XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение и анализ состава воды различного происхождения в химической лаборатории

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кодзоева А.М. 1

---

1МБОУ г Иркутска лицей №3

Скуратова И.Е. 1

---

1МБОУ г Иркутска лицей №3

Работа в формате PDF

3.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Вода — это основа жизни, однако для употребления подходит не любой ее вид. В зависимости от источника воды меняется ее химический состав. Соответственно, разные виды дают неодинаковый эффект на организм.Как при пониженном, так и, особенно, при повышенном общем солесодержании наблюдается перераспределение воды в организме, напряжение механизмов в регуляции водно-солевого гомеостаза, нарушение кислотно-щелочного равновесия, развитие различных функциональных сдвигов в зависимости от ионного состава воды.

В воде природных водоисточников обычно находится то или иное количество различных веществ органического и неорганического происхождения. Даже самая чистая с гигиенической точки зрения вода содержит химические вещества.

Работы является актуальной, так как каждый человек примерно на 70% состоит из воды, каждый день ее пьет и его жизнь невозможна без воды, так что всем будет полезно подробнее узнать о данной теме.

Целью данной работы является исследование состава 12 проб воды на общую минерализацию, анализ полученных данных и составление сравнительных таблиц.

Основными задачами можно назвать 1. Изучение интернет материалов по теме «Жесткость воды». 2.Изучить интернет-материалы, касающиеся непосредственно минеральной воды. 3. Изучить методы определения состава воды в условиях химической лаборатории. 4. Посетить химическую лабораторию, проверить методы на практике. 5. Провести сравнительный анализ состава различных вод.

В качестве источников информации в основном использовались интернет-ресурсы и пособия химического факультета ИГУ.

Основная часть

Теория

Минерализация

Минерализация – суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ; обычно выражается в мг/дм3 (до 1000 мг/дм3) и ‰ (промилле или тысячная доля при минерализации более 1000 мг/дм3).

Многие производства, сельское хозяйство, предприятия питьевого водоснабжения предъявляют определенные требования к качеству вод, в частности, к минерализации, так как воды, содержащие большое количество солей, отрицательно влияют на растительные и животные организмы, технологию производства и качество продукции, вызывают образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв.

Минеральный состав воды интересен тем, что отражает результат взаимодействия воды как физической фазы и среды жизни с другими фазами (средами): твердой, т.е. береговыми подстилающими, а также почвообразующими минералами и породами; газообразной (с воздушной средой) и содержащейся в ней влагой и минеральными компонентами. Кроме того, минеральный состав воды обусловлен целым рядом протекающих в разный средах физико-химических и физических процессов – растворения и кристаллизации, пептизации и коагуляции, седиментации, испарения и конденсации и др. Большое влияние на минеральный состав воды поверхностных водоемов оказывают протекающие в атмосфере и в других средах химические реакции с участием соединений азота, углерода, кислорода, серы и др.

Жесткость воды.

Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом кальция, магния и железа (так называемых солей жёсткости).

Жесткость воды делится на 3 вида:

Карбонатная, т.е. временная. Она ликвидируется с помощью обычного кипячения воды и обусловлена гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО3)2; Mg(НСО3)2.

Некарбонатная, т.е. постоянная. Возникает из-за присутствия других солей, например CaSO4, Ca(Cl)2, MgSO4, Mg(Cl)2. При кипячении воды не устраняется.

Общая. Представляет собой суммарную концентрацию ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной и некарбонатной жесткости.

Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м³), однако, на практике для измерения жёсткости используются градусы жёсткости и миллиграмм-эквиваленты на литр (мг-экв/л). С 1 января 2014 года в России введён межгосударственный стандарт ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жёсткости». По новому ГОСТу жёсткость выражается в градусах жесткости (°Ж). 1 °Ж соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его миллимоля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л).

1 мг-экв/л = 20,04 мг Ca2+ или 12,16 мг Mg2+ в литре воды.

