XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение качества воды водоёмов г. Чайковский Пермского края объемным методом количественного анализа – титрованием

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Гусева С.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7", г. Чайковский

Коновалова В.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7", г. Чайковский

Работа в формате PDF

2.4 MB

Введение

Актуальность:

В Российской Федерации в Водном кодексе РФ существует статья 56 «Охрана водных объектов от загрязнения и засорения» и было решено проверить состояние водоемов, находившихся в загрязнённых участках. Проблема в том, что многие водоемы в г. Чайковском находятся в скопление большого количества загрязняющих факторов, что может повлиять на озера и изменить их внутреннюю среду обитания, что может поставить под угрозу вымирания некоторые виды жителей водоемов. Для этого необходимо было провести химический анализ на основе титрования и подтвердить полученные результаты биологическими исследованиями.

Объект исследования: качество воды водоёмов г. Чайковский Пермского края: Завьяловский водоём, Зелёное озеро, Заринский водоём.

Предмет исследования: химические и органолептические биологические характеристики воды в исследуемых водоёмах.

Гипотеза исследования: если Завьяловский водоем находится в скоплении большого количества загрязненных факторов, то в нем самая некачественная вода.

Цель работы: определение качества воды химическим методом анализа (титрование) в трех контрастных водоемах города.

Задачи:

1. Изучить географическое положение анализируемых водоемов

2. Собрать пробы воды.

3. Провести химический анализ вод исследуемых водоёмов.

4. Определить качество воды по химическому анализу.

5. Подтвердить полученные результаты качества вод органолептическим анализом.

Основная часть

Теоретическая часть

1. Методика исследования

Химический анализ воды – комплексное исследование растворов с целью выявления в их составе примесей.

Химический анализ воды проводился по методикам в соответствии с ГОСТ:

• отбор проб по ГОСТ 17.15.05;

• йодометрическое определение растворенного в воде кислорода по Винклеру [2, с.81-88];

• определение общей жесткости методом комплексометрии [3, с.189-201];

• определение содержания ионов кальция (2+) и ионов магния (2+) трилометрическим методом [1, с.112-116];

• определение хлорид-ионов (1-) аргенометрическим методом [2, с.116-118, 3, с.274-276];

• определение ионов железа (3+) по интенсивности окраски роданидных комплексов [2, с. 261-262];

• определение ионов свинца [2, с. 298-301].

Описание химических методов представлено ниже.

Органолептические свойства воды – содержание взвешенных частиц, определение цвета, прозрачности, запаха определяли по методикам школьного мониторинга [4, с. 175; 11, с.160-166].

1. 1. Отбор и обработка проб для химического анализа

На каждом водоёме было заложено 5 площадок (площадь облова - 1 м²). Сбор материала производился на площадке трехкратно (в каждом водоёме было взято 15 проб). Для проб отбора использовали плотно закрывающуюся посуду из бесцветного, химически инертного материала. Емкость тщательно промывали и несколько раз ополаскивали исследуемой водой. При отборе тару заполнили доверху, плотно закрыли и промаркировали. Полученный образец хранили и транспортировали в условиях, исключающих воздействие солнечного света и высоких температур.

Большинство химических показателей должно быть исследовано в течение 24 часов с момента отбора пробы. При этом в зависимости от исследуемых показателей, наличия консервации и условий транспортировки исследование может быть проведено в рамках от нескольких часов до нескольких дней.

1. 2. Определение растворенного кислорода по Винклеру

Определение концентрации растворенного кислорода (РК) в воде проводится методом йодометрического титрования – методом Винклера, широко используемым и общепринятым при санитарно-химическом и экологическом контроле. Метод определения концентрации РК основан на способности гидроксида марганца (II) окисляться в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), количественно связывая при этом кислород. В кислой среде гидроксид марганца (IV) снова переходит в двухвалентное состояние, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количество йода. Выделившийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала в качестве индикатора.

