Определение кремния (кремниевой кислоты, в пересчете на кремний) с помощью тест-комплекта «Кремний»

Кремний — второй по распространённости в земной коре элемент в природе после кислорода. На его долю приходится свыше 26% массы земной коры. Кристаллический кремний — хрупкое и твердое, темно-серое вещество со смолистым блеском, царапает стекло. Подобно алмазу, он имеет кубическую кристаллическую решётку. При обычных условиях кремний малоактивный элемент, соединяется только со фтором, но при нагревании вступает в различные химические реакции.

В воде кремний содержится в виде двуокиси кремния (кремнезёма, SiO₂) или силикатов (SiO₄^4–, SiO₃^2–). 

Концентрация кремния в поверхностных водах обычно составляет от нескольких единиц до нескольких десятков единиц миллиграммов в литре, хотя его концентрации и более 100 мг/л не являются необычными. В концентрациях, превышающих 1000 мг/л, кремний можно встретить в подземных водах — рассолах и солоноватой воде.

И кремнезём, и силикаты в большинстве своём растворимы незначительно, за исключением K₂SiO₃ и Na₂SiO₃ («жидкое стекло»). Кремниевые кислоты (кремниевая и поликремниевые) являются очень слабыми кислотами и диссоциируют на ионы в незначительной степени:
Состав поликремниевых кислот изменяется по типу mSiO₂ × nH₂O (m и n — являются целыми числами). Поэтому истинно растворённое состояние характерно лишь для малой части кремния, находящегося в водоёме. 

Различные соединения образуются вместе с изменением уровня рН, солесодержания и конкретной концентрации различных солей.

Основным процессом, в результате которого соединения кремния проникают из нерастворимых горных и подстилающих пород в природные воды, является процесс растворения алюмосиликатов либо других кремнийсодержащих минералов, а также их химическое выветривание (выщелачивание).

Значительная часть кремния поступает в воду с отмершими растительными остатками растений, произрастающих на берегах и в самих водоёмах. В больших количествах различные соединения кремния сбрасываются со сточными водами промышленных предприятий (керамических и стекольных, а также производящих цемент, силикатные красители, кремнийорганический каучук и др.).

В экологическом отношении кремний и его соединения не угнетают растительность природных водоёмов и не оказывают выраженного биогенного воздействия, хотя для них характерен режим, близкий для азотных и фосфорсодержащих соединений. По этой причине кремний называют мезоэлементом. 

Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, уступающее растворимости диоксида кремния (125 мг/л при 26 °С), свидетельствует о протекании в воде процессов, уменьшающих его концентрацию. В их числе — потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота, как более слабая, вытесняется из раствора угольной кислотой:


Существует много публикаций о полезных свойствах употребления вод, содержащих кремний. Так, благодаря кремнию и его способности образовывать с водой положительно заряженные коллоиды в виде ортокремниевой кислоты (SiO₂ × H₂О), кремний в воде губительно действует на микроорганизмы, подавляет бактерии, вызывающие гниение и брожение, нейтрализует хлор и выводит радионуклиды. Кроме того, указанные коллоиды являются центрами активного осаждение соединений тяжёлых металлов. В результате вода становится чистой на вид и приятной на вкус, она долгое время не портится и приобретает другие целебные качества.

В человеческом организме кремний входит в состав щитовидной железы, гипофиза, надпочечников и более всего — волос и ногтей как неотъемлемая составляющая белка соединительной ткани коллагена, который в соединении с эластином обеспечивает ее упругость в сухожилиях, суставах, стенках сосудов.

Учеными доказано, что у больных атеросклерозом в стенках сосудов содержится низкое количество кремния. Из-за этого ослабляется их эластичность, снижается их способность к расширению и сужению, что ведет к отложению холестерина, которому также для усвоения нужен кремний. Они подтвердили экспериментально, что при насыщении организма минералом очищаются стенки сосудов, атеросклероз прекращает свое развитие, уровень холестерина в крови нормализуется.

При взаимодействии с белками в организме кремний способен образовывать важные для человека ферменты, гормоны, аминокислоты.

Кремниевая вода полезна не только для человека, но также комнатным растениям и домашним любимцам. Полив растений, содержащей кремний водой, делает их более устойчивыми к различным заболеваниям и грибкам, ускоряет рост и продлевает им жизнь.

Добавление кремния в аквариумную воду, обеспечивает её продолжительную прозрачность и отсутствие цветения.

