XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗМ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Велигура Д.Е. 1

---

1МКОУ "СОШ №4 МО "Ахтубинский район"

Конькова М.Н. 1

---

1МКОУ "СОШ №4 МО "Ахтубинский район"

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Вода – самое простое и привычное вещество на планете. Мы используем её каждый день и даже не задумываемся, сколько загадок вода таит в себе и какими уникальными свойствами она обладает. Учёные до сих пор исследуют воду и находят всё больше уникальных данных.

Как-то раз в школе, проходя возле кранов с водопроводной водой, я увидел, как школьники из младших классов пили воду прямо из крана. Ведь взрослые нам всегда говорят, что водопроводная вода - грязная, и, употребляя её неочищенной, можно заболеть дизентерией и множеством других болезней.

Я решил узнать, чем же вредна неочищенная водопроводная вода. И вот, среди множества упоминаний о вирусах и бактерия, содержащихся в такой воде, я встретил понятие жёсткости, которая также влияет на качество воды. Я подумал: "Какая жёсткость? Вода ведь жидкая!"

Поэтому я решил разобраться, что же такое жёсткость воды и как она влияет на здоровье человека. И можно ли пить воду прямо из крана, заранее не очищая её?

Вода – полярное неорганическое соединение с химической формулой H₂O. При стандартной температуре и давлении она представляет собой бесцветную жидкость без вкуса и запаха. Это единственно вещество, которое встречается в природе сразу в трёх агрегатных состояниях: в твёрдом (снег, лёд), жидком и газообразном на поверхности Земли.

Кроме плотности, температуры и прозрачности вода обладает свойством жёсткости.

Однако, такое понятие, как жёсткость воды, звучит странно. Было бы понятнее, если бы речь шла о льде. Но на самом деле этому свойству следует уделить большое внимание. Жёсткость воды определяет количество веществ растворённых в ней.

Вода считается универсальным растворителем. При длительном контакте с почвой или горными породами в ней растворяются все химические соединения и вещества, которые входят в состав грунтов и минералов. Также в воду попадают щелочноземельные металлы.

Отсюда следует, что жёсткость воды напрямую связана с состоянием окружающей среды. Поэтому важно понимать какую воду мы пьем, уметь распознать некачественную воду и попробовать довести показатели некачественной воды до уровня воды, готовой к потреблению без вреда для здоровья. Это и определяет актуальность выбранной темы исследования.

Цель проекта – измерение уровня жёсткости питьевой воды в г.Ахтубинске Астраханской области, определение её соответствия нормам и проверка действенности методов смягчения воды в домашних условиях.

Для реализации этой цели поставлены следующие задачи:

1. изучить понятие жёсткости воды;

2. ознакомиться с методами и приборами, определяющими жёсткость воды;

3. узнать способы смягчения воды;

4. применить на практике методы измерения жёсткости воды и способы смягчения воды, доступные в домашних условиях.

Гипотеза проекта: В домашних условиях можно определить жёсткость воды и сделать водопроводную воду мягче и ближе к санитарным нормам.

1. ВОДА В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

1.1. Вода – основа жизни человека

Питьевая вода - важный элемент необходимый для существования всего живого на планете. С давних времён люди старались размещать свои поселения вблизи какого-либо источника живительной влаги: реки, озера, моря, океана.

Менее 3% на планете Земля занимают водоемы с пресной водой. Это количество в 5 тысяч раз меньше, чем воды в морях и океанах. Однако человек для употребления может использовать лишь 1 % этой жидкости. Остальная пресная вода представляет собой ледники на горах и полярные льды.

Жизнь человека не только тесно связана с водой, но и зависит от неё. Обязательный элемент каждой живой клетки - это вода. Кровь человека содержит 30 % воды, мышцы — 75 %, стекловидное тело глаза — 99 %, кости — 25%, зубная эмаль — 0,2%. Слёзы, слюна, желудочный сок также содержат воду.

Когда мореплаватели и путешественники отправлялись в дальние странствия, то обязательно заботились о запасах питьевой воды. Ничто не имеет такой ценности для путника, как глоток воды. Без воды человек сможет прожить лишь 3-4 дня. Важнее только кислород, без него жизнь вообще невозможна. Без пищи можно продержаться значительно дольше.

На 60, а то и 70% человек состоит из воды. Находясь в утробе матери, пятимесячный эмбрион состоит из воды на 94%. К сожалению, с годами организм человека влагу утрачивает.

Недостаток воды приводит к таким симптомам, как быстрая утомляемость, вялость, раздражительность, повышение артериального давления и т.п. Необходимая норма чистой питьевой воды от 1,5 до 2 литров ежедневно. Если придерживаться этого правила, то продолжительность жизни в среднем увеличивается на 15-20 лет.

Оказывается, без воды продукты питания не усваиваются, то есть не имеют никакой питательной и энергетической ценности.