Определение РК проводится в несколько этапов. Сначала в анализируемую воду добавляют соль Мn(II), который в щелочной среде реагирует с растворенным кислородом с образованием нерастворимого дегидратированного гидроксида Мn(IV) по уравнению:

Таким образом производится фиксация, т.е. количественное связывание, кислорода в пробе. Фиксация РК, являющегося неустойчивым компонентом в составе воды, должна быть проведена сразу после отбора пробы.

Далее к пробе добавляют раствор сильной кислоты (как правило, соляной или серной) для растворения осадка, и раствор йодида калия, в результате чего протекает химическая реакция с образованием свободного йода по уравнению:

Затем свободный йод титруют раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала, который добавляют для лучшего определения момента окончания титрования. Реакции описываются уравнениями:

+ крахмал →синее окрашивание

О завершении титрования судят по исчезновению синей окраски (обесцвечиванию) раствора в точке эквивалентности. Количество раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование, пропорционально концентрации растворенного кислорода.

1. 3. Определение общей жесткости методом комплексонометрии

Комплексонометрическоетитрование(комплексонометрия),основанное напримененииреакцийобразованияпрочныхкомплексныхсоединений катионов с органическимиреактивами,называемымикомплексонами.

На практике обычно применяют динатриевую соль этилендиаминтетрауксуснойкислоты,которуюназываюткомплексономIII, ЭДТА, илитрилоном Б (сокращенноNa₂H₂Y).

РеакциивзаимодействияразличныхкатионовсЭДТАврастворе протекают поуравнениям: Ca²⁺+H₂Y^2-=CaY^2-+2H⁺

НезависимоотзарядакатионаЭДТАобразуеткомплексныесоединенияв соотношении1:1.Молярныемассыэквивалентатитрантаиопределяемого катионаравныихмолярныммассам.ВкомплексахсЭДТАчастьсвязейносит ионный характер, часть – донорно-акцепторный.

Жесткость воды измеряется вмэкв/л.

Дляхарактеристикиприродныхводпоихстепенижесткостипринята следующая классификация:

1. 4. Определение содержание кальция и магния трилонометрическим методом

Метод основан на том, что трилон Б образует при pH 10 прочные комплексные соединения с ионами кальция и магния. Индикаторы при добавлении в воду при анализе также при определенной реакции среды образуют с ионами магния и кальция окрашенные комплексные соединения. Трилон Б при титровании, соединяется с ионами кальция, а затем с ионами магния, вытесняет индикаторы в свободной форме, причем каждый индикатор высвобождается при определенной реакции среды.

1. 5. Определение хлоридов аргенометрическим методом

Аргентометрия – титриметрический метод количественного анализа анионов, образующих малорастворимые соединения или устойчивые комплексы с катионами серебра. Метод определения массовой концентрации хлорид-аниона описан в ИСО 9297. Настоящий стандарт устанавливает метод титрования для определения содержания растворенного хлорида в воде этот метод может применяться для непосредственного определения содержания растворенного хлорида в концентрациях от 5 до 150 мг/л. Рабочий диапазон может быть расширен до 400 мг/л путем использования бюретки большей вместимости или путем разведения пробы. Вследствие многих мешающих влияний этот метод непригоден для сильно загрязненных вод с низким содержанием хлорида.

В таблице №1 приведены обобщенные данные о концентрациях мешающих соединений в миллиграммах на литр, которые дают увеличение результата на 2 % в присутствии 70 мг/л хлорида.

Таблица №1 «Мешающие влияния»

Реакция хлорида с добавленными ионами серебра с образованием нерастворимого хлорида серебра, который выпадает в осадок, поддающийся количественному определению. Добавить небольшое избыточное количество ионов серебра для образования красно-коричневого хромата серебра с ионами хромата, которые были добавлены в качестве индикатора. Эта реакция используется, чтобы обозначить конечную точку титрования. Водородный показатель поддерживается в пределах 5-9,5 в течение титрования, чтобы позволить выпасть осадку.

