Исследование воды в селе Уральский

Министерство  Образования и науки УР

Управление  образования Администрации МО «Сарапульский  район» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Исследование  воды в селе Уральский

Исследовательская работа по химии 
 
 
 

Выполнил: ученица 10 класса

МОУ Уральская СОШ

Сарапульского района УР

Хазиева Виктория

Научный руководитель: учитель химии 

МОУ Уральская СОШ

Смолина Елена Геннадьевна 

Уральский, 2010 

Содержание 

Введение 

         Вода – самое распространенное  вещество на Земле. Но что  мы знаем о ней? Как ни  удивительно, но вода до сих  пор остается наименее изученным веществом природы. Очевидно, это произошло потому, что ее очень много, она вездесуща. Воду считают самым трудным из всех веществ, изучаемых физиками и химиками. Химический состав вод может быть одинаков, а их воздействие на организм разным, потому что  воды формируются в конкретных условиях. И если жизнь – это одушевленная вода, то, также как и жизнь, вода многолика и характеристики ее бесконечны.

         Вода – это, на первый бесхитростный  взгляд, простое химическое соединение  водорода и кислорода. Но на самом деле, вода – основа жизни на Земле.  Вода является универсальным растворителем значительного количества веществ, в связи с чем в природе химически чистой воды нет. По содержанию растворенных в воде веществ вода делится на 3 класса: пресная, соленая и рассолы. Наибольшее значение в быту имеет пресная вода. Хотя вода покрывает три четверти поверхности Земли и запасы ее огромны, и постоянно поддерживаются кругооборотом воды в природе, проблема обеспечения водой во многих районах земного шара не решена и с развитием научно-технического прогресса обостряется. Около 60% поверхности Земли составляют зоны, где отсутствует пресная вода или ощущается ее острый недостаток. Почти 500 млн. человек страдают от болезней, вызванных недостатком или качественной неполноценностью питьевой воды. Пресная вода составляет около 2% всех водных ресурсов планеты.  

         К 2050 году 4,2 млрд. людей будут жить в странах, где уже сегодня невозможно удовлетворить дневную потребность человека в воде – 50 литров в день (данные из отчета ООН по вопросам народонаселения). Количество землян, удвоившееся за последние 40 лет, сейчас составляет 6,1 млрд. и может еще удвоиться к середине нынешнего столетия. Основной рост намечается в развивающихся странах, где ресурсы, в частности водные, практически истощены. Сейчас люди используют 54% доступной пресной воды, причем две трети уходит на нужды сельского хозяйства, сообщает “Зеленое досье”. По прогнозам специалистов, к 2025 году потребление воды возрастет до 75% от нынешнего уровня только за счет увеличения населения. Уже сейчас более миллиарда землян не имеют доступа к чистой воде.

         В развивающихся странах 95% канализационных  стоков и 70% промышленных отходов  сбрасываются в водоемы без  очистки. Вода сама по себе  не имеет питательной ценности, но она – непременная составляющая  часть всего живого. В растениях – до 90% воды, а в теле взрослого человека – около 65%; это обстоятельство позволило фантасту В. Савченко заявить о том, что у человека “гораздо больше оснований считать себя жидкостью, чем, скажем, у сорокапроцентного раствора едкого натрия”. Определенное и постоянное содержание воды – одно из необходимых условий существования живого организма. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи, кроветворения. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание постоянной температуры тела.  

         Важнейшее качество воды –  ее жесткость. С одной стороны,  умеренная жёсткость — обязательное  качество для питьевой воды, поскольку  из неё мы получаем значительную часть кальция, необходимого организму. С другой стороны, жёсткость серьёзно мешает при использовании воды и в домашнем хозяйстве, и в промышленности. Накипь отлагается на внутренних стенках котлов и труб. Из-за неё внутренний диаметр старых отопительных труб оказывается сужен в два-три раза. К тому же, накипь — образование пористое и служит теплоизолятором. В результате трубы центрального отопления перестают отдавать тепло, а стенки котлов — пропускать тепло к воде, которую нужно нагреть. А стоит в корке накипи возникнуть трещине, как горячая вода добирается до стенки трубы. Если это случится зимой, то из-за локального перепада температур труба может лопнуть. Вот почему жёсткость водопроводной воды приходится нормировать. [www.festival.1september.ru ]

         Работники коммунальной службы  нашего села предоставили нам  образцы накипи, образовавшейся  на трубах. Мы решили исследовать  состав этих образцов. Ионы, содержащиеся  в них, соответственно присутствуют  и в воде. Отсюда вытекает  гипотеза: если мы проведем ряд опытов с  образцами воды, то выяснится, соответствует ли вода в нашем селе нормируемым показателям качества воды. Таким образом, цель работы – исследовать образцы воды. Объектом нашего исследования  будет - вода, а предметом –жёсткость воды. Для достижения этой цели нужно решить следующие задачи:

1. Проанализировать и сравнить данные используемой литературы.
2. Провести эксперимент.
3. Сделать вывод по проделанной работе.

