Исследовательская работа по химии на тему Какую воду мы пьем

Технология исследования

1. Введение: обоснование актуальности темы, обзор научной литературы по теме исследования.

2. Материалы и методы исследования.

3. Результаты исследования.

4. Обсуждение полученных результатов исследования.

5. Выводы.

6. Список источников и литературы.

7. Приложение (таблицы, графики, рисунки).

1. Введение.

Нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода: Н₂0 - «аш два о». В то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий.

Согласно Всеобщей декларации прав человека право на чистую воду, ее охрану и информацию о качестве воды - это основные права человека, защищающие не только его здоровье, но и саму жизнь. В связи с этим 22 февраля 1993г. Генеральная Ассамблея Организации Объединенных наций объявила 22 марта Всемирным днем воды (водных ресурсов). В связи с этим на протяжении последних пяти лет ИОУ «Вещество» ведет исследование проблемы качества воды с тем, чтобы в бытовых условиях предложить простые методы ее анализа. А также, при возникновении необходимости, найти способы ее очистки в домашних условиях. Особое внимание уделено поиску возможностей сохранения и улучшения качества (пресной) воды в бассейнах нашего села - Незавертайловка. Необходимость воды для обеспечения жизнедеятельности человека обусловлена ролью, которую она играет в круговороте природы села, а также в удовлетворении физиологических, гигиенических, рекреационных, эстетических и других потребностей жителей Незавертайловки. Решение проблемы удовлетворения потребностей человека в воде для различных целей тесно связано с обеспечением ее необходимого качества. Развитие промышленности (МГРЭС), транспорта, сельского хозяйства привели к значительному изменению гидросферы села.

Серьезную озабоченность для здоровья населения представляет состав воды. В природных бассейнах села вода никогда не встречается в виде химически чистого соединения. Обладая свойствами универсального растворителя, она постоянно несет в себе большое количество различных элементов и соединений, соотношение которых определяется условиями формирования воды, составом водоносных пород. В таблице 1 приведены наиболее часто проявляемые болезни, связанные с составом питьевой воды. Великий борец за чистоту Земли В. И. Вернадский еще в 1944 г. писал: «В истории нашей планеты наступил критический момент огромного для человека значения, подготовлявшийся миллионы, вернее, миллиарды лет, глубоко проникший в миллионы людских поколений». Эти мысли ученый высказал задолго до того, как мы реально столкнулись с угрозой появления необратимых изменений в природных системах, в частности, гидросфере, существованию нынешнего и будущих поколений жителей села.

Таблица 1

Заболевания, возникающие при воздействии химических элементов и

соединений, содержащихся в питьевой воде

№

Болезнь

Возбуждающий фактор

1.

Анемия

Мышьяк, бор, фтор, медь,

хлорпроизводные углеводородов.

2.

Бронхиальная астма

Фтор

3.

Лейкемия

Хлорированные фенолы, бензол.

4.

Боль в желудке

Пестициды, ртуть.

5.

Болезни сердца

Бор, цинк, медь, свинец, ртуть,

хлорпроизводные углеводородов,

инсектициды.

6.

Экземы, дерматозы

Мышьяк, хлор, хром, фенолы,

детергенты, фтор, кобальт, никель,

масла, пластмассы.

7.

Облысение

Бор, ртуть.

8.

Цирроз печени

Хлор, магний, бензол, хлороформ,

тяжелые металлы.

9.

Уремия

Медь, свинец, ртуть.

10.

Несварение желудка

Фтор, детергенты (стиральные

порошки), кремний, медь.

11.

Злокачественные

опухоли

Мышьяк, хлор, бензопирен, масла

технические.

12.

Болезнь Кашина-

Бека

Железо.

13.

Флюороз скелета

Фтор.

14.

Межгемоглобинемия

Нитраты, нитриты, хлораты,

перхлораты, динитрефенолы.

2. Материалы и методы исследования.