1. 6. Определение ионов железа

Документ ЦВ 1.04.46-00 “А’ устанавливает методику выполнения измерений массовой концентрации общего и (или) двухвалентного железа в пробах питьевых и природных вод в диапазоне значений от 0,05. до 2,0 мг/дм3.

Метод основан на реакции ортофенантролина с ионами двухвалентного железа в области pH 3 - 9 с образованием комплексного соединения, окрашенного в оранжево-красный цвет, интенсивность окраски раствора пропорциональна массовой концентрации железа. Окраска развивается быстро при pH 3,0 - 5,5 в присутствии избытка ортофенантролина и устойчива в течение нескольких дней. Оптическую плотность измеряют при длине волны 490 - 520 нм (максимум полосы поглощения при длине волны 510 нм). Восстановление железа трехвалентного до двухвалентного проводится в кислой среде гидроксиламином. При определении железа (II) гидроксиламин не добавляют.

1.7. Определение ионов свинца

Иодид калия образует с ионами свинца (II) желтый осадок йодида свинца (II). Чувствительность данного метода составляет 0,1 мг в 5 мл раствора.

Если в исследуемом образце содержатся ионы свинца, то мы будем наблюдать появление блестящих золотистых кристаллов иодида свинца (II). Эта специфическая для Рb2+ реакция является одной из наиболее красивых реакций в аналитической химии.

2. Физико-географическое описание района исследования

Исследование качественного анализа объемным методом титрования проводилось 21-26.06.2023 на трех водоемах г. Чайковский Пермского края. (Приложение 1) Среднее количество осадков – 400-600 мм. Данный показатель указывает, что исследуемые водоемы расположены в районе умеренно континентального климата в зоне умеренного увлажнения. К исследуемым водоемам основные потоки ветра движутся с юго-западной стороны и приносит загрязняющие факторы с Сарапула.

Завьяловский водоем находится первый на «встрече с «розой ветров», не имеет защиты в виде леса полосы и основные загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленными предприятиями, скапливаются над исследуемым водоемом. Через Завьяловский водоем протекает р. Светлушка, что образует каскадную форму движения воды и приводит к постоянному обновлению воды в водоеме. Так же 3 года назад водоем подвергался очистке. (Приложение 2)

Заринский водоем получает питание из р. Кама. Имеет небольшую защитную леса полосу, средний объем резервуара, каскадное строение, но находиться на последней «ступени». В водоеме поставлены решетки отсаживания из-за чего весь мусор скапливается в водоеме. Берега водоема имеют маленькую антропогенную нагрузку. (Приложение 3) Загрязнение возможно из-за неграмотной утилизации смазочно-охлаждающей жидкости ООО «Чайковский Завод Метизов».

Зеленое озеро располагается в 70 м. от Сайгатского залива. Имеет самый маленький объем резервуара, широкую леса полосу, низкую антропогенную нагрузку берегов. Раньше питалось от р. Светлушка, но основную притоку завалили мусором, а также может возникнуть причина загрязнения при нарушении технологии очистки сточных вод ООО ТК «Чайковский текстиль». Возможно питание во время полноводия от Сайгатского залива (р. Кама). (Приложение 4).

Практическая часть

«Результаты исследования»

Исследования качества воды объемным методом количественного анализа – титрование было произведено на трех городских водоемах: Завьяловском, Заринском, Зеленом озере.

Результат исследования представлен ниже.

1. Определение концентрации растворенного кислорода (метод Винклера / йодометрическое титрование)

Определяем общий объем раствора тиосульфата, израсходованного на титрование по формуле:

где: 8 – эквивалентная масса атомарного кислорода;

Ст – концентрация титрованного стандартного раствора тиосульфата, моль/л экв.;

Vт – общий объем раствора тиосульфата, израсходованного на титрование, мл;

V – внутренний объем калиброванной кислородной склянки с закрытой пробкой;

– суммарный объем раствором хлорида марганца и йодида калия, добавленных в склянку при фиксации РК, мл;

1000 – коэффициент перерасчета единиц измерения из г/л в мг/л.

