Исследование воды из скважины в поселке Двинской

РАЙОННАЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
«Старт в науку»
Направление: Естественно-математическое
Исследование воды из скважины в поселке
Двинской
Исследовательская работа
Выполнена учеником 11 класса
муниципального бюджетного
образовательного учреждения «Двинская
средняя общеобразовательная школа»
Холмогорского района
Сумароковым Евгением Юрьевичем
Научный руководитель- учитель
химии муниципального бюджетного
образовательного учреждения «Двинская
средняя общеобразовательная школа»
Холмогорского района
Сумарокова Ольга Дмитриевна
с. Холмогоры, 2015
1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………………………………………………………………3
Глава 1. Обзор литературы по теме исследования……………………………………………5
1.1.Показатели качества воды……………...…………………………...………………...........5
1.2. Гидролиз солей...……………………………………………………...………………….6
1.3. Минеральные воды ………………………………………………………………………...7
Глава 2.Практическая часть работы………………………………………………………........8
Заключение………………………………………………………………………………...……11
Список использованной литературы ……………………………………………………........12
Приложения ………………………………………………………………………………........13
Приложение 1«Встреча с Анциферовым Н. А.» ……………………………………........….13
Приложение 2«Определение жесткости воды» ………………………………...……...…….13
Приложение 3 «Прозрачность воды» …………………………………………….…………..14
Приложение 4 «Определение pH»…………………………………………...………………..14
Приложение 5«Примерное содержание железа в воде» …………………….……………...14
2
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время многие жители нашей страны делают скважины на своих
участках. Но никто не задумывается, какое качество имеет вода из этой скважины.
Цель работы: исследовать соответствие качества воды из скважины жителя поселка
Двинской
Анциферова
Николая
Александровича,
нормативным
показателям,
предъявляемым к питьевой воде
Для выполнения работы поставлены следующие задачи:
1.Изучить литературу по теме исследования.
2. Овладеть методикой экспериментального определения наличия в воде ионов железа,
жесткости воды, её кислотности
3.Осуществить экспериментальное исследование воды, взятой из скважины жителя
поселка Двинской Анциферова Николая Александровича
4. Побеседовать с хозяином скважины.
5.Найти ответы на вопросы, которые интересовали Анциферова Н. А., касающиеся воды
из скважины на его участке.
6. Проанализировать полученные данные и сделать выводы.
Объект исследования: образцы воды, взятые из скважины жителя поселка Двинской
Анциферова Николая Александровича
Предмет исследования: показатели качества воды (прозрачность, кислотность, жесткость,
наличие ионов железа).
Методы исследования:
1. Изучение литературы.
2. Проведение эксперимента (метод наблюдения, титрования).
3.Беседа с владельцем исследуемой скважины.
3. Анализ полученных в ходе эксперимента данных.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что житель поселка
Двинской, Анциферов Николай Александрович, получит информацию о качестве воды из
своей скважины и примет решение об употреблении её в пищу.
Во время работы с литературными источниками были изучены:
1.Журналы «Химия в школе»:
- № 9 за 2007 г. - в статье Врабий М.Н. «Химический кружок для восьмиклассников»
имеется методика определения запаха, прозрачности, рН воды;
3
- № 7 2009 год, статья Т.Г. Мухаметшиной «Практическая работа «Определение качества
водопроводной и бутилированной воды» в которых изложена методика определения
общей жесткости воды.
2.Л.Ф. Попова, В.П. Евдокимова, И.С. Комарова, Т.А. Круглякова, А.А. Мельник.
Экологический практикум. Качественный анализ природных объектов. Методическая
разработка.
Архангельск. ПГУ им. М.В. Ломоносова. 2000. В данных методических
разработках содержится методика качественного определения общего железа в воде.
3.СанПиНы2.1.4.1074-01. В данном документе говориться о гигиенических требованиях и
о нормативах качества питьевой воды.
Также во время работы были изучены Интернет – ресурсы:
1. http://a-water.info/ - данный сайт посвящен проблемам анализа воды, актуальности и
необходимости определения качества воды по различным показателям, имеется
информация о ПДК различных веществ в воде и о последствиях, которые угрожают
здоровью человека, если ПДК превышены.
