III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ
Ибатова Э.В.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


1. Введение

Вода - это древний универсальный символ чистоты, плодородия и источник самой жизни. (Мосин О.В.)

Что современный человек знает об этом природном веществе сегодня? Все ли тайны раскрыты?

С уверенностью сказать о том, что да, мы познали смысл этого вещества, сложно. О воде написано очень много статей, воде посвящены стихи и пословицы, она - воплощение жизни в литературных произведениях. Процесс её освоения не окончен. К пониманию важности и значения пресной воды в нашем повседневном мире привлечено внимание многих учёных планеты. Процесс изучения физико-химических характеристик воды в наши дни постепенно переходит на новый уровень.

Н.В.Ширшина,«Химия. Проектная деятельность учащихся», Волгоград,2008:

Тип проекта: реферативно-исследовательский, индивидуальный,

межпредметный, среднесрочный.

Тема исследовательского проекта: Изучение жёсткости воды.

Цель: Изучить, исследовать и сравнить жёсткость воды.

Задачи:

1. Изучить литературные источники по проблемам химического состава воды.

2. Практически ознакомиться с методами исследования жёсткости воды.

3. Совершенствовать навыки работы с дополнительными источниками по выбранной теме исследования.

4. Оценить воду на содержание минеральных солей, определить жёсткость воды в исследуемых образцах.

Объекты исследования: артезианская вода верхней и нижней части деревни.

Предмет исследования: проблема жёсткости воды.

Гипотеза: Высокое качество питьевой воды обеспечивает здоровье, благополучие и рассвет нации.

Актуальность исследования. Вода – наиболее удивительное вещество на Земле, удивительное потому, что оно обеспечивает условия для развития и роста всевозможных видов жизни. Эта тема актуальна, так как я живу в деревне Пелемеш Агрызского района Республики Татарстан, где как и перед многими жителями района стоит проблема чистой питьевой воды. К пониманию важности и значения пресной воды в нашем повседневном мире привлечено внимание многих учёных планеты.

Методы исследования: сбор информации о воде в литературных источниках, изучение методики проведения экспериментальных опытов, проведение экспериментальных опытов.

Материалы и методика исследования: Материалы для исследования собирала Ибатова Эльвина ученица 9 класса Бимской СОШ Агрызского района Республики Татарстан. В декабре-январе я провела исследование жёсткости воды в школьной химической лаборатории под руководством учителя химии первой категории Тоюшевой Эльверы Петровны.

2. Теоретическая часть

2.1. Значение воды

Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на земле. (5)

Вода-наиболее удивительное вещество на Земле, удивительное потому, что оно обеспечивает условия для развития и роста всевозможных видов жизни. Окажись вы в пустыне под её беспощадно палящим солнцем, вы будете готовы променять все ценности на воду, на хотя бы один глоток этого живительного и бесценного «жидкого золота». Будь вы хоть самым богатым человеком на свете, все ваше богатство не окажетесь в пустыне, и ваш запас воды иссякнет.

Говорится: нет воды - нет жизни, есть воды – есть жизнь. Роль воды огромна для всего живого. Что было бы, если на Земле не имелось бы рек, морей и океанов? Как бы тогда развивалось всё живое? В этом случае жизнь на нашей планете не могла бы даже появиться. Собственно воде Земля обязана появлением и развитием жизни, следовательно, не будь её, не было бы и нас. Ни один живой организм не выжил бы, а жизнь бы не появилась.

2.2. О питьевой воде.

(Ростова Л. «Исцеляющая вода». Ростов-на-Дону. «Феникс», 2011 год)

Развитие жизни неразрывно связано с гидросферой. Вода явилась той основой, благодаря которой возникла жизнь. По одной из гипотез, жизнь возникла на границе Мирового океана, атмосферы и земли.

В процессе развития цивилизации вода используется не только для питьевых и бытовых целей, но и как мощнейшее средство развития производительных сил. Сельскохозяйственное орошение, транспорт, энергетика – всё это основано на использовании воды. Однако наличия только водного объекта не всегда достаточно. Для того чтобы использовать воду в каких-либо целях, необходимо создать ряд сооружений.

С момента своего появления на Земле человек использует природные водные источники. И одна из этих целей – приготовление питьевой воды. Под приготовлением питьевой воды понимается изыскание источников воды, определение её пригодности для питьевых целей, добыча воды, улучшение качества, а также транспортирование к месту потребления. В общей структуре использования воды потребление её для питьевых целей занимает совершенно незначительное место. Достаточно сказать, что в зависимости от степени благоустройства жилища человека нормами предусмотрено потребление до 350 л воды питьевого качества в сутки. Из них непосредственно для питья человек расходует не более 2-3 л. Однако приготовлению воды именно питьевого качества цивилизованное человечество уделяет особое внимание.

