остаточной жесткости.

Жесткость воды, обусловленная присутствием в воде солей кальция и магния, является одним из важнейших показателей воды; применение жесткой воды может вызвать ряд нежелательных процессов, связанных с образованием на поверхности инженерных сооружений и технологической аппаратуры паровых котлов, систем водяного охлаждения и т.д. плотных осадков, которые уменьшают теплообмен. Наличие осадков, перегрев систем, трещины – все это может привести к коррозии металлов инженерных сооружений. Поэтому одним из важнейших этапов водоподготовки является умягчение воды, т.е. удаление из нее тех продуктов, которые обуславливают жесткость.

Лабораторная работа состоит из трех частей:

1) расчетной, выполняемой заранее и являющейся допуском к работе;

2) экспериментальной, включающей инструментальное определение жесткости, умягчение пробы воды заданным реагентом и определение остаточной жесткости;

3) отчета о работе.

1. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

До выполнения экспериментальной части работы необходимо ознакомиться с теорией вопроса и выполнить расчетные задания по теме, которые являются домашним заданием и допуском к экспериментальной части работы. Выполнение расчетов производится по заданию, приведенному ниже в соответствии с номером варианта таблицы 1.

РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАЧИ

№ 1. Определить все виды жесткости воды, если в объеме воды V, л, содержится А мг Са2+
, В мг Mg2+
, С мг НСО3
-
.

№ 2. Определить жесткость и нормальность водного раствора, если в воде объемом V, л, содержится А мг Са2+
и В мг Mg2+
.

№ 3. Определить остаточную жесткость воды, если к воде объемом V, л, с содержанием А мг Са2+
и В мг Mg2+
прибавили m мг реагента Р.

№ 4. Определить массу (граммов) выпавшего осадка после реагентного умягчения воды, если к пробе воды объемом V, л, и содержанием А мг Са2+
прибавили m мг реагента Р.

№ 5. Определить остаточную жесткость воды после кипячения с исходным содержанием в V л воды А мг Са2+
, В мг Mg2+
, С мг НСО3
-
.

№ 6. Определить остаточную жесткость воды с исходным содержанием в V, л воды А мг Са2+
, В мг Mg2+
после прибавления к данной пробе воды m мг реагента Р.

Таблица 9.1

Варианты задания

№ варианта	№ задач	Исходные данные
		Объем воды V, л	Содержание в воде, мг			Реагент (Р) для умягчения
			А (Са2+ )	В (Mg2+ )	C (HCO3 - )	Наиме-нование	Масса (mp ), мг
1	1, 3, 5	1,250	60	40	122	Na2 CO3	106
2	2, 4, 6	0,400	30	12	61	Ba(OH)2	159
3	1, 2, 5	0,300	10	8	20	Na3 PO4	53
4	2, 3, 6	1,200	100	60	500	Ba(OH)2	100
5	2, 4, 5	0,600	50	20	50	Na2 CO3	106
6	3, 5, 6	0,750	60	40	100	Na2 CO3	106
7	1, 3, 6	2,200	200	100	400	Na3 PO4	150
8	1, 4, 5	0,500	20	10	40	Ba(OH)2	80
9	2, 4, 5	2,300	300	150	366	Na2 CO3	212
10	1, 4, 5	1,300	200	100	400	Na2 CO3	159
11	2, 3, 6	0,700	15	10	244	Na3 PO4	50
12	3, 4, 5	0,800	40	20	30	Ba(OH)2	70
13	2, 3, 6	1,200	30	30	600	Ba(OH)2	100
14	4, 5, 6	0,900	20	15	30	Na2 CO3	53
15	1, 5, 6	0,200	5	4	10	Na2 CO3	40
16	1, 2, 4	0,350	8	6	18	Na2 CO3	20
17	1, 5, 6	1,100	20	45	40	Na3 PO4	75
18	2, 4, 5	0,300	15	20	30	Ba(OH)2	40
19	1, 2, 5	0,450	20	15	30	Ba(OH)2	40
20	3, 4, 6	1,600	30	60	244	Na3 PO4	120
21	1, 3, 6	0,850	50	30	122	Na3 PO4	80
22	2, 4, 5	2,500	120	200	366	Na2 CO3	300
23	3, 5, 6	0,300	20	10	80	Ba(OH)2	50
24	1, 3, 5	0,600	30	24	120	Ba(OH)2	90
25	2, 4, 6	0,850	40	36	122	Na3 PO4	100
26	1, 2, 5	1,000	60	12	183	Na2 CO3	159
27	3, 5, 6	0,600	30	36	122	Na2 CO3	53
28	1, 2, 3	0,700	70	48	100	Na3 PO4	70
29	2, 3, 5	2,250	200	72	427	Na3 PO4	60
30	2, 4, 6	0,300	20	24	61	Ba(OH)2	40

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Определение жесткости воды (концентрации солей кальция и магния) производится потенциометрическим методом с помощью ионоселективного электрода «Эком – Са+Mg» на анализаторе «Эксперт-001-3».

Метод заключается в измерении разности потенциалов (ЭДС) измерительного электрода и электрода сравнения ЭВЛ-1-М3.1. В основу работы анализатора положен метод построения градуировочного графика зависимости ЭДС электродной системы от концентраций градуировочных (стандартных) растворов с известной концентрацией и последующего нахождения концентрации анализируемого раствора.

Измерение жесткости производится в следующем порядке:

1. В мерный стакан налить 45 мл исследуемого раствора.

2. Определить рН исследуемого раствора (допустимый диапазон рН = 7 ¸ 10).

3. Прилить к исследуемому раствору с помощью бюретки 5 мл фонового раствора (0,1 М раствор KCl). Тщательно перемешать.

4. Опустить электроды в стакан с исследуемым раствором на глубину не менее 20 мм.

5. Включить прибор (кнопка «вкл.»); на дисплее появится надпись «Выбор режима. РН-метр-иономер»/

6. Нажать кнопку «ион» и кнопками < и > выбрать из списка ионов ионы «Ca-Mg», на дисплее появится надпись «Са-Mg».

7. Нажат

ь кнопку «ввод», на экране появится надпись «рН-метр-иономер».

8. Нажать кнопку «изм.» (при этом на дисплее появится надпись «Са-Мg» и время измерения), затем нажать кнопку «М» (выдается результат в ммоль/л). Перевести полученный результат в единицы жесткости. Записать результат в таблицу 2.

9. После записи результата нажать кнопку «отм», при этом снова входим в режим «рН-метр-иономер», и прибор готов к следующему измерению.

10. Для устранения жесткости в данном объеме рассчитать количество Na2
CO3
и добавить в стаканчик с исследуемым раствором, перемешать в течение 2-3 минут и провести экспериментальное измерение остаточной жесткости воды по п.п. 4-8. Результаты записать в таблицу 9.2.

11. Провести теоретический расчет остаточной жесткости после умягчения данной пробы воды предложенным реагентом.

Таблица 9.2

Экспериментальное определение жесткости воды

Исходные данные					Результаты эксперименталь-ного определения жесткости		Теоретическое * определение остаточной жесткости
№ пробы	V воды, л	Реагент			Жисх. до умягчения, мэкв/л	Жост. после умягчения, мэкв/л	Устранимая Жр , мэкв/л Жр =mр /Эр ×V	Остаточная жесткость Жост. , мэкв/л Жост. = Жисх. -Жр
		Наименование	Эквивалентная масса реагента, Эр	Масса (mр ), мг

* Привести пояснения к теоретическому определению остаточной жесткости:

a) расчет эквивалентной массы реагента;

b) расчет устранимой жесткости исходной пробы воды;

c) расчет остаточной жесткости воды.

3. ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет должен включать:

- наименование, цель работы;

- расчеты по заданию (на основании таблицы 9.1);

- результаты измерений и расчетов (таблица 9.2);

- выводы по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ДОЗЫ АКТИВНОГО ХЛОРА

Цель работы: ознакомиться с методом определения оптимальной дозы хлора для обеззараживания природных вод.

10.1. Теоретическая часть

В природной воде среди различных микроорганизмов могут находиться и патогенные (болезнетворные). Поэтому воду открытых водоемов перед употреблением для хозяйственно-бытовых нужд необходимо обеззаразить. Обеззараживание может быть осуществлено различными методами: физическими, физико-химическими и химическими.

Процессы обеззараживания природных вод химическими методами сводятся к окислению составных частей цитоплазмы патогенных микроорганизмов различными реагентами.

Существование в природных водах аэробных патогенных микроорганизмов показывает, что окислительно-восстановительный потенциал кислорода в нейтральной среде (j = 0,82 В) недостаточен для их окисления. Поэтому для обеззараживания воды должны применяться окислители с более высоким потенциалом, который может служить критерием для выбора обеззараживающих веществ и оценки силы их воздействия. Основываясь на этом, в качестве химических реагентов могут быть предложены такие способы химического обеззараживания, как озонирование и хлорирование.

Озонирование - очень перспективный метод, но наиболее употребляемым методом обеззараживания воды является хлорирование. Оно может осуществляться различными реагентами: свободным жидким и газообразным хлором, хлорноватистой кислотой, гипохлоритами (солями хлорноватистой кислоты), белильной известью и др.

Во всех этих соединениях окислительными свойствами обладает так называемый активный хлор. Под активным хлором понимают то количество свободного молекулярного хлора, которое отвечает окислительной способности данного соединения.

Количество хлора, идущего на окисление органических и неорганических примесей, определяет величину хлорпоглощаемости воды. Дозу обеззараживающего реагента выбирают таким образом, чтобы после окисления всех примесей оставалось некоторое избыточное количество хлора - остаточный хлор. Эта доза является оптимальной и достаточной. Согласно ГОСТ на питьевую воду после 30-минутного контакта хлора с водой остаточного хлора должно быть не более 0,5 мг/л и не менее 0,3 мг/л при выходе с очистных сооружений и не менее 0,1 мг/л в наиболее отдаленных точках водозабора.

Остаточный хлор в питьевой воде при предварительном осветлении определяют через каждый час. Оптимальную дозу обеззараживающего реагента определяют пробным хлорированием.

10.2. Экспериментальная часть

10.2.1. Определение концентрации активного хлора в хлорной извести

В коническую колбу емкостью 250 мл всыпать щепотку (примерно 0,5 г) иодида калия и растворить его в 2-3 мл дистиллированной воды. Затем пипеткой ввести 25 мл исследуемого раствора хлорной извести и 5 мл серной кислоты (1:5). При этом в растворе происходит окислительно-восстановительный процесс, описываемый следующим уравнением:

Выделившийся свободный йод оттитровать 0,01 Н раствором тиосульфата натрия (Na2
S2
O3
) до слабо-желтого окрашивания. Затем добавить 1 мл раствора крахмала и титровать раствор до исчезновения синей окраски от одной капли тиосульфата натрия. При этом происходит окислительно-восстановительный процесс по следующему уравнению:

Рассчитать концентрацию активного хлора в исследуемом растворе хлорной извести по формуле, мг/мл,

где 35,5 - эквивалентная масса хлора.