Одновременно соединения кремния добавляются в воду для целого ряда технических и бытовых нужд, например, в составе моющих средств, ингибиторов коррозии, при кондиционировании воды и др. 

Вместе с тем, наличие кремния в воде даже в малых концентрациях (на уровне 0,1 ПДК для питьевой воды) может вызвать значительные проблемы для ряда отраслей, в первую очередь, при эксплуатации котельного и турбинного оборудования. Среди множества загрязняющих веществ в пароводяном цикле кремний в форме диоксида играет особую роль благодаря своей высокой растворимости в паре. Именно поэтому концентрацию кремния в котловой воде и паре определяют в пересчёте на диоксид кремния, и это закреплено в соответствующих нормативных документах. Высокие давление и температура при рабочих режимах оборудования способствуют отложению кремнезёма на трубах котлов и теплообменников, а также лопаток паровых турбин в виде твёрдой массы. Эти отложения снижают эффективность теплообмена и способствуют быстрому износу оборудования, приводя к его преждевременному отказу и выходу из строя. 

Кроме того, растворённые соединения кремния вредны для технологий в электронной промышленности, а коллоидный кремний нарушает работу установок обратного осмоса при очистке (деминерализации) воды. Таким образом, несмотря на относительно малую значимость определения кремния для пищевых целей и мониторинга состояния водоёмов, аналитический контроль кремния в воде имеет важнейшее значение при водоочистке и водоподготовке во многих технических отраслях.

ПДК кремния в воде водоёмов составляет 10 мг/л, лимитирующий показатель вредности — санитарно-токсикологический.

Метод определения

В настоящей статье мы предлагаем вам на примере тест-комплекта «Кремний» (артикул 6.179) познакомиться с методом определения концентраций кремния (кремнекислоты в пересчете на кремний) в воде реализованным ГК «Крисмас» в ряде производимых компанией лабораторий для анализа воды. 

Определение кремния (кремниевой кислоты, в пересчёте на кремний) проводится методом в двух вариантах, имеющих ряд одинаковых операций и реагентов и отличающихся диапазонами определяемых концентраций. 

Оба варианта метода являются колориметрическими и пригодны для анализа питьевой, природной и очищенной сточной воды. Данные методы не определяют растворённые полимерные формы кремния.

Вариант А 

Этот вариант также называют определением «по жёлтому комплексу». Метод аналогичен ПНД Ф 14.1:2:4.215 и РД 52.24.433. Основан на взаимодействии соединений кремниевой кислоты с молибденовокислым аммонием с образованием комплекса кремнемолибденовой гетерополикислоты, окрашенного в жёлтый цвет.

Определение протекает предположительно в две основные стадии. На первой кремниевая кислота реагирует с водой и гидратами:

Образовавшаяся гидратированная кремниевая кислота реагирует с солями молибденовой кислоты в кислой среде, образуя кремнемолибденовую кислоту:


Окрашенная проба колориметрируется визуально по цветовой контрольной шкале либо фотометрически.

Данный вариант метода применяется при определении кремния в относительно высоких концентрациях, что необходимо при оценке соответствия воды гигиеническим критериям. Диапазон определяемых концентраций кремния в воде по варианту А: 

• при визуально-колориметрическом определении — от 3,0 до 30 мг/л; 
• при фотометрическом определении (410 нм) — от 0,5 до 15,0 мг/л.

Вариант Б 

Этот вариант называют определением «по синему комплексу». Метод аналогичен РД 52.24.432 и основан на восстановлении жёлтого комплекса кремнемолибденовой кислоты, получаемого при определении по варианту А, раствором хлористого олова с образованием соединения, имеющего синюю окраску. Восстановление предположительно протекает по схеме:

Окрашенная проба по варианту Б также колориметрируется визуально по цветовой контрольной шкале либо фотометрически. Определение по данному варианту фактически является продолжением определения по варианту А, с добавлением стадии восстановления окрашенного продукта. Использование этой завершающей стадии в варианте Б метода позволяет значительно повысить чувствительность определения до значений 0,1 мг/л и более. 

Анализ кремния в воде при таких низких концентрациях необходим в ряде отраслей, использующих процессы и оборудование водоподготовки, кондиционирования воды и водоочистки, и эксплуатирующих соответствующее оборудование.

Диапазон определяемых концентраций кремния в воде по варианту Б: 

• при визуально-колориметрическом определении — от 0,2 до 2,0 мг/л; 
• при фотометрическом определении (815 нм) — от 0,1 до 2,0 мг/л.

