Podstawowe parametry wody

Magdalena Kwolek-Mirek

Artykuł ten został opublikowany na stronie firmy Tropheus Tanganika

 

Wskaźniki fizykochemiczne:

 

Barwa - jest właściwością optyczną wody, polegającą na pochłanianiu części widma promieniowania widzialnego przez substancje rozpuszczone, koloidalne oraz cząstki zawiesin obecne w wodzie. Pojawienie się zabarwienia wody może być spowodowane przez wiele czynników m.in.: rodzaj roślinności i produkty jej rozkładu; związki humusowe; plankton; jony metali (np. żelaza, manganu) oraz zanieczyszczenia pochodzenia antropogenicznego. Wyróżniamy: barwę rzeczywistą wody, czyli barwę wody klarownej po usunięciu mętności; barwę pozorną wody wywołaną przez zawiesiny i substancje rozpuszczone w wodzie oraz barwę specyficzną.

 

Jednostka barwy - zabarwienie, jakie w 1 dm³ wody destylowanej wywoła 1 mg platyny (Pt) rozpuszczonej w postaci heksachloroplatynianiu IV potasu /chloroplatynianu potasu/ (K₂PtCl₆) z dodatkiem 0,5 mg kobaltu w postaci chlorku kobaltu II (CoCl₂ · 6H₂O).

 

Mętność - jest właściwością optyczną wody, polegającą na rozproszeniu i absorbowaniu części widma promieniowania widzialnego przez cząstki stale obecne w wodzie. Mętność mogą powodować: wytrącające się związki żelaza, manganu, glinu; kwasy humusowe; plankton;  cząstki skał i gleb; osady denne, zanieczyszczenia.

 

Jednostka porównawcza mętności - mętność, jaką wywołuje 1 mg krzemionki, w postaci zawiesiny wzorcowej, dodany do 1 dm³ wody destylowanej.

 

Przezroczystość – odwrotność mętności – jest właściwością optyczną wody, polegającą na przepuszczaniu światła. Oznaczana jest jako wysokość słupa wody w cm, przez który można odczytać druk wzorcowy lub podziałkę na płytce wzorcowej.

 

Zapach -  jest powodowany obecnością w wodzie gazów (np. siarkowodoru), organizmów wodnych (roślin i zwierząt), produktów rozkładu związków organicznych oraz niektórych substancji organicznych i nieorganicznych pochodzenia antropogenicznego. Wyróżniamy 3 podstawowe grupy zapachów:

· roślinny (R) -  spowodowany obecnością w wodzie substancji organicznych nie będących w stanie rozkładu (np.: ziemisty, trawiasty),

· gnilny (G) – spowodowany obecnością w wodzie substancji organicznych w stanie rozkładu (np.: siarkowodoru, pleśni),

· specyficzny (S) – spowodowany obecnością w wodzie substancji nie występujących normalnie w wodach naturalnych (np.: chloru, benzyny).

 

Intensywność zapachu określa skala od 0 do 5 (przy czym 0 – oznacza brak zapachu, a 5 – zapach bardzo silny). Zapach można oznaczać na zimno (20ºC) lub na gorąco (w temperaturze około 60ºC).

 

Temperatura - jest miarą stopnia nagrzania wody. Temperatura wód naturalnych zależy od ich pochodzenia, strefy klimatycznej, pory roku, odpływu ścieków przemysłowych i miejskich. Temperatura wody ma duży wpływ na współistnienie organizmów wodnych oraz przebieg procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących w wodach. Wzrost temperatury powoduje zmniejszenie ilości rozpuszczonego tlenu, zwiększenie biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT), przyspieszenie procesu nitryfikacji oraz utleniania amoniaku do azotanów (III) i (V), co w efekcie prowadzi do deficytu tlenowego w wodzie. Podwyższenie temperatury o 10^oC powoduje blisko dwukrotne przyspieszenie reakcji chemicznych i biologicznych zachodzących w wodzie. Podwyższona temperatura zwiększa również toksyczność wielu substancji.