10.2.2. Определение оптимальной дозы хлора для обеззараживания природной воды

В пять колб налить по 250 мл исследуемой воды и в каждую ввести одну из следующих доз хлора, мг/л: 0,5; 1,0; 2; 4; 9. Исходя из рассчитанной концентрации активного хлора в белильной извести, определить, какому объему ее, мл, будут соответствовать вышеприведенные количества хлора.

После 30-минутного контакта исследуемой воды с введенным хлором определить в каждой пробе концентрацию остаточного хлора, мг/л. Для этого в каждую пробу добавить щепотку йодистого калия (около 0,5 г) и по 5 мл серной кислоты (1:5).

Выделившийся йод оттитровать 0,01 Н раствором тиосульфата натрия по методике 10.2.1.

Рассчитать концентрацию остаточного хлора в каждой пробе.

По полученным данным построить график хлорпоглощаемости исследуемой воды, откладывая по оси абсцисс дозу выделенного хлора, мг/л, а по оси ординат - концентрацию остаточного хлора, мг/л. По графику определить оптимальную дозу хлора.

Вычислить показатель хлорируемости воды Охл
по формуле:

,

где Д - доза введенного хлора, соответствующая содержанию остаточного хлора 0,5 мг/л.

По результатам работы написать отчет.

МИКРОБИОЛОГИЯ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 11

УСТРОЙСТВО МИКРОСКОПА И ПРИЕМЫ МИКРОСКОПИРОВАНИЯ

Цели: 1.Знакомство устройством светопольного микроскопа.

2. Приготовление препаратов фиксированных клеток.

3. Знакомство с морфологией микроорганизмов.

Кроме мира, видимого невооруженным глазом, вокруг нас присутствует невидимый мир ничтожно малых живых существ, которые называются микроорганизмами
(м/о). Изучением м/ов занимается микробиология.

М/Б - micros-малый, bios-жизнь, logos- учение. Она изучает строение, жизнедеятельность м/ов и изменения, вызываемые ими в окружающей природе. Всякое изучение начинается с морфологии.

МОРФОЛОГИЯ - структура, форма и особенности строения клеток микроорганизмов. Изучение м/о возможно только через микроскоп.

1. ЗНАКОМСТВО С УСТРОЙСТВОМ СВЕТОП. М/П.

М/П - сложный оптический прибор, оптическая часть которого смонтирована на специальный штатив.

колонка (2 винтовые системы) (к колонке подвижно прикреплены

Штатив тубус и столик)

основание

2 винтовые системы: - макрометрический винт - позволяет быстро передвигать тубус;

- микрометрический винт- для детальной, более точной установки тубуса.

3 увеличительные системы:

1- объектив
(внизу тубуса)- дает действительное изображение рассматриваемого объекта (сила увеличения- 10х, 40х, 90х).

2- окуляр
- система увеличительных стекол, с помощью которых происходит увеличение изображения, даваемого объективом (находится в верхнем конце тубуса). Сила увеличения-7х, 10х, 15х раз.

3- линза конденсора
(у основания м/п) - система увеличительных стекол, пройдя через которую свет фокусируется на объекте.

Объектив с увеличением 90х - иммерсионный объектив.

ПРАВИЛА РАБОТЫ С ИММЕРСИОННЫМ ОБЪЕКТИВОМ:

1. Устанавливаем объектив с увеличением х20.

Вращая макровинтом и глядя в окуляры, находим колонию микроорганизмов.

2. Установим объектив х90.

На сухой окрашенный препарат наносим каплю иммерсионного масла.

4. Глядя сбоку, осторожно опускают макровинтом тубус м/п до погружения объектива в масло, (следят за тем, чтобы линза не коснулась стекла).

5. Наблюдая в окуляр, макровинтом медленно поднимают тубус и фокусируют объект.

6. Зарисовать все просмотренные препараты. (название препарата на латинском языке).

2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПРЕПАРАТОВ ФИКСИРОВАННЫХ КЛЕТОК.

Подготовка препаратов фиксированных клеток.

Фиксированные окрашенные препараты м/ов рассматриваются через

иммерсионный объектив. Их приготовление включает следующие этапы:

1. Приготовление мазка.

2. Высушивание.

3. Фиксация.

4. Окраска.

1. Пробирку с культурой. м/ов берут в левую руку и держат в горизонтальном или в наклонном положении. В правую руку берут бактериальную петлю и прокаливают ее в пламени горелки. Затем вводят в пробирку и, отобрав небольшое количество микробной массы, наносят на предметное стекло.

2. Высушивание - при комнатной температуре на воздухе.
3.Фиксация преследует несколько целей:

а) обеспечить прикрепление клеток к стеклу;

б) сделать мазок более восприимчивым к окраске, так как мертвые клетки окрашиваются лучше;

в) сделать безопасным дальнейшее обращение с мазком.

Фиксацию клеток осуществляют термической обработкой - препарат трижды проводят через наиболее горячую часть пламени спиртовки.

4.
Окрашивание - для простого окрашивания будем использовать генциановый фиолетовый. Фиксированный препарат помещают на 2 // стеклянные палочки, соединенные резиновым шлангом. Помещаем на края кюветы и заливаем красителем на 2-3 минуты.

По окончании окраски препарат промывают водой (пока вода не станет прозрачной). Препарат высушивают на воздухе.

РАССМАТРИВАЕМЫЕ ПРЕПАРАТЫ.

1. STREPTOCOCCUS LACTIS.

2. LACTOBACTERIUM ACIDOPHILUM.

3. SACCHAROMYCES.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

МЕТОДЫ УЧЕТА ЧИСЛЕННОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ

1. Учет численности микроорганизмов в почве методом питательных пластин в сочетании с методом последовательных разведений

Почва — наиболее благоприятная среда для развития микроорганизмов. В связи с большой гетерогенностью ее состава для учета численности в ней микроорганизмов с исследуемого участка берут среднюю
почвенную пробу.

Сначала готовят суспензии (методом разведения), содержащие разные концентрации почвы в 1 мл воды. Для этого стерильное часовое стекло стерильным фарфоровым шпателем или алюминиевой чайной ложкой берут из банки или мешка навеску почвы в 1 г. Часовое стекло, шпатель, ложку фломбируют в пламени горелки или, смочив в спирте, обжигают. При взвешивании почвы часовое стекло накрывают другим стерильным часовым стеклом.

Навеску почвы, соблюдая условия асептики, переносят в колбу на 250 мл с 99 мл стерильной воды. Смесь взбалтывают 5 мин, не смачивая пробку. Стерильной пипеткой берут 1 мл суспензии, содержащей 10-2
г почвы, и переносят в пробирку с 9 мл стерильной водопроводной воды. Пипетку неоднократно промывают водой в пробирке, чтобы максимально смыть клетки с ее стенок. Другой стерильной пипеткой берут из колбы еще 1 мл суспензии и помещают во вторую колбу, также содержащую 99 мл стерильной водопроводной воды. Эту пипетку промывают таким же образом, как и в первом. Пробирку и вторую колбу взбалтывают 1 мин. Концентрация почвы в пробирке будет 10-3
г, во второй колбе — 10-4
г. Точно так же новыми стерильными пипетками переносят по 1 мл суспензии из второй колбы во вторую пробирку с 9 мл и в третью колбу с 99 мл стерильной водопроводной воды и готовят новые суспензии, содержащие в 1 мл соответственно 10-5
и 10-6
г почвы.

Для определения численности микроорганизмов в каждом разведении методом питательных пластин можно провести глубинный или поверхностный посев. Последний - более сложный и занимает больше времени. Поэтому для подсчета численности бактерий в почве методом питательных пластин можно ограничиться глубинным посевом, а поверхностный использовать при учете численности различных физиологических групп микроорганизмов на плотных средах.

Для определения количества живых клеток, содержащихся в 1 мл суспензии каждого разведения, берут по 1 мл этих суспензий и переносят в стерильные чашки Петри, используя всякий раз новую стерильную пипетку. На крышках чашек стеклографом отмечают исследуемый вариант и разведение. Затем в чашки Петри вливают расплавленный МПА, заранее приготовленный и разлитый в пробирки на 20 мл (2
/3
объема) из расчета одна пробирка на чашку. Температура агара должна быть примерно 45 °С. Ее определяют, прикладывая пробирку с расплавленным агаром к щеке: если щеке не горячо — среду можно вылить в чашку Петри. Осторожными круговыми движениями чашки, не смачивая крышку, агар перемешивают с суспензией. Чашки с застывшим агаром переворачивают вверх дном, чтобы избежать попадания на его поверхность конденсационной влаги с крышки, и помещают в термостат при 28—30 °С.

Клетки микроорганизмов, попав в питательную среду, начинают размножаться и образуют видимые невооруженным глазом колонии. Каждая колония на чашке с питательной средой вырастает из одной колониеобразующей единицы
(КОЕ), которая может представлять собой бактериальную, дрожжевую клетку, спору, кусочек мицелия актиномицета или гриба. Через 48 ч инкубации чашки вынимают из термостата и предварительно подсчитывают число колоний. В связи с тем что существуют медленнорастущие формы бактерий, окончательный подсчет делают на 5-е сут.

Количество КОЕ в 1 г сырой почвы устанавливают, умножая число колоний в чашке на степень разведения — число, показывающее, во сколько раз в каждом конкретном случае разбавили 1 г почвы. Казалось бы, во всех вариантах посева должно получиться примерно одинаковое число КОЕ, однако Практике происходит не так.

Иногда клеток так много, что развившиеся колонии микроорганизмов сливаются, что часто наблюдается в чашках при разведении 10-2
. При высоких разведениях вырастают единичные колонии (меньше 10 на чашке), которые могут образоваться от случайно попавших клеток из воздуха при внесении в чашку почвенной суспензии или питательной среды. Учет таких чашек сделает подсчет недостоверным. Для правильного определения численности КОЕ подсчитывают только чашки, в которых колоний свыше 10 и не более 250—300 (в последнем случае при условии, если колонии очень мелкие).

При подсчете колоний чашки просматривают в проходящем свете и, чтобы дважды не учитывать одни и те же колонии, подсчитанные отмечают чернилами или тушью. Чтобы пропустить мелкоточечные колонии, чашки дополнительно просматривают под лупой. Можно использовать и специальный прибор для подсчета колоний.

Бывают случаи, когда в последнем разведении (10-б
) число колоний значительно больше 300. Такой посев желательно повторить, увеличив число разведений. Если это невозможно, подсчет выполняют, учитывая, что он дает представление о минимальной численности микроорганизмов в почве.

