Hi-Tech  ->  Сети и связь  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Особенности строения и свойства воды

Вода в нашей жизни - самое обычное и самое распространенное вещество. Однако с научной точки зрения это самая необычная, самая загадочная жидкость.

Вода покрывает более 3/4 поверхности Земного шара и в значительных количествах содержится в верхней части литосферы. Благодаря своей подвижности вода играет важную роль в обмене веществом и энергией между геосферами и географическими районами Земли. Этому во многом способствуют ее аномальные физические и химические свойства: высокая температура замерзания, уменьшение плотности при переходе в твердое состояние, большая теплоемкость, малая теплопроводность, повышенная растворяющая способность. Без воды невозможно существование самой жизни, так как она является одним из главных веществ всего живого, и все биохимические процессы, составляющие сущность жизни, могут протекать только в водной среде.

Большое содержание воды в организме человека, животных и в растениях, необходимость в постоянном удовлетворении потребностей в ней человека свидетельствуют о том, что вода не обычный, а особый вид природных ресурсов.

Территория Нижнего Тагила является типичным примером промышленного города с повышенной загрязненностью. По данным санэпидемстанции содержание вредных веществ в водоемах, снеге, во много раз превышает предельно допустимые нормы. Кроме того, многие дети, проживающие в наиболее загрязненных местах города Нижнего Тагила, отстают по развитию от своих сверстников, проживающих за городом, в более чистых районах. У них понижена работоспособность, ухудшена память, внимание, повышена утомляемость.

Сложившаяся ситуация отчасти объясняется тем, что на протяжение многих лет у человека стихийно формировался потребительский подход к природе, это привело к безответственности по отношению к ней. У населения еще низок уровень восприятия экологических проблем, как лично значимых, очень поверхностны знания об объектах природы и принципах их охраны, что наносит значительный ущерб всей жизни общества.

Все выше сказанное подтверждает актуальность выбранной темы: «Исследование качества воды различных источников города Нижний Тагил физико-химическими методами».

В нашем сознании вода является прообразом всех жидкостей, и тем более удивительно, когда мы называем ее самой необычной. Но в чем же заключается необычность воды? Действительно, трудно назвать какое-либо ее свойство, которое не было бы аномальным, то есть ее поведение (в зависимости от изменения температуры, давления и других факторов) существенно отличается от такового у подавляющего большинства других жидкостей, у которых это поведение похоже и может быть объяснено из самых общих физических принципов. К таким обычным, «нормальным» жидкостям относятся, например, расплавленные металлы, сжиженные благородные газы (за исключением гелия), органические жидкости (бензин, являющийся их смесью, или спирты).

Рассмотрим подробнее некоторые необычные свойства воды.

1. 1. Аномалия плотности воды

Аномалия плотности воды двоякая.

Во-первых, после таяния льда плотность воды увеличивается, проходит через максимум при 4°С и только затем уменьшается с ростом температуры .

В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т. д. ). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. Это тоже имеет простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены регулярно, обладают пространственной периодичностью - это свойство кристаллов всех веществ. Но у обычных веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы. После плавления кристалла регулярность в расположении молекул исчезает, и это возможно только при более рыхлой упаковке молекул, то есть плавление обычно сопровождается уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности очень мало: например, при плавлении металлов она уменьшается на 2-4%. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%. То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине.

1. 2. Переохлажденная вода

В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть воды, остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0°С (переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо, что еще лучше, в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде – «масле»). Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно . С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере ее переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает).

1. 3. Перестройка структуры воды

Объяснение этих необычных процессов, происходящих в воде, и, делающих ее такой аномальной жидкостью, основывается на ключевом слове «перестройка»: перестройка структуры. Поэтому рассмотрим особенности структуры воды.

1. 3. 1. Водородные связи

Структура любого вещества, то есть закономерности взаимного расположения составляющих его частиц, определяется характером взаимодействий между молекулами. И специфика структуры воды обусловлена особыми свойствами взаимодействий между молекулами воды. Рассмотрим простейшие свойства родственных с водой жидкостей - гидридов VI группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева .

Периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Мы видим, что вода резко «выпадает» из плавной зависимости температур плавления и кипения этих жидкостей: если бы общие закономерности выполнялись и для воды, то она замерзала бы при -100°С и кипела бы при -76°С. Здесь наглядно показано, что между молекулами воды действуют какие-то особые силы, которые отсутствуют в родственных ей гидридах. Эти силы называют водородными связями.

Водородные связи между молекулами воды возникают в результате специфического распределения в них электронной плотности. На атомах водорода имеется некоторый положительный заряд, а на атоме кислорода - отрицательный (в целом же молекула воды, конечно, электрически нейтральна). Хорошей моделью воды в этом отношении является правильный тетраэдр, в центре которого находится атом кислорода, в двух вершинах (соответствующих атомам водорода) расположены положительные точечные заряды (равные примерно 20% от заряда электрона), а в двух других - отрицательные заряды, изображающие распределение электронной плотности на атоме кислорода.