Состав  воды

         В процессе своего естественного  круговорота вода соприкасается с большим числом различных минералов, органических соединений и газов. В силу этого природные воды представляют собой сложные растворы различных веществ. Соответственно, под химическим составом природных вод подразумевается весь набор растворенных газов, минеральных солей и органических соединений.  
В гидрохимии компоненты химического состава природных вод делятся на шесть групп: 
1. Главные ионы (макрокомпоненты), к которым относятся К⁺, Na⁺,Mg²⁺, Са²⁺, Cl^-, SO₄^2- , HCO₃^- , CO₃^2-. Содержание их в пресных поверхностных водах изменяется в широких пределах. Главные ионы поступают в природные воды из горных пород, минералов, почвы, а также в результате производственной деятельности человека.  
2. Растворенные газы (О₂, N₂, H₂S, CH₄ и др.). Концентрация газов в воде определяется температурой воды. 
3. Биогенные вещества, главным образом соединения азота и фосфора.  
Их концентрация в пресных поверхностных водах изменяется в очень широких пределах: от следов до 10 мг/л. Наиболее важными источниками биогенных элементов являются внутриводоемные процессы и поступление с поверхностным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами. 
4. Микроэлементы. В эту группу входят все металлы, кроме главных ионов и железа (Сu²⁺, Мn²⁺ , другие ионы переходных металлов), а также анионы (Br^- , F^- и др.), встречающиеся в природных водоемах в очень малых концентрациях. 
5. Растворенные органические вещества (РОВ), по существу, органические формы биогенных элементов. Эта группа веществ включает различные органические соединения: органические кислоты, спирты, альдегиды, сложные эфиры, фенолы, гуминовые вещества, ароматические соединения, углеводы, азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, амины) и т.д. Для количественной характеристики РОВ используют косвенные показатели: общее содержание Сорг, Nopг, перманганатную или бихроматную окисляемость воды (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК).  
6. Токсичные загрязняющие вещества - тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фенолы и т.д. 
       Природная вода - принципиально негомогенная среда из-за присутствия в ней большого числа взвешенных частиц и пузырьков газа. Взвешенные твердые частицы в природных водах могут различаться по размерам:

• Коллоиды 0,01-1 мкм
• Седиментарные (оседающие) частицы состоят из минерального ядра и органического слоя, т.е. представляют собой органоминеральный комплекс 1-3 мкм
• Вирусы 0,01-0,03 мкм
• Бактерии 0,5 мкм
• Микроводоросли 1-30 мкм   [5]

Жесткость воды

         Понятие жесткости воды принято  связывать с катионами кальция  (Са²⁺) и в меньшей степени магния (Mg²⁺). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na⁺) таким свойством не обладают.

В данной таблице приведены основные катионы  металлов, вызывающие жесткость, и главные  анионы, с которыми они ассоциируются.                                                    Таблица 1

         На практике стронций, железо  и марганец оказывают на жесткость  столь небольшое влияние, что  ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al³⁺) и трехвалентное железо (Fe³⁺) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость и, соответственно, "вклад" в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва²⁺).

         В жесткой воде плохо пенится  мыло. Причиной этого является  наличие в воде ионов кальция  и магния — именно они мешают образованию пены. Убедиться в этом поможет простой опыт.

         Сначала приготовим жёсткую воду. Способов есть множество. Можно,  например, развести в стакане водопроводной воды две столовые ложки продающегося в аптеках 10 -проиентного раствора хлорида кальция. Или в таком же количестве воды растворить чайную ложку морской соли — сложной смеси различных солей, в которой присутствуют соединения магния. А можно использовать и «готовую» жёсткую воду — кальциевую или магниевую минеральную. Растворим в жёсткой воде кусочек хозяйственного мыла размером с 2—3 спичечных головки и для сравнения такой же кусочек — в стакане обычной водопроводной воды. В обоих случаях получится мутный раствор. Теперь через трубочку или соломинку продуем в мыльные растворы воздух. В обычной воде появится пена, а в жёсткой — нет.

         Причина в том, что ионы двухвалентных металлов реагируют со стеаратом натрия, из которого состоит мыло. При этом образуются нерастворимые стеараты, и мыльная пена разрушается: 2С₁₇Н₃₅СООNа + МС1₂ = = (С₁₇Н₃₅СОО)₂М + 2NаСl  [3] 

Влияние жесткости на качество воды

         С точки зрения применения  воды для питьевых нужд, ее  приемлемость по степени жесткости  может существенно варьироваться  в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.