По уровню жесткости вода делится на 3 категории (возьмем за основу «родные» градусы жесткости, °Ж):

мягкая: до 3°Ж

средняя по жесткости: 3–6°Ж

жесткая: >6°Ж

По санитарным правилам и нормам жесткость питьевой водопроводной воды не должна превышать 7 мг-экв/л.

Причины образования жесткой воды обусловлены вымыванием солей из пластов горных пород: известняка, гипса, доломита, которые залегают на пути водного потока.

Параметры жесткости могут меняться в зависимости от того, какие полезные ископаемые распространены в данной местности, насколько хорошо они растворимы в воде и других факторов. 

2.1. Влияние жесткой/мягкой воды.

Негативное воздействие жесткой воды:

вызывает образование накипи на промышленном и бытовом водонагревательном оборудовании (в том числе в чайниках, стиральных машинах и пр.), затрудняя их работу;

плохо образует пену;

сушит кожу;

увеличивает время разваривания некоторых продуктов (круп, овощей) и др.

Использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб из-за отсутствия нужного кислотно-щелочного баланса, поддерживаемого гидрокарбонатами. 

Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, однако в российских нормах указывается, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая — незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний.

Использование жёсткой воды для питания и купания новорожденных увеличивает риск атопического дерматита и/или экземы у детей. Средний возраст первых симптомов — 3 мес. Причем появление экземы запускает механизм развития аутоаллергии по цепочке «атопический марш» — от экземы к пищевой аллергии и астме.

Минеральные воды

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

Среди минеральных вод выделяют минеральные природные питьевые воды, минеральные воды для наружного применения и другие.

Минеральные воды также имеют важное бальнеологическое значение и их широко используют в санаторно-курортных процедурах.Так, воды для наружного применения используются для ванн, купаний, душей, проводимых в бальнеолечебницах и в лечебных бассейнах, а также для ингаляций и полосканий при заболеваниях носоглотки и верхних дыхательных путей, для орошений и промываний полых органов и других подобных целей.

Метод комплексонометрического титрования

Метод комплексонометрического титрования основана на реакциях образования внутрикомплексных соединений ионов металлов (Ba, Ca, Mg, Fe…) с органическими лигандами-комплексонами.

Комплексоны – производные аминополикарбоновых кислот, содержащие группы ―N(CH2COOH)2. НТА – I, ЭДТА – II, двунатриевая соль ЭДТА – III или трилон Б. Чаще всего в качестве титранта применяют раствор этилендиаминтетраацетата натрия (ЭДТА) – двунатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (Na2H2Y) (см. Приложение 1).

Анион этой соли образует с ионами металлов прочные хелатные циклы (см. Приложение 2).

В водном растворе комплексон III диссоциирует (см. Приложение 3).

Анион образует комплексные соединения с катионами (см. Приложение 4).

Независимо от заряда катиона, реакция комплексообразования всегда протекает при отношении Ме:ЭДТА=1:1, а получающиеся комплексонаты отличаются лишь зарядом комплексных частиц. Ионы водорода, выделяющиеся в результате реакции комплексообразования, понижают pH раствора. Если последний не защитить действием буферных смесей, то повышение кислотности раствора может достигнуть нескольких единиц pH и комплексные соединения не образуются.

При титровании раствором ЭДТА установление момента эквивалентности осуществляется с помощью металл-индикаторов (или металлохромных индикаторов) – органических красителей, которые с определяемыми катионами образуют окрашенные комплексные соединения, менее устойчивые, чем с ЭДТА. При добавлении к системе металл-индикатор раствора комплексона получается более прочный бесцветный комплекс металла с ЭДТА. Индикатор в ионной форме переходит в раствор, что сопровождается изменением краски раствора (см. Приложение 5).

В качестве металл-индикаторов используют: мурексид (аммонийная соль 5,5’-нитрилодипурпуровой кислоты), эриохром черный Т, кислотный хром темно-синий, сульфарсазен, флуорексон (кальцеин), метилтимоловый синий, салициловую кислоту, сульфосалициловую кислоту и др.