В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5° - так называемому тетраэдрическому углу θT.

На тетраэдрической модели в вершинах правильного тетраэдра расположены два положительных (в центрах атомов водорода) и два отрицательных точечных заряда. Атом кислорода находится в центре тетраэдра.

Наиболее выгодным расположением других молекул воды вокруг данной является такое, что против положительного заряда одной расположен отрицательный заряд другой и центры атомов О и Н одной и О другой находятся на одной линии О–Н···О. Мы видим, что водородная связь имеет электростатическую природу. У родственных воде гидридов атомы практически нейтральны - таково их химическое свойство, и поэтому водородные связи между их молекулами не образуются. Таким образом, особые свойства воды являются следствием специфического электронного устройства ее молекул.

1. 3. 2. Структура льда

Характерной особенностью структуры льда является то, что в ней молекулы упакованы рыхло. Если изобразить молекулу шаром, то при плотнейшей упаковке шаров вокруг каждого из них будет 12 соседей. Во льду же их всего четыре. Если бы молекулы воды во льду были плотно упакованы, то его плотность составляла бы 2,0 г/см3, тогда как на самом деле она равна 0,92 г/см3. Причем каркас водородных связей внутри льда сближает молекулы воды и делает лед кристаллом, не похожим на все другие кристаллы. На рис. 6 кружками обозначены молекулы воды, соединяющие их стержни - водородные связи (каждая молекула участвует в четырех водородных связях; показаны только связи, соединяющие изображенные на рисунке молекулы; вся структура состоит из шестичленных колец).

Рис. 6. Каркас водородных связей внутри льда (под разным углом).

Казалось бы, рыхлость упаковки частиц, то есть наличие в ней больших объемов не заполненного молекулами пространства, должна приводить к неустойчивости структуры. Например, можно было бы ожидать, что при сжатии льда внешним давлением сетка водородных связей будет разрушаться, пустоты структуры будут с легкостью схлопываться, заполняясь молекулами, вырванными из этой сетки. Но на самом деле сетка водородных связей не разрушается, а перестраивается. При повышении давления обычный гексагональный лед меняет свою структуру.

1. 4. Водные растворы

Способность сетки водородных связей, образованной молекулами воды, огибать чужие молекулы-препятствия не является привилегией кристаллов. Таким свойством обладает и случайная квазитетраэдрическая сетка воды. Поэтому молекулы, которые образовывали клатратные кристаллы (и не только они), растворяясь в воде, не разрушают водную сетку водородных связей, но существенно перестраивают ее, заставляя образовывать большие полости вокруг неполярных групп. Значит, водная сетка водородных связей в водных растворах неполярных молекул или молекул с неполярными группами имеет «клатратоподобное» строение (ячеистое, но не кристаллическое). Такая своеобразная структура водных растворов существенно отличается от обычного устройства растворов, когда молекулы растворителя и растворенного вещества случайно перемешаны. Действительно, водные растворы многих органических веществ обладают аномальными свойствами. Таким образом, особые свойства сетки водородных связей определяют аномальное поведение не только чистой воды, но и многих ее растворов.

Бросив в горячую воду щепотку соли, мы легко убеждаемся в прекрасной растворимости воды.

Ионы натрия и хлора, на которые в растворе распадается поваренная соль, гидратированы, окружены полярными молекулами воды. К ионам хлора молекулы воды обращены атомами водорода, где сосредоточен положительный заряд, к ионам натрия – отрицательными полюсами атомов кислорода.

Неполярный растворитель, такой, как бензин, не способен к созданию подобных электрических «контактов», и вещества, похожие на поваренную соль, в нем не растворяются.

В водных растворах образуются многочисленные химические связи молекул воды и растворенного вещества, и именно поэтому свойства растворов отличаются от свойств чистой воды, как, впрочем, и от свойств других растворителей, лишенных посторонних примесей и добавок.

Многие соли, например поваренная, растворяются в воде особенно быстро благодаря способности молекул воды соединяться с ионами соли .

Растворение солей в воде сопровождается, как правило, значительным понижением температуры раствора.

Чтобы довести раствор до кипения, к нему надо подвести больше тепла, чем к чистому растворителю, а при замерзании его приходится охлаждать до более низких температур.

Соленые воды морей и океанов труднее испаряются и замерзают, чем пресные воды рек и озер.

На разрушение возникших в растворе химических связей необходимо затратить дополнительную энергию, и температура любого фазового перехода, происходящего с раствором, - превращение жидкости в твердое тело или газ – из-за этого изменяется по сравнению с чистым растворителем, и тем значительнее, чем выше концентрация растворенного в нем вещества.

