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水質分析的基本方法
日期：2025-02-06 05:54
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摘要：
水質分析的基本方法
一、水質分析基本方法
前已述及，水質分析應包括水的物理、化學和微生物學性質的分析。就基本分析而言，可分為（1）物理和化學分析（2）生物和微生物學分析兩大類。
分析化學是一門研究各種化合物或混合物的化學組成的分析方法和分析步驟的科學。它是水質物理和化學分析的理論基礎。
分析化學可以分為定性分析和定量分析兩個部門。定性分析又可以分為無機定性分析和有機定性分析。其目的是鑒定化合物或混合物是由哪些組分（元素、離子、基團或化合物）所組成。定量分析也可以分為無機定量分析和有機定量分析兩部分，它們的任務是測定物質各組分的含量。
在一般化學分析的工作程序上總是定性分析先于定量分析，因為只有首先了解物質的定性組成，然后才能選擇適當?shù)亩糠治龇椒?。測出所含元素或離子等的含量。然而，在水質分析工作中，由于天然水、工業(yè)用水和生活污水所含成分一般都已知道；工業(yè)廢水性質雖然復雜，但其成分也可以從該工廠所使用的原料和生產工藝過程等概略地推測，故除特殊情況外，水的定性分析很少應用。不過，由于環(huán)境保護工作的深入發(fā)展，有時為了了解某些工業(yè)廢水和天然水的**組成或某些水質處理過程的中間產物等，也需要進行定性分析。
定性分析是應用化學反應，將待測的元素或離子轉變?yōu)榫哂心承┨厥庑再|的新化合物。如（1）發(fā)生特殊的顏色，（2）析出具有一定形狀的沉淀物，（3）發(fā)生可以識別的氣體，（4）原有顏色的變化及（5）原有沉淀物的溶解等，根據這些化學反應結果和新化合物的特殊性質，即可判斷試樣中是否含有某種成分。
定量分析主要是應用化學反應中物質不滅定律和當量定律來測定試樣中各組分的含量。定量分析按其分析時采用的方法。主要可分為：（1）重量分析，（2）容量分析，（3）光學分析（如比色分析、比濁分析、光譜分析等），（4）電化學分析（如極譜分析、電位分析等），以及（5）色譜分析（如氣相色譜、液相色譜）。
光學分析、電化學分析、色譜分析等都是利用待測組分的某種物理性質或物理化學性質來進行分析測定的。在分析時往往需要應用比較精密和比較復雜的儀器。所以有時也稱為儀器分析。在水質分析中*常用到的儀器有紫外－可見分光光度計、原子吸收分光光度計、氣相色譜儀等。有時還根據水質分析的特點制成專用的儀器。如測汞儀、溶解氧儀、生化需氧量測定儀、總有機碳測定儀等。
儀器分析具有快速、準確、靈敏等優(yōu)點，還便于自動連續(xù)測定。因而發(fā)展很快，有著廣闊的應用前途。但目前有的儀器價格較高，平時維護（如需恒溫、恒濕、防震等）和對操作人員的要求也較高。因此，在大多數(shù)水質分析工作中，儀器分析和普通的化學分析是相輔相成、互為補充的。其中，普通的化學分析法仍居于重要的、基礎的地位。
二、容量分析計算
1.容量分析概述
在普通的化學定量分析中，重量分析可以得到相當準確的測定結果。因此常被用來作為基準測定。但重量分析手續(xù)繁雜、十分費時，在一般情形下都盡量避免采用。在水質分析中，由于水中所含雜質通常都非常微少，所以除了固體測定等少數(shù)項目外，很少應用重量分析法。而容量分析比重量分析要簡便得多，**度又比較高，故在水質分析中用得很多。
容量分析是將一種已知準確濃度的試劑溶液加到被測物質的溶液中，使它們發(fā)生化學反應，然后根據該試劑溶液的濃度以及與被測物質完全反應時所消耗的體積，通過等當量數(shù)的關系來計算被測物質的含量。
