Исследовательская работа "Определение жесткости питьевой воды в г. Сосногорске"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №3

с углубленным изучением отдельных предметов» г. Сосногорска

Определение жесткости водопроводной воды

в г.Сосногорске

(исследовательская работа)

Авторы:

Челышева Анна Владимировна и Евсеева Юлия Эдуардовна, обучающиеся 9в класса

Руководитель:

Урскова Людмила Олеговна,

учитель химии

Сосногорск, 2012

Содержание

Введение……………………………………………………………….………….. 3

Основная часть

Глава 1. Виды жесткости воды……..………………………..………………….... 5

Глава 2. Анализ статистических данных о качестве воды в г. Сосногорске….. 6

Глава 3. Влияние качества питьевой воды на здоровье человека……………….7

Глава 4. Экспериментальная часть………………………….……………………. 9

Глава 5. Экспериментальные способы устранения жесткости воды …………..12

Заключение……………………………………………………..…………………. 13

Литература и источники……………………………………………...…………….14

Введение

Вода – одно из наиболее важных и распространенных химических соединений на нашей планете. Она покрывает 80% поверхности Земли и содержится во многих ее объектах: входит в состав горных пород и минералов, присутствует в почве и атмосфере, содержится во всех живых организмах. Ее важность заключается в том, что она является регулятором климатических условий на земле и универсальным растворителем в процессах, происходящих как в живой, так и неживой природе. Хорошая растворяющая способность воды, обусловленная полярностью ее молекул, приводит к тому, что в природе она чаще всего встречается не в виде индивидуального химического соединения, а в виде сложной многокомпонентной системы, в состав которой входят минеральный вещества, газы, коллоидные и крупнодисперсные частицы, а также различные микроорганизмы. Растворенные в воде компоненты находятся друг с другом в равновесии, образуя комплексы различного состава.

Среди основных минеральных веществ, присутствующих в природной воде – гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция и магния. Их источником являются горные породы – известняки, доломиты, растворяющиеся в результате контакта с природной водой в ходе ее круговорота.

Воду с растворенными в ней солями называют жесткой, а совокупность свойств такой воды – жесткостью. Жесткая вода образует накипь на стенках паровых котлов, отопительных приборов и бытовой металлической посуды. Она не пригодна для производства бумаги и крашения тканей, для приготовления пищи и напитков. В жесткой воде не пенится мыло, плохо развариваются овощи и мясо.

Цель работы: Исследовать жесткость питьевой воды в городе Сосногорске

Актуальность работы: Жесткая вода - одна из самых распространенных проблем, причем как в загородных домах с автономным водоснабжением, так и в городских квартирах с централизованным водопроводом. Потребление жёсткой или мягкой воды обычно является опасным для здоровья.

Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1) изучить виды жесткости воды

2) проанализировать статистические данные о качестве питьевой воды в городе Сосногорске

3) изучить влияние качества питьевой воды на организм человека

4) изучить методы определения жесткости воды

5) экспериментальным методом определить жесткость питьевой воды в городе Сосногорске

6) сравнить результаты исследования со статистическими данными

7) рассмотреть способы устранения жесткости воды

Методы исследования: эксперимент, сопоставление, анализ

Глава 1. Виды жесткости воды

Жесткость воды – это совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде ионов кальция и магния. Суммарная концентрация ионов (кальциевая жесткость воды) и (магниевая жесткость воды) называется общей жесткостью [1].

Общая жесткость включает:

- карбонатную жесткость, обусловленную содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, карбонатную жесткость можно снизить кипячением, поэтому такую жесткость называют временной;

- некарбонатную, обусловленную содержанием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния, некарбонатная жесткость не уменьшается при кипячении, поэтому ее называют постоянной.

Величину жесткости природных вод по новым ГОСТам выражают в градусах жесткости - °Ж . Один градус жесткости равен одному миллимоль эквиваленту на 1 л воды (1°Ж=1 ммоль экв/л) ионов кальция и магния [2]. Один миллиэквивалент или градус жесткости отвечает содержанию в воде 20,40 мг/л ионов кальция или 12,16 мг/л ионов магния.