Наибольшее применение находит хромоген – темно-синий – индикатор универсального действия. В зависимости от pH раствора он существует в трех формах, окрашенных в различные цвета (см. Приложение 6).

В слабощелочном растворе краситель взаимодействует с ионами магния, кальция, цинка, кадмия и др., образуя комплексы, окрашенные в винно-красный цвет. При добавлении ЭДТА ионы металлов образуют с ним более прочные бесцветные комплексы и в точке эквивалентности растворы приобретают синий цвет, присущий форме индикатора при pH 7-11.

Мурексид и кальцеин в сильнощелочном растворе избирательного реагируют с ионами кальция образуя комплексные соединения соответственно красного и желто-зеленого цвета. При титровании ЭДТА в присутствии мурексида цвет раствора переходит из розового в сиреневый. При использовании кальцеина титруют до исходной желто-зеленой окраски.

!Добавлять ЭДТА медленно (между каплями 5-10 с) ПЕРЕМЕШИВАЯ!

Метод эмиссионной фотометрии пламени

Метод эмиссионной фотометрии пламени является одним из вариантов эмиссионного спектрального анализа и основан на измерении интенсивности света, излучаемого возбужденными частицами (атомами или молекулами) при введении вещества в пламя горелки.  

В качестве энергетического агента, вызывающего состояние возбуждения исследуемого вещества используется пламя газовой горелки. Ионы металлов окрашивают пламя в различный цвет, в соответствии с характерными для них спектрами испускания. Для выделения излучения отдельных ионов применяют специальные светофильтры. В КДЛ применяют в основном для определения концентрации ионов калия и натрия. Для возбуждения этих ионов достаточно энергия низкотемпературного пламени сгорания метана в воздухе. Недостаток метода – необходимость газового оборудования.

Одним из преимуществ метода эмиссионной фотометрии пламени является быстрое определение калия и натрия из одного раствора. Влияние одного элемента на результаты определения другого устанавливают эмпирически.

5.1. Фотометр пламенный лабораторный (ФПЛ-1)

Фильтровой пламенный фотометр типа ФПЛ-1 (см. Приложения 7, 8) предназначен для количественного определения натрия, калия и кальция в растворе. Измерение основано на измерении эмиссии этих элементов прямым методом. Источником возбуждения является пламя горючей смеси пропан-бутан-воздух.

Для ознакомления с работой прибора рассмотрим 3 схемы: функциональную, оптическую и электрическую.

Функциональная схема. (см. Приложение 9) Сжатый воздух от компрессора через фильтр, регулировочный вентиль и манометр поступает в распылитель. Поток воздуха создает вакуум в верхней части капилляра, благодаря чему испытуемый раствор сначала засасывается в капилляр, а затем в смесительную камеру в виде мелких капель.

Горючий газ из сети или из баллона через фильтр, регулировочный вентиль и манометр подается в смесительную камеру. В смесительной камере газ смешивается с воздухом и каплями исследуемого раствора, образуется аэрозоль жидкость-газ. Крупные капли осаждаются сепаратором, а мелкие вместе с горючим газом и воздухом попадают в горелку пламени, где происходит испарение растворителя и переход соли в парообразное состояние, диссоциация молекул, возбуждение атомов или молекул и эмиссия.

Оптическая схема. (см. Приложение 10) Состоит из отражательного зеркала и конденсаторов, проектирующих изображение источника света (пламени) на фотоэлемент, защитного стекла, предохраняющего от теплового излучения оптические детали и фотоэлемент, абсорбционных и интерференционных фильтров.

Электрическая схема. Преобразование световых потоков, получаемых при эмиссии элементов в пламени, в электрические сигналы осуществляется 2-каскадным усилителем постоянного тока, выполненного по балансной схеме. Электрическая схема прибора предусматривает ступенчатую и плавную регулировку чувствительности, благодаря чему может быть выбран при измерениях правильный диапазон измерений чувствительности. Питание фотометра осуществляется от сети переменного тока напряжением 220В через феррорезонансный стабилизатор. Количественное определение элемента сводится к установлению линейной зависимости между показателем прибора и концентрацией вещества в растворе при определенном режиме работы прибора и нахождению неизвестной концентрации графическим или расчетным способом.