很顯然，并不是任何化學反應都能適用于容量分析的。在水質分析中，能用作容量分析的反應，必須符合下列要求：（1）反應進行迅速，能在瞬間完成。速度較慢的反應，可通過加熱或催化劑等方法來解決；（2）反應必須按等當量數(shù)進行，不能有副反應發(fā)生；（3）要有恰當?shù)闹甘緞┗蚱渌锢砘瘜W方法來指示等當點的到達；（4）必須排除對反應有干擾的物質。
容量分析按其反應形式的不同，可分為兩大類：
（1）基于離子之間發(fā)生結合反應的方法，屬于這一類的有：中和滴定法、絡合滴定法和容量沉淀法。
（2）基于離子或單質之間發(fā)生電子轉移反應的方法。屬于這一類的有:氧化還原滴定法。
2.容量分析計算的基本公式——當量定律的作用
容量分析計算的基礎是當量定律。
當量定律是：各物質相互作用時，它們的重量比等于它們的當量比。
根據當量定律我們知道：參加反應的物質總是以相同的克當量數(shù)或毫克當量數(shù)進行反應的。也就是說：在一個化學反應中，參加反應的一種物質（甲）的克當量數(shù)總是等于另一種物質（乙）的克當量數(shù)。
因此，我們可以說：克的甲物質與克的乙物質是“化學相當”的。
如果甲物質也能與丙物質互相反應，那么，在反應中甲物質的克當量數(shù)也應等于丙物質的克當量數(shù)。
同樣，我們可以說：克的甲物質與克的丙物質也是化學相當?shù)摹?/div>
這時，不論乙物質與丙物質能否直接發(fā)生反應，我們都可以說：克的乙物質與克的丙物質是化學相當?shù)摹?/div>
所以，在化學中，根據當量定律，我們可以求出任何兩種物質之間的化學相當關系。
在容量分析的計算中，有兩個基本公式。
（1）
式中：、 ——分別為1、2兩種溶液的當量濃度；
、——分別為1、2兩種溶液的體積，毫升。
和就分別表示了1、2兩種物質的毫克當量數(shù)。
這個公式可以用來：①計算兩種溶液相互作用的體積，②用一種標準溶液來標定另一種溶液，③計算一種溶液稀釋后的濃度，和④計算兩種濃度不同的同質溶液混合后的濃度等。
（2）
式中： ——當量濃度
——體積，毫升；
——固體物質的重量，克；
——該固體物質的當量。
顯然，等式的兩邊都是毫克當量數(shù)。
這個公式可以用來：①計算配制一種溶液所需固體物質的重量，或②計算一定重量的固體物質配成溶液后的當量濃度，③計算溶液和固體物質之間相互作用時的定量關系（如用固體基準物質來標定一溶液的當量濃度；求為與一溶液完全作用時所需的固體物質質量），和④求被測物質的含量等。
下面舉幾個例子來說明這兩個基本公式的應用。
例1 中和1000毫升0.125ON的HCl溶液，需用0.1000N的NaOH溶液多少毫升？
解 根據，得
答 需用0.1000N的NaOH溶液1250毫升。
例2 現(xiàn)有480.0毫升0.1725N的H2SO4溶液，要將它配制成0.1700N的溶液，需要加入多少毫升的蒸餾水？
解 設需要加入毫升蒸餾水。
稀釋前酸液的毫克當量數(shù)為
稀釋后酸液的毫克當量數(shù)為
因為 ，故，
所以
答 需要加入蒸餾水7.06毫升。
例3 今有0.2850N的HCl溶液300.0毫升，需加入多少毫升0.4200N的HCl溶液才能得到0.3000N的HCl溶液？
解 設所需加入的0.4200N的HCl溶液為毫升，根據混合前后的毫克當量數(shù)應相等的原則，得
，故
答 需加入0.4200NHCl溶液37.50毫升。
例4 欲配制約0.1N的HCl溶液600毫升。需量取比重為1.19(含HCl37%)的濃鹽酸多少毫升？
解 600毫升0.1N的HCl溶液的毫克當量數(shù)為
設所需要取的濃鹽酸為毫升，則這些濃鹽酸的毫克當量數(shù)為：
根據，故