 

Najczęściej używaną w Polsce jednostką temperatury są stopnie Celsjusza. Wzór do przeliczania stopni Celsjusza na Kelwiny jest następujący: T[K] = t[°C] + 273.15

 

Przewodność elektryczna (konduktancja, G) – jest miarą podatności wody na przepływ prądu elektrycznego. Jest wywołana obecnością jonów (kationów i anionów) powstałych w wyniku dysocjacji rozpuszczonych soli oraz amoniaku i dwutlenku węgla. Przewodność elektryczna jest wskaźnikiem informującym o stopniu mineralizacji wody (o stopniu zasolenia). Konduktancja wody wiąże się zatem z jej twardością. Im woda jest bardziej twarda tym jej przewodność elektryczna jest większa.

Jednostką przewodności w układzie SI jest simens (S) 1S = 1Ω^{- 1}

Do pomiaru przewodności elektrycznej służy konduktometr, a pomiary przeprowadza się dla wody o temperaturze 20°C.

 

Twardość (Tw) – jest cechą wody, będącą funkcją stężenia soli wapnia, magnezu i innych metali, które są zdolne do tworzenia soli na wyższym niż pierwszy stopniu utlenienia.

 

Twardość węglanowa (przemijająca, Tw_w, KH) - jest wywoływana głównie przez wodorowęglany: wapniowy Ca(HCO₃)₂ oraz magnezowy Mg(HCO₃)₂. Ten typ twardości można łatwo usunąć przez zagotowanie wody, ponieważ pod wpływem ogrzewania wody wodorowęglany rozkładają się do nierozpuszczalnych węglanów tworzących kamień kotłowniczy:

Ca (HCO₃)₂ ->CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Mg(HCO3)2 - >MgCO3 + CO2 + H2O

 

Twardość węglanowa ma szczególne znaczenie dla akwarystów, ponieważ decyduje o pH i zawartości dwutlenku węgla (CO₂) w wodzie. Tw_w możemy obniżyć: filtrując wodę przez torf jednocześnie podnosząc lekko zakwaszenie wody; stosując wymieniacz kationów; dolewając wodę destylowaną lub podnieść: filtrując wodę przez warstwę żwiru koralowego; umieszczając w akwarium skały wapienne, dolomity, marmury, muszle; dodając do wody wodorowęglanu sodu (NaHCO₃); podając roztwór soli morskiej.

 

Twardość niewęglanowa (trwała, Tw_n) - jest wywoływana głównie przez sole wapnia i magnezu, najczęściej są to siarczany (dające trudny do usunięcia kamień gipsowy (np. CaSO₄)) azotany oraz chlorki. Sole te mogą być naturalnie obecne w wodzie jak i powstawać wtórnie, np. w trakcie jej gotowania.

 

Twardość ogólna (całkowita, Tw_o, GH) – to suma twardości węglanowej i niewęglanowej wody. Na ogół twardość ogólna jest większa od twardości węglanowej. Jednak w przypadku testów wykorzystywanych w akwarystyce, często bywa odwrotnie. Jest to spowodowane tym, iż odczynniki te nie mierzą jedynie twardości węglanowej jako takiej (czyli stężenia wodorowęglanów wapnia i magnezu), ale stężenie wszystkich węglanów i wodorowęglanów, łącznie z sodowymi i potasowymi. Stąd też pojawia się wynik pozornie wyższej wartości Tw_w nad Tw_o.

 

Twardość wody ma bardzo silny wpływ na jej napięcie powierzchniowe. Czym większe napięcie powierzchniowe wody, tym trudniej zwilża ona wszelkie powierzchnie, na skutek czego trudno jest przy jej pomocy np. prać. Dodatek detergentów (związków powierzchniowo czynnych) powoduje zmniejszenie twardości wody.

