Химическая потребность в кислороде

Мера количества кислорода, которое может быть потреблено в ходе реакций в растворе.

В химии окружающей среды химическая потребность в кислороде ( ХПК ) является показательной мерой количества кислорода , которое может быть потреблено реакциями в измеряемом растворе . Обычно она выражается в массе потребленного кислорода на объем раствора, что в единицах СИ составляет миллиграммы на литр ( мг / л ). Тест на ХПК можно использовать для быстрого количественного определения количества органических веществ в воде . Наиболее распространенным применением ХПК является количественное определение количества окисляемых загрязняющих веществ , обнаруженных в поверхностных водах (например, озерах и реках ) или сточных водах . ХПК полезен с точки зрения качества воды , предоставляя метрику для определения воздействия сточных вод на принимающий организм, во многом подобно биохимической потребности в кислороде (БПК) .

Обзор

Основой для теста ХПК является то, что почти все органические соединения могут быть полностью окислены до углекислого газа сильным окислителем в кислых условиях. Количество кислорода, необходимое для окисления органического соединения до углекислого газа, аммиака и воды, определяется по формуле:

${\displaystyle {\mbox{C}}_{n}{\mbox{H}}_{a}{\mbox{O}}_{b}{\mbox{N}}_{c}+\left(n+{\frac {a}{4}}-{\frac {b}{2}}-{\frac {3}{4}}c\right){\mbox{O}}_{2}\rightarrow n{\mbox{CO}}_{2}+\left({\frac {a}{2}}-{\frac {3}{2}}c\right){\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}+c{\mbox{NH}}_{3}}$

Это выражение не включает потребность в кислороде, вызванную нитрификацией , окислением аммиака в нитрат :

${\displaystyle {\mbox{N}}{\mbox{H}}_{3}+2{\mbox{O}}_{2}\rightarrow {\mbox{N}}{\mbox{O}}_{3}^{-}+{\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}^{+}}$

Дихромат , окислитель для определения ХПК, не окисляет аммиак до нитрата, поэтому нитрификация не включена в стандартный тест на ХПК.

Международная организация по стандартизации описывает стандартный метод измерения химической потребности в кислороде в ISO 6060 [1]. Однако этот стандарт ISO был отменен в 2024 году.

Использование дихромата калия

Дихромат калия является сильным окислителем в кислых условиях. Кислотность обычно достигается добавлением серной кислоты . Реакция дихромата калия с органическими соединениями имеет вид:

${\displaystyle {\ce {C}}_{n}{\ce {H}}_{a}{\ce {O}}_{b}{\ce {N}}_{c}\ +\ d{\ce {Cr2O7^2-}}\ +\ (8d\ +\ c){\ce {H+ ->}}n{\ce {CO2}}\ +\ {\frac {a+8d-3c}{2}}{\ce {H2O}}\ +\ c{\ce {NH4+}}\ +2d{\ce {Cr^3+}}}$

где . Чаще всего для определения ХПК используют 0,25 Н раствор дихромата калия, хотя для образцов с ХПК ниже 50 мг/л предпочтительнее более низкая концентрация дихромата калия. ${\displaystyle d=2n/3+a/6-b/3-c/2}$

В процессе окисления органических веществ, обнаруженных в образце воды, дихромат калия восстанавливается (так как во всех окислительно-восстановительных реакциях один реагент окисляется, а другой восстанавливается), образуя Cr ³⁺ . Количество Cr ³⁺ определяется после завершения окисления и используется как косвенная мера содержания органических веществ в образце воды.

Измерение избытка

Для полного окисления всех органических веществ должно присутствовать избыточное количество дихромата калия (или любого окислителя). После завершения окисления необходимо измерить количество избыточного дихромата калия, чтобы точно определить количество Cr ³⁺ . Для этого избыточный дихромат калия титруют сульфатом аммония -железа (FAS) до тех пор, пока весь избыточный окислитель не будет восстановлен до Cr ³⁺ . Обычно на этом этапе титрования добавляют индикатор окисления-восстановления ферроин . После восстановления всего избыточного дихромата индикатор ферроина меняет цвет с сине-зеленого на красновато-коричневый. Количество добавленного сульфата аммония-железа эквивалентно избытку дихромата калия, добавленному к исходному образцу. Примечание: индикатор ферроина имеет ярко-красный цвет из коммерчески приготовленных источников, но он приобретает зеленый оттенок при добавлении к переваренному образцу, содержащему дихромат калия. Во время титрования цвет индикатора меняется с зеленого на ярко-синий, а затем на красновато-коричневый по достижении конечной точки. Индикатор ферроина меняется с красного на бледно-синий при окислении. ^[1] Другим индикатором, который можно использовать, является дифениламин. Его готовят путем растворения 0,1 г в 100 мл концентрированной серной кислоты. Изменение цвета происходит с темно-синего на светло-голубой.

Приготовление индикаторного реагента ферроина

Раствор 1,485 г 1,10- фенантролина моногидрата добавляют к раствору 695 мг FeSO4 _· 7H2O _в дистиллированной воде и полученный красный раствор разбавляют до 100 мл.