Результаты вычисления концентрации кислорода представлены в таблице №2 «Определение концентрации растворенного кислорода».

Таблица №2 «Определение концентрации растворенного кислорода»

Если в водоеме содержится большое количество кислорода, то в нем низкий уровень загрязненности воды и высокий класс качества воды.

По наблюдениям самое большое содержание кислорода находиться на дне, это можно объяснить процессом фотосинтеза, совершавшиеся содержащейся в водоемах растительностью.

Согласно полученным данным, самым чистым и наименее загрязненным водоемом является Заринский водоем, в нем самое большое содержание кислорода (СР_к=3,49 мг/л). Вторым по классу качества и уровню загрязненности воды считается Завьяловский водоем (СР_к=2,8 мг/л). А самым загрязненным и с менее качественной водой, из трех изучаемых, оказывается Зеленое озеро (СР_к=1,89 мг/л).

2. Определение общей жесткости

Определили объем раствора, израсходованного на титрование общей жесткости (Vож, мл), рассчитайте величину общей жесткости (Сож) в ммоль/л экв. по формуле:

где: Vтр- объем раствора трилона Б, израсходованного на титрование, мл;

Н - концентрация титрованного раствора трилона Б, ммоль/л экв;

Va- объем воды, взятой на анализ, мл;

1000 – коэффициент пересчета единиц измерения из ммоль/л в моль/л.

Произведенные вычисления по определению общей жесткости, представлены в таблице №3 «Определение общей жесткости».

Таблица №3«Определение общей жесткости»

Согласно полученной информации, самая большая общая жесткость в Завьяловском водоеме (С_ож=77,5 моль/л), а самая маленькая в Зеленом озере (С_ож=20 моль/л). Среднее значение получилось у Заринского водоема (С_ож=50,8(3) моль/л). Появление высокого показателя общей жесткости в Завьяловском водоеме, возможно, из-за нахождения водоема в большом скоплении загрязняющих факторов.

3. Определение кальция

Определили объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование кальция (Vка, мл) (Приложение 15). Рассчитали молярную концентрацию эквивалента кальция (Ска) в ммоль/л экв. по формуле:

где: – объем трилона Б, израсходованного на титрование

Расчёты, выполненные в определении кальция, представлены в таблице №4 «Определение кальция».

Таблица №4«Определение кальция»

В организме человека кальций содержится в костях, а в водоемах большое содержания кальция можно найти на дне т.к. так же кальций содержится в раковинка донных организмов.

Самое большое содержание кальция в Завьяловском водоеме (С_ка=9, (3) ммоль/л), а самое маленькое – в Зеленом озере (С_ка=6 ммоль/л), среднее в Заринском водоеме (С_ка=4,58(3) ммоль/л). К норме содержания кальция ближе всего Завьяловский водоем, в остальных двух водоемах содержание кальция очень низкое. Норма содержания кальция в пресных водоемах составляет 100 мг/л.

4. Определение магния

Массовую концентрацию катиона магния (Смг) в мл/л определили расчетным методом, произведя вычисления по формуле:

где: и – результаты определения общей жесткости (моль/л экв.) и молярной концентрации эквивалента катиона кальция (мг/л) соответственно;

23,3 – молекулярная масса натрия.

Для определения концентрации катиона магния были выполнены расчеты, представленные в таблице №5 «Определение магния».

Таблица №5«Определение магния»

Большое содержание магния может привести к неприятным последствиям как внутри организма, так и снаружи. Но умеренное и правильное содержание воды с содержанием магния может улучшить сон, увеличить приток сил, повысить стрессоустойчивость.

Самое наименьшее содержание магния в воде в Зеленом озере (С_мг=326,2 мл/л), а самое большое – в Завьяловском водоеме (С_мг=1588,28(6) мл/л), среднее же значение в Заринском водоеме (С_мг=1077,62(6) мл/л). Высокое количество магния во всех трех водоемах делает их не пригодными для употребления. Из трех водоемов в Зеленом озере максимально близкое значение к норме содержания магния для питьевой воды.