 

Twardość wody wyraża się w trzech różnych skalach:

· stopniach niemieckich (°n) - 1 °n = 10,00 mg CaO w 1 litrze wody oraz 1 °n = 17,9 mg CaCO₃ w 1 litrze wody,

·  stopniach francuskich (°f) - 1 °f = 10,00 mg CaCO₃ w 1 litrze wody,

· milivalach na litr (mval/l) - 1 mval = 1 miligramorównoważnik (0,5 milimol) jonów Ca²⁺ oraz 1 mval/litr = 50 mg CaCO₃/litr.

 

Woda poniżej 5 °n jest wodą bardzo miękką, 5-10 °n miękką, 10-15 °n o średniej twardości, 15-20 °n o znacznej twardości, 20-30 °n twardą, zaś woda powyżej 30 °n jest wodą bardzo twardą.

 

Odczyn (pH) – pojęcie pH wprowadził duński biochemik Søren Sørensen w 1909 r., oryginalnie pH zostało zdefiniowane jako ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych (H⁺), jednak współczesne badania wykazały, że wolne jony wodorowe nigdy nie występują w roztworach wodnych, gdyż ulegają natychmiast solwatowaniu (otaczaniu przez inne cząsteczki wody) i powstaje jon hydroniowy (H₃O⁺): H⁺ + H₂O --> H₃O⁺

Cząsteczka wody (H₂O) dysocjuje więc zgodnie z równaniem:

2H₂O<--> H₃O⁺ + OH^-

Stan równowagi tej reakcji można przedstawić za pomocą wzoru:

K = [H₃O⁺] + [OH^-] / [H₂O]

gdzie: K – stała dysocjacji wody, [H₃O⁺] – stężenie jonów hydroniowych, [OH^-] – stężenie jonów wodorotlenowych, [H₂O] – stężenie wody.

Iloczyn jonowy wody w temperaturze 20ºC, pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi:

K_w = [H⁺] · [OH^-] = 1,0 · 10^-14 (mol/dm³)²

Stężenie jonów wodorowych H⁺ (a w rzeczywistości hydroniowych H₃O⁺) i jonów wodorotlenowych OH^- w chemicznie czystej wodzie jest jednakowe i wynosi:

[H⁺] = [OH^-] = 1,0 · 10^-7  mol/dm³

Ponieważ pH = - log [H⁺] to powyższa wartość odpowiada na skali wartości pH = 7. Oznacza to, że odczyn chemicznie czystej wody jest obojętny. Woda o pH poniżej 6 jest wodą silnie kwaśną, pH 6-6,9 lekko kwaśną, pH 7,1-8 lekko zasadową, natomiast o pH 8,1-9 silnie zasadową.

 

Pomiar pH możemy wykonać za pomocą: metody kolorymetrycznej – polegającej na porównaniu danego roztworu, do którego został dodany odpowiedni wskaźnik, ze skalą wzorców o znanym pH lub metody potencjometrycznej (elektrometrycznej) - polegającej na pomiarze siły elektromotorycznej zestawionego ogniwa, które składa się z elektrody roboczej (pomiarowej, wskaźnikowej) zanurzonej do badanego roztworu i elektrody pomocniczej (porównawczej). pH-metr pozwala na w pełni automatyczny odczyt wartości pH badanego roztworu.  

  

Odczyn wód naturalnych waha się w zakresie pH od 4 do 9 i zależy od wielu czynników m.in.: zawartości węglanów, wodorowęglanów i dwutlenku węgla (wody węglanowe są zasadowe, ubogie w węglany – kwaśne); charakteru podłoża glebowego, które może zawierać związki o charakterze kwaśnym lub zasadowym; zanieczyszczeń itp.

 

Dla akwarystów odczyn jest istotnym parametrem wody. Im mniejsza twardość węglanowa tym łatwiej obniżyć pH. Wartość pH można obniżyć poprzez: dodanie związków humusowych; filtrowanie wody przez torf; dodanie dwutlenku węgla (CO₂), natomiast podnieść: filtrując wodę przez warstwę żwiru koralowego; umieszczając w akwarium skały wapienne, dolomity, marmury, muszle; dodając do wody wodorowęglanu sodu (NaHCO₃); podając roztwór soli morskiej.