2.. http://www.inmoment.ru/beauty/health-body/mineral-water.htmlМинеральная вода: состав,
виды, польза для здоровья. Как выбрать минеральную воду и какая лучше
3.https://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E8%ED%E5%F0%E0%EB%FC%ED%E0%FF_%E2%E
E%E4%E0 Минеральная вода. В данной статье говорится о классификации минеральной
воды.
4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1. Показатели качества воды
Гигиенические требования и нормативы качества питьевой воды изложены в пункте 3
СанПиНов2.1.4.1074-01 (с внесенными изменениями от 15.03.2005 г.). Безвредность
питьевой воды по химическому составу определяется ее соответствием нормативам по
обобщенным показателям и содержанию вредных химических веществ, наиболее часто
встречающихся в природных водах на территории Российской Федерации, а также
веществ антропогенного происхождения, получивших глобальное распространение:
Обобщенные показатели и содержание вредных химических веществ в питьевой воде[8]
Единицы
измерения
Показатели
пдк,
Показатель
Класс
вредности опасности
не более
Обобщенные показатели
Водородный показатель
Единицы рН
6-9
Общая минерализация
мг/л
1000 (1500)
Жесткость общая
ммоль/л
7,0
Окисляемость перманганатная мг/л
5,0
Неорганические вещества
Алюминий (А13+)
мг/л
0.5
с.-т.
2
БарийВа2+)
-/-
0,1
-/-
2
Бериллий (Be2+)
-/-
0,0002
-/-
1
Бор (В, суммарно)
-/-
0,5
-/-
2
Железо (Fe. суммарно)
-/-
0,3(1,0) орг.
3
Сульфаты (S042")
-/-
500
орг.
4
1-2(1,5)
с.-т.
21
350
Орг.
4
Фториды (F)
Хлориды (Cl)
-/-
Органические вещества
У-ГХЦГ (линдан)
ДДТ (сумма изомеров)
2.4-Д
11
1 0,002
-/- 0,0021
с.-т.
1
-/-
2
2
1 -/- 0,03
-/Кислотность рН (норма 6 - 9): Техническое определение кислотности воды— это
мера активности иона водорода (Н+), выраженная в виде логарифма активности этого
иона. Соответственно в воде с кислотностью рН = 7 содержится 10-7 моль/л ионов
водорода, тогда как рН = 6 означает, что в воде находится 10-6 моль/л ионов водорода.
Диапазон кислотности воды составляет от 0 до 14: 0 — максимально кислая среда,
5
кислотность воды максимальна, 7 — нейтральная среда,14 — максимально щелочная
среда [3].
Жесткость воды (ПДК -7):Она выражается в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л)
и определяется содержанием в воде солей кальция, магния, железа. Содержание таких
катионов в воде обуславливают растворимые соединения этих металлов. Различают
карбонатную и не карбонатную жесткость воды. Карбонатной называют жесткость воды
за счет содержащихся в ней гидрокарбонатов кальция и магния. При нагревании эти соли
разрушаются с образованием труднорастворимых карбонатов. Протекает следующая
реакция: Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O
При этом ионы кальция (магния) выводятся из раствора, поэтому карбонатную
жесткость часто называют временной жесткостью. Некарбонатная жесткость определяется
содержанием в воде растворимых сульфатов или хлоридов кальция, или магния, которые
не переводятся в осадок кипячением, и поэтому некарбонатную жесткость воды называют
постоянной жесткостью воды. В жесткой воде мыло не мылится, при стирке белья
повышается расход моющих средств, волосы при мытье секутся, плохо развариваются
мясо и крупы, а в чайнике остается накипь.
Содержание ионов железа (ПДК -0,3 мг): в природной воде железо содержится в
виде соединений, в которых железо может быть двухвалентным или трехвалентным. На
воздухе железо двухвалентное быстро окисляется до железа трехвалентного, растворы
которого имеют бурую окраску. Длительное употребления человеком воды с содержанием
железа более 0,3 мг/л приводит к заболеванию печени, риску инфаркта и т. д.[2]
Таким образом, сравнивая показатели анализируемой воды с допустимыми
нормами, можно сделать вывод о возможности её употребления в пищу.
1.2.Гидролиз солей
В ходе выполнения исследовательской работы возникла необходимость изучить
процесс гидролиза солей. Гидролиз солей — протеканием реакций ионного обмена в
растворах (преимущественно, водных) растворимых солей-электролитов. Различают
обратимый и необратимый гидролиз солей. Гидролиз по катиону идет, если соль
образована катионом слабого основания и анионом сильной кислоты, например, MgCl2.