Расчеты

Для расчета ХПК используется следующая формула:

${\displaystyle \mathrm {COD} ={\frac {8000(b-s)n}{\text{sample volume}}}}$

где b — объем FAS, использованный в холостом образце, s — объем FAS в исходном образце, а n — нормальность FAS. Если для измерения объема последовательно используются миллилитры, результат расчета ХПК приводится в мг/л.

ХПК также можно оценить по концентрации окисляемого соединения в образце, основываясь на его стехиометрической реакции с кислородом с образованием CO2 ₍ предположим, что весь C переходит в CO2 ₎ , _H2O (предположим, что весь H переходит в H2O ₎ и NH3 ₍ предположим, что весь N переходит в NH3 ₎ , используя следующую формулу:

COD = ( C /FW)·(RMO)·32

Где

C = Концентрация окисляемого соединения в образце,

FW = Формульный вес окисляемого соединения в образце,

RMO = Отношение числа молей кислорода к числу молей окисляемого соединения в их реакции с CO ₂ , водой и аммиаком.

Например, если образец содержит 500 Wppm (весовых частей на миллион) фенола:

С6Н5ОН + _7О2 → _6СО2 + _3Н2О​​_​​

ХПК = (500/94)·7·16*2 = 1192 Вт/млн

Неорганические помехи

Некоторые образцы воды содержат высокие уровни окисляемых неорганических материалов, которые могут мешать определению ХПК. Из-за своей высокой концентрации в большинстве сточных вод хлорид часто является наиболее серьезным источником помех. Его реакция с дихроматом калия следует уравнению:

${\displaystyle \mathrm {6Cl^{-}+Cr_{2}O_{7}^{2-}+14H^{+}\rightarrow 3Cl_{2}+2Cr^{3+}+7H_{2}O} }$

Чтобы устранить помехи со стороны хлорида, перед добавлением других реагентов в образец можно добавить сульфат ртути .

В следующей таблице перечислены несколько других неорганических веществ, которые могут вызывать помехи. В ней также перечислены химикаты, которые могут быть использованы для устранения таких помех, и соединения, образующиеся при устранении неорганической молекулы.

Государственное регулирование

Многие правительства вводят строгие правила относительно максимально допустимого химического потребления кислорода в сточных водах, прежде чем они могут быть возвращены в окружающую среду. Например, в Швейцарии максимальное потребление кислорода должно быть между 200 и 1000 мг/л, прежде чем сточные воды или промышленные воды могут быть возвращены в окружающую среду [2].

История

В течение многих лет сильный окислитель перманганат калия ( K Mn O ₄ ) использовался для измерения химической потребности в кислороде. Измерения назывались потреблением кислорода из перманганата, а не потребностью органических веществ в кислороде . Эффективность перманганата калия в окислении органических соединений сильно различалась, и во многих случаях измерения биохимической потребности в кислороде (БПК) часто были намного выше результатов измерений ХПК. Это указывало на то, что перманганат калия не мог эффективно окислять все органические соединения в воде, что делало его относительно плохим окислителем для определения ХПК.

_{С тех пор для} определения ХПК использовались другие окислители, такие как сульфат церия , иодат калия и дихромат калия . Из них дихромат калия ( K2Cr2O7 ₎ является наиболее эффективным: он относительно дешев, легко очищается и может почти полностью окислять почти все органические соединения.

В этих методах фиксированный объем с известным избыточным количеством окислителя добавляется к образцу анализируемого раствора. После этапа кипячения с обратным холодильником начальная концентрация органических веществ в образце рассчитывается на основе титриметрического или спектрофотометрического определения оставшегося в образце окислителя. Как и во всех колориметрических методах, для контроля загрязнения внешним материалом используются холостые пробы .

Смотрите также

• Биохимическая потребность в кислороде  – кислород, необходимый для удаления органических веществ из воды.
• Потребность углеродистых биохимических соединений в кислороде  – Кислород, необходимый для удаления органических веществ из воды.Страницы, отображающие краткие описания целей перенаправления
• Теоретическая потребность в кислороде  – рассчитанное количество кислорода, необходимое для окисления соединения до конечных продуктов окисления.Страницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва
• Показатели качества сточных вод  – Способы проверки пригодности сточных вод рассматривают БПК и ХПК как показатели качества воды.

Ссылки

Цитаты

1. "Общая химия онлайн: Глоссарий". antoine.frostburg.edu .

Источники

• Клер Н. Сойер; Перри Л. Маккарти; Джин Ф. Паркин (2003). Химия для экологической инженерии и науки (5-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 0-07-248066-1.
• Lenore S. Clescerl; Arnold E. Greenberg; Andrew D. Eaton (1998). Стандартные методы исследования воды и сточных вод (20-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Американская ассоциация общественного здравоохранения. ISBN 0-87553-235-7.

«Общая химия онлайн».

Внешние ссылки

• ISO 6060: Качество воды. Определение химической потребности в кислороде