Итак, можно подвести итоги, что вода не только источник жизни, и здоровья, но и условие полноценного функционирования организма. Бодрое самочувствие, отличное настроение и привлекательный внешний вид на долгие годы - вот что гарантирует чистая вода. Здоровье - это так просто!

1.2. Свойства воды

Что вода является неделимым веществом, считалось до конца 18 века. Английский учёный Генри Кавендиш только в 1871 году доказал, что вода состоит из двух элементов. Французский химик Антуан Лавуазье позже назвал их: кислород и водород. Вода - окисел водорода, содержащий 88,6% кислорода и 11,4% водорода.

Как называют это вещество в химии, оксид водорода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При соединении чрезвычайно малые по размеру ионы водорода могут проникают в оболочку кислородного атома соседней молекулы. Таким образом, создается невероятно прочная связь, которая оберегает структуру воды от разрушения.

Только вода в зависимости от условий может быть в жидком, твёрдом или парообразном состоянии. Ни одно другое вещество не может так видоизменяться.

Свойства воды:

1. Текучесть. Вода состоит из очень подвижных частиц, благодаря чему может принимать любую форму.

2. Вкус. В чистом виде вода не имеет никакого вкуса. А вот минеральные вещества, растворенные в воде, придают ей вкус и полезные вещества для человека.

3. Несжимаемость — ещё одно увлекательное свойство воды. Вода не меняет свой объем в зависимости от силы воздействия (давления) на нее. Воду в жидком состоянии практически невозможно сжать.

4. Температура плавления и кипения.

При нормальном атмосферном давлении температура плавления воды составляет 0 градусов по Цельсию. Лёд начинает таять и превращаться в жидкость. Температура кипения равна 100 градусов по Цельсию. Вода из жидкого состояния превращается в пар. Этот закон применим только при атмосферном давлении 760 мм.рт.ст или 1 атмосфера.

5. Плотность. Максимальная плотность воды достигается при температуре 3,8…4,2°С, в этих условиях точное значение плотности воды составляет 999,972 кг/м³. При этой температуреинагрев, и охлаждение приводят к уменьшению плотности воды.

Такая температурная зависимость плотности характерна только для воды. То есть, плотность льда меньше плотности воды в жидкой форме. Из-за этого водоёмы начинают замерзать не снизу, а сверху, образуя корку. Именно эта корка и не даёт промёрзнуть остальной жидкости.

6. Поверхностное натяжение. Вода обладает силой поверхностного натяжения, то есть на поверхности образуется пленка. Благодаря этому свойству некоторые насекомые могут свободно передвигаться по глади воды.

7. Теплоёмкость воды - то есть количество тепла, передающееся воде для повышения температуры до определенного уровня. Этот показатель может превышать теплоёмкость других веществ, существующих в природе от 5 до 10 раз.

Благодаря тому, что водоёмы днем медленно нагреваются, а ночью также медленно охлаждаются, наш климат остается стабильным и поддерживается температура водных экосистем. Высокая теплоёмкость воды делает водоёмы мощнейшим энергонакопителем и регулятором температуры поверхности на Земле.

8. Растворимость. Вода может растворять множество веществ, ведь она является универсальным растворителем. Благодаря этому свойству, вода играет важную роль в химических реакциях и обмене веществ в организмах.

9. Жёсткость воды — свойство, основанное на содержании в воде различного количества катионов кальция Ca2+ и магния Mg2+ (так называемых солей жёсткости).

При большом содержании таких солей - вода называется жёсткой. Она оставляет разводы, накипь, выводит из строя технику, а также пагубно влияет на здоровье людей

Разберёмся, что нужно знать о жёсткости питьевой воды, от чего вода становится жёсткой и как защитить себя от влияния жёсткой воды.

2. ЖЁСТКОСТЬ ВОДЫ. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЁСТКОСТИ ВОДЫ. СПОСОБЫ ЕЁ УСТРАНЕНИЯ

2.1. Что такое жёсткость воды, единицы измерения, виды жёсткости, источники увеличения жёсткости воды

Что такое жёсткость воды?

Жёсткая и мягкая вода — что это значит. Виды жёсткости воды. Что такое жёсткая и мягкая вода?

Если говорить просто, то жёсткая вода содержит в себе большое количество солей щёлочноземельных металлов, растворённых в ней, как правило, это кальций и магний (вернее сказать, катионов этих металлов). Их содержится намного меньше в мягкой воде. Жёсткость, а вернее количество солей, содержащихся в воде, измеряют в миллиграмм-эквивалент на литр (сокращенно: мг-экв./л). Один миллиграмм-эквивалент на литр говорит о том, что в 1 литре воды присутствует 20,04 мг катионов кальция или 12,16 мг катионов магния.