5. Определение хлоридов

Определили объем раствора, израсходованного на титрование. Рассчитываем массовую концентрацию хлорид-аниона (мг/л) по формуле:

, где: – объем нитрата серебра, мл;

Расчеты, производимые для определения массовой концентрации хлорид-аниона, показаны в таблице №6 «Определение хлоридов».

Таблица №6«Определение хлоридов»

Перенасыщенная хлоридами вода способна вызвать поражение слизистых оболочек, глаз, кожи и дыхательных путей. После случайного употребления такой воды нарушается водно-солевой баланс и работа пищеварительного тракта, появляются отёки и склонность к заболеваниям мочеполовой системы.

Из трех исследуемых водоемах в Зеленом озере самое большое содержание хлоридов (С_хл=26,7 мг/л). Это можно объяснить тем, что озеро в половодье питается от Сайгатского залива (р. Кама), где несколько лет назад затонула баржа с большим содержание соли. Другие же два водоема имеют меньшее содержание хлоридов, что горазда безопаснее для их применения (С_хл=17,8 мг/л).

6. Определение ионов железа

Примерную концентрацию железа определите с помощью таблицы.

Наличие ионов железа определяется с помощью окрашивания. Для более точного определения концентрации железа, окрашивание рассматриваю сбоку и сверху вниз. Окрашивание раствора и подходящую концентрацию железа можно найти в таблице №7 «Определение концентрации ионов Fe³⁺ по интенсивности окраски роданидных компонентов».

Таблица №7«Определение концентрации ионов Fe³⁺ по интенсивности окраски роданидных компонентов»

Высокое содержание концентрации ионов железа в воде может привести к различным поражениям тканей, патологическим изменения внутренних органов, аллергическим реакциям организма.

В результате данной лабораторной работы стало известно, что во всех трех водоемах содержание ионов железа меньше 0,05 мг/л. Полученная концентрация никак не сможет навредить организму человеку. Из-за одинаковой концентрации, нельзя выделить какай водоем лучше, а какой хуже.

7. Определение ионов свинца

Свинец крайне токсично и при попадании в организм имеет свойство накапливаться, что может вызывать тяжелые отравления как в острой, так и в хронической форме. Наличие ионов свинца определяется не с помощью формулы, при помощи химической реакции. Результаты реакций на определение ионов свинца представлены в таблице №8 «Определение ионов свинца».

Таблица №8«Определение ионов свинца»

В воде исследуемых водоемов свинца не было найдено, что говорит о высоком качестве воды трех водоемов.

После проведения химических анализов можно составить сводную таблицу всех полученных результатов. Каждая сводная таблица позволяет легче работать, сравнивать и обрабатывать полученные результаты. В таблице № 9 «Сравнительный химический анализ всех водоемов ЧГО» представлены полученные показатели.

Таблица № 9«Сравнительный химический анализ всех водоемов ЧГО»

Обобщенная таблица позволяет быстрее сделать вывод о лучшем показателе, не обращаясь к каждой черте сравнения трех исследуемых водоемов (Завьяловский водоем, Зеленное озеро, Заринский водоем).

Например, можно найти, в чем водоемы имеют схожесть, либо различия. Так мы видим, что количество железа и отсутствие свинца в исследуемых водоемах одинаково, а у Завьяловского и Заринского водоемов одинокого еще содержание ионов хлора. Различия же можно показать на содержание других исследуемых элементов в изучающих водоемах.

8. Сравнительный анализ биометрических и химических данных

Для объяснения результатов химических анализов необходимо было знать температуру воды. Температура и значение pH влияет на работу ферментов, которые в свою очередь отвечают за скорость протекания определенной химической реакции в воде. Разная температура воды говорит нам, что во всех трех водоемах химические реакции протекали с разной интенсивностью. Органолептический метод основан на анализе восприятий органов чувств. Водоемы сравнивались в количестве взвешенных частиц, антропогенной нагрузки берегов, прозрачности/мутности воды, градусе цветности воды, температуре воды и запаха. Результаты органолептического метода представлены в таблице №10 «Сравнительный органолептический метод исследуемых водоемов г. Чайковского» (Приложение 37).