2.3. Современное отношение к питьевой воде.

(Ростова Л. «Исцеляющая вода». Ростов-на-Дону. «Феникс», 2011 год)

На основе множества самых разнообразных исследований специалисты создали стандарты, нормы содержания различных веществ в воздушном бассейне города, в различной по использованию воде и т. д.; если эти нормы не превышены, то непосредственной угрозы человеческому здоровью нет. Есть такие нормы и для питьевой воды. Их называют ПДК- предельно допустимые концентрации.

Обычно полагают, что плохая питьевая вода – это вода, содержащая микробы, вирусы, то есть различные микроорганизмы, возбуждающие болезни. Такую воду надо прокипятить, а для страховки от заразы ещё принять рюмку водки, продезинфицировав тем самым кишечник, но не всё так просто… Вода часто становится источником заражения человека животными паразитами – глистами. С загрязнённой водой в организм человека могут попасть яйца некоторых паразитических червей. В кишечнике они превращаются в паразитов (аскариды, острицы). Также через воду иногда происходит заражение лямблиями, которые поражают печень. Попавшие в воду возбудители кишечных инфекций сохраняют жизнеспособность длительное время. Например, палочка брюшного тифа может сохраняться в речной воде до 183 дней, дизентерии – до 92 дней.

Вода природных источников содержит большое количество разнообразных микроэлементов, их роль в жизнедеятельности организма значительна. Избыток или недостаток тех или иных микроэлементов способен оказывать влияние на здоровье, привести к нарушению обмена веществ, в результате возникают геохимические эпидермии. Например, эндемический зоб, вызываемый недостатком йода. Нормальным считается, когда человек ежесуточно получает с питьевой водой и пищей 0,05-0,1 мг йода.

Жители городов употребляют привозные продукты, получая в общей сложности достаточное количество этого микроэлемента. А в небольших населённых пунктах целесообразно использовать при питании йодированную поваренную соль.

Другое заболевание, связанное с составом питьевой воды, эндемический флюороз (поражение эмали зубов). Оно возникает там, где в воде содержится избыток фтора (более 1,5 мг/л). Недостаток фтора в питьевой воде (менее 0,6 мг/л) тоже вреден – возникает кариес зубов.

Установлено и предельно допустимое содержание нитратов в воде, оно составляет 10 мг/л по азоту. При повышении этого количества могут наблюдаться признаки кислородного голодания. Содержание нитратов в питьевой воде в концентрации ниже 10 мг/л является безвредным. Нитраты природного происхождения, например в Татарии, - обычное явление в подземных водах. Также не предусматривается содержание в воде нитритов. Согласно современным данным, нитриты в кишечнике человека под влиянием обитающих в нём бактерий восстанавливаются в нитраты переносе кислорода. Всасывание нитратов ведёт к частичной потере активности гемоглобина в переносе кислорода.

Важным показателем воды является её жёсткость. Для измерения жёсткости воды используют другую единицу: грамм-эквивалент. Жёсткость воды также зависит от времени года: минимальна она во время весенних паводков и максимальна зимой.

2.4. Природа жёсткой воды.

(Ростова Л. «Исцеляющая вода». Ростов-на-Дону. «Феникс», 2011 год)

Жёсткость воды – это содержание в воде растворённых солей щелочноземельных металлов, прежде всего кальция и магния. Различают кальциевую и магниевую жёсткость, а их сумма называется общей жёсткостью воды. В таблице 1 содержатся сведения об общей жёсткости воды.

Таблица 1

Общая жёсткость различной воды

Вода

Общая жёсткость, мг-экв/л

Очень мягкая

До 1,5

Мягкая

1,5 - 3

Умеренно жесткая

3 - 6

Жесткая

6 - 9

Очень жесткая

более 9

Морская

более 65

Жесткую воду не желательно использовать для различных бытовых, технических целей. А человеческое здоровье? Как оно реагирует на содержание кальция и магния в воде? Оказывается, и мало солей плохо, и много тоже плохо. Исследования германских специалистов показали: чем мягче питьевая вода, тем выше процент сердечно сосудистых заболеваний среди населения. В то же время употребление жесткой воды увеличивает опасность мочекаменной болезни, неблагоприятно влияет на состояние сосудов. Избыток ионов Са2+ в организме приводит к отложению солей в шейном, грудном, поясничном отделах позвоночника, суставах конечностей.