5.2. Метод добавок

Метод добавок представляет собой разновидность метода сравнения. Определение концентрации раствора этим методом основано на сравнении оптической плотности исследуемого раствора и того же раствора с добавкой известного количества определяемого вещества.

Практика

Определение жесткости воды

Определение общей жесткости воды

В коническую колбу с помощью пипетки помещаем 10 мл пробы анализируемой воды, добавляем 10 мл аммиачной буферной смеси и 25 мл дистиллированной воды, 7 капель хромогена темно-синего и при непрерывном перемешивании титруем 0,05 М раствором комплексона III до изменения окраски из вишнево-фиолетовой в синюю. (см. Приложения 11, 12, 13).

Далее рассчитываем общую жесткость воды по формуле: (в мг-экв./л)

Ж (общ) =

М (ЭДТА) = 0,05 М

К (ЭДТА) = 1

Определение кальциевой жесткости воды

10 мл анализируемой воды помещаем в колбу для титрования, добавляем 0,5 г сахарозы, 5 мл 2N раствора гидроксида натрия, 25 мл дистиллированной воды и мурексид (на конце шпателя). Титруем 0,05М раствором комплексона III при постоянном перемешивании до перехода окраски раствора из розовой в фиолетовую. (см. Приложения 14,15)

Далее рассчитываем кальциевую жесткость по формуле: (в мг-экв./л)

Ж (Ca) =

Определение магниевой жесткости

Жесткость воды по магнию находят расчетным путем: (в мг-экв./л)

Ж (Mg) = Ж (общ) – Ж (Ca)

Результаты

Всего имеется 12 проб воды. Первые 6 – Неминеральные воды; Остальные 6 – Минеральные воды. Проводим все расчеты. Заносим результаты в таблицу (см. Приложения 16, 17). Таким образом, можно сделать следующие выводы:

Вода в пригороде жестче городской воды в три раза.

Талый снег по жёсткости абсолютно идентичен городской воде.

Общая жесткость воды питьевой артезианской и воды Байкальской соответствуют заявленной на упаковке жесткости. (первая соответственно более жесткая, чем вторая).

Практически всегда кальциевая жесткость равна магниевой.

Некоторые минеральные воды гораздо более жесткие (очевидно). Жесткость мальтинской новой минеральной воды – 13, 5 мг-экв./л. Она является самой жесткой из представленных. Соответствует упаковке.

Иркутская минеральная вода – 9 мг-экв./л. Содержание Са и Мg чуть ниже, чем указано на упаковке.

Мальтинская минеральная вода – 5,5 мг-экв./л. Содержание Са ниже, чем указано на упаковке.

Остальные минеральные воды по составу практически не отличаются от обычных. Но содержание соответствует упаковке.

Определение содержания ионов калия и натрия (для неминеральных вод)

Для определения ионов калия и натрия используем метод добавок.

Используемые растворы:

Стандартный раствор хлорида калия с концентрацией по калию 100 мкг/мл.

Стандартный раствор хлорида натрия с концентрацией по натрию 500 мкг/мл.

Пробы воды

Приготовление стандартных растворов. В мерные колбы на 50 мл вносим объемы стандартных растворов калия и натрия. (KCl, NaCl). Растворы доводим до метки дистиллированной водой, тщательно перемешиваем и переливаем в полиэтиленовые стаканчики.

Приготовление анализируемых растворов. В мерные колбы по 50 мл вводим указанные объемы стандартных растворов (0,25 мл, 0,5 мл), растворы доводим до метки пробой. Растворы тщательно перемешиваем и переливаем в полиэтиленовые стаканчики.

Фотометрирование растворов. Устанавливаем диапазон измерений 2, светофильтр на натрий и профометрируем стандартные растворы. Убеждаемся в пропорциональности показаний аналитического сигнала и концентрации.