Исследованию подверглись пробы воды:

№1- р. Днестр;

№2- Днестровский лиман;

№3 - школьная скважина;

№4 - дождевая вода;

№5 - дистиллированная вода (эталон чистоты, для сравнения);

№6 - питьевая вода, г. Днестровск;

№7 - питьевая вода, с. Незавертайловка.

В исследовании использованы доступные нам методы: органолептические, физические и химические методы анализа качества воды упомянутых проб. Основными приборами были: электрический сушильный шкаф, весы лабораторные, бюретки для титрования на 25 см^з, пипетки мерные на 1, 10 см^з, другие измерительные стеклянные сосуды и посуда специального назначения. Химические реагенты имели, как правило, марку «ч» (чистые) и «ч.д.а.» (чистые для анализа). Некоторые из них приобретали и изготавливали самостоятельно. Названия и другие характеристики каждого реагента приведены в описании соответствующего исследования, опыта и приема.

3. Результаты исследования

3.1. Органолептический показатель.

Его определяли фильтрованием определенного объема, обычно 500 см^з, воды через бумажный фильтр и последующим высушиванием осадка на фильтре в электрическом сушильном шкафу до постоянной массы при 105°С. Содержание взвешенных веществ X определяли по формуле:

X = (m₁-m₂ ) • 1000/V, где

m₁ - масса бумажного фильтра с осадком, г;

m₂ - масса фильтра, г; V -Объем пробы воды, дм³.

Содержание взвешенных соединений приведено в таблице 2. Наибольшее содержание взвешенных соединений имелись в пробах 1 и 2, а превышали предельное допустимое количество (ПДК) в пробе воды 7.

Таблица 2

Содержание взвешенных соединений

Проба воды

мг/дм³

Допустимый ПДК

1

2

3

4

5

6

7

12

13

11

11,5

00

10,5

11,5

10 - 11 мг/дм³

3.2. Цвет (окраска)

Для определения цветности воды использовали стеклянные цилиндры на 25 см высоты и листок белой бумаги. Цвет воды -голубой. Исключение составляет вода р. Днестр и Днестровского лимана. В последних пробах цвет воды меняется в зависимости от времени года - от серого до голубого цвета.

3.3. Прозрачность

Для ее измерения использовали медные цилиндры с плоским дном, в которые приливали пробу воды, подкладывали под цилиндр на расстоянии 4 см от его дна шрифт, высота букв которого 2 мм, а толщина линий букв - 0,5 мм и сливали воду до тех пор, пока шрифт не становился виден. Линейкой измеряли высоту столба воды. В пробах 1 и 2 прозрачность воды составляла иногда менее 3 см высоты столба, указывающий на ее загрязнение и невозможности использования ее в пищевых целях. Эти загрязнения вызваны, по-видимому, наличием частиц ила, глины, микроорганизмов, некоторых химических веществ, попадающих в результате человеческой деятельности, в этих водных бассейнах.

3.4. Запах

Исследовали характер и интенсивность запаха органолептически при 20 и 60°С. Характер и вид запаха суммирован: болотный, илистый, тинистый (Днестровский лиман); плесневый - затхлый, застойный (Днестровский лиман); неопределенный - р. Днестр. Остальные пробы - без запаха.

3.5. Плотность

Плотность пробных вод определяли взвешиванием 25 см^з. С небольшим отклонением от 1,0 г/cм³ наблюдались пробы 1 и 2.

Температуру кипения определяли нагреванием 100 см^з воды каждой пробы. Незначительные отклонения от 100°С замечены были у тех же проб 1 и 2, а также у пробы 3.

3.6. Химический анализ воды.

Водородный показатель, рН, определяли универсальным индикатором со шкалой сравнения окрасок в пределах рН = 1-14 единиц. Результаты измерений проведены в таблице 3.

3.7. Жесткость воды.

В колбу для титрования наливали 10 см^з анализируемой пробы воды, добавляли 3-4 капли фенолфталеина и титровали 0,05 М раствором соляной кислоты до обесцвечивания раствора. Концентрацию карбонат - ионов определяли по формуле:

V(HCl)•0,05•60•1000

C_к = ----------------------------- = V(HCl)•300, где

10

С_к - концентрация карбонат - ионов, мг/дм³;

V(HCl) - объем рабочего раствора, см³.