Катион Mg2+– это катион слабого основания Mg(OH)2, а анион Cl- - анион сильной
кислоты HCl. Гидролиз протекает следующим образом:
Mg2+ + HOH = MgOH+ + H+, следовательно среда раствора кислая (pH<7).
Гидролиз по аниону идет, если соль образована катионом сильного основания и
анионом слабой кислоты, например, СаСО3. Катион Ca2+– это катион сильного основания
6
Ca(OH)2, а анион CO32- - анион слабой кислоты H2CO3. Гидролиз протекает следующим
образом:CO32- + HOH = HCO3- + OH-, при этом раствор имеет щелочную среду ( pH>7 )
При гидролизе кислых солей, таких как, Ca(HCO3)2, кроме процесса гидролиза:
CO32- + HOH = HCO3- + OH-, необходимо учитывать процесс диссоциации аниона:
HCO3- = H+ + CO32-, который уменьшает щелочность раствора и, следовательно, pH.
1.3. Минеральные воды
Так же в ходе работы появилась необходимость изучить информацию о
минеральных водах. Минеральные воды – это подземные (редко поверхностные) воды,
для которых характерно повышенное содержание биологически активных компонентов и
которые обладают специфическими физико-химическими свойствами. В зависимости от
этих свойств и состава, минеральная вода может использоваться как в качестве
наружного, так и в качестве внутреннего лечебного средства. Химический состав
минеральной воды представляет собой, в первую очередь, разнообразные комбинации из
шести основных компонентов: натрий (Na), кальций (Са), магний (Мg), хлор (Сl), сульфат
(SO4) и гидрокарбонат (НСО3). Различают: гидрокарбонатные, хлоридные, сульфатные,
магниевые и железистые минеральные воды. Двуокись углерода также является важным
компонентом минеральной воды, так как за счёт взаимодействия углекислого газа с
подземными породами и формируются лечебные свойства воды. Он также стабилизирует
химический состав минеральной воды, поэтому для сохранения всех полезных свойств её
перед розливом дополнительно насыщают двуокисью углерода. В небольших количествах
в минеральной воде содержится почти вся таблица Менделеева в микро- и
ультрамикродозах. В наибольшем количестве в ней представлены: железо, йод, фтор,
бром, мышьяк, кобальт, молибден, медь, марганец и литий.[6]
В зависимости от общей минерализации минеральные воды классифицируются на
пресные (минерализация до 1 г/дм³);слабоминерализованные (минерализация 1-2
г/дм³);маломинерализованные
(2-
5
г
/
дм³);среднеминерализованные
(5-
10
г
/дм³);высокоминерализованные (10 - 15 г / дм³).В зависимости от назначения питьевые
минеральные воды классифицируют на: столовые, лечебно-столовые, лечебные. В
зависимости
от
газового
состава
воды
делят
на:
углекислые,
сульфидные
(сероводородные), азотные, кремнистые, бромистые, йодистые, железистые, и др.Степень
кислотности или щелочности, выражаемая величиной рН, имеет важное значение для
оценки её лечебного действия. [5] Применять лечебные воды необходимо лишь по
назначению врача, так как многие из них имеют противопоказания по применению.
7
ГЛАВА 2.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
При выполнении практической части работы состоялась беседа с жителем посёлка
Двинской – Анциферовым Николаем Александровичем, который рассказал нам о
скважине, которую он пробурил на своём участке (Приложение 1).Глубина скважины
составляет 5 метров: первый метр был торфяной, следующие 3,5 метра состояли из синей
глины, последние 0,5 метров – ракушечник. Вода из данной скважины проявляла
свойства, вызывающая ряд вопросов, ответы на которые были найдены в ходе выполнения
данной исследовательской работы.