         Всемирная Организация Здравоохранения  (ВОЗ) не предлагает какой-либо  рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

         Вместе с тем, в зависимости  от рН и щелочности, вода с  жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1 мг-экв/л). [www.mosvodokanal.ru] 

         Кроме того, при взаимодействии  солей жесткости с моющими  веществами (мыло, стиральные порошки,  шампуни) происходит образование  "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах (неприятное чувство "жестких" волос хорошо известное многим). Главным отрицательным воздействием этих шлаков на человека является то, что они разрушают естественную жировую пленку, которой всегда покрыта нормальная кожа и забивают ее поры. Признаком такого негативного воздействия является характерный "скрип" чисто вымытой кожи или волос. Оказывается, что вызывающее у некоторых раздражение чувство "мылкости" после пользования мягкой водой является признаком того, что защитная жировая пленка на коже цела и невредима. Именно она и скользит. В противном случае, приходится тратиться на лосьоны, умягчающие и увлажняющие кремы и прочие средства для восстановление той защиты кожи, которой нас и так снабдила  природа.

         Вместе с тем, необходимо упомянуть  и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее  2 мг-экв/л имеет низкую буферную  емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.  [www.chemport.ru ]                        

Таблица 2  [3]

Виды  жесткости

Различают следующие виды жесткости:

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

         Жесткость воды колеблется в  широких пределах и существует  множество типов классификаций  воды по степени ее жесткости.  В приложении 1 приведены  четыре  примера классификации. [4]

Происхождение жесткости 

                  Ионы кальция (Ca²⁺) и магния (Mg²⁺), а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.

         Ионы попадают в водоёмы из  трёх источников. Первый источник — атмосферные осадки, формирующиеся над океанами. Штормовой ветер срывает с водной поверхности мельчайшие капельки, а затем воздушные потоки переносят их на тысячи километров. Поскольку морская вода содержит в основном ионы С1^- и Na ⁺, их с осадками выпадет больше всего — несколько тонн на 1 км² за год. В реки и озёра Европейской России 2/3 всех хлорид-ионов поступают с дождем и снегом.

         Второй источник солей — горные  породы. Часть воды, выпавшей в  виде осадков, впитывается в  грунт, а из него попадает в реки. При этом многие компоненты грунта реагируют с водой или с растворённым в ней углекислым газом. Так, известняк легко образует растворимый (до 1,6 г/л) гидрокарбонат кальция:

СаС0₃ + Н₂0 + С0₂ = Са (НС0₃)₂.

Почти на всей европейской части России (кроме Карелии и Мурманской области) известняки, а также доломиты МgСО₃ • СаС0₃ залегают довольно близко к поверхности. Поэтому вода здесь содержит преимущественно гидрокарбонаты кальция и магния. В таких реках, как Волга, Дон, Северная Двина, и основных их притоках гидрокарбонаты кальция и магния составляют от 3/4 до 9/10 всех растворённых солей.

         Соли попадают в водоёмы и  в результате деятельности человека. Так, хлориды натрия и кальция зимой в изобилии сыплют на дороги, чтобы растапливать лёд. За один сезон на 1 м² дорог приходится до 100 кг соли. Весной вместе с талой водой она стекает в реки. Треть хлоридов в реках европейской части России привнесена туда человеком. В реках, на которых стоят крупные города, эта доля гораздо больше. Например, концентрация хлоридов в Москве-реке на выходе из города в 4—5 раз выше, чем на входе. Вода, попавшая на земную поверхность, частично просачивается в грунт и доходит до водонепроницаемого слоя (как правило, глин). Так образуются подземные воды. Пока вода фильтруется через грунт, она очищается от большинства микропримесей. Поэтому питьевую воду для многих городов, особенно небольших, берут не из поверхностных источников, а из подземных. Однако с глубиной минерализация воды растёт. [5]

Единицы измерения жесткости

        В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м³). Кроме этого, в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (d^o, dH), французский градус (f^o), американский градус, ppm CaCO₃.

Соотношение этих единиц жесткости представлено в  таблице 3:      [www.alhimik.ru]

Методы устранения жесткости

         Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.

         Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

         Термический способ. Основан на нагреве воды, устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту. В промышленности применяется, например, на ТЭЦ.

         Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду соды или гашеной извести. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

         Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. Как правило, жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом — до 0,01 мг-экв/л. [7]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

  Цель проведения эксперимента: проведение анализа воды на содержание в ней ионов жесткости и основных ионов.

         При контроле качества воды определяют ее жесткость. Для этого применяют метод титрования.    Титрование – один из методов объемного анализа, при котором измеряют объемы растворов взаимодействующих веществ, причем концентрация одного из растворов известна. Такой раствор называют стандартным, или титрованным. Его добавляют к раствору анализируемого вещества до тех пор, пока количество прибавленного реактива не станет эквивалентно количеству реагирующего с ним компонента. Этот момент называется точкой эквивалентности. Ее устанавливают с помощью индикаторов – веществ, резко изменяющих окраску титруемых растворов вблизи точки эквивалентности. [6 ]