При испарении в пар переходят, как правило, молекулы растворителя, и нагреваемый раствор становится все более концентрированным, обогащенным растворенным веществом. Солнечные лучи, нагревая поверхность морей и океанов, превращают в пар именно воду, а не трудно испаряемые растворенные в ней соли. Облака на небе состоят уже из пресной воды

Ученые и инженеры сейчас умело используют изобретения Природы.

Соленая подземная вода, поднятая на поверхность земли насосами, работающими от фотоэлектрических батареек, течет по нагреваемому яркими солнечными лучами темному дну опреснителя.

Вода испаряется, оставляя соль на дне, а водяные пары собираются в капли и ручьи пресной воды на внешних холодных стеклах, ограждающих опреснители от дуновения ветра и от движущихся песков, всегда готовых их засыпать. Так довольно просто получают чистую воду.

ОТБОР И КОНСЕРВАЦИЯ ПРОБ ВОДЫ, СНЕГА, ЛЬДА, ДОЖДЕВОЙ ВОДЫ

2. 1. Общие вопросы отбора проб

Различают два вида проб: а) простая проба (получают путем однократного отбора требуемого количества воды); б) смешанная проба (получают путем смешения простых проб, взятых в одном и том же месте через определенный промежуток времени или отобранных одновременно в разных местах обследуемого объекта).

Для характеристики среднего состава воды исследуемого объекта используют среднюю пробу, приготовленную смешением равных частей проб, отобранных через равные промежутки времени.

Объем отбираемой пробы зависит от числа отбираемых параметров. Для неполного анализа требуется около 1 л, для полного анализа необходимо 3 л воды.

Для отбора и хранения проб используют полиэтиленовые или стеклянные из прозрачного, бесцветного, химически стойкого стекла. Используемую посуду тщательно моют концентрированной соляной кислотой, синтетическими моющими средствами, водопроводной водой, а затем ополаскивают дистиллированной водой. Прежде чем брать пробу, посуду несколько раз ополаскивают водой, подлежащей отбору.

В большинстве случаев пробу отбирают непосредственно в бутыль, которую при необходимости прикрепляют к шесту или снабжают дополнительным тросом или грузом. Если есть опасность, что бутыль может разбиться, то используют нестеклянные (полиэтиленовые, жестяные) сосуды. При отборе пробы производят запись, в которой указывают вид и происхождение воды, точное место отбора, день и час отбора, номер бутылки с пробой.

2. 2. Отбор проб из рек и ручьев

Усредненную пробу берут в местах наиболее сильного течения, лучше в фарватере течения. Пробу берут под поверхностью воды, в верхней трети общей глубины (обычно в 20 – 30 см под поверхностью). Если в реку есть промышленный сток, то стараются отобрать пробу в месте полного смешения стоков. Не рекомендуется отбирать пробу перед и непосредственно за плотиной.

2. 3. Отбор проб из прудов, озер, водохранилищ

Обычно берут серию проб по створам и глубине. Не рекомендуется отбирать среднюю пробу. При отборе проб стоячей воды следует избегать мест с густыми зарослями водных растений.

2. 4. Отбор проб из родников, колодцев

Пробу текущей воды берут непосредственно в сосуд. Если родник надо чистить, то это делают за день до взятия пробы, углубляя дно ключа так, чтобы в углубление можно было погрузить бутыль.

Отбор проб из колодцев проводят в летнее время при сухой погоде. Пробу отбирают после 20-минутного откачивания воды из колодца. Если колодец долгое время не эксплуатировался, то воду из него выкачивают полностью и оставляют до тех пор, пока он снова не наполнится, затем отбирают пробу.

2. 5. Взятие проб дождевой воды, снега, льда

Дождевую воду собирают с помощью широкой воронки, трубка которой доходит до дна бутылки. Среднюю пробу получают, собирая воду в течение всего времени, пока идет дождь. Если нужно определить качество чистой воды, то ее собирают через несколько минут после начала дождя.

Падающий снег улавливают также с помощью воронки или в широкую и глубокую чашку, а затем оттаивают. Пробы снежного покрова отбирают из тех мест, где он лежит наиболее толстым слоем. Сначала лопаткой снимают верхний слой, а затем наполняют снегом широкогорлую банку.

При отборе проб льда берут куски и очищают их со всех сторон на чистой подстилке чистым ножом. Чистые куски помещают в чашку и оставляют на некоторое время, а затем переносят в другой сосуд, в котором также выдерживают некоторое время, после чего перекладывают в широкогорлую банку, в которой лед расплавляют при комнатной температуре. Пробы из мелких кусочков льда насыпают в чистое сито, споласкивают горячей дистиллированной водой и пересыпают в банку для пробы.

2. 6. Отбор проб водопроводной воды

На водопроводный кран надевают резиновый шланг, конец которого опускают до дна бутылки для проб. Медленно открывают кран, пока вода не потечет непрерывной струёй толщиной около 0,5 см. После наполнения сосуда водой его оставляют под краном до тех пор, пока температура перетекающей через край воды не станет постоянной. Если требуется определить содержание токсичных веществ в водопроводной воде, пробу берут сразу же после открытия крана.