Измеряем величину аналитического сигнала для воды, ее проб с первой и второй добавками, контролируя нуль прибора распылением дистиллированной водой.

Устанавливаем светофильтр на калий и проводим фотометрирование растворов, как и в случае натрия. (см. Приложение 18, 19)

Получаем концентрации натрия и калия в добавках:

C (доб1, Na) = 125 мкг/л.

С (доб2, Na) = 250 мкг/л.

С (доб1, К) = 25 мкг/л.

С (доб2, К) = 50 мкг/л.

Расчет концентрации (мкг/50мл) проводим по формуле:

C(x) =

C (x) = искомая концентрация

С (доб) = концентрация в добавке

I (x) = величина аналитического сигнала раствора воды

I (x + доб) = величина аналитического сигнала для раствора воды с добавкой

Проводим расчеты (см. Приложения 20,21).

Результаты

Можем сделать следующие выводы:

Содержание натрия практически везде выше, чем содержание калия.

Фильтрованная вода из пригорода по содержанию такая же как нефильтрованная вода из города. Следовательно, пригородная вода содержит гораздо больше Na и К в своем составе, чем городская.

В артезианской воде гораздо больше Na, чем в Байкальской. Соответствует норме и упаковке.

Заключение

В данной работе были подробно рассмотрены такие темы, как «Жесткость воды», «Методы определения состава воды в химической лаборатории», «Минеральные воды» и др. Была выполнена цель, а именно изучен и проанализирован состав 12 проб воды, составлены сравнительные таблицы и получены результаты. Были выполнены все задачи, а именно собрана из различных интернет-источников и литературы и проанализирована информация, затрагивающая тему проекта. Информация была отобрана таким образом, чтобы была понятна даже ученикам старшей школы.

В практической части был проведен анализ воды. В результате чего были сделаны некоторые выводы о составе воды различного происхождения (состав некоторых вод не соответствует заявляемому на упаковке, вода из пригорода гораздо жестче воды из города, мы убедились в том, что составы различных проб воды достаточно сильно отличаются друг от друга, в зависимости от происхождения, талый снег, например, практически ничем не отличается от водопроводной городской воды по содержанию Ca, Mg).

Таким образом, мы убедились в том, что состав воды практически везде уникален и зависит от многих факторов. А вода и ее состав, в свою очередь, очень важны для жизнедеятельности организма.

Список используемой литературы

Королева, Г. Н. Метод эмиссионной фотометрии пламени: методические указания к практическим работам / Г. Н. Королева, Л. П. Шаулина, Л. А. Туркина. - Иркутск: Изд-во ИГУ, 2010. - 24 c.

Лидер, Е. В. Неорганическая и аналитическая химия. Комплексонометрическое титрование [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://lib.nsu.ru/xmlui/bitstream/handle/nsu/15273/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F%2025.%20%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%8F.pdf?sequence

Метод добавок [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://studopedia.ru/3_109206_metod-dobavok.html?ysclid=lamfrq31zn94356507

Минеральная вода [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://o-vode.net/kakaya-byvaet/mineralnaya?ysclid=lakzbc944383699249

Минеральный состав воды [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ekolog.org/books/37/2_2_4.htm?ysclid=lahx5kvo2c618798417

Мягкая и жесткая вода [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://cgon.rospotrebnadzor.ru/content/shkola-gramotnogo-potrebitelya/2119

Пламенная фотометрия [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://studfile.net/preview/9708685/page:21/

Химический состав воды и его влияние на здоровье [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://studfile.net/preview/8822741/page:15/

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Приложение 9

Приложение 10

Приложение 11

Приложение 12 (раствор до) Приложение 13 (раствор после)

Приложение 14 (раствор до) Приложение 15 (раствор после)

Приложение 16 (Неминеральные воды)

Приложение 17 (Минеральные воды)

Приложение 18

Приложение 19

Приложение 20 (Na)

Приложение 21 (К)