Метод питательных пластин легко выполним, но ряд недостатков, самый существенный из которых — отсутствие универсальной среды
для развития всех микроорганизмов, обитающих в почве. Питание у разных бактерий специфично, и на каждой среде выявляется довольно узкая физиологическая группа. Так, на МПА развиваются в основном гнилостные бактерии, способные усваивать легко доступные органические формы азота. Нитрифицирующие, целлюлозоразрушающие, азотфиксирующие и другие бактерии на этой среде не развиваются. Для более полного представления о населенности делают посевы на элективные среды или используют| метод прямого подсчета микроорганизмов под микроскопом.

Второй недостаток метода питательных пластин - вероятность неполного учета клеток в образце
в связи с тем, что в одном месте в агаре может застыть не одна, а несколько клеток. Образованные ими колонии сливаются, создавая впечатление одной колонии. Если такие колонии имеют неоднородную структуру, можно внести поправку при подсчете, приготовив них окрашенный препарат. Если под микроскопом обнаруживаются разные формы клеток, например кокки, палочки и сарцины, то считают, что это не одна колония, а, как в данном примере, три. Если все формы клеток одинаковые, то расценивают колонию как результат развития одной клетки (хотя в этом месте одинаковых клеток могло быть 5, 10 и более). Для сравнения количества КОЕ в разных почвах необходимо подсчитать их число в 1 г абсолютно сухой
почвы. С этой целью одновременно со взятием навески почвы для приготовления разведений в отдельный бюкс (металлический или стеклянный), высушенный до постоянной массы, берут навеску (5—10 г) для определения влажности почвы. Сушат почву при 105 °С до постоянной массы. Для определения числа КОЕ в 1 г сырой почвы определяют разность между массами сырой и сухой почвы, делят ее на массу навески и умножают на 100. Затем число клеток в 1 г сырой почвы надо разделить на количество абсолютно сухой почвы, содержащейся в 1 г сырой почвы.

Пример расчета.В1г сырой почвы содержится 5600 клеток. При влажности почвы 30% это число клеток будет соответствовать 0,7 г абсолютно сухой почвы. Определяем численность клеток в 1 г абсолютно сухой почвы:

0,7 г абсолютно сухой почвы содержат 5600 клеток

1,0 г » » х

Таким образом, в 1 г абсолютно сухой почвы содержится 8 тыс. живых клеток.

2. Учет численности КОЕ в воде и других жидкостях

Число микроорганизмов в воде, навозной жиже, огуречном рассоле и других жидких субстратах можно определять различными методами. Если исследование ведут, пользуясь методом питательных пластин, то сначала воду и другие исследуемые жидкости 3 мин хорошо взбалтывают. Затем берут стерильной пипеткой 1 мл жидкости и вносят ее в 99 мл стерильной водопроводной воды. Это — исходное разбавление субстрата в 100 раз. Другой стерильной пипеткой набирают 10 мл исходного разведения и вносят в 90 мл воды, взбалтывают 5 мин и далее готовят методом разведения разные концентрации исследуемой жидкости и определяют число КОЕ в 1 мл, как в пункте 1.

3. Учет численности КОЕ в воздухе

При определении числа микроорганизмов в воздухе его определенный объем пропускают через пробирку с 10 мл стерильной водопроводной воды. Для этого ее закрывают стерильной пробкой с двумя стеклянными трубками. Одну трубку, сообщающуюся с воздухом, опускают в воду до дна пробирки, а отверстие другой, соединенной с аспиратором, находится сразу под пробкой. По количеству воды (в литрах), выпущенной из аспиратора, устанавливают объем воздуха, прошедшего через стерильную воду в пробирке.

При прохождении воздуха через воду микроорганизмы остаются в воде, и их численность затем определяют после приготовления соответствующих разведений методом питательных пластин, как было описано выше. Зная объем воздуха, прошедшего через воду, делают пересчет на 1 м3
воздуха.

Для определения количества КОЕ в воздухе можно использовать и более простой, но менее точный метод Коха (осаждение клеток микроорганизмов на плотных питательных средах). Суть его сводится к следующему. Стерильные чашки Петри с питательной средой (МПА, МПЖ или кусок вареной картофелины) открывают в исследуемом помещении (или на исследуемой площади) на 5 мин. Частицы пыли с бактериями под действием силы тяжести оседают на поверхность плотной питательной среды. Через 48 ч инкубации при 28—30°С осевшие бактерии образуют на среде колонии, которые можно подсчитать. Поскольку некоторые микроорганизмы развиваются медленно, окончательно подсчитывают колонии на 5-е сут.

На площади в 100 см2
за 5 мин осаждается примерно столько клеток, сколько их находится в 10 л воздуха (0,01 м3
). Зная площадь чашки Петри, можно подсчитать количество клеток в 1 м3
воздуха. Для этого число колоний, выросших в чашке Петри, относят к общей площади чашки, затем пересчитывают, сколько таких колоний поместилось бы на 100 см и далее — в 1 м3
воздуха.

Пример расчета. В чашке Петри диаметром 10 см выросло 45 колоний. Площадь чашки (πr2
) составит 3,14 • 52
= 78,5 (см2
). Далее подсчитывают число клеток на 100 см2
(равнозначных 10 л, или 0,01 м3
воздуха:

78,5 см2
воздуха содержат 45 клеток

100,0 см2
» » х

Таким образом, в 0,01 м3
воздуха находится 57 клеток, а в 1 м3
их будет в 100 раз больше — 5700.

В исследуемых помещениях чашки Петри с агаром лучше размещать по 2—3. После подсчета колоний в каждой чашке выводят их среднее арифметическое значение.

Материалы и оборудование:

Часовые стекла, шпатели, ложки, почва, стерильные колбы на 250 мл со 100 мл и стерильные пробки с 9 мл водопроводной воды, стерильные пипетки Мора на 1 мл, колбы с расплавленным МПА, стерильные чашки Петри, микроскопы и все необходимое для микроскопирования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Формы клеток на примере представителей рода Saccharomyces, мукоровых и плесневых грибов.

Объектами микробиологии служат многие виды микроскопических грибов.

Грибы относятся к эукариотам. Тело гриба состоит из мицелия, или грибницы, — сплетения тонких ветвящихся нитей — гиф.

Зигомицеты. Низшие грибы, имеют хорошо развитый ветвистый одноклеточный мицелий. Размножаются как половым путем, так и бесполым, т. е. при помощи спор.

Представитель класса — мукор (Mucor mucedo) развивается в виде войлочного белого или серого налета на продуктах растительного происхождения и навозе травоядных животных.

Мицелий мукоровых грибов пронизывает субстрат и частично стелется по его поверхности. Вверх от грибницы отходят особые воздушные гифы— спорангиеносцы, вздувающиеся на концах. Вздутия представляют собой спорангии, в дальнейшем они отделяются от спорангиеносцев перегородкой. В спорангиях бесполым путем образуются многочисленные спорангиоспоры — эндоспоры (от греч. endon — внутри).

Перегородка, отделяющая спорангий от спорангиеносца, расположена куполообразно, поэтому верхняя часть спорангиеносца оказывается внутри спорангия. Этот участок спорангиеносца называется колонкой и у разных видов мукоровых грибов имеет различную форму (грушевидную, шаровидную, цилиндрическую).

Для просмотра мукоровых грибов следует осторожно взять препаровальной иглой небольшое количество мицелия и другой препаровальной иглой снять его на сухое предметно стекло. Препарат сначала рассматривают без покровного стекла при малом увеличении микроскопа. Видны спорангиеносцы, и круглые темные шарики на их концах — спорангии. Обычно они покрыты тонкими шипами из кристаллов оксалата кальция. Затем на поверхность препарата наносят каплю воды, накрывают его покровным стеклом. Оболочка спорангия при этом разрушается, и споры выпадают. Препарат рассматривают последовательно при малом и большом увеличениях (без иммерсии).

Представители рода Мисог могут быть выделены из почвы при посеве пылевидных ее частиц на поверхность сусло-агара в чашках Петри или из свежего конского навоза, помещенного на 3—4 дня под стеклянный колпак на тарелку с влажной фильтровальной бумагой или сырым песком.

Аскомицеты, или сумчатые грибы. Высшие грибы с многоклеточным или членистым мицелием, образующие споры в сумках — асках. Они включают представителей эуаскомицетов (истинных аскомицетов), у которых сумки со спорами формируются в результате полового процесса на поверхности или внутри плодовых тел, образуемых сплетением гиф мицелия (возможно бесполое размножение экзогенно возникающими спорами — конидиями), и гемиаскомицетов, у которых плодовые тела отсутствуют. К гемиаскомицетам относят большинство дрожжей, рассматриваемых отдельно.

Эуаскомицеты включают два важнейших рода почвенных грибов — Penicillium и Aspergillus, которых нередко называв также плесневыми грибами. К группе плесневых относят и некоторых представителей зигомицетов и несовершенных грибов.

Пенициллы и аспергиллы имеют хорошо развитый многоклеточный мицелий. Размножаются преимущественно конидиальным спороношением. Наблюдаются в виде налета голубого, зеленого, сизого, реже других цветов на продуктах растительного происхождения (варенье, томатной пасте, лимонах и апельсинах), отсыревших изделиях из кожи, обоях. Распространены в верхних горизонтах почвы.

Грибы рода Penicillium называют кистевиками, так как они образуют конидии на концах мутовчаторазветвленных конидиеносцев, напоминающих кисть руки. Иногда отдельный пучок конидиеносцев, выходящих из одной точки и отчленяющих конидии, напоминает рисовальные кисти.

Для рассмотрения строения конидиеносцев Penicillium glaucum препаровальной иглой вырезают кусочек мицелия (приблизительно 0,5 мм2
) на границе между его зеленым и белым участками. (Гриб к занятию выращивают в чашке Петри; старые грибы с полностью зеленым мицелием не годятся для просмотра.) Осторожно с помощью двух препаровальных игл кусочек мицелия снимают со среды и помещают в каплю воды на предметное стекло. Сверху на мицелий кладут покровное стекло. Поскольку мицелиальная пленка гриба довольно толстая, может получиться так, что под покровным стеклом вода не будет целиком окружать исследуемый мицелий. В этом случае надо из капельницы добавлять воду под покровное стекло до тех пор, пока кусочек мицелия не будет со всех сторон окружен водой. Затем слегка надавливают на покровное стекло в центре стеклянной палочкой (или препаровальной иглой). Избыток воды можно удалить фильтровальной бумагой.

Препарат сначала просматривают при малом увеличении, уделяя основное внимание его краям, так как на них обычно хорошо видны кисти конидиеносцев. Когда подходящий участок найден, переходят с объектива 8х на объектив 40х и детально рассматривают кисточки. Во время просмотра при малом увеличении конденсор опускают, при переводе на объектив 40х снова регулируют освещенность поднятием конденсора.