2. 7. Консервация проб воды

Для получения достоверных результатов анализ воды следует делать как можно быстрее. Биохимические процессы в пробах можно приостановить, охладив воду до 3 - 4°С.

Универсального консервирующего средства не существует. Состав консерванта зависит от состава воды и определенных в ней компонентов. Обычно используют такие консерванты, как серная, соляная, азотная кислоты, хлороформ.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРОБ ВОДЫ

3. 1. Физические, органолептические методики

3. 1. 1. Прозрачность

Прозрачность, или светопропускание воды, обусловлена ее цветом и мутностью, т. е. содержанием в ней различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ. Мерой прозрачности служит высота водяного столба, сквозь который еще можно различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа. Метод дает лишь ориентировочные результаты.

Оборудование: Стеклянный цилиндр, градуированный по высоте в сантиметрах, высотой 30-50 см и с внутренним диаметром 2,5 см. Стандартный шрифт с высотой букв 3,5 мм.

Ход определения:

Определение проводят в хорошо освещенном помещении, но не на прямом свету, на расстоянии 1м от окна. Цилиндр наливают неподвижно над стандартным шрифтом. Цилиндр наполняют хорошо перемешанной пробой исследуемой воды до такой высоты, чтобы буквы, рассматриваемые сверху, стали плохо различимы.

Прозрачность по шрифту выражают в сантиметрах высоты водяного столба и определяют с точностью до 0,5 см. Измерение повторяют 3 раза и за окончательный результат принимают Среднее значение.

3. 1. 2. Цвет (окраска)

Чистые природные воды почти бесцветны, наличие окраски поверхностных вод обычно связано с присутствием гуминовых веществ и соединений железа. При загрязнении сточными водами можно наблюдать окраску, не свойственную природным водам. Цвет вод, содержащих большое количество взвешенных веществ, определяют после отстаивания или фильтрования. Определение проводят через 2 часа после отбора пробы.

Оборудование: Цилиндр из бесцветного стекла, градуированный в сантиметрах, с плоским дном.

Ход определения:

А. Пробу воды наливают в цилиндр до отметки 10 см. Рассматривают пробу в цилиндре сверху на белом фоне при рассеянном дневном освещении. Результат определения описывают словесно с указанием оттенка и интенсивности окрашивания (слабое или сильное).

Б. Пробу воды наливают в цилиндр до отметки 10 или 20 см. В качестве контроля используют цилиндр, заполненный на ту же высоту дистиллированной водой. Затем оба цилиндра рассматривают сверху на белом фоне при рассеянном дневном освещении. При повышенной окраске проводят разбавление пробы воды дистиллированной водой и затем снова сравнивают с контролем. Отмечают то разбавление, при котором цвет разбавленной пробы и дистиллированной воды станет одинаковым. Данное разбавление будет являться показателем того, во сколько раз исследуемая вода по цвету (окраске) превышает норму.

Для источников хозяйственно-питьевого водоснабжения окраска не должна обнаруживаться в столбике воды высотой 20 см, для водоемов культурно-бытового назначения - 10 см.

3. 1. 3. Запах

Запах воды обусловлен наличием в ней летучих пахнущих веществ, которые попадают в нее естественным путем или со сточными водами. На запах подземных и поверхностных вод влияет присутствие в них органических веществ. Запах питьевой воды обусловлен свойствами используемой поверхностной воды, технологическим процессом и способом ее обработки. Например, вода, содержащая фенолы, после хлорирования приобретает неприятный запах хлорфенолов, обнаруживающихся органолептически при содержании 2,4-дихлорфенолов 0,002 мг/л.

Определение основано на органолептическом исследовании характера и интенсивности запаха воды при 20 и 60°С.

Оборудование:

- Конические колбы с широким горлом на 500 мл.

- Цилиндр мерный на 250 мл.

- Баня водяная.

- Термометр лабораторный (от 0 до 60°С).

Ход определения:

В коническую колбу наливают 250 мл исследуемой воды при 20°С, накрывают колбу часовым стеклом (или закрывают притертой пробкой), встряхивают вращательным движением, сдвигают в сторону часовое стекло (открывают пробку) и быстро определяют характер и интенсивность запаха. Затем колбу с пробой накрывают часовым стеклом, нагревают на водяной бане до 60°С, перемешивают содержимое встряхиванием, открывают колбу и тотчас органолептически устанавливают характер и интенсивность запаха.

Характер запаха описывают словесно. По характеру запахи делятся на две группы:

1. Запахи естественного происхождения (от живущих и отмерших в воде организмов, от влияния почв и т. п. ). Различают землистый, гнилостный, тухлый, травянистый, плесневой, торфяной и т. п. запахи.

2. Запахи искусственного происхождения (от промышленных стоков, от обработки воды химическими реагентами и т. п. ). Различают хлорфенольный, ацетоновый, спиртовой, уксусный, бензиновый, хлорный и т. п. запахи.