К раствору от предыдущего титрования добавляли 1-2 капли метилового - оранжевого. Наблюдали появление желтой окраска и титровали 0,05 М НСl до розовой окраски. Концентрацию гидрокарбонат - ионов вычисляли по формуле:

V(HCl)•0,05•61•1000

C_чк = ----------------------------- = V(HCl) • 305

10

Общую карбонатную жесткость Ж_к определяли суммой:

Ж_к = С_к • 0,0333 + С_чк • 0,0164,

где коэффициенты равны значениям, обратным эквивалентным массам этих анионов.

3.8 Определение хлоридов и сульфатов.

Качественнее определение хлоридов с приближенной количественной оценки проводили следующим образом. В пробирку отбирали 5-6 см^з исследуемой воды и добавляли 2-3 капли 10% - ного раствора нитрата серебра. Приблизительное содержание хлоридов определяли по признакам:

Осадок или помутнение С_Сl- ,мг/дм³

1. Слабая муть 1-10

2. Сильная муть 10-50

З. Хлопья белые 50-100

4. Белый объемистый осадок более 100

Эти данные подтвердились аргентометрическим определением с использованием хромата калия в качестве индикатора: в коническую колбу помещали 100 см^з исследуемой воды, прибавляли 1 см^з 5%-ного раствора хромата калия и титровали 0,05М раствором нитрата серебра до появления слабо-красного окрашивания. Содержание хлоридов (Х) в мг/дм^з вычисляли по формуле:

1,773•V•1000

X = ----------------------

100

где коэффициент 1,773 - масса хлорид - ионов (мг) эквивалентная

1 см^з точно 0,05М раствора нитрата серебра, затраченного на титрование, см³.

Качественное определение сульфатов с приближенной количественной оценкой проводили таким образом.

В пробирку вносили 10 -12 см^з исследуемой воды, 0,5 см^з соляной кислоты (1:5) и 2-3 см³ 5%-ного раствора хлорида бария. Перемешивали. Приблизительное содержание сульфатов определяли по признакам:

Признаки С(SO₄^2-), мг/дм³

1. Отсутствие мути менее 5

2. Слабая муть 5-10

3. Мгновенное помутнение 10-100

4. Оседающая муть более 100

3.9. Качественное обнаружение солей тяжелых металлов. Определение свинца (II).

В пробирку с исследуемой пробой воды вносили 1 см^з 50 % - ного раствора уксусной кислоты и перемешивали. Добавляли 0,5 см³ 10% - ного раствора дихромата калия. При наличии свинца - ионов выпадает желтый осадок хромата свинца (II). Для количественной оценки поступали так. Содержание пробирки через 10 минут рассматривали сверху на черном фоне и концентрацию свинца(II) рассчитывали по формуле:

С = а/V(мг/дм ³),где а - содержание свинца (II) в пробирке - шкалы, мг, (приготовленные заранее); V - объем анализируемой воды, дм^з. Его содержание не превышало 0,03 мг/дм (с незначительными отклонениями в воду Днестровского лимана).

Обнаружение железа (III) проводили так. В пробирку помещали 5 - 10 см^з исследуемой воды, прибавляли одну каплю концентрированной азотной кислоты, 3-5 капель перекиси водорода и 0,5 см^з раствора роданида аммония. Появление розовой окраски указывает на содержание 0,1 мг/дм^з ионов железа (III), а при более высоком - кроваво - красное окрашивание (цвет крови).

Обнаружение меди (II). В фарфоровой чашки выпаривали 5-10 см³ исследуемой воды и наносили на периферийную часть пятна концентрированный раствор аммиака (нашатырный спирт). При наличии медь - ионов появляется интенсивно синяя или фиолетовая окраска.

Таблица З Величина рН и обнаруженные ионы в исследуемой воды.

(+) - обнаружены ионы;

(-) - не содержатся ионы.