Данным методом в одной пробе определяется кремний в растворённой, адсорбированной и коллоидной (взвешенной) формах, поэтому для определения его растворённой формы необходимо фильтрование пробы. Проведению анализа мешают присутствующие в пробах восстановители — железо (2) и др., фториды, а также железо (3) в концентрациях свыше 20 мг/л. Мутность также является мешающим фактором, т.к. осложняет колориметрирование.

Влияние присутствующих в воде фосфатов устраняется добавлением раствора винной кислоты в ходе определения.
Для устранения возможных мешающих влияний также могут быть выполнены несложные операции, предусмотренные ПНД Ф 14.1:2:4.215, а именно: 

• влияние железа (2) устраняют добавлением нескольких кристалликов надсернокислого аммония; 
• сероводород и сульфиды удаляют подкислением и продуванием пробы воды воздухом; 
• для удаления фторидов используют борную кислоту, добавляя её 20-тикратный, по сравнению с уровнем определяемой концентрации кремния, избыток.

Объём пробы — 10 мл, продолжительность анализа — не более 30 мин.

Рабочие параметры при анализе:

• температура анализируемой пробы воды – от 10 до 35 °С (при количественном определении);
• температура и относительна влажность атмосферного воздуха, а также атмосферное давление – не регламентируются. 

Оборудование и реагенты

Тест-комплект «Кремний» представляет собой удобный для переноски, транспортирования и хранения жесткий корпус-укладку, в который компактно размещены необходимые средства измерения, готовые растворы и реагенты, посуда и оборудование, документация.

В основной состав тест-комплекта «Кремний» входят:

• лабораторная посуда и инструментарий (воронка лабораторная, калиброванная мерная склянка с метками и пробкой, палочка стеклянная, пипетка градуированная на 10 мл, пипетка полимерная, стакан вместимостью 50 мл, флакон для раствора молибдата аммония, цилиндр мерный на 50 мл.);
• готовые реагенты и материалы;
• контрольная шкала образцов окраски для визуального колориметрирования «Кремний 0,2–2» (0; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 мг/л);
• контрольная шкала образцов окраски для визуального колориметрирования «Кремний 3-30» (0; 3,0; 10; 30 мг/л).

На изделия ГК «Крисмас» имеются сертификаты соответствия, в частности на тест-комплект «Кремний» (см. ниже), его серийный выпуск осуществляется по ТУ 26.51.53-600-82182574-18.
При фотометрическом определении потребуется фотоколориметр «Экотест-2020» или любой другой фотоколориметр аналогичного типа с кюветой 10 мм.

Примечание.
Для работы с тест-комплектом «Кремний» при фотометрическом определении компания производит и поставляет специальный набор-укладку для фотоколориметрирования «Экотест-2020-К», а также широкий ассортимент современных портативных фотоколориметров («Эксперт-003», «Экотест-2020», «Экотест-2020МЦ» и т.п.). Набор и фотоколориметры поставляются по отдельному заказу.

Примечание. ГК «Крисмас» поставляет проботборные устройства в ассортименте.

Для отделения растворённых форм кремния от адсорбированных и взвешенных проводят фильтрование проб на месте отбора. Пробу отфильтровывают через мембранный фильтр или фильтр «синяя лента» (первые порции фильтрата отбрасывают). Без фильтрования, результатом анализа окажется кремний, имевшийся в пробе в растворённом, а также в адсорбированном и коллоидном (взвешенном) состояниях.

Отобранные пробы (фильтраты) следует анализировать как можно скорее, в течение 2 ч без охлаждения и в срок до 5 суток — при хранении охлаждёнными до 2–5 °С.

Выполнение определения

Вариант А. 
Определение кремния по жёлтому комплексу (высокие концентрации)

1.


Ополосните калиброванную мерную склянку несколько раз анализируемой водой. Налейте в склянку пробу воды до метки «10 мл».

Примечание. Для точных анализов объём пробы отмерьте с помощью градуированной пипетки.

2.


Добавьте полимерными пипетками 0,5 мл раствора соляной кислоты и 1,0 мл раствора аммония молибденовокислого. Склянку закройте пробкой и встряхните для перемешивания раствора.

3.

Оставьте пробу на 10 мин для полного протекания реакции.

4.


Добавьте к пробе полимерной пипеткой 1,0 мл раствора винной кислоты, склянку закройте пробкой, встряхните для перемешивания.

5.

Оставьте пробу на 15 мин для полного развития окраски.