3. 1. 4. Интенсивность запаха воды

Интенсивность запаха оценивается при 20 и 60°С по 5-балльной системе согласно таблице 1:

Таблица 1

Балл Характеристика Качественная характеристика.

Интенсивности Появление запаха.

0 Никакой Отсутствие ощутимого запаха.

1 Очень слабая Запах, неподдающийся обнаружению потребителем, но обнаруживающийся в лаборатории опытным исследователем.

2 Слабая Запах, не привлекающий внимания потребителя, но обнаруживаемый, если на него обратить внимание.

3 Заметная Запах, легко обнаруживаемый и дающий повод относиться к воде с неодобрением.

4 Отчетливая Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду непригодной для питья.

5 Очень сильная Запах настолько сильный, что вода становится непригодной для питья.

3. 2. Аналитические методики анализа проб воды

3. 2. 1. Кислотность

Кислотностью называют содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными щелочами (гидроксидами натрия и калия), то есть с гидроксил-ионами. Расход основания выражает общую кислотность воды.

Кислотность природных вод в большинстве случаев зависит только от содержания растворенного оксида углерода (IV). Естественную часть кислотности также могут создавать гуминовые и другие слабые органические кислоты. Во всех этих случаях рН воды обычно не бывает ниже 4,5.

Некоторые промышленные сточные воды содержат большие количества сильных свободных кислот или их кислых солей, в этих случаях рН воды может быть ниже 4,5. Та часть общей кислотности, которая снижает рН до 4,5 и ниже, называется свободной кислотностью.

Кислотность воды определяют титрованием ее раствором сильного основания. Количество титрованного раствора, израсходованного до получения рН 4,5, соответствует свободной кислотности; количество, израсходованное до получения рН 8,3, соответствует общей кислотности. Если рН анализируемой воды больше 8,3, то ее кислотность равна нулю.

Общую кислотность и свободную кислотность выражают в мг-экв на 1 л воды.

Реактивы:

1. Гидроксид натрия, 0,1 н растворы.

Основной раствор: в полиэтиленовой бутыли с пробкой растворяют 625 г NаОН в 800 мл дистиллированной воды. Через несколько дней используют прозрачный раствор над осевшим Nа2СО3.

Рабочий раствор: разбавляют 6,7 мл 15 н раствора NаОН свежеприготовленной кипяченой и быстро охлажденной дистиллированной водой и доводят до 1 л (титр или поправочный коэффициент устанавливают по щавелевой кислоте).

Можно приготовить раствор из фиксанала 0,1 н NаОН.

2. Фенолфталеин, 0,5%-й раствор: растворить 0,5 г фенолфталеина в 50 мл 96% этанола, к раствору затем прибавить 50 мл дистиллированной воды и несколько капель 0,01 н NаОН до появления розовой окраски.

Ход определения:

Общая кислотность. К 100 мл пробы добавляют 3 капли раствора фенолфталеина и титруют на белом фоне 0,1 н раствором NаОН до появления розовой окраски индикатора.

3. 2. 2. Жесткость

Общая жесткость воды показывает концентрацию в ней катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния. В природных условиях эти элементы попадают в воду вследствие воздействия оксида углерода (IV) на карбонатные минералы или в результате биохимических процессов, происходящих в почве. Жесткость природных вод может изменяться при обработке на водопроводной станции или при сбросе в них сточных вод.

Комплексонометрическое определение. В водной среде этилендиаминтетраацетат натрия (комплексен III, трилон Б; ЭДТА, хелатон 3) образует при рН 10 прочные комплексные соединения сначала с ионами кальция, а затем и с ионами магния. Когда в анализируемую воду вводят эрихром черный Т, он образует с ионами магния вишнево-красное комплексное соединение. При последующем титровании комплексен III, соединяясь с ионами кальция и затем ионами магния, вытесняет индикатор, который в свободной форме имеет синюю окраску.

Результаты определения жесткости выражают в миллиграмм-эквивалентах на 1 л воды (мг-экв/л). Точность определения при титровании 100 мл пробы составляет 0,05 мг-экв/л, что является также и минимально определяемой концентрацией.

Реактивы:

1. Буферный раствор, рН = 10,0. Растворяют 26,8 г NH4C1 в 100 мл дистиллированной воды, смешивают с 300 мл концентрированного раствора водного аммиака и разбавляют до 500 мл дистиллированной водой.

2. Эрихром черный Т (кислотный хром черный, специальный). Смесь индикатора с хлоридом натрия приготавливают смешением и тщательным растиранием 0,5 г эрихрома черного Т со 100 г хлорида натрия.

3. ЭДТА (комплексен III), 0,05 М раствор. Растворяют 18,6 г ЭДТА дигидрата в дистиллированной воде и доводят объем раствора до 1 л.