Aspergillus, или леечная плесень, имеет обычно одноклеточные конидиеносцы шаровидно, булавовидно или грушевидно вздутые. На них располагаются параллельно друг другу короткие кеглеобразные стеригмы, каждая из которых отшнуровывает радиально цепочки конидий. Некоторые виды аспергиллов имеют два ряда стеригм. Вся головка конидиеносца с радиально расходящимися цепочками конидий напоминает наконечник лейки со струйками воды.

Для ознакомления со строением конидиеносцев аспергилла на примере Aspergillus niger препаровальной иглой берут небольшое количество мицелия на границе между черным и коричнево-бурым участками колонии и вносят в каплю воды на предметном стекле. Далее поступают так же, как и при просмотре пеницилла. В начальной стадии спорообразования Aspergillus похож на Мисог (бесцветные головки), затем с возрастом головки покрываются стеригмами, на которых развиваются споры. В результате получаются так называемые кудрявые головки. От мукора аспергилл всегда можно отличить наличием таких головок. У мукора головки гладкие — «лысые», так как споры его эндогенного происхождения (внутренние), а у аспергилла и пеницилла — экзогенные споры (внешние).

Дрожжи. По современным представлениям, дрожжи — это сборная группа одноклеточных микроскопических организмов, относящихся к разным классам грибов, преимущественно — к классу аскомицетов.

Диаметр клеток дрожжей колеблется от 8 до 15 мкм. Форма их разнообразна: эллипсовидная, грушевидная, округлая, цилиндрическая. Размножаются вегетативным и половым путем. Вегетативные способы размножения — почкование и деление; половой способ размножения связан с образованием спор. К почкующимся дрожжам относятся представители «культурных» дрожжей рода Saccharomyces (сахаромицеты), к делящимся — виды рода Schizosaccharomyces (шизосахаромицеты). При половом процессе слияние вегетативных клеток ведет к образованию сумок со спорами или сначала могут сформироваться споры, которые в последующем копулируют друг с другом. В каждой сумке образуется от 2 до 8, иногда 12 спор. Среди дрожжей есть аспорогенные, ложные дрожжи, не способные к половому процессу и спорообразованию. Они относятся к классу несовершенных грибов.

С делящимися дрожжами можно познакомиться на примере Schizosaccharomyces pombe (schizo — рваться, делиться, saccharomyces — сахарный гриб, pombe — название африканского напитка, из которого этот организм выделен). Дрожжам размножение делением несвойственно, поэтому данный род дрожжей является отклонением от нормы. Шизосахаромицеты размножаются и половым путем, связанным со спорообразованием, что характерно для сумчатых грибов. Schizosaccharomyces pombe рассматривают на фиксированных, окрашенных фуксином препаратах. Это цилиндрической формы крупные клетки с округлыми концами. Размножение делением свойственно также дрожжам Рода Endomyces. Из почкующихся дрожжей наиболее «одомашнены» дрожжи пекарские — Saccharomyces cerevisiae. Форма их разнообразна. Размножаются они почкованием (вегетативный способ размножения) и аскоспорами. При почковании на материнской клетке возникает маленькая выпуклость — почка — дочерняя клетка, в которую переходит одно ядро. Клетка увеличивается в размерах и отделяется. Если условия для такого размножения благоприятны (достаточное количество сахара, соответствующая температура, аэрация), процесс идет очень быстро. У некоторых представителей рода клетки после почкования не успевают разъединяться и возникает псевдомицелий (ложный мицелий).

Для лабораторных занятий могут быть использованы, пекарские дрожжи. Небольшой кусочек дрожжевой массы за несколько часов до занятий помещают в теплую подсахаренную воду и ставят в теплое место. Образуется беловатая мутная жидкость. Каплю этой жидкости наносят на предметное стекло, накрывают покровным стеклом, сверху наносят каплю кедрового масла и просматривают препарат с иммерсионной системой. Клетки хорошо видны и при меньших увеличениях.

В пекарских дрожжах обычно присутствуют две расы: одна представлена округло-эллипсовидными клетками, быстро разъединяющимися при почковании; другая — удлиненно-цилиндрическими, образующими при почковании ветвистые кустики (псевдомицелий). На многих клетках видны почки. В мелкозернистом содержимом живых дрожжей хорошо заметны крупные прозрачные вакуоли, занимающие иногда центральное положение.

С представителями аспорогенных дрожжей, размножающихся только почкованием и не образующих спор, можно познакомиться на примере Candida kefiri. Их клетки мелкие, диаметром около 5 мкм.

Размножение у дрожжеподобных организмов может происходить также в результате распада гиф на отдельные клетки — оидии, или артроспоры, как у Geotrichum candidum (Oidium lactis).

Материалы и оборудование:

Коллекцию культур следует пересевать каждые 2—3 месяца на свежие питательные среды: бактерии и актиномицеты — на мясо-пептонный агар, дрожжевые и плесневые грибы — на сусло-агар. За 2—3 дня до занятий культуры пересевают в пробирки (бактерии и актиномицеты) или чашки Петри (грибы) из расчета по две пробирки каждой культуры и одну-две чашки Петри на группу студентов из 10—15 человек. Для занятий необходимы микроскопы и все принадлежности к ним; предметные и покровные стекла; бактериологические петли (иглы); препаровальные иглы; свежий 5%-ный раствор фуксина.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

ПРЕВРАЩЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ

БЕЗАЗОТИСТЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Молочнокислое брожение: микроскопирование молочнокислых бактерий, определение количества и качественные реакции на молочную кислоту.

Молочнокислое брожение лежит в основе силосования, квашения овощей, переработки молока в кисломолочные продукты и сыр; кислый вкус черного хлеба определяется молочной кислотой. Данные процессы вызывают молочнокислые бактерии, которые разнообразны и широко распространены в природе.

Молочнокислые бактерии обитают на поверхности растений, в молоке, на пищевых продуктах, в кишечнике человека и животных. Они имеют много общих признаков, важнейшими из которых являются:

-способность к синтезу молочной кислоты;

-грамположительность;

-отсутствие спор;

-неподвижность;

-форма (кокки или палочки);

-требовательность к источникам азота (многие из них не развиваются на простых синтетических средах);

-отсутствие фермента каталазы;

-способность к расщеплению перекиси водорода до воды и кислорода.

Последнее свойство выявляется, если на колонию молочнокислых бактерий нанести каплю 3%-ного раствора перекиси водорода: выделение кислорода при этом не происходит. Колонии бактерий, синтезирующих каталазу, в таких условиях покрываются пузырьками кислорода.

Постановка опыта
. Определив начальную кислотность молока титрованием 0,1 н. раствором NaOH, его разливают в колбы на 100 мл по 40—50 мл и закрывают ватными пробками.

Параллельно выполняют второй вариант опыта: разливают молоко в колбы, закрывают ватными пробками, ставят на асбестовые сетки и доводят молоко до кипения.

Колбы с кипяченым и некипяченым молоком помещают в термостат при 30°С. Через 10—12 ч некипяченое молоко скисает. В колбе образуется ровный плотный сгусток без следов газа (если в опыте используют молоко хорошего качества). Сгусток получается в результате реакции молочной кислоты с казеинатом кальция и выпадения казеиновой кислоты в осадок.

При кипячении молока молочнокислые бактерии, поскольку они не образуют спор, погибают, споры же масляно-кислых бактерий сохраняются. При инкубации в термостате они прорастают и осуществляют маслянокислое брожение лактозы. В результате реакции масляной кислоты с казеинатом кальция и в этом варианте опыта казеиновая кислота выпадает в осадок. В дальнейшем она подвергается пептонизации, в результате чего сыворотка приобретает кремовый цвет, неприятный запах масляной кислоты (запах пота) и прогорклый вкус.

Микроскопирование молочнокислых бактерий
. Если простоквашу хранить при комнатной температуре, то на ее поверхности появляется белая или кремовая бархатистая морщинистая пленка. Такая же пленка обычно бывает на поверхности рассола при квашении огурцов, капусты и других овощей. Это молочная плесень — Geotrichum candidum (Oidium lactis), которая всегда сопутствует молочнокислому брожению, являясь его нежелательным спутником. Она окисляет молочную кислоту, образуемую молочнокислыми бактериями, до СО2
и Н2
О, снижая кислотность среды. В результате кисломолочные и квашеные продукты начинают портиться, так как в среде происходит развитие гнилостных бактерий.

Молочная плесень — аэробная форма, поэтому развивается только на поверхности. Имеет многоклеточный мицелий, который распадается на отдельные клетки, так называемые оидии, по форме напоминающие дрожжи и служащие для размножения.

Для микроскопических наблюдений за молочнокислыми бактериями готовят препарат из прокисшего молока. Бактериологическую петлю вводят в сгусток и, повернув вокруг оси извлекают, прикасаясь ею к пленке, которую образует молочная плесень. Сгусток размазывают по предметному стеклу очень тонким слоем без воды. Сушат на воздухе. Фиксируют смесью спирта с эфиром (приблизительно 1:1), несколько раз нанося смесь на мазок и сливая ее. При такой фиксации не только погибают и прикрепляются к стеклу бактерии, но и с помощью эфира извлекается и удаляется жир, капли которого на препарате мешают окраске и микроскопированию.

Фиксированный препарат окрашивают метиленовым синим 2—3 мин, промывают водой, высушивают и микроскопируют с иммерсией. Метиленовый синий — лучший краситель для молочнокислых бактерий молока, так как он слабо окрашивает основной фон (казеин) и хорошо — клетки микроорганизмов. На препарате преобладают мелкие округлые клетки Lactococcus lactis, соединенные в короткие цепочки. Эта бактерия — возбудитель естественного скисания молока в средних широтах. Оптимальная температура для ее развития — 30°С. Она способствует накоплению в молоке до 1% молочной кислоты.

Нередко на препарате видны разных размеров тонкие палочки обычно правильной формы рода Lactobacillus, иногда содержащие зерна волютина. Чаще встречается Lactobacillus bulgaricus — возбудитель естественного скисания молока в южных широтах. Оптимальная температура ее развития — 40°С, она кислотоустойчива, накапливает до 3,5% молочной кислоты. На плотных средах эта бактерия образует мелкие характерные колонии в виде комочков ваты, как правило, выпуклые, непрозрачные, непигментированные.

Если на поверхности прокисшего молока появилась пленка, то в мазке обнаруживается также и молочная плесень. Прямоугольные или овальные клетки ее отличаются от молочнокислых бактерий большими размерами.

Можно приготовить также фиксированные препараты из кисломолочных продуктов (йогурта, кефира, ацидофилина, ряженки, бифидока и др.) и зарисовать доминирующие формы. Препараты из силоса или квашеной капусты готовят следующим образом: сначала втирают в предметное стекло кусочек силосуемой массы (или капусты), подсушивают и фиксируют над пламенем горелки. Остывший препарат окрашивают эритрозином (он в отличие от фуксина не окрашивает растительные элементы). И в силосе, и в квашеной капусте преобладают тонкие, хорошо прокрашивающиеся палочки L. plantarum.