Жесткость природных вод колеблется в очень широких пределах – от 0,1 - 0,2 мэкв/л в водах рек и озер, расположенных в зонах тайги и тундры, до 80 - 100 мэкв/л в некоторых подземных водах и водах морей и океанов. Повышенная жесткость в водах природных источников обусловлена контактом воды с горными породами, содержащими карбонаты и сульфаты.

По величине жесткости различают воду:

очень мягкую

мягкую 1, 5 – 3 °Ж

среднюю 3, 6 – 6, 0 °Ж

жесткую 6, 0 – 9, 0 °Ж

очень жесткую 9, 0 °Ж

Глава 2. Анализ статистических данных

о качестве питьевой воды в городе Сосногорске

Основным источником статистических данных о качестве питьевой воды в нашем городе являются ежегодные государственные доклады о состоянии окружающей природной среды Республики Коми [3].

Доля проб питьевой воды водопроводов в г. Сосногорске, не соответствующих гигиеническим нормам

В сравнении со средними показателями качества питьевой воды в Республике Коми в нашем городе на 20 % меньше доля проб, не соответствующих гигиеническим нормам по химическим нормам и на 5 % больше доля проб, не соответствующих гигиеническим нормам по микробиологическим показателям.

За разъяснениями мы обратились к начальнику испытательной лаборатории ОАО «Водоканал» Поплевкиной Галине Федоровне. (Приложение 1, фотография № 1)

Галина Федоровна объяснила нам, что основная причина не соответствия водопроводной воды гигиеническим нормам в г. Сосногорске не в качестве воды, а в загрязненности водопроводных труб, особенно после отключения воды. Питьевая вода в г. Сосногорск поступает из артезианских источников. Сосновку, 5 и 6 микрорайоны обеспечивают три скважины на Кадыдведьском водозаборе, железнодорожную часть обеспечивает питьевой водой одна скважина Сосногорского водозабора. Артезианская вода содержит много солей железа и сероводорода и поэтому проходит предварительную очистку на станции обезжелезивания, в результате в водопровод г. Сосногорска подается вода хорошего качества. Питьевая вода не требует постоянного хлорирования. Хлорирование производится только два раза в год весной и осенью.

Водопроводная вода в г. Сосногорске относится к типу средней жесткости: 4,1 – 4,2 ⁰Ж. Данные о жесткости питьевой воды в г. Сосногорске нам предоставила Гатулис Елена Витальевна, инженер – химик испытательной лаборатории ОАО «Водоканал» (Приложение 2, фотография № 2)

Глава 3. Влияние качества питьевой воды на организм человека

Минерализация воды, или ее суммарный солевой состав, оказывает существенное влияние на организм человека. Экспериментальные исследования на лабораторных животных и добровольцах показали, что вода с повышенной минерализацией (превышением содержания сухого остатка 1000 мг/л, хлоридов 350 мг/л и сульфатов 500 мг/л) влияет на секреторную деятельность желудка, ухудшает пищеварение и нарушает водно-солевой баланс.

Имеются сведения о том, что высокая минерализация питьевой воды является фактором, оказывающим влияние на увеличение заболеваемости болезнями нервной системы и органов чувств, а также частоты психических расстройств. Повышенное содержание хлоридов в воде может способствовать развитию болезней системы кровообращения, новообразований мочеполовых органов, хлоридов и сульфатов — возникновению новообразований пищевода, желудка и других органов пищеварения.

Повышенная жесткость питьевой воды может привести к увеличению распространенности среди населения болезней системы кровообращения, органов пищеварения, новообразований пищевода, желудка и других органов пищеварения, а также болезней эндокринной системы, расстройств питания и нарушения обмена веществ.

Специалисты считают, что повышенная жесткость питьевой воды, обусловленная присутствием солей, является одной из причин развития болезней мочеполовых органов, в том числе мочекаменной болезни (уролитиаза). Урологи выделяют так называемые каменные зоны — территории, на которых уролитиаз может считаться эндемическим заболеванием. Как правило, источники питьевой воды в этих зонах характеризуются высокой жесткостью.

