Химический анализ минеральной природной лечебно-столовой газированной воды

XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Химический анализ минеральной природной лечебно-столовой газированной воды

Соловьев И.Г. 1
1МАОУСОШ№14
Анцерева Г.П. 1
1МАОУ СОШ№14
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ГЛАВА I. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Тема работы и обоснование выбора темы

Выбор именно этой темы для исследования обусловлен тем, что на современном этапе развития человеческой цивилизации техногенное загрязнение затронуло практически все жизненно важные ресурсы. Особенно сильно подверглись загрязнению атмосфера, почва, поверхностные и незащищенные подземные воды. По важности степени влияния на продолжительность жизни и здоровья человека в этой цепочке питьевая вода занимает второе место после воздуха. По данным ВОЗ 80% всех заболеваний человечества связаны с употреблением некачественной питьевой воды. На фоне всеобщего техногенного загрязнения окружающей среды натуральная вода из защищенных водоносных источников стала чуть ли не единственным первозданным и по-настоящему экологически чистым природным ресурсом.

Минеральная вода добывается из подземных источников, защищённых от внешнего воздействия. Она содержит различные соли, биологически активные элементы, минералы и необходимые соли для нормального функционирования человеческого организма.

1.2 Актуальность

Минеральная вода используется для лечения многих заболеваний, ее не только пьют, но и принимают ванны, которые снимают усталость и способствуют омоложению. Ежедневно при потоотделении, наша кожа теряет внушительное количество солей. Потребление пресной воды важно и нужно нашему организму, но не в состоянии в полной мере возместить потери, поэтому может происходить нежелательное обеднение организма минеральными солями. Лучший путь насытить организм нужными ему солями — употребление минеральных вод, обогащенных ими естественным путем в недрах земли.

Польза богатой различными микроэлементами минеральной воды неоспорима. Этот лечебный напиток способен победить заболевания ЖКТ, помогает похудеть, выводит токсины из организма, тонизирует и восстанавливает силы.

Помимо описанных свойств, минеральная вода помогает:

укрепить иммунитет;

восстановить кислотно-щелочной баланс;

улучшить состояние кожи, ногтей и волос;

повысить уровень гемоглобина в крови;

укрепить зубы и кости;

улучшить состояние печени и почек;

омолодить организм;

укрепить нервную систему;

улучшить мышление и память.

1.3 Новизна

На сегодняшний день существуют работы, посвященные исследованиям химического состава различных минеральных вод. На полках супермаркетов и аптек представлен широчайший их выбор. У рядового покупателя возникает сложность с выбором, поскольку изучить он может только состав, указанный на этикетке.

Я принял решение изучить эту тему и на примере своей работы показать способы и описать алгоритмы качественной проверки химического состава минеральной воды на соответствие составу, заявленному производителем. Таким образом популяризовать химию как науку, доступную каждому.

1.4 Цель исследования

Показать способы и описать алгоритмы проведения химического анализа минеральной воды и определить ее состав.

1.5 Объект исследования

Минеральная вода «Кисловодская целебная» - газированная сульфатно-гидрокарбонатная магниево-кальциевая, производитель – ООО «Нарсан», Россия, Ставропольский край.

1.6 Предмет исследования

Химический анализ, состав и свойства минеральной воды «Кисловодская целебная».

1.7 Задачи

Изучить химический состав природной минеральной воды.

Определить алгоритм проведения анализа химического состава природной минеральной воды «Кисловодская целебная»

Провести собственный химический анализ природной минеральной воды «Кисловодская целебная».

Провести сравнительный анализ полученных результатов с заявленными данными на этикетке производителя.

ГЛАВА II. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Минеральные воды - сложные растворы, в которых вещества содержатся в виде ионов, недиссоциированных молекул, газов и коллоидных частиц. Минеральными природными питьевыми водами называются воды, добытые из водоносных горизонтов или водоносных комплексов, защищённых от антропогенного воздействия, сохраняющих естественный химический состав и относящиеся к пищевым продуктам, а при повышенной минерализации или при повышенном содержании определённых биологически активных компонентов.

Минеральная питьевая вода должна быть прозрачной, бесцветной или с оттенками от желтоватого до зеленоватого цвета жидкостью, с вкусом и запахом, характерным для содержащихся в ней веществ. В минеральной воде возможен осадок содержащихся в ней минеральных солей.

2.1 История появления

Своё начало история минеральной воды берёт в незапамятные времена, в III тысячи лет до нашей эры, когда в сохранившихся памятниках Месопотамии появляются первые упоминания о «подземных водах».