Определение количества и качественные реакции на молочную кислоту
. Количество молочной кислоты устанавливают по разности между объемами 0,1 н. раствора NaOH, пошедшего на титрование молока в конце опыта, и при его постановке.

Для титрования берут 5—10 мл (лучше 10 мл) свежего или прокисшего молока, помещают его в колбу Эрленмейера 100 мл, добавляют 20 мл дистиллированной воды, 1-2 капли фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором NaOH при постоянном взбалтывании до появления устойчивой слабо-розовой окраски. Если на поверхности прокисшего молока образовалась пленка, то, прежде чем взять сгусток, ее сдвигают пипеткой или стеклянной палочкой в сторону, затем разбивают сгусток, постукивая колбой о ладонь.

Кислотность молока выражают в градусах Тернера (°Т) или в процентах молочной кислоты. Так, 1 °Т соответствует 1 мл 0,1 н. раствора щелочи, пошедшей на титрование 100 мл молока. Следовательно, если на титрование 10 мл молока пошло х мл щелочи, то для выражения кислотности молока в градусах нужно значение х умножить на 10.

Чтобы выразить кислотность в процентах молочной кислоты, количество 0,1 н. раствора NaOH (в мл), потраченное на титрование 100 мл молока, умножают на 0,009, так как 1 мл NaOH нейтрализует эквивалентное количество молочной кислоты. Молекулярная масса молочной кислоты составляет 90. Для приготовления 1 л 1 н. раствора требуется 90 г кислоты. В 1 л 0,1 н. раствора содержится 9 г, а в 1 мл - 0,009 г молочной кислоты.

После определения титруемой кислотности оставшееся скисшее молоко отфильтровывают через бумажный складчатый фильтр. Фильтрат используют для качественных реакций на молочную кислоту.

Для проведения реакции «серебряного зеркала» молочную кислоту превращают в уксусный альдегид. Реакция происходит в кислой среде при температуре кипения в присутствии КМпО4
. Результатом взаимодействия уксусного альдегида с аммиачным раствором серебра является образование металлического серебра (серебристое окрашивание).

Последовательность проведения этой качественной реакции на молочную кислоту следующая. В коническую колбу на 100 мл набирают пипеткой 5 мл фильтрата, добавляют 2 мл концентрированной серной кислоты и нагревают на асбестовой сетке до начала кипения, периодически взбалтывая. Затем, продолжая кипячение и помешивание, пипеткой по каплям приливают 5 мл 5%-ного раствора КMnО4
, который при этом обесцвечивается. В результате молочная кислота превращается в уксусный альдегид.

Происходящие химические реакции можно выразить следующими уравнениями:

2KMnO4
+ 3H2
SO4
= K2
SO4
+ 2MnSO4
+ ЗН2
О + 5О

5СН3
СНОНСООН + 5О = 5СН3
СНО + 5СО2
+ 5Н2
О

Для распознавания уксусного альдегида горлышко колбы без промедления накрывают фильтровальной бумагой, смоченной аммиачным раствором AgNO3
.

Аммиачный раствор нитрата серебра готовят следующим образом: к 1—2 мл 10%-ного раствора AgNO3
в пробирке добавляют по каплям аммиак: сначала появляется осадок Ag2
O, который затем растворяется в избытке аммиака.

Аккуратно, чтобы не разорвать, фильтровальную бумагу прижимают к краям горла колбы, продолжая нагревание. Уксусный альдегид улетучивается и, реагируя с аммиачным раствором AgNO3
, вызывает почернение бумаги, имеющее серебристый оттенок, — это выделяется металлическое серебро.

Другой качественной реакцией на молочную кислоту служит реакция с тиофеном. Для ее проведения в пробирку к 1-2 мл фильтрата прибавляют 5 мл концентрированной кислоты и 0,5 мл насыщенного раствора CuSO4
. Смесь взбалтывают, нагревают 5 мин на водяной бане при 100°С и после охлаждения добавляют к ней несколько капель спиртового раствора тиофена. В присутствии молочной кислоты наблюдается вишнево-красное окрашивание. Реакция очень чувствительна и специфична.

Материалы и оборудование:

Свежее молоко, колбы на 100 мл, цилиндры на 100 мл, пипетки на 5 и 10 мл, 0,1 н. раствор NaOH, фенолфталеин, треножники с сеткой, и все необходимое для приготовления препаратов, воронки, 10%-ный раствор AgNO3
, 13%-ный раствор NH4
OH, H2
SO4
(плотность 1,84); 0,2%-ный спиртовой раствор тиофена, 5%-ный КМпО4
, метиленовый синий.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

САНИТАРНО-БАКТЕРИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Цель работы:

Знакомство с методикой выполнения санитарно-бактериологического анализа воды.

Определение микробного числа в питьевой водопроводной воде методом прямого посева.

Степень микробного загрязнения воды важно учитывать в технологии пищевых производств. Вода, поступающая на производство, по качеству должна соответствовать санитарным нормам. Для контроля за санитарным состоянием такой воды регулярно проводят ее микробиологический анализ. Водопроводную воду исследуют не реже одного раза в месяц, артезианскую — не реже одного раза в год, воду открытых водоемов и колодцев — ежедневно.

Пробы воды для микробиологического исследования отбирают с соблюдением правил асептики (стерильности) в стерильную стеклянную посуду с притертыми или ватно-марлевыми пробками. Перед взятием пробы из водопроводного крана, трубы или колодца с насосом воду спускают в течение 5-10 мин, а края спускной трубы перед набором воды обжигают пламенем. Из открытых водоемов пробы воды отбирают при помощи специальных приборов — батометров — на расстоянии 10—15 см от дна. В проточных водоемах пробы отбирают около берега и в центре течения.

При обычном плановом санитарном контроле было взято не менее 500 мл воды, для исследования на присутствие патогенных микроорганизмов — не менее 1 л. Пробы отбирают в часы наибольшего расходования воды на предприятии. Микробиологический анализ воды выполняют не позднее 2 ч с момента взятия пробы. В исключительных случаях допускается удлинение срока до 6 ч при обязательном хранении проб при низких положительных температурах (1—5°С). При транспортировке в теплое время года пробы предохраняют от нагревания, а в зимнее время — от замораживания.

При санитарно-микробиологическом исследовании воды определяют микробное число и количество бактерий группы кишечной палочки (коли-титр).

1. Определение микробного числа

Микробное число — общая микробная загрязненность — определяется числом микробных колоний, которые вырастают на простой питательной среде (МПА) при 37 °С в течение 24 ч из посева 1 мл исследуемой пробы воды.

Данный показатель позволяет учитывать не все микроорганизмы, содержащиеся в 1 мл воды, а лишь способные расти на простых средах при указанной температуре (мезофильные, сапротрофные). Однако число сапротрофных микроорганизмов, вырастающих на МПА, обычно соответствует степени загрязненности воды органическими веществами и, таким образом, косвенно характеризует ее санитарное состояние.

Для определения микробного числа делают посевы с соблюдением правил асептики в чашки Петри с МПА методом заливки с таким расчетом, чтобы на чашках вырастало от 30 до 300 колоний. Поэтому из проб артезианской и водопроводной воды (содержащей обычно меньше микроорганизмов) высевают соответственно объемы в 1 мл и 0,1 мл из неразведенных проб. При исследовании воды открытых водоемов высевают по 1 мл из предварительно приготовленных в стерильной воде девятикратных разведений исследуемой пробы (10-1
—10-3
и более, в зависимости от предполагаемого загрязнения).

Указанные выше объемы проб воды (1 мл, 0,1 мл) или ее разведений (по 1 мл каждого) вносят стерильной пипеткой в пустые стерильные чашки Петри, в которые затем наливают расплавленный теплый МПА (с температурой не выше 45 — 46°С). Воду и МПА тщательно перемешивают и после застывания среды посевы выращивают в термостате при 37°С в течение 24 ч. Затем подсчитывают микробные колонии.

Общее число микробных колоний, выросших на всей чашке Петри, умножают на разведения, из которых был сделан высев 1 мл (чтобы перевести на 1 мл исследуемой воды). Затем определяют среднее арифметическое число колоний — микробное число исследуемой пробы.

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Пробы хлорированной водопроводной воды в количестве 500 мл отбирают в стерильные колбы, в которые до стерилизации вносят по 10 мл 10%-ного раствора сульфида натрия, восстанавливающего активный хлор, находящийся в воде.

2. Со стерильной пипетки удаляют оберточную бумагу и 0,5 (или 1) мл исследуемой воды набирают в пипетку через ватный фильтр в кончике пипетки. Затем исследуемую воду вносят в чашку Петри со слегка приподнятой крышкой на застывший мясо-пептонный агар и распределяют по всей поверхности питательной среды стерильным стеклянным шпателем.

3. Чашки Петри с посевами ставят в термостат на 48 часов при 37°С+-0,5°С.

Через двое суток производится подсчет выросших колоний бактерий в определенном объеме воды и определяется микробное число.

При санитарно-бактериологическом анализе воды определяются

1. МИКРОБНОЕ ЧИСЛО - общее количество бактерий в 1 мл воды.

2. КОЛИ - ТИТР - количество мл воды (наименьший объем), в которой содержится одна кишечная палочка

3. КОЛИ - ИНДЕКС - показывающий количество кишечных палочек в 1 л воды,

Коли-индекс = 1000/коли-титр

По ГОСТ 2874-82:

микробное число питьевой воды должно быть не более 100,

коли-титр - не менее 300,

коли-индекс - не более 3.

2. Определение коли-титра и коли-индекса

Кишечная палочка — самый многочисленный и постоянный обитатель толстого отдела кишечника человека и всех теплокровных животных. Она выделяется во внешнюю среду с фекальными массами, поэтому используется как индикатор фекального загрязнения внешней среды и косвенный показатель наличия в воде болезнетворных микробов — возбудителей кишечных инфекций человека, выделяемых с фекалиями в воду и другие объекты.

Таким образом, кишечная палочка служит санитарно-показательным микроорганизмом воды. Поскольку она не образует спор и гибнет при относительно щадящих методах обеззараживания, ее присутствие в консервированных продуктах или воде указывает на нарушение режима консервирования и на недостаточность обработки воды, так как если кишечная палочка сохранила жизнеспособность, значит, могли выжить и другие неспорообразующие бактерии, такие, как дизентерийная шигелла, брюшнотифозная сальмонелла и другие патогенные бактерии — возбудители желудочно-кишечных заболеваний.

Коли-индекс (индекс кишечной палочки) — это число кишечных палочек, обнаруженных в 1 л исследуемой воды (по международным стандартам — в 100 мл).

По существующим нормативам коли-титр питьевой воды не должен быть менее 333мл (в Москве — не менее 500 мл), а коли-индекс — не более 3.