Вопрос первый: почему вода хорошо мылится в бане и в то же время оставляет
накипь в чайнике? Так как образуется накипь, было выдвинуто предположение, что вода
имеет высокую карбонатную жесткость (протекает через слой ракушечника), которая при
более высокой температуре воздуха, либо при нагревании, уменьшается, т.к. растворимые
гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты. Чтобы проверить данную
гипотезу, была определена жесткость воды сразу после забора из скважины (общая и
временная), через 14 дней после забора и после кипячения. Для определения общей
жесткости в колбу наливается 100 мл исследуемой воды, добавляется 5 мл аммиачного
буферного раствора, 8 капель индикатора хромогена черного, затем содержимое колбы
титруется 0,1н раствором трилона Б по одной капле до перехода розово-красной окраски в
синюю(Приложение 2).Результаты вычисляются по формуле: Ж общ. =V х 0,1 х 1000 /100
(мг х экв/л), гдеV – объем израсходованного трилона [4]. Для определения временной
жесткости в колбу наливается 100 мл исследуемой воды и титруется 0,1н раствором
соляной кислоты с индикатором метиловым оранжевым (5 капель 0.01% раствора) до
перехода оранжевой окраски на слабожелтую, не исчезающую после кипячения. Опыт
повторялся 2 раза.
Результаты определения жесткости, следующие:
Свежая вода
Отстоявшаяся вода Свежая
(14 дней)
прокипяченная
8
6,5
Общая
жесткость 10,8
(ммоль/л)
Временная
7,5
жесткость (ммоль/л)
Вывод: действительно, вода имеет высокую общую жесткость, в которой большая
доля приходится на временную, поэтому при кипячении в чайнике образуется накипь.
Данный показатель жесткости значительно превышает нормативные требования к
8
питьевой воде, которые указаны в СанПиНах 2.1.4.1074-01: ПДК – 7ммоль/л.
нагревании
жесткость
уменьшается,
т.к.
происходит
следующий
При
химический
процесс:Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O, поэтому мыло в бане хорошо мылится.
Этот же процесс дает ответ и на второй вопрос: почему вода мутнеет при комнатной
температуре? Температура воды в скважине составляет примерно 4оС, а комнатная
температура – 20о С, следовательно, при нагревании образуется нерастворимый карбонат
кальция в виде мути (Приложение 3), который с течением времени (7 суток) оседает, и
вода снова становится прозрачной.
Вопрос третий: почему в воде из скважины заваривается крепкий чай?
Предположение было следующее: вода имеет щелочную среду, так как чайная заварка
является природным индикатором. В кислой среде чай светлее, а в щелочной темнее.
Чтобы подтвердить это предположение, с помощью универсальной индикаторной
бумажки был определен pH воды из скважины. [1] Первое измерение было сделано
приблизительно через 30 минут после забора воды и равнялось 6, то есть среда являлось
нейтральной. Это противоречило высказанной гипотезе, и ответ на вопрос не был
получен. Через три часа, после проведения ряда экспериментов, было решено повторно
проверить pH воды, он оказался равным 9, что соответствует щелочной среде и объясняет,
почему чайная заварка в этой воде приобретает более интенсивную окраску (Приложение
4). Изменение среды объясняется процессом гидролиза солей. Как было сказано выше, в
момент забора воды из скважины в её состав входят гидрокарбонаты. При этом идет
процесс гидролиза:
CO32- + HOH = HCO3- + OH- (наличие свободных гидроксд-ионов увеличивает
щелочность). Одновременно идет процесс диссоциации аниона:
HCO3- = H+ + CO32-, который уменьшает щелочность раствора и, следовательно,
уменьшается pH. В нашем случае он равен 6. При повышении температуры (4 о С – 20о С)
идет
процесс
перехода
гидрокарбонатов
в
карбонаты,
следовательно,
процесс
диссоциации гидрокарбоната отсутствует (либо значительно уменьшается), поэтому
уменьшается концентрация ионов водорода, влияющего на уменьшение щелочности.
Именно поэтому при повторном определении pH возрос от 6 до 9. Водородный показатель
питьевой воды равный 9, в соответствии с СанПиНами 2.1.4.1074-01, является предельно
допустимым.