В то время людям казались удивительным явлением природы подземные воды (а именно из-под земли и добывают «минералку»), даром богов. Секрет их силы они объяснить не могли.

Первые попытки исследования минеральной воды пред принялись в I веке. Так, греческий врач и учёный Архигинес предположил, что сила целебные свойства минеральной воды зависят от её состава и предложил делить «подземные воды» на несколько категорий.

Позднее исследованиями минеральных вод занимались такие великие мыслители как Гиппократ или Гален, но несмотря на это в «тёмную», религиозную эпоху Средневековья народ с трудом верил в оздоровительные способности добытых из-под земли вод.

Только в эпоху Просвещения и в XIX веке минеральным водам удалось окончательно «утвердить своё место» в повседневной жизни, когда чешские, немецкие и сербские минеральные курорты стали самыми модными у аристократии местами встреч.

По указу Петра I в России впервые началась добыча «минералки» и, как и в Европе, набирает силу к середине позапрошлого столетия. Добываемые на Кавказе "Ессентуки" и "Нарзан" были особенно распространены в СССР, но на данный момент производство этих удивительных жидкостей ушло далеко вперёд.

2.2 Классификация минеральных вод
а) По содержанию минеральных веществ минеральные воды делятся на:

столовые (содержащие солей до 1 г на литр), которые можно пить сколько угодно;

лечебно-столовые (2 -8 г на литр). Они годятся и когда просто хочется пить, и если здоровье подправить нужно. Обычно такие воды прописывает врач, но их можно использовать как столовые с одной оговоркой - «несистематически».

лечебные (уровень солей больше 10 г на литр). Это уже лекарство, которое требует рекомендации врача. Да и по вкусу она такая, что просто так пить ее не захочешь. На организм человека эти воды оказывают сильное воздействие. Их пьют в строго оговоренном количестве - столовая, а то и чайная ложка в день.

воды бальнеологического назначения для наружного применения (для ванн).

б) По температуре различаются:

холодные, t < 20°С;

теплые, t = 21-36°С;

горячие (термальные), t=37-42°С;

очень горячие (высокотермальные), t > 42°С минеральные воды;

высокотермальные воды достигают температуры более 90°С.

в) Классификация минеральных вод в зависимости от газового состава и наличия специфических элементов:

Углекислые (кислые) минеральные воды.

Сульфидные (сероводородные) минеральные воды.

Бромистые минеральные воды.

Йодистые минеральные воды.

Мышьяковистые минеральные воды.

Радиоактивные (радоновые) минеральные воды.

г) Классификация по ионному составу

Бикарбонатная вода (содержит: более 600 миллиграммов бикарбонатов на литр).

Сульфатная вод (содержит: более 200 миллиграммов сульфатов на литр).

Хлоридная вода (содержит: более 200 миллиграммов хлоридов на литр).

Магниевая вода (содержит: более 50 миллиграммов магния на литр).

Фторная вода (содержит: более 1 миллиграмма фтора на литр).

Железистая вода (содержит: более 1 миллиграмма железа на литр).

Кислая вода (содержит: более 250 миллиграммов ангидридов углекислоты на литр).

Натриевая вода (содержит: более 200 миллиграммов натрия на литр).

2.3 Термины и определения, оборудование

Минеральная природная питьевая вода — это вода, содержащая в своём составе растворённые соли, микроэлементы, а также некоторые биологически активные компоненты.

Химический анализ — это совокупность действий или операций, направленных на получение информации о химическом составе объекта: постановка задачи; выбор метода и методики; отбор пробы; подготовка пробы к анализу; обнаружение и идентификация компонентов в пробе; определение содержания компонентов; обработка результатов.

Лакмусовая бумага – полоска бумаги, пропитанная лакмусом, используемая как индикатор кислотности.

Спиртовка – горелка для жидкого топлива, содержащая резервуар для спирта, снабжённая крышкой, через которую пропущен фитиль, нижний конец которого размещён в резервуаре, а верхний конец вне его.

Химические реактивы – это химические препараты, предназначенные для химического анализа, научно-исследовательских и лабораторных работ. Они представляют собой индивидуальные вещества, смеси веществ или растворы сложного состава.

Используемые химические реактивы:

раствор перманганата калия KMnO₄ (марганцовка);

хлорид бария BaCl₂;

нитрат серебра AgNO₃;

раствор фенолфталеина;

раствор индикатора (раствор орантилового K).