Коли-титр определяют методами бродильных проб. Данные методы основаны на способности кишечной палочки теплокровных животных и человека развиваться при повышенных температурах (43—44 °С) и сбраживать сахара (маннит, глюкозу и др.) с выделением газа. Существуют двух- и трехэтапные бродильные методы.

Трехэтапный бродильный метод заключается в следующем. На первом этапе ставят первую бродильную пробу: различные разведения исследуемой воды при помощи стерильных пипеток вносят в колбы и пробирки со специальными углеводными жидкими средами (среда Булира, среда Эйкмана, розоловая и др.) и поплавками.

В зависимости от предполагаемого микробного загрязнения водоисточника применяют разные схемы посева. Так, при исследовании водопроводной воды делают посевы в общем объеме 300 мл (2 объема по 100 мл и 10 объемов по 10 мл). Воду городов Москвы и Санкт-Петербурга засевают в объеме 500 мл (4 объема по 100 мл и 10 объемов по 10 мл). При исследовании воды открытых водоемов (речной, озерной и т. д.) необходимо посеять воду в общем объеме 111,1 мл (1 объем — 100 мл; 1 объем — 10 мл и по одному объему в 1 мл и 0,1 мл). Соотношение между средой и засеваемой водой должно быть 1 : 2. Поэтому посевы малых количеств воды (1 мл, 0,1 мл) выполняют в пробирки с разведенной средой (обычной концентрации), а большие объемы воды (100 мл и 10 мл) — в концентрированную среду.

Посевы выращивают в термостате при 43—44°С в течение 24 ч. При указанной температуре подавляется развитие микроорганизмов, не имеющих санитарно-показательного значения для воды. Затем просматривают посевы для выявления признаков роста кишечной палочки (наличие пузырьков газа в поплавках, изменение цвета, помутнение).

На втором этапе для подтверждения правильности обнаружения роста кишечной палочки в жидкой среде из посева с признаками роста при помощи бактериальной петли делают высев в чашки Петри со средой Эндо и выращивают культуру при 37 °С 24 ч.

Среда Эндо состоит из МПА, лактозы и обесцвеченного индикатора (фуксин обесцвечен сульфитом натрия). На данной среде бактерии группы кишечной палочки теплокровных животных образуют типичные темно-красные, ярко-красные или грозовые колонии с темным центром, имеющие металлический блеск или без него. Столь характерный рост на среде Эндо этих бактерий обусловлен тем, что они активно сбраживают лактозу, продукты расщепления которой вызывают восстановление индикатора фуксина, окрашивающего колонии. При отсутствии характерного роста на пробу дают отрицательный ответ.

При наличии типичных колоний из них делают мазки, которые окрашивают по Граму и микроскопируют. Если в мазках обнаруживают мелкие неспорообразующие грамотрицательные палочки, то переходят к третьему этапу для окончательного подтверждения результатов исследования.

На третьем этапе из типичных колоний, в которых при микроскопировании обнаружены характерные микробные клетки, делают пересев в разведенную жидкую углеводную среду (Булира, Эйкмана и др.)- Посевы выращивают при 43— 44°С в течение 24 ч, после чего учитывают окончательно. При наличии в посевах помутнения, газообразования и изменения цвета дают положительный ответ, результаты которого выра­жают в виде коли-титра. При отсутствии газообразования дается отрицательный ответ, т. е. данные первой бродильной пробы подтверждаются.

Коли-индекс определяют методом мембранных фильтров. Для этой цели используют мембранные фильтры № 3 (ультрафильтры) — пористые пленки, изготовленные из микроклетчатки (нитроцеллюлозы), с диаметром пор 0,7 мкм. Перед фильтрацией их подвергают стерилизации двойным кипячением в дистиллированной воде в течение 15—20 мин. Затем стерильным пинцетом фильтры помещают на предварительно профламбированную поверхность фильтровального прибора Зейтца. Через фильтр Зейтца проводят фильтрацию под вакуумом определенного количества исследуемой воды (через один мембранный фильтр — не более 100 мл воды).

По окончании фильтрации освобождают фильтровальную пластинку, частично разбирая прибор. При помощи стерильного пинцета фильтр кладут осадком вверх на поверхность среды Эндо, залитой в чашку Петри, плотно прижимая к среде. В одну чашку можно поместить 4—5 фильтров. После культивирования в термостате при 37°С в течение 18—24 ч подсчитывают выросшие на фильтре колонии, характерные для группы кишечной палочки. Из 2—3 колоний, типично окрашенных и бесцветных, берут материал для мазков, окрашивают их по Граму и микроскопируют с иммерсионным объективом.

Если в мазках присутствуют мелкие грамотрицательные неспорообразующие палочки, из оставшейся части колонии делают пересев в пробирки с небольшим объемом жидкой угле­водной среды (среда Булира или др.). Посевы выращивают при 43—44°С в течение 24 ч. Наличие газообразования — последний показатель присутствия бактерий группы кишечной палочки.

Материалы и оборудование:

Среда Булира в пробирках с поплавками, стерильные моровские пипетки на 1 мл, стерильные чашки Петри, среда Эндо агаризованная, простерилизованная вода в пробирках по 9 мл, образцы воды для исследования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
САНИТАРНО-БАКТЕРИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОДЫ

Цель работы: ознакомиться с методикой выполнения санитарно-бактерио-логического анализа.

5.1. Теоретическая часть

Одним из видов анализа природных вод является санитарно-бактериологический. При этом анализе определяются следующие показатели: микробное число, коли-титр, коли-индекс. Микробное число показывает общее количество бактерий в 1 мл воды, развивающихся на питательной среде - мясопептонном агаре (МПА) при t = 37±0,5°С в течение 24 ч. По ГОСТ 2874-73 микробное число не должно превышать 100.

Коли-титр показывает количество миллилитров воды, в котором содержится одна кишечная палочка Coli
. По ГОСТ 2874-73 коли-титр должен быть не менее 300 мл. Эта величина, обратная коли-индексу, представляет собой следующее соотношение:

По ГОСТ 2874-73 коли-индекс не должен быть более 3.

К группе кишечной палочки относятся неспороносные, аэробные, грамотрицательные (не окрашиваются по Граму), оксидазоотрицательные бактерии, сбраживающие глюкозу с образованием альдегидов, кислоты и газа.

Эти виды микробов развиваются на фуксин-сульфитном мясопептонном агаре (среда Эндо) с образованием красных колоний с металлическим блеском или темно-красных и розовых с темным центром.

Механизм действия среды состоит в следующем: фуксин, содержащийся в среде, обесцвечивается добавляемым к среде сульфитом натрия и переходит при этом в бесцветное лейкосоединение. При выращивании кишечных палочек они разлагают имеющийся в среде молочный сахар или глюкозу с образованием альдегидов, которые вступают в реакцию с сульфитом натрия, при этом фуксин освобождается и восстанавливается его окраска.

5.2. Экспериментальная часть

Большое значение в санитарно-бактериологическом анализе имеет стерильность посуды и тех сред, которые используются при определении микробного числа и коли-титра.

Стерилизацию проводят за I-2 дня до работы.

Перед стерилизацией всю посуду для отбора проб воды (пипетки, пробирки, колбы) и выращивания колоний (чашки Петри) тщательно вымыть, высушить, закрыть ватными пробками, обернутыми в марлю (кроме чашек Петри) и завернуть каждую вещь отдельно в бумагу или уложить в бумажный пакет.

Стерилизация производится сухим жаром в сушильном шкафу в течение одного часа при температуре 160°С или путем обжига в пламени спиртовки. Фильтровальный прибор, кончики пипеток и пинцетов можно стерилизовать в племени ватного тампона, смоченного спиртом.

5.2.1. Определение микробного числа

Для определения микробного числа рекомендуется пользоваться готовой питательной средой - мясопептонным агаром (МПА), изготавливаемым в специальных учреждениях (институте Пастора или Институте питательных сред).

При отсутствии готовых питательных сред их изготавливают в лаборатории по следующей методике.

500 г мясного фарша без жира, костей и сухожилий, смешанного с 1 л дистиллированной воды, настаивают в течение 12 ч на холоде или 1 ч при 50-60°С. Затем мясную воду кипятят, отфильтровывают через марлю и доводят дистиллированной водой до 1 л.

К 1 л мясной воды добавляют 10 г пептона и 5 г хлористого натрия. Смесь нагревают до полного растворения пептона и соли. рН раствора доводят раствором соды до 7,2-7,4. Затем к 1 л мясопептонного бульона добавляют 15 г агара в волокнах или порошке, нагревают до полного его растворения, фильтруют в горячем виде через марлевый фильтр.

Полученный МПА разливают в пробирки (по 15 мл в каждую), закрывают их ватными пробками, обернутыми в марлю, и стерилизуют в автоклаве в течение 20 мин при 120±2°С.

Для определения микробного числа в загрязненной воде необходимо производить разбавление ее стерилизованной дистиллированной водой. Для этого дистиллированную воду наливают в пробирки (по 9 мл в каждую), закрывают ватными пробками, обернутыми марлей, и стерилизуют в автоклаве при 120±2°С в течение 20 мин. Срок хранения этой воды не должен превышать двух недель.

Разбавление загрязненной воды производится следующим образом. В пробирку с 9 мл стерильной дистиллированной воды вводят стерилизованной пипеткой 1 мл исследуемой воды. Затем из этого раствора другой стерилизованной пипеткой отбирают 1 мл и вводят в следующую пробирку с 9 мл стерильной воды и т.д.

Для определения микробного числа из водопроводной воды разбавления не требуется.

Методика выполнения этого определения следующая.

Перед отбором пробы из водопроводного крана спустить воду в течение 10-15 мин. Затем слегка обжечь на спиртовке или газовой горелке водопроводный кран и края стерильной колбы для отбора пробы. Объем исследуемой воды равен 500 мл.

В стерильные колбы до стерилизации необходимо ввести по 10 мг сульфита натрия для восстановления активного хлора, находящегося в водопроводной воде.

На водяной бане расплавить МПА, находящийся в пробирках, охладить его до 45±5°С.

Отобрать 1 мл исследуемой воды для посева на МПА. Для этого со стерильной пипетки снять оберточную бумагу, кончик пипетки обжечь в пламени спиртовки или газовой горелки, всосать исследуемую воду в пипетку через ватный фильтр, вложенный в ее широкую часть.

Воду перенести в чашку Петри со слегка приподнятой крышкой. Быстро смешать воду с МПА. При этом необходимо избегать попадания пузырьков воздуха во внутрь, а также растворе на края крышки. Воду с МПА следует смешивать, вращая чашку. Для определения микробного числа необходимо производить посев каждой воды в 2 чашках.

Чашки поставить на горизонтальную поверхность до затвердения среды. На чашках указать название пробы, разведение, если оно производилось, и дату посева.