В данной таблице (см. Таблица 1) приведены основные катионы металлов, вызывающие жёсткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются.

Таблица 1 – Катионы и анионы жёсткости воды

Согласно ГОСТу 31865-2012, в Российской Федерации жёсткость измеряется в градусах (1ºЖ равен 1 мг-экв/л). Это значит, что при жёсткости в 1ºЖ концентрация кальция и магния эквивалентна половине одного миллимоля на литр.

В зависимости от количества солей жёсткости, вода считается (см. Таблица 2):

• мягкой - дистиллированная, кипяченая, дождевая или талая вода;

• средней – это вода из артезианских скважин и родников, а также из централизованной водопроводной системы;

• жёсткой - это вода, добытая из скважин, где растворён гипс, известняк, доломиты;

• сильно жёсткой - вода, добытая из солёных водоёмов и впоследствии опреснённая.

С какой жёсткостью воду можно пить

Таблица 2 – Нормы жёсткости воды

В СанПиН России прописаны предельно допустимые нормы концентрации солей жёсткости в питьевой воде (0-7 мг-экв/л). Если значение выше 7 мг-экв./л, то в качестве питьевой, такую воду нельзя использовать, не опасаясь серьёзных проблем для всего организма: начиная от кожи и волос, заканчивая такими системами, как сердечно-сосудистая, мочеполовая, костная и желудочно-кишечная. Вода с излишней концентрацией солей жёсткости не подходит и для технического применения, так как портит оборудование.

Единицы измерения жёсткости воды

Чтобы узнать уровень жёсткости необходимо определить количество катионов кальция и магния. Сейчас существуют различные единицы измерения данного показателя (см. Таблица 3):

1. Моль/м³ (моль на кубический метр) — применялся в России до 2014г.

2. °Ж (градус жёсткости) – данная единица измерения используется в России с 2014 г.

3. dH (немецкий градус) — используется в странах Европы.

4. f^o (французский градус) - также применяется в европейский странах.

5. ppm CaCO₃ (американский градус) — используется в североамериканских штатах.

Моль на кубический метр как единица измерения общей жёсткости в России стала использоваться только с 1952 года. До этого уровень жёсткости рассчитывался в градусах, которые соответствуют современному немецкому градусу.

С 2014 года согласно международному стандарту в России подсчёт жёсткости осуществляется в градусах (°Ж). Один градус равен 1/2 миллимоля на литр жидкости.

Таблица 3 - Единицы измерения жёсткости воды в разных странах

1⁰Ж = 20,04 мг Са₂+ или 12,15 Mg₂+ в 1 дм³ воды;

1⁰DH = 10 мг СаО в 1 дм³ воды;

1⁰Clark = 10 мг СаСО₃ в 0,7 дм³ воды;

1⁰F = 10 мг СаСО₃ в 1 дм³ воды;

1⁰ppm = 1 мг СаСО₃ в 1 дм³ воды.

Виды жёсткости воды

Вода считается универсальным растворителем. В разной местности состав воды меняется благодаря находящимся там природным источникам. Вода, обогащённая углекислым газом, проходит в землю, проходит через различные геологические породы, например через кальцит, доломит, гипс. Таким образом, минеральные и органические вещества, а также различные металлы, содержащиеся в этих породах, отдают часть своих ионов воде. Они-то и влияют на общий уровень минерализации. (TDS - аббревиатура от английского total dissolved solid - в переводе общее количество растворённых частиц в воде).

Суммарное значение преобладающих катионов кальция и магния даёт общую жёсткость воды. Её разделяют на два вида (см. Таблица 4):

• временную (карбонатную);

• постоянную (некарбонатную).

Формула общей жёсткости имеет вид:

Ж_о = [Ca²⁺] + [Mg²⁺] = Ж_к + Ж_нк

Общая жёсткость воды

Карбонатная (временная)

Некарбонатная (постоянная)

МgSO₄, CaSO₄,

MgСl₂, CaCl₂

Са (НСО₃)₂

Мg(НСО₃)₂

Таблица 4 – Виды жёсткости воды

1 Карбонатная или временная жёсткость говорит о том, что в воде содержатся карбонаты и гидрокарбонаты кальция Ca(HCO₃)₂ и гидрокарбонаты магния Mg(HCO₃)₂. Такой вид жёсткости можно устранить, просто прокипятив воду, поэтому её называют временной.

2. Некарбонатная или постоянная жёсткость. Это означает, что в воде содержатся также и другие соли, например сульфаты кальция CaSO₄ и сульфаты магния MgSO₄, а также хлориды кальция CaCl₂ и хлориды магния MgCl₂. Эти соединения не устраняются при кипячении, поэтому жёсткость и называют постоянной. Некарбонатную жёсткость можно устранить, добавив в воду фосфат натрия, известковую воду или соду, чтобы осадить ионы магния и кальция.