 

Kwasowość – to zdolność wody do zobojętniania dodawanych do niej mocnych zasad wobec umownych wskaźników. Może być wywołana obecnością rozpuszczonego dwutlenku węgla, słabych kwasów organicznych (kwasów humusowych), soli, które ulegają w wodzie hydrolizie (np. soli żelaza lub glinu), substancji dodawanych w procesie uzdatniania wody, a także zanieczyszczeń. Rozróżnia się:

· kwasowość mineralną - jest to ilościowy wskaźnik zawartości mocnych kwasów, oznaczany przez miareczkowanie próbki mocną zasadą do pH = 4,5 wobec oranżu metylowego lub potencjometrycznie,

· kwasowość ogólną - jest ilościowym wskaźnikiem zawartości mocnych kwasów i soli mocnych kwasów i słabych zasad, oznaczanym przez miareczkowanie próbki mocną zasadą do pH = 8,3 wobec fenoloftaleiny lub potencjometrycznie.

 

Zasadowość – to zdolność wody do zobojętniania dodawanych do niej mocnych kwasów wobec umownych wskaźników. Właściwość tę nadają wodzie obecne w niej węglany, wodorowęglany i wodorotlenki oraz występujące w mniejszych stężeniach krzemiany, borany, fosforany, amoniak, zasadowe związki organiczne, sole hydrolizujące z odczynem zasadowym. Różnica pomiędzy zasadowością a twardością ogólną nazywa się zasadowością alkaliczną i spowodowana jest przez kwaśne węglany lub węglany potasowe i sodowe. Rozróżnia się:

· zasadowość mineralną - jest ilościowym wskaźnikiem zawartości jonów wodorotlenowych i węglanowych, oznaczanym przez miareczkowanie próbki mocnym kwasem do pH = 8,3 wobec fenoloftaleiny lub potencjometrycznie,

· zasadowość ogólną - jest ilościowym wskaźnikiem zawartości jonów węglanowych, wodorowęglanowych, wodorotlenowych i innych anionów pochodzących z dysocjacji soli słabych kwasów i mocnych zasad, oznaczanym przez miareczkowanie próbki mocnym kwasem do pH = 4,5 wobec oranżu metylowego lub potencjometrycznie.   

 

Utlenialność (indeks nadmanganowy, ChZT_Mn) - to wielkość wyrażająca ilość tlenu (w mgO₂/l) pobranego z utleniacza (nadmanganianu potasu - KMnO₄) w celu utlenienia substancji organicznych i nieorganicznych zawartych w wodzie. Utlenialność wód wynosi od 4 mg tlenu/dm³ dla wód czystych, do kilkuset dla wód zanieczyszczonych.

 

Ważnymi parametrami wody jest również zawartość: związków azotu (amoniaku, azotynów, azotanów), fosforu, żelaza, manganu, chlorków, siarczanów, fluorków, oraz rozpuszczonych gazów (CO₂, O₂, siarkowodoru).

 

Wskaźniki bakteriologiczne:

W wodach naturalnych prawie zawsze w mniejszej lub większej ilości występują różne mikroorganizmy. Szczególnie są nimi zanieczyszczone otwarte zbiorniki wodne, do których spływają wody deszczowe i ścieki. Rozwój bakterii w wodzie uzależniony jest od obfitości substancji pokarmowych, warunków termicznych, świetlnych, stopnia natlenienia wody i wielu innych.

Oznaczenie bakterii w wodzie jest trudne, wybrano więc jako organizm wskaźnikowy bakterię - Escherichia coli (pałeczka okrężnicy). Jej obecność świadczy o zanieczyszczeniu wód ściekami bytowymi  i bakteriami chorobotwórczymi. Charakterystykę bakteriologiczną wody wyraża się mianem coli  - jest to najmniejsza objętość wody (w cm³), w której znaleziono jedną bakterię, natomiast index coli – jest to liczba bakterii w 1 cm³ wody.