После застывания среды чашки с посевами поставить вверх дном, друг на друга по 3-4 в стопке. Выращивание бактерий производить в термостате при 37°С в течение 24 ч. При инкубации чашек в термостате из каждой живой бактериальной клетки, содержащейся в исследуемой воде, вырастает колония клеток.

Через сутки после посева с помощью лупы, не открывая чашки, произвести счет колоний, выросших на поверхности и в глубине МПА. При подсчете колоний площадь чашки можно разделить восковым карандашом на четыре сектора и просуммировать число колоний в каждом секторе. Если общее число превышет 300, то счет можно вести с помощью миллиметровой бумаги, из которой вырезать несколько квадратов, каждый площадью в 1 см2
. Определить среднее количество на 1 см2
, умножив которое на площадь всей чашки, найти общее количество колоний в 1 мл. Для большей точности каждую подсчитанную колонию отметить со стороны дна чашки тушью. Результаты подсчета выразить средним количеством бактерий в 1мл по двум чашкам.

Микробное число = ,

где П1
и П2
-соответственно количество колоний в каждой чашке Петри.

5.2.2. Определение коли-титра и коли-индекса

При определении коли-титра рекомендуется использовать сухой агар Эндо, выпускаемый Институтом питательных сред, а также необходимо приготовить глюкозопептонную среду (среда Эндо) по следующей технологии.

В один литр дистиллированной воды внести 30 г пептона и 15 г хлорида натрия. Раствор довести до кипения, снять с огня, добавить 15 г чистой глюкозы. рН этого раствора равен 7,4-7,6 (проверить по рН-метру). Откорректировать рН можно подщелачиванием 4%-ным раствором NaОН. Затем добавить 6 мл 1,6%-ного раствора бромтимолового красителя. Приготовленный раствор разлить в три флакона по 33 мл и три пробирки по 3 мл. Еще в 3 пробирки налить по 5-6 мл раствора, состоящего из среды Эйкмана, разведенного дистиллированной водой в соотношении 1:3. На дно флаконов положить вату, на дно пробирок - поплавки, простерилизовать их.

После стерилизации для определения коли-титра в 3 флакона со средой Эйкмана вносятся по 100 мл исследуемой воды (методика отбора воды та же, что и при определении микробного числа), в 3 пробирки со средой Эйкмана - по 10 мл и в 3 пробирки с разведенной средой Эйкмана - по 1 мл.

ВСЯ ПОСУДА ДОЛЖНА БЫТЬ СТЕРИЛЬНА, ПИПЕТКИ, ПРОБКИ ОБОЖЖЁНЫ НАД ПЛАМЕНЕМ.

Подготовленные растворы термостатировать в течение суток при 37°С. Через сутки там, где присутствуют кишечные палочки, происходит изменение окраски за счет процесса брожения.

Из проб, где обнаружено брожение, сделать посевы на чашки Петри со средой Эндо. Посев производить петлей или стеклянной палочкой, стерилизованными над пламенем. Чашки Петри разделить восковым карандашом на 4 сектора, надписать (дата, из какого объема взята проба) и термостатировать сутки при 37°С.

Затем по нижеприведенной таблице определять коли-титр и коли-индекс.

Таблица

Определение коли-титра и коли-индекса

Количество положительных анализа воды		результатов]	■. '. ■■.' ". > Коля-, яндекс	Коля-тятр
я трех флако-1 яах яа IOO мл 1	в трех про- I бирках яа 10 мл 1	в трех про­бирках на I мя
I J	2 ]	3	4	5
0 "|	0	0	3	Менее 333
0	0	I	3	333
0	I	0	3	333
I	0	0	4	250
I	0	I	7	143 .-
I	I	0	7	143
-I ' -■ !	I	I	II	91
I	2	0	II	91
2	0	0	9	III
2	0	I	14	72
2	I	0	15	67
2	I	I	20	50
2	2	0	21	48
2	2	I	28	86
3	0	t 0	23	43
3	1 °	I	39	26
3	0	| 2 :	64	16
3	I	. о ■..'■	43	23
3	I	I "'.	75	13
3	I	2	120	8
3	2	0	! 93	II
3	2	I	150	7
3	2	2	| 210	5
3	3	0	240	4
3	3	г	460	2
3	3	2	11100	0,9
3	3	1 3	Более 1100	Менее 0,

По результатам работы составить отчет.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ МЕТАЛЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ

7.1. Теоретическая часть

Коррозией называется разрушение материалов в результате химического и физико-химического воздействия на них окружающей среды.

По мере развития техники происходит расширение видов и форм коррозии металлов, увеличиваются вызываемые ею потери. Причинами этого являются, с одной стороны, рост производства металла и изменение структуры использования металлического фонда, с другой, - возрастание загрязнения окружающей среды.

При производстве стали в 160-170 млн. тонн в год безвозвратные потери ее, как минимум, можно оценить в 20-25 млн. тонн.

Необходимость изучения коррозии металлов не нуждается ни в обосновании, ни в объяснении. Каждый, кто производит или потребляет металл, вынужден заниматься этой проблемой.

Оценка термодинамической воэможности коррозионного процесса.
Свободное состояние для большинства технических металлов в условиях эксплуатации термодинамически неустойчиво. Стремление переходить из металлического состояния в ионное весьма различно для различных металлов. В общем случае оно характеризуется величиной уменьшения свободной энергии системы при протекании соответствующей коррозионной реакции в данных условиях:

DG = DH - TDS (7.1)

Уравнение (7.1) показывает взаимосвязь изменения свободной энергии (энергии Гиббса) DG, кДж/моль. с энтальпией DH (в тех же единицах), изменением энтропии DS и абсолютной температурой Т.

Ход процесса коррозии и его механизм в значительной мере зависят от среды, в которой она протекает. По этому признаку коррозия подразделяется на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия характеризуется разрушением металла при его реакции со средой-неэлектролитом. Примерами коррозии такого рода является разрушение лопаток и других элементов турбин, находящихся в контакте с горячими топливными газами, греющих элементов электрических печей, резервуаров, коммуникаций и химических реакторов, вызванное действием таких газов, как H2
, CO, CO2
или жидких неэлектролитов - нефти и продуктов ее переработки, органических соединений.

Среди многих случаев химической коррозии наибольшее значение с точки зрения наносимого экономике ущерба имеет газовая коррозия – окисление металлов в атмосфере сухих газов при высокой температуре.

Однако на практике чаще всего приходится встречаться с примерами разрушения металлов вследствие электрохимической коррозии, которая возникает в растворах электролитов, причем ей сопутствуют протекающие на поверхности металла процессы: окислительный (растворение металла) и восстановительный (электрохимическое восстановление компонентов среды), Видами электрохимической коррозии являются: атмосферная, подземная, морская, биологическая, коррозия под действием блуждающих токов и др.

Приближенное суждение о степени термодинамической нестабильности металла в растворах электролитов можно сделать по величине стандартного окислительно-восстановительного потенциала металла, с одной стороны, и стандартного окислительно-восстановительного потенциала соотвествующего окислителя, с другой. Энергия Гиббса связана со стандартным окислительно-восстановительным потенциалом j0
уравнением:

DG0
= -ZDj0
F (2)

В этом случае знак изменения свободной энергии и системы определяется положением металла и окислителя в таблице электродных потенциалов. Если потенциал окислителя больше потенциала металла, реакция возможна.

В качестве примера рассмотрим поведение железа в водных растворах.

Сравним электродные потенциалы систем:

Fe « Fe+2
+ 2 j = -0,44B (3)

2H2
O + 2 « H2
+ 2OH-
j = -0,42B (4)

-0,42B – величина равновесного потенциала водородного электрода в нейтральной водной среде рН = 7.

Равновесный потенциал системы МЕТАЛЛ-ИОН металла (3), как видно, практически не отличается от равновесного потенциала системы (4), содержащей в водной среде ион водорода в качестве окислителя. Поэтому ожидать сильной коррозии железа в рассматриваемых условиях, где нет других окислителей, кроме Н+
воды, не приходится.

Значительное коррозионное разрушение железа в нейтральной водной среде вызвано другим, более агрессивным окислителем - растворенным в воде кислородом» присутствующим во всех природных водах, атмосфере и практически во всех растворах, применяемых в промышленности:

Fe « Fe+2
+ 2 j = -0,44B (5)

О2
+ 2H2
O + 4 « 4OH-
j = -0,81B (6)

Сопоставление уравнений (5) и (6) показывает, что равновесный электродный потенциал железа значительно более отрицателен, чем равновесный потенциал окислителя - растворенного кислорода. Следовательно, окислительно-восстановительная реакция, какой является коррозия железа в данных условиях, возможна.

Однако для решения практических вопросов поведения металла в тех или иных условиях важно оценить не только возможность коррозии (энергетическую сторону вопроса), но и скорость ее протекания (кинетическую сторону).

Факторы, влияющие на кинетику коррозионных процессов.
Изучение кинетики коррозионного разрушения металла является весьма важным как в теоретическом отношении (для понимания особенностей явления вообще и электрохимического его механизма, в частности), так и в практическом смысле. Многие способы защиты металлов от коррозии основаны именно на уменьшении скорости коррозии.

Главными факторами, влияющими на скорость (кинетику) коррозионного разрушения металлов, является следующие:

1. Природа металла и окислителя, т.е. разность их окислительно-восстановительных потенциалов. Чем больше эта разность, тем больше скорость коррозии металла. Скорость коррозии железа в воде, содержащей растворенный кислород, значительно превосходит скорость коррозии железа в обескислороженной воде.

2. Примеси в металле, как увеличивающие, так и уменьшающие скорость коррозионного процесса.

3. Температура, повышение которой может в различных случаях не только увеличивать, но и уменьшать коррозию.

Веществами, замедляющими скорость коррозии, являются ингибиторы, которые могут влиять как на скорость окисления металла, так и на скорость восстановления окислителя. В зависимости от этого они подразделяются на анодные и катодные.

Меры защиты металлов от коррозии сводятся к следующему:

Поддержание такого состояния металла, при котором его окисление невозможно или сильно заторможено;

Дезактивация среды;

Изоляция металла от окислителя.

Методы испытаний и оценка скорости коррозионных процессов.
Коррозионные испытания металлов и сплавов подразделяют на полевые, натурные и лабораторные.

При полевых испытаниях образцы металла подвергают коррозионному воздействию в естественных условиях эксплуатации.

Натурные испытания тоже проводят в естественных условиях эксплуатации, но они предназначены для исследования коррозионной стойкости целых агрегатов, машин, деталей.