Однако оказывается, что не только повышенное, но и резко пониженное солесодержание питьевой воды оказывает вредное влияние на организм. Установлено, что систематическое употребление дистиллированной и маломинерализованной воды вызывает нарушение водно-солевого равновесия, связанного с повышенным выбросом натрия в кровь. Высказано научное предположение, что вода с низким содержанием солей жесткости способствует развитию сердечно-сосудистых заболеваний и смертности от них.

Еще в 1856 г. впервые описана и в начале 1900 г. изучена так называемая Уровская болезнь, или болезнь Кашина-Бека (эндемический деформирующий остеоартрит), вызванная длительным использованием для питья источников с мягкой водой болотного происхождения. Специалисты считают, что в механизме развития этого заболевания существенную роль играют конкурирующие взаимоотношения стронция и кальция при их распределении в организме, особенно в костной системе. В результате этого угнетается остеогенез и процессы оссификации костей, возникают дистрофические изменения внутренних органов и преждевременное старение организма. Наблюдаются искривление костей, их хрупкость, боль в суставах, деформации, приводящие к развитию симптомов «медвежьей лапы» и «утиной походки» [ 4 ].

Глава 4. Экспериментальная часть

Определение жесткости питьевой воды в г. Сосногорске

1. Определение временной жесткости воды [5].

Уравнения реакций:

Ca(HCO₃)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O + 2CO₂ ↑

Mg(HCO₃)₂ + 2HCl = MgCl₂ + 2H₂O + 2CO₂ ↑

Ход работы

Пипеткой на 100 мл отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды.

В каждую из колб добавим по 3 капли раствора индикатора – метилового оранжевого (щелочной раствор имеет желтую окраску, а кислый – красную).

В бюретку на 50 мл нальем 0, 1н раствор соляной кислоты.

Поставим обе колбы на лист белой бумаги. Одну из них оставим в сторону, она будет служит контрольным образцом для сравнения цвета растворов.

Во вторую по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 1 н раствора соляной кислоты до перехода окраски раствора от желтой до оранжево – красной и сравним с цветом раствора, находящимся в первой колбе.

В момент изменения окраски запишем значение положения уровня раствора кислоты (по нижнему краю мениска) в бюретке

Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Приложение 2

Результаты титрования заносим в таблицу

Проведение расчетов.

Рассчитаем среднее значение объема кислоты, пошедшей на титрование, и по нему вычислим временную жесткость воды по формуле:

1. Определение общей жесткости воды [ 6 ].

В основе метода лежит реакция образования внутримолекулярной растворимой соли Трилона Б с ионами Ca²⁺ и Mg²⁺ . Ион металла образует соединение только с одной молекулой Трилона Б.

Ход работы

В бюретке (на 25 мл) заполним 0, 05н трилона Б до нулевого деления.

Отберем в две чистые плоскодонные конические колбы (на 250 мл) по 100 мл водопроводной воды, добавим в них 5 мл буферного раствора и сухой соли эриохрома черного, и перемешаем.

Поставим обе колбы на лист белой бумаги, затем одну из колб будем использовать в качестве контрольного образца для сравнения цвета растворов.

Во вторую, по каплям, при непрерывном вращательном перемешивании прильем из бюретки 0, 0, 05н раствора трилона Б до перехода окраски от одной капли из винно – красной в сине-голубую.

Подождем 1 – 2 минуты, перемешивая раствор. Если окраска не стала сине –, доведем ее до этого цвета, добавив еще несколько капель раствора трилона Б из бюретки.

Сравним цвет рабочего раствора с окраской контрольного раствора в первой колбе.

В момент изменения окраски запишем положение уровня раствора трилона Б в бюретки по нижнему мениску и вычислим израсходованный на титрование объем трилона Б.

Процесс титрования повторим еще 2 раза с новыми порциями воды. Приложения 3

Результаты титрования заносим в таблицу

Проведение расчетов.