Обращаясь к результатам органолептического анализа, появляется вывод, что самый грязный водоем – Зеленое озеро. Его берега очень загрязнены, скопилось много мусора, что ухудшает состояние водоема.

В каждом водоеме был найден различный зообентос-совокупность животных, обитающих на дне. При изучении трех анализируемых водоемов в двух из них были найдены представители фактора загрязненной воды. Таким показателем является класс Малощетинковых червей. В двух анализируемых водоемах (Завьяловском и Заринском водоемах) были найдены их представители: трубочник обыкновенный (Tubifex tubifex) и олигохета (Peloscolex sp.). Представители, найденные в водоемах описаны в приложении 38.

В выше сказанном было упомянуто о нескольких представителях зообентоса. Но для изучения не всегда достаточного такого скудного набора представителей того или иного водоема, иногда может даже потребоваться их численность на определенном небольшом участке. И чтобы проще было анализировать полученные сведенья, то они показаны в таблице № 11 «Таксономическое описание зообентоса рабочих площадок Городских водоемов г. Чайковский Пермского края, 21-24.06.2023 г.» (Приложение 34).

После исследования разных методик («Оценка состояния воды по составу зообентоса методом Вудивисса», «Определение индекса Гуднайта и Уотлея», «Определение модификационного индекса сапробности по методу Пантле-Букк», Органолептический метод и зообентос) и их применений, получились результаты, представленные в таблице №12 «Сравнение полученных результатов по биологическим методам» (Приложение 35).

С помощью таблицы можно наглядно определить какой водоем более чистый. После анализа таблицы, можно прийти к выводу, что по биологическим признак Завьяловский водоем имеет самую качественную воду и большое количество донных обитателей.

Результаты биологических исследований подтверждают результаты химических анализов.

Но все биологические методики проводятся на основе найденных донных «жителей», что имеет меньшую достоверность полученных результатов, чем результаты, полученные в химических анализах.

Обратимся к таблице №13 «Сравнение результатов химических и биологических измерений». Данная таблица точно показывает состояние водоемов (Приложение 36).

Как уже было сказано ранее биологические результаты подтверждают химические.

Заключение

Проведя все исследования, можно сделать вывод, что гипотеза не подтвердилась.

Несмотря на то, что Завьяловский водоем находится в большом скоплении загрязняющих факторов, «первым» расположен на пути розы ветров и не имеет защитной лесополосы, по результатам разных методик, как химических, так и биологических, вода в водоеме очень высокого качества и является лучшей среди трех анализируемых водоемов.

Вторым по качеству воды является Заринский водоем. А самым «плохим» из водоемов – Зеленое озеро.

Такие результаты нельзя было получить, используя только одно из направлений. Например, полученные результаты химических анализов совершенно не совпадают с итоговыми результатами географического положения водоемов, так как по нему самым чистым водоемом должно было стать Зеленое озеро, а водоемом с самой не качественной водой – Завьяловский водоем, однако органолептические биологические методы подтверждают химические.

Список используемых источников и литературы

1. Ашихмина Т. Я. Школьный экологический мониторинг. – Москва: Агар, 2022. с. 174-252.

2. Васильев В. П. Аналитическая химия: В 2 кн.: Кн. 1: Титриметрические и гравиметрические методы анализа: Учеб. для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец. — 4-е изд. — М.: Дрофа, 2004. — 368 с.

3. Озеров А. Г. Исследовательская деятельность учащихся в природе. – Москва: ФЦДЮТиК, 2022. С. 88-171.

4. Унифицированные методы анализа вод: учеб. пособие / Под ред. д-ра хим. наук Ю. Ю. Лурье. – Москва: Химия, 1973. С. 45-301.

Приложения

рнр