4. Обсуждение результатов исследования.

Пил ли кто-нибудь настоящую воду - ту, которой соответствует химическая формула Н₂0? Нет, ее в природе не существует. То, что мы привычно называем водой, - на самом деле раствор очень многих веществ, как природных, так и привнесенных человеком (таблица 3). Большинство из них неблагоприятно сказываются на здоровье людей (таблица 1). В п.1. «Введение» отмечена актуальность настоящей работы. В 2005 г. 26 марта «Слободзейские вести» писали: «...Система пресной воды претерпевает острый кризис в селе Незавертайловка». Решение проблемы удовлетворения потребностей человека в воде для различных целей тесно связано с обеспечением ее необходимого количества и качества. Поэтому изучение этого вопроса все больше и больше занимает умы членов исследовательского общества учащихся (ИОУ) «Вещество» Незавертайловской СОШ №1.

На протяжении последних лет учащиеся систематически изучают качество воды реки Днестр, лимана, отводных каналов, колодцев, школьной скважины (см. Эскиз - «Гидросфера села Незавертайловка»). Легко подсчитать, что за 75 лет жизни человек выпивает 33000 литров жидкости, съедает 22000 килограммов пищи. Сердце при этом бьется З млрд. раз, качая жидкость кровь. И во всем этом основное действующее вещество - вода. Однако окружающая нас вода может подействовать на человека и иначе.

Целый ряд заболеваний возникает при токсическом воздействии на организм человека химических элементов и веществ, находящихся в питьевой воде. Показатели качественного состава вод в различные времена года разные. Наибольшая загрязненность - летом, улучшение качества воды наблюдается зимой. Однако растворимые и малорастворимые соединения присутствуют в воде круглый год. Беспокойство вызывают соли некоторых тяжелых металлов: железа - в лиманной воде, нитратов, хлоридов, сульфатов - в каналах и р. Турунчук. Отклонения имеются и в дождевой воде. Результаты работы были сообщены и обсуждены на заседании ИОУ «Вещество», на сельском совете, а в ноябре 2004 г. - на семинаре учителей химии района. Учителя и руководители школы, села, района имели возможность наблюдать весь ход эксперимента по качественному анализу местных вод. Данные исследования обобщены и широко популяризируются среди жителей села. Из участников ИОУ «Вещество» сформированы общественные «голубые патрули». Их обязанности довольно просты, где бы ни находились, предупреждать выбросы мусора во всех водных артериях и бассейнах, а также слив бытовых вод и сообщать соответствующим службам. Задача - пресечь загрязнение воды...

В п. 2. «Материалы и методы исследования» приведены все материалы, посуда, реагенты, приборы, которые были использованы в работе. Их перечень указывает на то, что все это доступно, за редким исключением, каждому потребителю воды. Если он заботится не только о своей жизни, но и помогает решить проблему качества воды другим. В работе мы использовали разнообразные методы анализа, предложенные как в научной, учебной литературе, так и в ГОСТе ПМР «Вода питьевая» и в установленных санитарных нормам, за исключением двух показателей: железа и жесткости. Именно из-за этого на стенках сосудов при кипячении воды образуется накипь. Их присутствие находится в пределах допустимых норм и регламентируется 30 показателями, определяющих безопасность, безвредность и органолептические свойства воды, тогда как Всемирная организация здравоохранение (ВОЗ) рекомендует учитывать более 150 показателей. Есть разница? Да, и она печальным образом сказывается на состоянии здоровья граждан Приднестровья, не только Незавертайловке. Что говорить о качестве некоторых продуктов питания и напитков, если они приготовлены с использованием местной некачественной воды?

