Титрование Винклера
Тест Винклера используется для определения концентрации растворенного кислорода в пробах воды. Растворенный кислород (РК) широко используется в исследованиях качества воды и повседневной эксплуатации водоочистных сооружений для анализа уровня ее насыщения кислородом .
В пробе избыток соли марганца(II), йодида (I − ) и гидроксид (OH − ) ионы добавляются к пробе воды, вызывая белого осадка Mn(OH) 2 образование . Этот осадок затем окисляется кислородом , присутствующим в пробе воды, в коричневый марганецсодержащий осадок, при этом марганец находится в более сильно окисленном состоянии (либо Mn(III), либо Mn(IV)).
На следующем этапе сильная кислота ( соляная или серная кислота для подкисления раствора добавляется ). Затем коричневый осадок превращает иодид-ион (I − ) к йоду . Количество растворенного кислорода прямо пропорционально титрованию йода раствором тиосульфата . [1] Сегодня этот метод эффективно используется в виде его колориметрической модификации, при которой трехвалентный марганец, полученный при подкислении коричневой суспензии, напрямую реагирует с этилендиаминтетрауксусной кислотой с получением розового цвета. [2] Поскольку марганец является единственным распространенным металлом, дающим цветную реакцию с этилендиаминтетрауксусной кислотой, он имеет дополнительный эффект маскировки других металлов в виде бесцветных комплексов.
История
[ редактировать ]Первоначально тест был разработан Людвигом Вильгельмом Винклером, в более поздней литературе именуемым Лайошем Винклером , во время работы в Будапештском университете над докторской диссертацией в 1888 году. [3] Количество растворенного кислорода является мерой биологической активности водных масс. Фитопланктон и макроводоросли, присутствующие в воде, массово производят кислород посредством фотосинтеза . Бактерии и эукариотические организмы (зоопланктон, рыбы) потребляют этот кислород посредством клеточного дыхания . Результат действия этих двух механизмов определяет концентрацию растворенного кислорода, что, в свою очередь, указывает на производство биомассы. Разница между физической концентрацией кислорода в воде (или теоретической концентрацией, если бы живых организмов не было) и фактической концентрацией кислорода называется биохимической потребностью в кислороде. Тест Винклера часто вызывает споры, поскольку он не дает 100% точности, а уровень кислорода может колебаться от теста к тесту, несмотря на использование одного и того же постоянного образца.
Химические процессы
[ редактировать ]На первом этапе сульфат марганца(II) к пробе воды из окружающей среды добавляется (48% от общего объема). Затем йодид калия (15% в 70% гидроксиде калия добавляют ) до образования розовато-коричневого осадка. В щелочном растворе растворенный кислород окисляет ионы марганца(II) до четырехвалентного состояния.
- 2 млн. 2+ (водн.) + O 2 (водн.) + 2 H 2 O (ж) → 2 MnO(OH) 2 (т.в.)
Mn окисляется до 4+, и MnO(OH) 2 появляется в виде коричневого осадка. Существует некоторая неопределенность относительно того, является ли окисленный марганец четырехвалентным или трехвалентным . Некоторые источники утверждают, что Mn(OH) 3 представляет собой коричневый осадок, но гидратированный MnO 2 также может давать коричневый цвет.
- 4 Mn(OH) 2 (тв) + O 2 (водн.) + 2 H 2 O → 4 Mn(OH) 3 (тв)
Вторая часть теста Винклера снижает (подкисляет) раствор. Осадок снова растворится в растворе, поскольку H + реагирует с О 2− и ох − для образования воды.
- MnO(OH) 2 (т) + 4 Н + (водн.) → Mn 4+ (водн.) + 3 H 2 O (л)
Кислота способствует превращению коричневого марганцевосодержащего осадка йодид-иона в элементарный йод.
Mn(SO 4 ) 2 Образующийся кислотой превращает иодид-ионы в йод, который сам восстанавливается обратно до ионов марганца(II) в кислой среде.
- Mn(SO 4 ) 2 + 2 I − (водн.) → Mn 2+ (вод) + Я 2 (вод) + 2 СО 2−
4 (водный)
Тиосульфат вместе с крахмальным индикатором используется для титрования йода.