Химическая лабораторная посуда – мензурки, колбы, колориметрические пробирки, чашки Петри, пипетки.

ГЛАВА III. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Химический состав природной минеральной воды

Обычно под химическим составом минеральных вод подразумевают солевой состав (качественный и количественный). Но соли, образующиеся при связывании ионов друг с другом, могут присутствовать в растворе в значительных количествах только при высокой минерализации вод, когда степень диссоциации (ионизации, разъединения на ионы) очень слаба. Поэтому говорить о солевом составе минеральных вод можно лишь предположительно.

Наглядное представление о химическом составе воды даёт псевдо формула М. Г. Курлова (формула, предложенная М. Г. Курловым и Э. Э. Карстенсом):

Индекс у буквы «M» в формуле показывает общую минерализацию - содержание солей в граммах на литр, дробь - ионный состав. В числителе стоят анионы (отрицательно заряженные ионы), в знаменателе - катионы (положительно заряжённые ионы). Даны они в сопоставимых единицах - процент-эквивалентах - и показаны в убывающем порядке. Сумма тех и других порознь - 100. pH - водородный показатель активной реакции (щелочности-кислотности) воды, T - температура воды в градусах по Цельсию, D - суточный дебит воды, измеряемый в м³.

Иными словами, {\displaystyle M_{\mathrm {5{,}3} }\;{\frac {\mathrm {HCO_{3}} \ 50\ \mathrm {Cl} \ 30\ \mathrm {SO_{4}} \ 20}{\mathrm {Na} \ 50\ \mathrm {Mg} \ 25\ \mathrm {Ca} \ 25}}\;pH7\,~T46{,}6\,~D270}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).

Двуокись углерода (CO₂) также является важным компонентом минеральной воды, так как за счёт взаимодействия углекислого газа с подземными породами и формируются лечебные свойства воды.

В небольших количествах в минеральной воде содержится почти вся таблица Менделеева в микро и ультрамикродозах. В наибольшем количестве в ней представлены: Fe, I, F, Br, As, Co, Mo, Cu, Mn и Li

Они в свою очередь тоже оказывают влияние на человека, и притом каждый своё. Cl влияет на выделительную функцию почек. K и Na поддерживают необходимое давление в тканевых и межтканевых жидкостях организма.

I активизирует функцию щитовидной железы, участвует в процессах рассасывания и восстановления. Бром усиливает тормозные процессы, нормализуя функцию коры головного мозга. Fe входит в структуру гемоглобина, его недостаток в организме приводит к анемии. Cu помогает железу переходить в гемоглобин.

3.2 Алгоритм проведения анализа химического состава природной минеральной воды «Кисловодская целебная»

3.2.1 Изучение химического состава минеральной воды «Кисловодская целебная», заявленного на этикетке производителя.

3.2.2 Собственный химический анализ природной минеральной воды «Кисловодская целебная»:

определение рН исследуемой минеральной воды;

обнаружение ионов щелочных металлов в исследуемой минеральной воде;

определение органических примесей;

определение хлор – ионов;

определение сульфат – ионов;

определение карбонат – ионов.

3.2.3 Сравнительный анализ полученных результатов собственного химического анализа исследуемой минеральной воды с данными, заявленными на этикетке производителя.

3.3 Изучение химического состава минеральной воды «Кисловодская целебная», заявленного на этикетке производителя

Анализируемая природная минеральная вода имеет название «Кисловодская целебная» - газированная сульфатно-гидрокарбонатная магниево-кальциевая, она является лечебно-столовой питьевой водой, согласно этикетке производителя, содержит 2 - 6 г солей на литр и имеет следующий химический состав минеральных солей в мг\дм3:

Катионы

Анионы

Сумма калия и натрия (K+ и Na+) 350-700

Хлориды (Cl-) 40-70

Кальций (Са 2+) 150-650

Сульфаты (SO42-) 1300-2100

Магний (Mg 2+) 200-400

Гидрокарбонаты(НСО3-) 800-2300

3.4 Собственный химический анализ природной минеральной воды «Кисловодская целебная»

3.4.1 Определение рН исследуемой минеральной воды

Химические свойства воды зависят от содержания в ней минеральных веществ, которые находятся в виде растворенных гидратированных ионов. Одной из важных характеристик химического состава воды является реакция её среды, т.е. кислотность воды.

Водородный показатель (pH) – мера определения кислотности водных растворов.