Наибольшее распространение при проведении систематических исследований для решения отдельных практических задач получили лабораторные коррозионные испытания. Для них используют специально изготовленные образцы, форма и способы приготовления которих часто оговорены в соответствующих ГОСТах. Лабораторные испытания проводятся в искусственно созданных и тщательно контролируемых условиях, что позволяет получать достаточно хорошо воспроизводимые сравнительные данные и с их помощью определять степень влияния отдельных факторов {температуры, влажности и концентрации окислителя и т.п.) на развитие коррозионного процесса.

При проведении коррозионных испытаний необходимо не только правильно выбрать метод испытания, но и способ оценки коррозионной стойкости.

К методам оценки скорости коррозии относятся:

определение изменения массы образца;

определение глубины коррозии;

определение количества металла, перешедшего в раствор.

Определение скорости коррозии по изменению объема выделившегося или поглощенного газа (водорода или кислорода) относится к объемным методам испытаний. Расчет скорости коррозионного разрушения в этом случае основывается на законе эквивалентов.

В зависимости от способов оценки скорость коррозии может иметь различную размерность: г/м2
×ч; мм/год; см3
/см2
×ч.

7.2. Экспериментальная часть

Оценка скорости коррозии по объему выделяющегося водорода.
Собрать (по указанию преподавателя) четыре прибора, каждый из которых состоит из бюретки и соединенной с ней пробирки. В каждую пробирку налить одинаковое количество (примерно по 1/3 объема) 2 н раствора H2
SO4
. Очистить наждачной бумагой небольшие пластинки из алюминия, железа, цинка и меди, внести их по одной в каждую пробирку, пробирки закрыть пробками с отводной трубкой.

Через определенные интервалы времени проводить отсчеты объема выделившегося водорода в каждом приборе. По полученным данным построить для каждого металла графики зависимости скорости коррозии от времени и от природы металла за один и тот же временной интервал. Для первого графика на оси абсцисс отложить время, мин, на оси ординат - объем водорода, мл. Для второго графика на оси абсцисс отложить объем выделившегося водорода за один и тот же промежуток времени, на оси ординат - стандартный электродный потенциал соответствующего металла.

Оценка скорости коррозии конструкционной стали по количеству металла, перешедшего в раствор. (НИРС).
В колбу емкостью I л, заполненную врдопроводной водой поместить стальную спираль из 12 витков. Общая длина проволоки 0,5 м, диаметр 16 мм. Через 24 часа после погружения спираль вынуть, предварительно ополоснув в .этой же воде путем осторожных вертикальных движений, перенести в другую колбу со свежей порцией той же воды и повторить опыт. Общая продолжительность опыата может быть от двух недель до 4-х месяцев. В каждой колбе определить количество железа, перешедшего в раствор фотокалориметрически или трилонометрически.

Для трилонометрического метода определения железа отобрать 100 мл исследуемой воды после коррозионных испытаний. Добавить щепотку персульфата аммония (NH4
)2
S2
O8
для перевода Fe+2
в Fe+3
. В качестве индикатора использоватьт несколько кристаллов сульфосалициловой кислоты.

Розовый раствор оттитровать 0,005 н раствором трилона Б до обесцвечивания и произвести расчет концентрации ионов Fe+3
.

[Fe+3
] = Vтр
× Nтр
×

Определение [Fe+3
] можно провести и на титраторе, а также фотоэлектроколорометрическим методом (см. лабораторную работу № 7).

Список литературы

1. А. И. Шултин: Очерк жизни и деятельности / Сост. Ю. П. Абакумова, Д. Н. Леонтьева, Н. В. Дядюша, П. Н. Соколов. - Л.: ЛИИЖТ, 1991.

2. Коррозия металлов: Методические указания к выполнению лабораторной работы / Сост. Ю. П. Абакумова, Д. Н. Леонтьева. - Л.: ЛИИЖТ, 1988.

3. Основы электрохимии: Программированный химический тренажер для самостоятельной работы студентов всех форм обучения / Сост. Ю. П. Абакумова, Д. Н. Леонтьева, Л. В. Машков. - Л.: ЛИИЖТ, 1989.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНЫХ ВОД

Цель работы – познакомить студентов с современным методом количественного анализа – фотоэлектроколориметрией.

9.1. Теоретическая часть

Фотоэлектроколориметрия – способ определения количества вещества по поглощению полихроматического света, пропускаемого светофильтром и измеряемого фототоэлементом в достаточно узких интервалах спектра. Эти измерения проводят на фотоэлектроколориметрах различных марок, например ФЭК-57, ФЭК-М.

На величину светопоглощения влияет температура, вызывающая изменение химического состава светопоглощающего вещества, рН раствора.

Исследуемее вещество в растворе должно обладать собственной характерной окраской или образовывать окрашенные соединения с соответствующими реагентами. Окраска раствора должна быть достаточно интенсивной. Чем она интенсивнее, тем точнее определение. Окраска должна быть устойчивой во времени и не меняться с изменением рН раствора и температуры, а также не зависеть от последовательности прибавления реагентов.

Для каждого вещества существует определенная длина волны, при которой наблюдается фотоэффект. Эта величина называется порогом фотоэффекта. Сила возникшего фототока зависит от длины волны падающего света, что делает фотоэлемент чувствительным на определенном участке спектра.

Монохроматизация света достигается применением светофильтров. Светофильтр обладает избирательным светопоглощением, вследствие чего он пропускает свет только в узком интервале длин волн. Цвет самого светофильтра соответствует участку спектра, который он пропускает, и является дополнительным к цвету поглощаемого спектра.

Содержание определяемого вещества в фотометрическом растворе находят исходя из закона Бера:

,

где ах
- количество определяемого вещества в исследуемом растворе, г;

а0
-
количество определяемого вещества в стандартном растворе, г;

Дх
и Д0
-
оптические плотности исследуемого и стандартного растворов, соответственно.

9.2. Экспериментальная часть

Определение содержания кремневой кислоты.
Фотометрическое определение содержания кремневой кислоты в растворах основано на образовании молибденовой сини. При таком методе остальные компоненты, находящиеся в растворе, не мешают определению кремневой кислоты.

Отобрать пипеткой 5 мл исследуемого раствора, перенести в мерную колбу емкостью в 100 мл, добавить 50 мл дистиллированной воды, 5 мл молибдата аммония, тщательно перемешать и дать постоять 10 мин до полного развития желтой окраски. Затем добавить 5 мл раствора восстановительной смеси (она готовится следующим образом: 5 г лимонной кислоты и I г аскорбиновой кислоты растворяют в 50 мл дистиллированной воды, отфильтровывают и разбавляют водой до 100 мл; раствор годен 3-4 дня), долить колбу до метки водой, тщательно перемешать и оставить на 15 мин (при этом кремнемолибденовая кислота восстанавливается в молибденовую синь), после чего перейти к определению оптической плотности раствора, пользуясь красным светофильтром и кюветой 10 мм, которую ополоснуть исследуемым раствором 3-4 раза. Измерения производить по следующей методике.

Перед измерением оптической плотности окрашенного раствора произвести установку прибора на нуль по дистиллированной воде. Для этого поместить кювету с дистиллированной водой, закрытую соответствующим стеклышком, в гнездо правого держателя. Левый держатель кювет остается пустым (наиболее точные измерения получаются, когда установка прибора на нуль и все измерения ведутся при помещении кювет только перед правым фотоэлементом. Левый фотоэлемент служит в этом случае лишь для компенсации фототока). Смотровые грани кювет должны быть совершенно чистыми. Кюветы помещают на одном и том же расстоянии от светофильтров. Правый измерительный барабан поставить на нуль по шкале оптической плотности (красная шкала). Затем открыть шторку светофильтров и с помощью винта для смены светофильтров установить нужный светофильтр, после чего включить гальванометр, поставив ручку значения гальванометра на 1 (малая чувствительность). Вращая рукоятку фотометрического клина грубой настройки, подвести стрелку гальванометра к нулю, повернуть рукоятку включением гальванометра на деление 2 (большая чувствительность) и, вращая рукоятку фотометрического клина точной настройки, вновь поставить стрелку гальванометра на нуль. Установив гальванометр на нуль, рукоятку чувствительности поставить в положение 0 и закрыть шторку светофильтра.

Для измерения оптической плотности исследуемого раствора поместить кювету с окрашенным раствором того же размера в такое положение, как и при установке на нуль по дистиллированной воде. Открыть шторку светофильтра и включить гальванометр на малую чувствительность.

Вследствие поглощения света раствором на правый фотоэлемент будет падать поток света меньшей интенсивности, чем на левый, и стрелка гальванометра будет отклоняться. Для уравнивания интенсивности световых потоков производится усиление правого светового потока увеличением ширины щелевой диафрагмы с помощью вращения правого барабана.

Когда стрелка гальванометра встанет на нуль, переключить гальванометр на большую чувствительность и вращением правого барабана вновь подвести отклонившуюся стрелку к нулю. Гальванометр выключить, светофильтр закрыть шторкой и сделать отсчет величины оптической плотности раствора по красной шкале правого барабана. Зная оптическую плотность раствора, по градуировочному графику (строится заранее) определить процентное содержание кремневой кислоты в пересчете на SiO2
.

Определение содержания оксида алюминия.
Фотометрическое определение содержания алюминия основано на его способности образовывать с некоторыми органическими реагентами сильно окрашенные внутрикомплексные соединения. Одним из наиболее широко применяемых реактивов является алюминон-ауриитрикарбоксилат аммония. В слабокислой среде этот реактив дает с небольшими количествами ионов алюминия соединения интенсивно-красного цвета. Большое влияние на определение содержания алюминия оказывает кислотность среды, которую необходимо поддерживать с помощью буферного раствора. Оптимальная величина рН при определении содержания алюминия равна 4,7.

Определению алюминия мешает присутствие окисного железа. Для устранения помех окисное железо восстанавливают аскорбиновой кислотой.

Для определения содержания алюминия пользуются кюветой 10 мм и зеленым светофильтром.

В мерную колбу емкостью 100 мл отобрать пипеткой 10 мл анализируемого раствора, налить 20 мл буферного раствора, имеющего рН = 4,7, 2 мл 0,2%-ного раствора аскорбиновой кислоты и 10 мл алюминона, перемешать, долить водой до метки, еще раз тщательно перемешать и оставить на15 мин, после чего измерить оптическую плотность раствора по методике «Определение содержания кремниевой кислоты». По градуировочному графику определить процентное содержание Al в пересчете на Al2
O3
.

Определение содержания железа (
III).
В мерную колбу объемом 100 мл отобрать пипеткой 2,5 мл исследуемого раствора, добавить 5 мл 15%-ного раствора сульфосалициловой кислоты и 5 мл 20%-ного раствора аммиака. Перемешать и долить дистиллированной водой до метки, после чего тщательно перемешать еще раз. Йзмерить оптическую плотность получившегося окрашенного раствора на фотоэлектроколориметре с синим светофильтром и по методике «Определение содержания кремниевой кислоты» и по градуировочному графику оптическая плотность – процентное содержание Fe2
O3
определить количество железа.