Жесткая вода мало пригодна для стирки белья. Содержащиеся в ней растворимые известковые соли (кальция и магния) соединяются с мылом, образуя нерастворимый осадок, который вместе с загрязнениями остаётся на ткани, придавая ей желтоватый или серый цвет и делая бельё хрупким и липким. Для умягчения воды чаще всего применяют щелочи: соду, тринатрийфосфат, поташ, силикат натрия (жидкое стекло). Вода также умягчается при кипячении. При этом из неё улетучивается углекислый газ, входящий в состав известковых солей, вследствие чего известковые соли переходят в нерастворимое состояние и осаждаются на стенках посуды, образуя накипь. Самым простым индикатором жесткости воды является растворимость мыла. Немного измельченного мыла (в виде стружек) кладут в стакан с горячей водой. Если мыло полностью растворится и после охлаждения получится прозрачный раствор, значит вода мягкая, если же на поверхности образуется плёнка нерастворимого мыла – вода жесткая.

2.5. Чистая вода в Республике Татарстан

(2011 Газета «Вечерняя Казань». RSS-каналы).

Карту качества воды в России создали участники федеральной экспедиции "В поисках чистой воды": экологи, блогеры и звезды эстрады. Этим летом они прошли вдоль Волги (от самого ее истока до Каспийского моря) и собрали пробы воды из колодцев, родников, рек и водопроводных кранов в разных волжских городах и селах. Получилось 300 образцов. Их отдали на химический анализ. Все источники в Татарстане не выдержали проверку на содержание фторидов. К безвредным участники экспедиции отнесли у нас четыре источника: два родника в Камско-Устьинском районе (в Буртасах и Мордовском Каратае), родник в деревне Воробьевка Верхнеуслонского района и участок Волги в Тетюшах Подкачали воды Татарстана и по жесткости и содержанию железа. Жители Камского Устья, например, пользовались колонкой и не подозревали, что жесткость воды в ней составляет более 19 мг-экв/л. У человека от такой воды заиливаются суставы, накапливается песок в почках и мочевом пузыре, предупреждают медики. Для техники жесткость воды вообще смертельна - причина поломок в 90% случаев. Жители деревень Мордовский Каратай Камско-Устьинского района и Большие Тарханы Тетюшского района тоже не догадывались, что их колодцы – рекордсмены по превышению норм содержания железа. А как поясняют справочники, употребление воды, содержащей избыток железа, способствует развитию рака, влияет на формулу крови, приводит к ошелушиванию кожи и выпадению волос. Вообще специалисты по качеству воды говорят, что колодцы, дескать, нынче вообще бактериологически опасны, если только не рыть их на глубину больше 100 метров. Если подытожить, то в список «красных» источников в Татарстане участники экспедиции, включили еще родник в селе Монастырском Тетюшского района. Там оказались превышены нормы по жесткости, железу и фторидам. Желтыми тревожными значками они отметили Казанку и колонку в Камском Устье за превышение норм по жесткости и фторидам. А за фториды и железо в желтый список был также включен родник в селе Малые Салтыки Камско-Устьинского района.

2.6. Артезианская вода.

(Материал из Википедии — свободной энциклопедии.)

Артезиа́нская во́да — это напорные подземные воды, заключенные в водоносных пластах горных пород между водоупорными слоями. При вскрытии буровой скважиной или шурфом артезианские воды поднимаются выше кровли водоносного пласта, иногда фонтанируют. Источники артезианского типа относятся к важнейшим полезным ископаемым. Обычно залегают на глубине от 100 до 1000 метров. Артезианская скважина - это скважина, которая бурится на второй водоносный горизонт (известняк водоносный), как указан на рисунке. Глубина залегания такой скважины составляет 30-200метров.

3. Исследовательская часть

3.1. Определение жесткости воды.