Для водных растворов (при стандартных условиях), водородный показатель составляет:

pH < 7 соответствует кисло́тному раствору;
pH = 7 соответствует нейтра́льному раствору;
pH > 7 соответствует осно́вному раствору.

С помощью лакмусовой бумаги определяем pH минеральной воды.

Опускаем лакмусовую бумагу в чашку Петри с минеральной водой на 10 секунд. Лакмусовая бумага приобрела желто-зеленый цвет. Согласно индикаторной таблице, желто-зеленый цвет лакмусовой бумаги соответствует уровню pH равному 7, т.е. раствор – имеет нейтральную реакцию.

3.4.2 Обнаружение ионов щелочных металлов в исследуемой минеральной воде

В пламя спиртовки вносим медную проволоку с каплей исследуемой воды.

Если пламя приобрело красное окрашивание, значит, в воде присутствуют ионы лития, если фиолетовое - ионы калия, желтое - ионы натрия.

Пламя спиртовки для исследуемой воды приобрело фиолетово-желтое окрашивание, следовательно в минеральной воде «Кисловодская целебная» содержатся ионы K+ и Na+.

3.4.3 Определение органических примесей

Для определения органических примесей в исследуемой минеральной воде используем раствор перманганата калия (KMnO₄).

В пробирку с водой добавляем 2-3 капли перманганата калия (до розового цвета). Нагреваем содержимое до кипения. При наличии органических примесей в исследуемой воде должны появиться буро-коричневые хлопья, но так как этого не происходит можно сказать, что органических примесей в исследуемой воде нет.

3.4.4 Определение хлор-ионов в исследуемой минеральной воде

Для определения хлор-ионов в минеральной воде используем метод качественного определения: в колориметрическую пробирку наливаем 5 см исследуемой воды и добавляем три капли 10%-ного раствора азотнокислого серебра (AgNO₃).

Примерное содержание хлор-иона определяем по осадку или мути в соответствии с требованиями таблицы № 1.

Таблица № 1 «Содержание хлор-иона в питьевой воде по ГОСТ 4245-72»

   

Характеристика осадка или мути

Содержание Cl, мг\дм3

1. Опалесценция или слабая муть

1-10

2. Сильная муть

10-50

3. Образуются хлопья, осаждаются не сразу

50-100

4. Белый объемный осадок

Более 100

После добавления азотнокислого серебра (AgNO₃) в исследуемую воду, обязуется белый объемный осадок.

Согласно таблице, примерное содержание в исследуемой воде хлор-иона Cl⁻ более 100 мг\дм3.

3.4.5 Определение сульфат - ионов в исследуемой минеральной воде

Сульфаты являются одними из важных анионов. Они находятся во всех поверхностных водах. И главным источником их являются химические процессы растворения и выветривания минералов, содержащих серу, и процессы окисления серы и сульфидов.

Для определения сульфат-ионов в исследуемой воде используем титриметрический метод.

Определение наличия сульфатов в исследуемой воде титриметрическим методом основано на образовании труднорастворимого сульфата бария BaSO₄ при прибавлении раствора хлорида бария BaСl₂ к анализируемой воде. После практически полного осаждения сульфатов избыток ионов бария реагирует с индикатором с образованием комплексного соединения. При этом окраска раствора изменяется от сине-фиолетовой (фиолетовой) до голубой.

В коническую колбу вместимостью 100 см3 вносим пипеткой с одной отметкой 10,0 см3 исследуемую воду, добавляем 10 см3 этилового спирта и 0,3 см3 раствора индикатора (раствор орантилового K) и титруем раствором хлорида бария 0,02 моль/дм3.

При постоянном перемешивании окраска переходит из фиолетовой (или сине-фиолетовой) в голубую, соответственно в реакции образуется сульфат бария BaSO₄ и я прихожу к выводу, что сульфат ионы присутствуют в исследуемой минеральной воде.

SO42- + Ba2+ = ↓BaSO4

3.4.6 Определение карбонат – ионов в минеральной воде

Определяем в исследуемой воде анионы CO32- .

Различают общую, временную и постоянную жесткость воды. Общая жесткость обусловлена главным образом присутствием растворимых соединений кальция и магния в воде. Временная жесткость иначе называется устранимой или карбонатной. Она обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния.

В колбу наливаем 10 мл анализируемой воды, добавляем 5-6 капель фенолфталеина (кислотно-основный индикатор). Исследуемый раствор окрасился в розовый цвет, значит в воде присутствуют анионы CO32- .