6.

Проведите визуальное колориметрирование пробы. Для этого склянку с пробой поместите на белое поле контрольной шкалы «Кремний 3–30» и, освещая склянку рассеянным белым светом достаточной интенсивности, определите ближайшее по окраске поле контрольной шкалы и соответствующее ему значение концентрации кремния (кремниевой кислоты в пересчёте на Si) в мг/л. 

7.

При фотометрическом определении окрашенную пробу поместите в кювету (10 мм или 50 мл) и определите значение её оптической плотности на фотоколориметре «Экотест–2020» или аналогичного типа при длине волны 410 нм относительно холостой пробы (дистиллированной воды). Далее, с использованием заблаговременно построенной градуировочной характеристики (например, согласно ПНД Ф 14.1:2:4.215), рассчитайте массовую концентрацию кремниевой кислоты (в пересчёте на Si) в мг/л.

Вариант Б. 

Определение кремния по синему комплексу (низкие концентрации).

1.
Выполните операции в соответствии с п.п. 1–4 варианта А (см.выше).

2.
 
Через 2 мин добавьте 2–3 капли раствора восстановителя (хлористого олова в глицерине), склянку закройте пробкой, встряхните для перемешивания.

3.

Оставьте пробу на 10 мин для полного развития окраски.

4.


Проведите визуальное колориметрирование пробы. Для этого склянку с пробой поместите на белое поле контрольной шкалы «Кремний 0,2–2» и, освещая склянку рассеянным белым светом достаточной интенсивности, определите ближайшее по окраске поле контрольной шкалы и соответствующее ему значение концентрации кремния (кремниевой кислоты в пересчёте на Si) в мг/л. 

5.


При фотометрическом определении окрашенную пробу поместите в кювету (10 мм) и определите значение её оптической плотности на фотоколориметре «Экотест–2020» или аналогичного типа при длине волны 815 нм относительно холостой пробы (дистиллированной воды). Далее, с использованием заблаговременно построенной градуировочной характеристики (например, по РД 52.24.432) рассчитайте массовую концентрацию кремния в мг/л. 

Контроль точности

Контроль точности осуществляется путем анализа растворов, приготовленных из стандартного образца состава водных растворов иона кремния либо из растворов диоксида кремния, в концентрациях (по кремнию), равных значениям, приведённых для образцов на контрольных шкалах.

Тест-комплект «Кремний» максимально прост и удобен в использовании, позволяет при минимальных затратах осуществлять экспресс-определение концентраций содержания кремнекислоты (в пересчете на кремний) в питьевой, природной и нормативно-очищенной сточной воде.

Большинство анализов с применением тест-комплектов ГК «Крисмас» могут выполнять операторы (инженеры, лаборанты, техники), не имеющие специального химико-аналитического образования, но ознакомленные с правилами техники безопасности, освоившие приведенные методики, имеющие навыки выполнения основных операций (отбора и подготовки проб, приготовления растворов из готовых компонентов, проведения титрования, использования шкал для визуального колориметрирования и др.).

С изделиями, разработанными и производимыми ГК «Крисмас», может работать и менее квалифицированный персонал при условии обязательного практического обучения методикам и технологиям такой работы.

При необходимости в учебном центре ГК «Крисмас» можно пройти краткосрочные курсы по работе с разработанным и производимым компанией оборудованием. По результатам обучения выдается специальный сертификат.

Тест-комплект «Кремний», как и многие другие производимые компанией тест-комплекты, успешно используется при выполнении проектных и учебно-исследовательских работ в курсах химии, биологии, факультативно в экологии, а также в специализированных образовательных организациях при изучении методов и средств водно-химического анализа.

По материалам издания: 
Под редакцией к.х.н. Муравьёва А.Г. / Руководство по анализу воды. Питьевая и природная вода, почвенные вытяжки/— Изд. 5-е, перераб. и дополн. — СПб.: «Крисмас+», 2021. — 360 с., илл. ISBN 978-5-89495-268-0

Подробная информация:
Общая информация
Оборудование для анализа воды
Тест-комплекты для анализа воды
Тест-комплект «Кремний»

Для консультации и по вопросам приобретения просьба обращаться: 
voda@christmas-plus.ru
8 (800) 302-92-25 (звонок по РФ бесплатный)
8 (812) 575-54-07, 575-55-43

Подписывайтесь на наш канал в Ютюбе!
Вы всегда будете в курсе наших последних новостей и сможете наглядно познакомиться с нашей продукцией.