(Химия в школе,2000 год, №5)

Определение жесткости воды провели методом титрования. Метод основан на осаждении ионов Са+2 и Mg+2 избытком раствора ортофосфата натрия Na3PO4 : 3 MeCI2 + 2 Na3PO4 = Me3(PO4)2 ↓ + 6NaCI

Для исследования и сравнения жесткости воды взяли артезианскую воду верхней и нижней части деревни Пелемеш. В мерную колбу вместимостью 250 мл перенесли 100 мл анализируемой воды, добавили точно измеренный объём – 25 мл 0,2 н раствора Na3PO4 и отстаивали 30 минут, затем довели до метки дистиллированной водой, тщательно перемешали и фильтровали через плотный бумажный фильтр в сухую ёмкость.В коническую колбу объёмом 250 мл отобрали 100 мл фильтрата для проведения титрования и добавили 2-3 капли индикатора метилоранжа. Карбонатная жесткость воды ЖК определяется методом нейтрализации. Он основан на титровании воды, в которую добавляется метиловый оранжевый, раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую. Метиловый оранжевый является кислотно-основным индикатором, который при pH < 3,1 имеет красную окраску, а при pH > 4,4 окрашивается в желтый цвет. В интервале значений pH 3,1 - 4,4 окраска индикатора становится оранжевой.Титрование воды раствором HCl сопровождается протеканием реакции нейтрализацииOH¯ + H+ →H2O, в которой ионы H+ диссоциирующей кислоты нейтрализуют гидроксид-ионы OH, образующиеся в результате гидролиза анионов HCO3 в воде HCO3¯ + H2O ↔ H2CO3 + OH¯.

( Габриелян О. С., Л.П.Ватлина. «Химический эксперимент в школе». Дрофа. Москва. 2005г) :

Затем титровали соляной кислотой до появления бледно-розовой окраски раствора. Параллельно определили объём соляной кислоты, пошедшей на определение временной жесткости в идентичных условиях. Для этого взяли мерную колбу вместимостью 250 мл, добавили 100 мл анализируемой воды, довели до метки дистиллированной водой и тщательно перемешали. После этого в коническую колбу для титрования отобрали 100 мл раствора, добавили 2-3 капли метилоранжа и титровали соляной кислотой до появления бледно-розовой окраски.

На определение временной жесткости воды верхней части деревни израсходовали 0,8 мл 0,1 н. раствора HCI на 100 мл пробы. А для воды нижней части деревни израсходовали 2,4 мл 0,1 н раствора HCI на 100 мл пробы.

3.2. Расчет временной жесткости воды.

( Химия в школе,2000 год,№5)

Жв = (cэ(HCI) •V(HCI) / Vпр ) • ( Vколбы / V(H2O)) • 1000, где

V(HCI) – объём соляной кислоты, пошедшей на титрование, л;

cэ(HCI) – молярная концентрация эквивалента соляной кислоты, моль/л;

V(H2O) – объём анализируемой воды, л;

Vколбы - объём мерной колбы, л;

Vпр – объём воды, взятой для титрования, л.

Жв=(0,8 •10-3 л •0,1 моль/л /100 •10-3л )•(250 •10-3л / 100 •10-3л )•1000 = 2 ммоль/л. (для воды верхней части деревни)

Жв=(2,4 •10-3 л •0,1 моль/л /100 •10-3л )•(250 •10-3л / 100 •10-3л )•1000 =6 ммоль/л. (для воды нижней части деревни)

4. Выводы

В процессе исследования мы установили, что наши образец воды нижней части деревни является умеренно жесткой - жесткой, а вода верхней части деревни является мягкой. Но мы, к сожалению, не проводили эксперименты на определение показателей таких качеств воды как рН, общее солесодержание, концентрации солей, ионов железа, содержание растворённого кислорода.

5. Заключение

Одна из экологических проблем – это проблема чистой питьевой воды. Мыло в жесткой воде не мылится, овощи плохо развариваются, а при использовании такой воды в паровых котлах, стиральных машинах, электро-чайниках образуется накипь, которая снижает эффективность их работы и может привести к разрыву. Жесткую воду перед употреблением целесообразно умягчить, удалив катионы кальция и магния. Однако для жизнедеятельности человеческого организма кальций и магний необходимы, так как играют важную роль в процессах формирования костей, свёртываемости крови, сокращения сердечной мышцы, передачи нервных импульсов. Избыток Ca+2 в организме приводит к отложению солей в шейном, грудном, поясничном отделах позвоночника, суставах конечностей. Отсюда следует, что важно вести контроль за содержанием солей кальция и магния в питьевой воде.

Список литературы

1. Химия в школе,2000 год,№5

2. Химия в школе, 2001 год, №7

3. Габриелян О. С., Л.П.Ватлина. «Химический эксперимент в школе». Дрофа. Москва. 2005г

4. Н.В.Ширшина, «Химия. Проектная деятельность учащихся», Волгоград,2008 год.

5. Ростова Л. «Исцеляющая вода». Ростов-на-Дону. «Феникс», 2011 год.

6. (2011 Газета «Вечерняя Казань». RSS-каналы).

7. Материалы из Википедии – свободной энциклопедии.

Приложения

 

15