Вопрос четвёртый: почему вода имеет металлический привкус? Так как камни, на
которые стекает вода покрыты бурым налетом, было сделано предположение, что в состав
воды входит большое количество ионов железа. Чтобы проверить эту гипотезу, был
проведен эксперимент. Для этого в пробирку наливается 10 мл исследуемой воды,
9
добавляется 2 капли соляной кислоты,2 капли 3% раствора пероксида водорода, смесь
перемешивается, добавляется 2 мл 50% раствора роданида аммония и вновь
перемешивается. [7] Затем визуально определяется приблизительная концентрация железа
в соответствии с таблицей (Приложение 5). Результат был следующим: при рассмотрении
сверху, содержимое пробирки имело ярко-красную окраску, что соответствовало
содержанию ионов железа более 2 мг/л. Это значение значительно превышает ПДК ионов
железа в воде. В соответствии с СанПиНами2.1.4.1074-01 ПДК общего железа в питьевой
воде соответствует 0,3 мг/л. Таким образом наша гипотеза была подтверждена. Вода из
скважины имеет повышенное содержание ионов железа и, вполне возможно, ее можно
отнести к железистым минеральным водам, но минеральные воды пить постоянно нельзя,
следовательно, исследуемую воду использовать в качестве питьевой нежелательно. Таким
образом, на все поставленные вопросы были даны ответы.
10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам проделанной работы были сделаны следующие выводы:
1.Изучена информация о показателях качества питьевой воды, процессах, протекающих в
водных растворах и о том, какая вода считается минеральной.
2. Освоена методика определения кислотности воды, её жесткости и содержания ионов
железа.
3. Проведена беседа с Анциферовым Н. А. о воде из скважины на его участке.
4. Найдены ответы на вопросы, заданные Анциферовым Н. А. в ходе беседы.
5. Было выяснено, что вода из скважины на участке Анциферова Н. А. по кислотности,
жесткости и, особенно, по содержанию ионов железа не соответствует требованиям,
которые предъявляются к питьевой воде и, следовательно, данную воду не желательно
употреблять в пищу.
6. В связи с тем, что вода имеет повышенную минерализацию она, вполне возможно,
является минеральной, но, чтобы это утверждать, необходимо дополнительное
исследование. Но даже если она и минеральная, ее необходимо употреблять лишь под
наблюдением врача.
11
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Врабий, М. Н. Химический кружок для восьмиклассников / М. Н. Врабий // Химия в
школе – 2007. - № 9.
2. Железо в воде [Электронный ресурс] / - режим доступа:http://a-water.info/02..12.14. Загл. с экрана.
3. Кислотность воды [Электронный ресурс] / - режим доступа:http://a-water.info/02.01.15. Загл. с экрана.
4. Мухаметшина, Т. Г.Практическая работа «Определение качества водопроводной и
бутилированной воды / Т. Г. Мухаметшина // Химия в школе – 2009. - № 8.
5. Минеральная вода [Электронный ресурс] / - режим
доступа:.https://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E8%ED%E5%F0%E0%EB%FC%ED%E0%FF_
%E2%EE%E4%E0 02..12.14. - Загл. с экрана.
6. Минеральная вода: состав, виды, польза для здоровья [Электронный ресурс] / - режим
доступа:http://www.inmoment.ru/beauty/health-body/mineral-water.html 02..12.14. - Загл. с
экрана.
7. Попова, Л. Ф. Экологический практикум. Качественный анализ природных объектов.
Методическая разработка / Л.Ф. Попова, В.П. Евдокимова, И.С. Комарова, Т.А.
Круглякова, А.А. Мельник – Архангельск, ПГУ им. М.В. Ломоносова, 2000.
8. СанПиНы2.1.4.1074-01
12
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 «Встреча с Анциферовым Н. А»
Анциферов Н. А., Сумароков Е. (11.10.2014)
Скважина на участке Анциферова Н. А.
Ракушка из слоя ракушечника
Бурый налет на камне, на который
стекает вода из скважины
Приложение 2«Определение жесткости воды»
(11.10.2014) Приготовление растворов веществ
Титрование исследуемой воды
заданной конентрации. (Сумароков Е.)
13
Приложение 3 «Прозрачность воды»
(11.10.2014) В первые 30 минут вода имеет
Через 2,5 часа вода сильно помутнела
высокуюстепень прозрачности (25 см)
(20 см)
Приложение 4 «Определение pH»
(11.10.2014) Значение pHв первые 30 мин.
(11.10.2014) Значение pHчерез 3 часа
Приложение 5 «Примерное содержание железа в воде»
Цвет раствора при рассматривании его
сверху вниз
Содержание общего железа в мг/л
Окрашивания нет
Меньше 0,05
Едва заметный желтовато – розовый
0.05-0.1
Слабый желто – розовый
0.1-0.5
Жёлто – розовый
0.5-1.0
Желто – красный
1.0-2.0
Красный
Больше 2.0
14
15