3. 2. 3. Окисляемость

В зависимости от степени загрязнения вода содержит вещества, окисляющиеся сильными окислителями (перманганатом, дихроматом и т. п. ). Количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, называется окисляемостью. В зависимости от применяемого окислителя различают перманганатную, дихроматную и т. п. окисляемость. Результаты определения окисляемости выражают в миллиграммах кислорода, эквивалентного расходу окислителя на 1 л пробы с указанием метода определения.

Пробы консервируют добавлением 2 мл разбавленной (1:2) серной кислоты на каждые 100 мл воды.

Метод Кубеля (определение перманганатной окисляемости) основан на окислении веществ, присутствующих в пробе воды, 0,01 раствором перманганата калия в сернокислой среде при кипячении.

Без разбавления можно определить окисляемость до 10 мг О/л. Используя разбавление (наивысшее допустимое разбавление - десятикратное), метод можно использовать для проб, окисляемость которых ниже 100 мг О/л.

Реактивы:

1. Серная кислота, разбавленный (1:2) раствор.

2. Щавелевая кислота, 0,01 н раствор. Растворяют 0,6303 г С2Н2О4 · Н2О в разбавленной (1:15) серной кислоте и доводят объем раствора серной кислоты до 1 л.

3. Перманганат калия, 0,1 н и 0,01 н растворы.

Основной раствор: растворяют 3,2 г KMnO4 в 1 л дистиллированной воды. Раствор сохраняют в темной бутыли и используют не ранее, чем через 2-3 недели после приготовлении.

Рабочий раствор: В мерную колбу емкостью 1 л отбирают 100 мл основного раствора KMnO4 и разбавляют до метки дистиллированной водой (поправку к титру можно определить титрованием нагретой до кипения пробы, содержащей 10 мл 0,01 н раствора щавелевой кислоты и 5 мл разбавленной серной кислоты).

4. Вода для разбавления. Используют дистиллированную воду, не содержащую окисляющих веществ

Глава IV.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБ ВОДЫ

1. Источники отбора проб

1. Дистиллированная Н2О.

2. Водопроводная Н2О (Дзержинский район).

3. Водопроводная Н2О (поселок Старатель)

4. Колодец (поселок Дрягуново).

5. Река Кушва (район Кушва).

6. Река Выя (район Выя).

2. Обоснование отбора проб

Дистиллированная вода взята в качестве контрольной пробы, позволяющей делать сравнительный анализ.

Для сравнения взяты два водных образца водопроводной воды. Водопроводная вода поселка Старатель (расположен в одном из экологически чистых пригородов Нижнего Тагила) славится своей чистотой. Вода, взятая в Дзержинском районе, демонстрирует качество воды района, в котором проживает экспериментатор.

Вода из скважины взята из пригородной зоны и представляет интерес для садоводов (в том числе и для экспериментатора, на чьем участке расположена скважина), употребляющих данную воду как для хозяйственных, так и для питьевых нужд.

В районе поселка Кушва, расположенном в черте города, а так же студенческого городка, находится металлургический комбинат и его дочернее производство – Коксохимзавод.

Река Выя впадает в Выйское водохранилище, относящееся к одному из старейших районов города (более 200 лет). Следует отметить, что пробы № 2, 3, 4 – относят по различным характеристикам к водам питьевого назначения образцы проб № 5 и 6, а точнее источники соответствующие пробам, к водам культурно-бытового и хозяйственного назначения. Данное уточнение вводится для введения в экспериментальные таблицы показателей норм ПДК (для сравнения).

3. Время забора проб

1) сентябрь – 2004 г.

2) октябрь – 2004 г.

3) ноябрь – 2004 г.

4. 4. Органолептический анализ проб

Результаты органолептического анализа проб сведены в таблицы №№ 2, 3, 4.

4. 4. 1. Выводы по таблице № 2

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что, в сравнении с контрольной пробой № 1 и значениями ПДК, пробы № 2, 3 соответствуют нормам показателей для питьевой воды, вода из колодца поселка Дрягуново таким нормам не соответствует, а, значит, не может служить в качестве питьевой. Показатели проб № 4 и № 5 свидетельствуют о значительной загрязненности водных объектов.

В случае с рекой Выя – загрязнения можно связать с бытовыми загрязнителями (мытье авто и мотто транспорта в связи с близким расположением жилого комплекса).

Загрязнение реки Кушва можно объяснить близким расположением садового хозяйства и металлургического комбината, точнее – его коксохимического комплекса.

4. 4. 2. Выводы по таблице № 3

Следует отметить высокие показатели качества питьевой воды поселка «Старатель».

Соответствует нормам вода Дзержинского района, хотя ее органолептические показатели ниже, показателей поселка «Старатель», так и контрольной пробы.

Соответствует норме пробы воды поселка Дрягуново, хотя данные показатели достаточно низкие, практически граничат с показателями анти-нормы.