Судите сами, какие заболевания могут вызвать ее низкое качество: острые кишечные инфекции, вирусный гепатит, отравления; желудочно-кишечные и сердечно - сосудистые заболевания; хронические недориты и гепатиты; токсикозы беременности, врожденные аномалии развития; заболевания органов пищеварения; угнетение центральной нервной и иммунной систем. Так что если вы хотите наслаждаться и быть уверенными в безопасном употреблении супа, чая, кофе - пользуйтесь теми материалами, которые мы использовали в исследованиях качества местных вод. Они просты и надежны - качественное обнаружение катионов и анионов. Затруднения появляются при титриметрическом определении жесткости воды и некоторых катионов металлов. В этом случае требуются реагенты высокой чистоты и точная измерительная посуда. Важным показателем является высокий профессионализм человека, выполняющего эти опыты. Эти вопросы решаются в специальных лабораториях по слежению за качеством питьевой воды каждого населенного пункта. Упрощенные способы по ориентировочному определению некоторых ионов предложены в п. 3.

В п. 3 «Результаты исследования» - основная часть работы, включает методы ведения исследования с начала ХХI века участниками ИОУ «Вещество» по настоящее время. Интерес представлял поиск новых, простых способов обнаружения и приблизительная количественная оценка качества воды в домашних условиях. Для этого в работе изучены возможности использования не очень дорогих материалов и реагентов. Они позволяют проводить все опыты и измерения с определенной практической, достоверностью, оценить качество воды по основным параметрам_; Среди них: органолептические, физические и упрощенные химические анализы. Конечно, посуда и оборудование, а также реагенты для титриметрического определения далеко не всегда встречаются в домашних условиях. Поэтому изучали возможности использования определения по некоторым признакам (или эффектам) аналитических реакций - наличие осадка, степень помутнения раствора, интенсивность окраски его и другие. Предварительно готовили растворы для сравнения стандарты, или шкалы измерения.

Для выполнения экспериментальной работы мы использовали около 60 химических реагентов и лабораторной посуды: цилиндры, химические стаканы, чашки фарфоровые, фильтрованную бумагу, 2 прибора для титриметрического определения некоторых ионов, несколько десятков пробирок, колб для титрования гири комплекта лабораторных весов с чувствительностью 1∙10^-3, сушильный шкаф.

Исследования убедительно доказали, что такие показатели качества воды как ее кислотность, наличие солей угольной, соляной, серной кислот, а также соли железа, свинца, меди содержатся (не всегда) в приделах допустимых норм.

Имеющиеся отклонения от республиканского стандарта качества воды можно устранить простыми методами. Прежде всего, жесткость воды. Ее в домашних условиях устраняют кипячением. Этим способом устраняют временную жесткость, но не постоянную. В последнем случае требуется применение технической соды Na₂CO₃. Если позволяет семейный бюджет, воду для питья и приготовления пищи можно дополнительно очистить специальными фильтрами, которые можно приобрести в коммерческих структурах.

5. Выводы.

- Выполнение этих исследований вызваны необходимостью оказания помощи жителям сельской местности по определению качества питьевой воды, способы очистки ее в домашних условиях и охраны гидросферы села.

- В селе Незавертайловка имеются около 40 старинных колодцев, почти каждый третий двор имеет собственную скважину для воды. Воды из них сильно засолены. Поэтому предлагаются простые способы их деминерализации путем кипячения или фильтрования с использованием специальных фильтров.

- В последние годы число колодцев, скважин, а также действующие и строящиеся водопроводы значительно улучшают условия обеспечения водой сельчан. Однако мы считаем, что на каждом колодце, скважине и на видных местах водопроводов должны быть таблички с указанием: последней проверки качества воды, очистки колодца, ответственного за его содержание (местная госадминистрация или сам хозяин) и для чего пригодна эта вода - для питья, орошения или только для хозяйственных нужд.

- Созданному «голубому патрулю» на базе членов ИОУ «Вещество» расширить полномочия и оказать содействие со стороны всей общественности села по охране гидросферы с. Незавертайловка.

- В перспективе работы ИОУ «Вещество» предусмотрено изучение природных красителей в качестве индикаторов для быстрого определения кислотности воды и некоторых ионов тяжелых металлов, а также солей серной и угольной кислот.