 

 

Literatura:

 

http://pl.wikipedia.org/wiki/Woda

www.ar.krakow.pl/tz/ktfimt/dydaktyka/materialy/gewis1/CWICZENIE_I_teoria.pdf

http://www.ich.pw.plock.pl/zpch/index_pliki/dydaktyka_pliki/Twardosc%20wody.pdf

http://www.wodip.opole.pl/eko/eko_biala/s3a.htm

http://levis.sggw.waw.pl/~ozw1/ZintegrowGospWod/ZintegrowanagospwodREW01/

jakoscwod/WSKAZNIKI.htm

http://akwadar.w.interia.pl/param_wody.html

http://www.zoolek.pl/index.php3? id=publikacje&id_pub=pomiar_chem&id_lang=pl

 

Słowniczek:

chemiczne wskaźniki pH - są to związki chemiczne, których barwa zmienia się zależnie od pH środowiska, w którym się znajdują. Mechanizm zmiany barwy bywa różny dla różnych wskaźników. Część z nich zmienia barwę na skutek przyłączania jonów hydroniowych (H₃O⁺) lub hydroksylowych (OH^-) i przechodzenia w formę jonową przy ściśle określonym ich stężeniu, inne zmieniają kolor na skutek zmian konformacyjnych wywołanych przez zmianę pH, wreszcie istnieją takie, które zmieniają barwę na skutek całego ciągu reakcji chemicznych uruchamianych przy określonym pH.

 

Escherichia coli (E.coli) – pałeczkowata bakteria występująca zazwyczaj w jelicie grubym człowieka i innych ssaków, powszechnie używana w badaniach biomedycznych.

 

fenoloftaleina – to organiczny związek chemiczny, stosowany głównie jako wskaźnik pH. Fenoloftaleina jest wskaźnikiem alkacymetrycznym, tzn. zmienia formę z bezbarwnej w środowisku kwaśnym na malinowoczerwoną w środowisku zasadowym. Służy głównie do miareczkowania roztworów o odczynie zasadowym. Jest też stosowana przy produkcji tzw. papierków uniwersalnych. Zakres pH zmiany barwy: 8,3 - 10,0.

 

koloid (układ koloidalny) - niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona (zawieszona) w drugiej. Rozdrobnienie substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.

 

oranż metylowy - organiczny związek chemiczny, barwnik, który posiada zdolność zmiany barwy pod wpływem zmian pH środowiska, dzięki czemu jest powszechnie stosowany jako wskaźnik pH. Oranż metylowy zmienia barwę z pomarańczowej na czerwoną. W środowisku zasadowym i lekko kwaśnym (do pH=4,4) jest intensywnie żółty. Wraz ze spadkiem pH w zakresie 3,1-4,4 zmienia stopniowo barwę na intensywnie czerwoną.

 

plankton (gr. plankton - błąkające się) - to drobne organizmy wodne unoszące się biernie w wodzie. Nawet jeśli mają narządy ruchu, to są one zbyt słabe, by organizmy te mogły się aktywnie przeciwstawić prądom wodnym i wiatrom.

 

związki humusowe – stanowią grupę wielkocząsteczkowych złożonych substancji, których skład chemiczny i budowa nie została dokładnie poznana. Powstają w procesie humifikacji, czyli oddziaływania czynników chemiczno-fizycznych (odczyn wody, temperatura) i fermentacyjnych pod wpływem działania mikroorganizmów na szczątki roślinne i zwierzęce. W ich skład wchodzą trzy grupy kwasów (kwasy huminowe i fulwowe oraz huminy). Związki humusowe nadają wodzie brunatną barwę, a ze względu na swój kwasowy charakter obniżają również jej odczyn. Wpływają korzystnie na procesy fizjologiczne roślin, gdyż zawierają witaminy, hormony wzrostowe roślin (tzw. auksyny) oraz substancje o charakterze antybiotyków. Jednak przy wysokich stężeniach mogą wpływać hamująco na wzrost i rozwój roślin.