- 2 С
22О 2−
3 (вод) + I 2 → S
4 Ох 2−
6 (вод) + 2 И − (вода)
Анализ
[ редактировать ]Из приведенных выше стехиометрических уравнений мы можем найти, что:
- 1 моль O 2 → 2 моля MnO(OH) 2 → 2 моля I 2 → 4 моля S
22О 2−
3
Следовательно, определив количество молей образовавшегося йода, мы можем определить количество молей молекул кислорода, присутствующих в исходной пробе воды. Содержание кислорода обычно выражается в миллиграммах на литр (мг/л).
Ограничения
[ редактировать ]Успех этого метода в решающей степени зависит от способа манипулирования образцом. На всех этапах необходимо принимать меры для обеспечения того, чтобы кислород не попадал в пробу и не терялся из нее. Кроме того, в пробе воды не должно быть никаких растворенных веществ , которые окисляют или восстанавливают йод.
Инструментальные методы измерения растворенного кислорода широко вытеснили рутинное использование теста Винклера, хотя этот тест до сих пор используется для проверки калибровки приборов.
БПК 5
[ редактировать ]Для определения пятидневной биохимической потребности в кислороде (БПК 5 ) несколько разбавлений пробы анализируют на содержание растворенного кислорода до и после пятидневного периода инкубации при 20 °C в темноте. В некоторых случаях бактерии используются для создания стандартизированного сообщества, поглощающего кислород и одновременно поглощающего органические вещества в образце; эти бактерии известны как «семена». Разница в растворенном растворе и коэффициенте разбавления используются для расчета БПК 5 . Полученное число (обычно выражаемое в частях на миллион или миллиграммах на литр) полезно при определении относительной органической силы сточных вод или других загрязненных вод.
Тест БПК 5 является примером анализа, который определяет классы материалов в образце.
Бутылка Винклера
[ редактировать ]Бутылка Винклера — это лабораторная стеклянная посуда, специально изготовленная для проведения теста Винклера. Эти бутылки имеют конические горлышки и плотно прилегающую пробку, помогающую исключить образование пузырьков воздуха при закрытой пробке. Это важно, поскольку кислород в захваченном воздухе будет учитываться при измерении и повлияет на точность теста. [4]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чия Нумако и Изуми Накаи (1995). «XAFS-исследования некоторых реакций осаждения и окрашивания, используемых в аналитической химии». Физика Б: Конденсированное вещество . 208–209 (1–4): 387–388. Бибкод : 1995PhyB..208..387N . дои : 10.1016/0921-4526(94)00706-2 .
- ^ А.Х. де Карвалью, Дж.Г. Каладо и М.Л. Моура, преп. Порт. Хим., 1963, 5, 15.
- ^ Лайош Винклер (1888). «Определение кислорода, растворенного в воде» . Отчеты Немецкого химического общества . 21 (2): 2843–2855. дои : 10.1002/cber.188802102122 .
- ^ Уитни Кинг, «Титрование Винклера – измерение растворенного кислорода» , Colby at Sea , 11 февраля 2011 г., получено и заархивировано 11 июля 2012 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]
- Моран, Джозеф М.; Морган, Майкл Д. и Виерсма, Джеймс Х. (1980). Введение в науку об окружающей среде (2-е изд.). WH Freeman and Company, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк ISBN 0-7167-1020-X
- Итон, Эндрю Д.; Гринберг, Арнольд Э.; Райс, Юджин В.; Клесери, Ленор С.; Фрэнсон, Мэри Энн Х., ред. (2005). Стандартные методы исследования воды и сточных вод (21-е изд.). Американская ассоциация общественного здравоохранения. ISBN 978-0-87553-047-5 . Также доступно на компакт-диске и онлайн по подписке.
- «Стандартная рабочая процедура EAP0 23, версия 2.5. Сбор и анализ растворенного кислорода (метод Винклера)» . Департамент экологии штата Вашингтон. июль 2017.
- Ю. К. Вонг и К. Т. Вонг. Химия New Way для Гонконга A-Level, том 4 , с. 248. ISBN 962-342-535-Х
- Марганец (III) последовательно утверждается [1] (Примечание: дает несбалансированное уравнение образования MnO(OH) 2 ). Заявляемый марганец (III) последовательно дает марганец (IV). [2] [3] [4]