Рассчитаем среднее значение объема трилона Б, пошедшего на титрование, и по нему вычислим временную жесткость воды по формуле:

По данным предоставленным нам в испытательной лаборатории ОАО «Водоканал» общая жесткость питьевой воды в г. Сосногорске 4,1 – 4,2 ⁰Ж. Карбонатную жесткость в лаборатории не определяют.

В результате исследования мы определили общую жесткость питьевой воды в г. Сосногорске 4,1 ⁰Ж, что полностью соответствует предоставленным данным. Это соответствует показателю средней жесткости питьевой воды

При сравнении данных определения карбонатной и общей жесткости жесткости, получается что в питьевой воде г.Сосногорска преобладает карбонатная, т.е. временная жесткость

Глава 5. Экспериментальные способы устранения жесткости воды

Устранение или снижение жесткости воды называют умягчением.

Мы рассмотрели два способа:

1. Термическая обработка воды

Сущность этого метода заключается в предварительном нагревании воды до 70 – 80^о С или ее кипячении. Метод позволяет устранить только временную (карбонатную) жесткость, обусловленную наличием в воде хорошо растворимых гидрокарбонатов кальция, магния и железа. При этом катионы Са^2+, Mg²⁺ осаждаются в виде нерастворимых соединений

Са(НСО)_2 CaCO₃↓ + H₂O

Mg(НСО)_2 MgCO₃↓ + H₂O

Для определения того, насколько эффективно данный метод устраняет карбонатную жесткость, мы провели титрование 0,1н соляной кислотой три пробы кипяченой воды:

Жесткость уменьшилась на 0,9 ⁰Ж? Показатель жесткости 3,1 ⁰Ж соответствует показателю мягкой воды.

1. Бытовые фильтры для очистки вода

Мы провели титрование 0,1н соляной кислотой три пробы воды, очищенной при помощи фильтрующего картриджа «Maxtra brita»

Результат: При помощи фильтрующего картриджа «Maxtra brita» жесткость воды практически не уменьшается.

Заключение

Мы исследовали жесткость питьевой воды в разных районах г. Сосногорска

В ходе работы над данным проектом мы изучили виды жесткости воды, проанализировали статистические данные о качестве питьевой воды в городе Сосногорске, изучили влияние качества питьевой воды на организм человека, научились определять карбонатную и общую жесткость воды методом титрования

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Питьевая вода в г. Сосногорске относится к типу средней жесткости.

2. Полученные нами значения общей жесткости питьевой воды в г. Сосногорске - 4,1 ⁰Ж, полностью соответствует данным по этому показателю испытательной лаборатории ОАО «Водоканал».

3. По полученным нами данным показатель жесткости воды в железнодорожной части немного выше, чем в Сосновке и 6 микрорайоне.

4. В питьевой воде г.Сосногорска преобладает карбонатная, т.е. временная жесткость

5. Экспериментально установлено - оптимальный способ устранения переменной жесткости кипячение.

6. Экспериментально установлено - при помощи фильтрующего картриджа «Maxtra brita» жесткость воды практически не уменьшается

Перспективы работы

Мы исследовали только воду из центрального водопровода, в дальнейшем мы планируем исследовать другие источники питьевой воды в г. Сосногорске – родники и колодцы.

Кроме того мы хотим сравнить способность фильтров различных марок понижать жесткость воды.

Литература и источники

1. Н.Е.Кузьменко, С.С.Чуранов Общая и неорганическая химия: Пособие для поступающих в вузы.- М.: Издательство Московского университета, 1977 стр. 328

2. Н.Л. Глинка, Общая химия: Учебное пособие для вузов. – Л.:Химия, 1985. стр. 592

3. В.Ф.Егоркин, Внеклассные практические занятия по химии: Руководство для учащихся средней школы. – М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР , 1956, стр. 151

4. http://www.gosthelp.ru/text/GOSTR524072005Vodapitevay.html

5. http://www.agiks.ru/gos_doklad.aspx

6. http://chem-bsu.narod.ru/umk_chem_webCD/lwork/lr7.htm

14