Низкие показатели образцов рек Кушва и Выя, говорят о том, что источники загрязнены, и очистки не наблюдается.

Сопоставляя результаты сентября и октября, наблюдаем единообразие в показателях.

4. 4. 3. Выводы по таблице № 4

В целом показатели этого месяца схожи с показателями сентября и октября, однако, стоит подчеркнуть что, норма в пробах № 4, № 5 и № 6 соотносится с нормами ПДК для водоемов не питьевого, а бытового назначения.

5. Общие выводы по результатам органолептических исследований

Исследованные пробы по рН соответствуют нейтральной и слабокислой среде . Определение рН осуществлялось при помощи индикационной шкалы универсального лакмусового индикатора.

Показатели прозрачности, запаха и окраски в целом соответствуют нормативам для воды хозяйственно-питьевого назначения , культурно-бытового назначения не соответствует ГОСТу питьевой воды проба № 4. данные результаты по пробе № 4 можно объяснить загрязнением воды. Почву садовых участков можно сравнить с системой сообщающихся сосудов (овощные ямы, погреба, колодцы, чрезмерное использование минеральных удобрений). Не следует так же пренебрегать и тем, что возможны подводные ручьи, течения, которые могут быть источниками загрязнения воды.

Отмечены очень высокие показатели прозрачности водяного столба для питьевой воды поселка Старатель (это подтверждает экологичность района).

Достаточно низкие показатели проб для воды рек Кушва и Выя объясняются тем, что это природные водоемы, контактирующие с хозяйственными и промышленными объектами, очистка водоемов Кушва и Выя не осуществляется, поэтому данная вода используется чаще всего для полива, мытья личного транспорта и т. д.

Вышесказанное так же подтверждается показателями окраски и запаха проб. Желто-серый оттенок водопроводной пробы (Дзержинский район) объясняется, скорее всего, наличием избыточного Fe3+, об этом говорит и вид отстоявшихся проб, на дне которых скапливается бурый осадок. Данные выводы могут быть полезными для рассмотрения, в будущем, вопросов замены водовода на более экологичные конструкции.

6. Аналитический эксперимент

4. 6. 1. Определение общей кислотности в пробах

Оборудование:

- бюретка 50 мл, с ценой деления 0,1 мл;

- 3 конические колбы для титрования; на 200 мл;

- белый экран.

Реактивы:

- 3 пробы с Н2О;

- NaOH (0,1 н раствор);

- фенолфталеин 0,5% раствор.

Схема эксперимента: проба (100 мл) + 3 капли ф/ф; титруют 0,1 н NaOH (на белом экране) в 3х повторностях; до появления розовой окраски.

Формула: где: р – общая кислотность, мг-экв/л;

V(ср) – среднее значение объема 0,1 н NaOH пошедшее на титрование пробы V(ср) = (V(1) + V(2) + V(3)):3 (мл);

0,1 – нормаль раствора NaOH;

V(пр) – объем пробы – 100 мл.

Значения нормативов кислотности не распространяется на воду питьевого назначения.

Исследуем образцы: №4; №5; №6.

Анализ пробы № 4

Анализ пробы № 5

Анализ пробы № 6

4. 6. 2. Определение жесткости воды

(комплексонометрический анализ проб)

Оборудование:

- бюретка 50 мл, с ценой деления 0,1 мл;

- 3 конические колбы для титрования; на 200 мл;

Реактивы:

- буферный аммиачный раствор (рН = 10,0);

- индикатор - эрихром черный Т;

- ЭДТА (комплексон III), 0,05 М раствор;

Схема эксперимента:

100 мл пробы + 5 мл буферного раствора перемешать

+ 0,1 г ~ 0,2 г Ynd.

Красно-малиновый раствор.

Титруют: → фиолетовый раствор → синий раствор.

Расчет: где:

Ж – общая жесткость; мг-экв/л;

V(ср) – объем 0,05 М ЭДТА, израсходованный на титрование [мл];

V(пр) – объем пробы, 100 мл;

2 – число г-экв. жесткости, соответствующее 1 моль ЭДТА.

Анализ пробы № 2

Анализ пробы № 3

Анализ пробы № 4

Анализ пробы № 5

Анализ пробы № 6

4. 6. 3. Окисляемость

Определяется для проб №№ 4, 5 и 6, так как в питьевой Н2О этот показатель не допустим.

Оборудование:

- колбы термостойкие 250-300 мл;

- стеклянные шарики или обожженная пемза;

- плитка электрическая;

- бюретка с ценой деления 0,1 мл;

Реактивы:

- H2SO4 (1:2 раствор);

- щавелевая кислота 0,01 н раствор;

- КМnО4; 0,01 н раствор;

- дистиллированная Н2О;

Ход эксперимента:

100 мл пробы → 2 часа отстоять + 5 мл H2SO4 (раствор) пемза

+ 20 мл 0,1 н КМnО4 to ≈ кипятить 10 мин;

+ 20 мл 0,01 н щавелевой кислоты; титруют 0,01 н КМnО4 до розовой окраски.