- В школьной программе о воде имеются очень скромные сведения в VIII классе и несколько больше в Х классе. Однако и там и тут лишь поверхностные данные о существовании и действии этого вещества. Поэтому, на наш взгляд, целесообразно было углубить свои знания о воде как веществе. А затем - поиск новых возможностей для рационального ее использования в быту.

- В итоге, обычно воспринимаемое как набор экспериментальных фактов, химия воды предстала перед нами как совокупность внутренне связанных и вполне поддающихся объяснению явлений.

- При современной символике воде допустимо придать запись:

Н₂О, оксид водорода (оксид);

Н₂О, гидрид кислорода (соль);

НОН, гидроксид водорода (основание);

НОН, водяная кислота (кислота).

- Невероятно, но факт. Единственное в мире вещество, которое совмещает в себе все четыре класса неорганических соединений.

- Вода обладает кислотно-основными свойствами. При диссоциации ее образуется частицы: Н₂0 ↔ Н⁺ + ОН . Поэтому вода проявляет кислотные свойства: НCl + Н₂0→ НзO⁺ + ОН^-

и оснόвные свойства: NНз + НОН → NH₄⁺ + ОН

- Вода окислитель: Са + 2Н₂0 → Са (ОН)₂ + H₂↑

и восстановитель: 2F₂ + 2Н₂0 → 4НF+О₂↑

- С оксидами вода образует гидроскиды оснόвного:

СаO + Н₂0 → Са(ОН)₂

и кислотного характера: SО₃ + Н₂0 → Н₂SO₄

- Гидратирующие свойства также хорошо выражены:

СиS0₄ + 5Н₂0 → СиS0₄ ∙ 5Н₂0

белый голубой

- И реакции гидратации весьма распространены в органической химии: Н₂SO₄

СН₂ = СН₂ + Н₂0 → СН₃СН₂0Н

этилен этанол

- Большой интерес представляют и гидролизные явления как в неорганическом: К₂СОз + Н₂0 → КНСОз + КОН

так и в органическом мире:

О

║

СНз - С - О ─ СНз + Н₂0 ↔ СН₃СООН + СН₃ОН метилацетат уксусная метанол

кислота t°C

- Каталитические свойства воды также известны: 2Fe + 3Сl₂ → 2FeCl₃

- Водные растворы имеют большое значение и в процессах электролиза: э.т.

2Н₂0 → 2Н₂↑ + 0₂↑

- В качестве универсального растворителя вода выступает везде и всюду - в живой и неживой природе. Именно этим свойствам мы благодарны ей за поддержание (возможно и появлению) жизни на земле.

- Обыватели многие тысячелетия использовали воду для удовлетворения своих потребностей. И лишь в конце ХХ столетия мир вынужден обратить внимание на это универсальное вещество под именем вода. Человечество почувствовало, что действительно без воды «и не туды и не сюды». Тревоги забили государственные деятели и политики.

- Мы летим на Марс, Венеру, в другие места Космоса, не замечая, что вода определит: быть жизни на Земле или она исчезнет под великим знаком НТР.

- Так и хочется сказать: люди, одумайтесь, пересмотрите свое отношение на окружающую действительность.

- А мы посвятили свои скромные исследования в деле разработки экспрессных методов определения качества воды в бытовых условиях; какими способами можно улучшить и охранять гидросферу родного села. Не без пользы, надеемся, и для всего остального населения нашей Республики.

6. Список источников и литературы.

6.1. А. И.Врублевский, Е.В. Барковский. Химия элементов. Минск, Юнипресс, 2002.

6.2. Журнал «Химия в школе», 2001 - 2008.

6.3. Газета «Слободзейские вести», 2005 - 2008.

6.4. Газета «Труд», 2004 - 2008.

6.5. Газета «Приднестровье», 2004 - 2008.

6.6. Газета «Аргументы и факты», 2004 - 2008.

6.7. Журнал «Педагогический вестник Приднестровья», 2001 - 2008.

6.8. Химическая энциклопедия, 1988, М. т.1.

6.9. Экологический энциклопедический словарь. М., 2002.

15