答 需量取濃鹽酸5.0毫升。
例5 欲制0.1000N的K2Cr2O7溶液1升，用于氧化還原反應中，問需稱取純K2Cr2O7多少克？
解 在氧化還原反應中K2Cr2O7的當量為
設需稱取克純K2Cr2O7，則這些重鉻酸鉀的毫克當量數(shù)為：
1升0.1000N K2Cr2O7溶液的毫克當量數(shù)為
根據，故
，
答 需稱純K2Cr2O74.9030克。
例6 標定一KMnO4溶液的濃度時，將稱得的純草酸（H2C2O4·2H2O）0.2534克溶于蒸餾水中，用欲標定的KMnO4溶液滴定到終點。用去19.85毫升，試計算此KMnO4溶液的當量濃度。
解 KMnO4與草酸的反應是氧化還原反應，可用離子方程式表示如下：
這時，草酸的當量
根據公式
答 該KMnO4溶液的當量濃度為0.2026N。
例7 假設完全中和0.2648克不純的碳酸鈉，用去0.1970NHCl溶液24.45毫升，試計算此樣品中純碳酸鈉的百分含量。
解 在此中和反應中。碳酸鈉Na2CO3的當量為
根據公式 ，得
，
（克）
今樣品重W1=0.2648克，因此樣品中純碳酸鈉的百分含量η應為
答 此樣品中純碳酸鈉的含量為96.41%。
例8 在用溫克勒法測定水中的溶解氧時，經過一系列的化學操作，使溶解氧轉化為游離碘。*后用硫代硫酸鈉標準溶液滴定。如果取100.0毫升水樣。滴定時用去0.0250N的Na2S2O2標準溶液4.20毫升，求水樣中的溶解氧含量。
解 根據化學相當?shù)脑瓌t。盡管硫代硫酸鈉是與游離碘相作用而未與溶解氧直接反應，但此游離碘的量是與水中溶解氧量化學相當?shù)?。故可直接用公式求出溶解氧量。氧的當量為E=8，故（此處W的單位為毫克）
由于水樣量A=100.0毫升，故每升此水樣中溶解氧的含量為
（毫克/升）
答 此水樣中的溶解氧含量為8.40毫克/升。
三、水質分析結果的表示方法
水質分析結果的表示方法因不同的水質項目而異。
一些物理性水質指標常常有它們各自的單位。例如水溫以攝氏度數(shù)表示，渾濁度以毫克（SiO2）/升或度表示，電導率用微姆歐/厘米表示，嗅味則可描述其性質等等。
對于化學性水質指標。由于天然水和各種廢水、污水中所含的化合物或元素的量通常都是很低的，因此水質化學分析的結果一般都不象普通分析化學中那樣用百分含量表示，而是采用以下幾種常用的單位。
一、毫克/升（mg/1）
每升水中所含被測物質的毫克數(shù)。這是*廣泛采用的一種單位。它不僅適用于水中離子狀態(tài)的物質，也可用于不離解的分子狀態(tài)或膠體狀態(tài)的物質乃至溶解于水中的氣體。
二、百萬分率（ppm）
水中所含被測物質的重量占水樣重量的百萬分之分數(shù)。這在一些英文資料文獻中是常見的。當水樣的比重為1.00000時，1毫克/升恰好等于百萬分之一，即1毫克/升=1ppm。由于天然水和大多數(shù)廢水、污水的比重都近似于1，因此實際上常將毫克/升數(shù)與百萬分率相混用，但對于某些比重與1相差稍大的工業(yè)廢水、污泥或海水等，兩者就不能視為相等了。
三、微克/升（μg/1）
每升水中所含被測物質的微克數(shù)。對于一些極微量的物質需要用到這種更小的單位。與此相應，也有十億分率（ppb）。對于比重近似于1的水樣。1微克/升=1ppb。
四、毫克當量/升（me/1或meq/1）
每升水中所含被測物質的毫克當量數(shù)。這種表示方法可以清楚地說明水中離子間數(shù)量上的比例和便于檢查分析結果的準確度，也便于根據化學相當?shù)脑瓌t，將一種被測物質直接轉換成用另一種物質來表示。
此外，有些水質項目的分析結果還有另外的一些單位，如硬度和堿度就常有用“度”等好幾種表示方法的。水質的生物和微生物學指標也有它們自己的表示方法。