Расчет: где:

χ – окисляемость; мг О/л; а - объем 0,01 н КМnО4 израсходованный на титрование пробы, мл; b - объем 0,01 н КМnО4 на титрование Н2О дистиллированной, мл;

V(пр) – объем пробы – 100 мл;

8 – эквивалент кислорода; b – 0 мл; проба № 4 проба № 5 проба № 6

4. 6. 4. Сводная таблица аналитического эксперимента

№ пробы Название источника Кислотность Жесткость Окисляемость χ

p(мг-экв/л) Ж (мг-экв/л) (мг·О/л)

2 H2O водопроводная - 7,29 -

Дзержинский район

3 H2O водопроводная - 2,39 -

поселок Старатель

4 H2O колодец 10,16 6,12 7,36

поселок Дрягуново

5 H2O река Кушва 14,10 8,14 34,96

6 H2O река Выя 12,50 5,07 48,40

Полученные результаты наглядно представлены в виде диаграмм.

Выводы по диаграмме кислотности:

Сравнивая показатели норм с полученными результатами, показатели пробы № 4 (колодец) входят в норму показателей, характерны для питьевой воды. Воды проб № 5, 6 – не являются питьевыми, но показатели кислотности в пределах нормы для питьевой воды.

Выводы по диаграмме жесткости:

Из диаграммы, соответствуют норме пробы № 3, 4, 6, незначительно не соответствует ГОСТу показатель пробы № 2, что крайне отрицательно для питьевой воды (такая вода подлежит обязательному кипячению, употребление сырой воды грозит изменениями в вводно-солевом обмене веществ, зашлаковкой, камнеобразованием в организме человека).

Высокая жесткость для показателя № 5, вероятно это можно объяснить тем, что вблизи реки осуществляется строительство домов, воду используют для мытья автотранспорта моющими средствами, влияющими на рост показателя жесткости).

Выводы по диаграмме окисляемости:

Выявлено несоответствие норм ПДК для бытовой воды в пробах № 5 и 6, что свидетельствует о высоком содержании органических загрязнителей в пробах.

7. Анализ полученных результатов

Безусловно, точность проведения эксперимента в условиях школьной лаборатории имеет погрешность, с учетом соблюдения методик работы, нами были самостоятельно приготовлены растворы без использования фиксаналов.

Органолептический и аналитический анализы позволяют сделать следующие общие выводы:

- самой чистой по отслеженным показателям является питьевая вода поселка Старатель (поселок находится экологически чистых условиях).

- Вода Дзержинского района соответствует нормам, но можно отметить достаточно высокую жесткость воды, что губительно как для организма человека (чрезмерное отложение солей и камнеобразование, например, в почках), так и для работы бытовой техники (стиральных машин, утюгов, электрочайников и т. п. ).

- По показателям жесткости и окисляемости воду из садовой скважины нельзя назвать питьевой. Об этом, прежде всего, говорит высокая окисляемость, следовательно, в данной воде велико содержание различных примесей, органических загрязнителей.

- Показатели проб воды из рек Кушва и Выя говорят о загрязненности водоемов, ПДК по органолептике (мутность, запах), а также окисляемость очень высоки, поэтому данная вода не может быть использована для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения и требует очистки.

Поскольку моя будущая профессия будет связана с экологией и химией, приобретенные в ходе работы навыки знания очень пригодятся в будущем. С учетом полученных результатов, возможны следующие экологические предложения:

- Поселок «Старатель» является экологически чистым объектом, следует проводить профилактическую природоохранную работу по сбережению имеющейся биообстановки.

- Провести очистку колодца в поселке Дрягуново и повторный эксперимент (для очистки использовать силы садоводчества, произвести откачку воды, уменьшить нагрузку минеральными удобрениями и т. д. )

- Производить очистку водопроводной воды в бытовых условиях, не употреблять воду сырой для питья.

- Провести систему мероприятий связанной очисткой рек Кушва и Выя (очистить берега от механических загрязнителей), запретить использование водоемов для мытья автомобилей. Выставить экологический патруль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы была изучена литература по вопросам экологии и экологического мониторинга.

Практические методики, лабораторный анализ являются фундаментом в изучении экологических проблем современности.

Представленные в работе методики широко применяются в науке, научно-исследовательском эксперименте (в разделе «Аналитическая химия») в современных промышленных лабораториях. Описанные методики также используются для контроля состояния окружающей среды в современных природоохранных лабораториях.

Освоенные методики и проведенный эксперимент позволили не просто оценить состояние водных объектов, но и помогли приобрести новые научные знания и практические навыки, которые пригодятся в будущей профессиональной деятельности химика-эколога.

В качестве продолжения работы рассматриваются планы экспериментов по исследованию экологического состояния новых объектов и образцов (почва, воздух, снег).

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)