3.4.7 Сравнительный анализ полученных результатов собственного химического анализа исследуемой минеральной воды с данными, заявленными на этикетке производителя

Приведем сравнительный анализ полученных результатов собственного химического анализа исследуемой минеральной воды с данными, заявленными на этикетке производителя в виде таблицы.

Таблица № 2 «Сравнительный анализ полученных результатов собственного химического анализа природной минеральной воды «Кисловодская целебная» с заявленными данными на этикетке производителя»

Химический анализ природной минеральной воды «Кисловодская целебная»

Данные, заявленные на этикетке производителя

Результаты химического анализа

Определение pH

Не указано/не определено

7

Обнаружение ионов щелочных металлов в исследуемой минеральной воде

Указано: калий и натрий (K+ и Na+) 350-700 мг\дм3

Ионы K+ и Na+ обнаружены

Определение органических примесей

Не указано/не определено

Не определено

Определение хлор-ионов в исследуемой минеральной воде

Указано: хлориды (Cl-)

40-70 мг\дм3

Определено:

Cl- более 100 мг\дм3.

Определение сульфат – ионов в исследуемой минеральной воде

Указано: сульфаты (SO4 2-)

1300-2100 мг\дм3

Определено

Определение карбонат – ионов

Указано: гидрокарбонаты (НСО3-) 800-2300 мг\дм3

Определено

ГЛАВА IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования мы выяснили что, при желании и при помощи несложных химических опытов можно получить данные о химическом составе природной минеральной воды. Кроме того, это под силу каждому.

Согласно проведенному исследования о химическом составе природной минеральной воды «Кисловодская целебная», можно сделать следующие выводы:

исследуемая минеральная вода содержит ионы щелочных металлов, хлор-ионы, сульфат-ионы, карбонат- ионы;

не содержит органические примеси;

имеет нейтральный pH (7)

Количественный анализ выявленных в воде веществ показал, что содержание в исследуемой минеральной воде хлор-ионов Cl⁻ не соответствует заявленному на этикетке производителя. Так, фактическое содержание Cl⁻ более 100 мг\дм3, производителем заявлено 40-70 мг\дм3. В связи с тем, что хлор-ионы Cl⁻ в растворах минеральных вод встречаются в виде содержащегося количества NaCl, то можно сказать, что в исследуемой воде повышенное содержание поваренной соли.

Следует отметить, что в виду того, что исследуемая минеральная вода является природной и добывается из земных недр, то содержание одного из групп веществ в составе минеральной воды может быть превышено, что обязательно должно отображается на этикетке.

Открытые информационные источники (интернет) говорят, что превышение хлор-ионов незначительное, но вода с повышенным содержанием хлора вредна для организма человека. Попадая в организм, вода с избытком хлора провоцирует негативные последствия: нарушается работа пищеварительного тракта, появляется склонность к желче- и мочекаменным заболеваниям. Кроме того, хлор обладает способностью разрушать витамин Е в организме.

Работа рассматривает лишь один из аспектов проблемы качества продуктов, приобретаемых покупателями. Как указывалось выше, рядовой покупатель вынужден делать выбор продукта опираясь на информацию производителя, указанную на продукте, что зачастую не соответствует действительности.

Работа помогла мне понять, что организму человека для нормальной работы все же больше требуется обычная питьевая вода, которую периодически можно «подменять» минеральной. Утолять жажду лечебной минеральной водой вредно. Включать ее в рацион необходимо только после рекомендации врача, поскольку для здорового человека повышенная концентрация солей в продукте несет больше вреда, чем пользы. Для ежедневного употребления годится только столовая минеральная вода. Помните: потенциальная польза должна превышать потенциальный вред!

В перспективе было бы интересно провести химический состав обычной питьевой воды из центрального городского водоснабжения, ее соответствие ГОСТу и санитарно-эпидемиологическими нормами (СанПиН).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глинка. Н.Л. Общая химия. М. 2000 г.

2. Гост 4245-72. Вода питьевая. Методы определения содержания хлоридов.

3. Гост 31940-2012. Вода питьевая. Методы определения содержания сульфатов.

4. Гост 23268.13-78. Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно-столовые и природные столовые.

5. Третьяков Ю.Д., Мартыненко Л.И., Григорьев А.Н. Неорганическая химия. М. Химия. 2001.

6. Общедоступная многоязычная универсальная интернет-энциклопедия со свободным контентом Википе́дия.

Просмотров работы: 24