3. Общая жёсткость - это обобщённое значение карбонатной и некарбонатной жёсткости воды. То есть учитываются все соли щёлочноземельных металлов, которые содержатся в воде, а также наличие фосфатов, сульфатов, гидрокарбонатов и карбонатов. Как и некарбонатную жёсткость, общую нельзя уменьшить при помощи кипячения.

Есть несколько классификаций жёсткости воды (см. Таблица 5). В России вода считается жёсткой, если в ней более 10 мг-экв./л солей. Вода, в которой содержится от 2 до 10 мг-экв./л. солей, считается средне жёсткой, а вода с содержанием солей менее 2 мг-экв./л. считается мягкой.

Таблица 5 - Классификация воды

Поверхностные воды, в отличие от подземных источников, содержат меньше солей из-за того, что постоянно разбавляются выпадающими осадками - дождём или снегом. Поэтому уровень жёсткости в них не может быть постоянным. Более жёсткой вода становится зимой, а весной в период паводков снижается. В подземных водах показатель жёсткости более стабильный.

Источники увеличения жёсткости воды

В природе вода совершает круговорот. Сначала вода испаряется с поверхности земли и водоемов. Из водяного пара образуется туман, а из него облака. Далее идет охлаждение и конденсация воды. В таком виде она выпадает осадками, не содержащими примесей, на поверхность земли. А уже далее, проходя через земные породы, вода насыщается ионами различных пород и приобретает жёсткость.

Появление солей кальция и магния (Mg и Ca) в воде может быть вызвано следующими факторами:

- Горные породы, например, известняк, через которые проходят подземные воды, насыщаясь ионами кальция и магния.

- Природный гипс, доломит, и другие геологические породы влияют на уровень жёсткости наземных водоёмов и приповерхностных вод.

- Некоторые минералы, вступая в химическую связь с углекислым газом, образуют химические соединения, которые увеличивают жёсткость воды.

- В грунтах сельскохозяйственных земель, которые находятся в местах водозабора, проходят микробиологические процессы, увеличивающие содержание ионов магния и кальция.

- Техногенные факторы. Например, выбросы промышленных предприятий, стоки строительных и жилищно-коммунальных хозяйств. Эти вредные загрязнения проникают через почву в грунтовые воды, негативно влияют на открытые водоёмы.

2.2. Методы определения жёсткости воды

Для оценки показателей жёсткости воды используются следующие способы:

1. Титрование - это способ определения в растворе количества химического вещества. Метод основан на реакции, протекающей между реагентом и тем веществом, которое исследуют. Этот процесс широко применен для анализа химического состава воды.

2. Колориметрический метод (в переводе с англ. color - цвет) - это анализ, в ходе которого сравнивается изменение качества и количества потоков света, проходящих сквозь раствор, который проходит испытание, и первоначальный образец. Если измерение окраски происходит визуальным способом (например, интенсивность окраски сравнивается с каким-нибудь образцом), то метод называют визуально-колориметрическим.

Степень жёсткости воды можно также определить и в домашних условиях. Конечно, эти методы не дадут точный результат, но понять жёсткая вода или мягкая получится без труда.

1. Кипячение. Самый легкий, но и наименее точный способ. Жёсткая вода в чайнике образует налёт. Также вода может иметь другой вкус. Нужно прокипятить её в течение 3–5 минут – сладкий вкус покажет, что в воде много гипса, терпкий - в воде большое количество железа, горький вкус указывает на повышенное содержание магния. Но надо учитывать, что это довольно субъективный метод.

2. Зеркало или стекло. Нанести каплю воды на ровную стеклянную поверхность. Для чистоты эксперимента лучше использовать и сырую, и кипяченую воду. Когда капли полностью высохнут, посмотреть остался ли осадок. По его концентрации можно определить, насколько жёсткая вода. Если следов на стекле не осталось, значит - вода мягкая.

3. Проверка с помощью мыла. В мягкой воде мыло хорошо пенится, но и плохо смывается. При повышенной жёсткости воды потребуется больше времени и сил, чтобы намылить пену.

4. По разводам на сантехнике. При жёсткой воде образуются известковые отложения. Из-за них забиваются сетки кранов, душевые лейки, резьба на кранах.

5. По внешнему виду, вкусу и запаху. Вода хорошего качества - прозрачная, не имеет постороннего запаха и не образует осадок. Что касается вкуса и запаха, то здесь нужно нагреть воду до 20, а затем до 60 градусов. Если при 60 градусах допускается небольшой привкус, то при 20 градусах вода должна быть без вкуса и без запаха.

6. Отстаивание. Ещё один простой способ. Взять чистую ёмкость, налить в неё воды и поставить в тёмное место на 2-3 дня. Некачественной можно считать воду, которая стала зеленоватой или на ней появилась маслянистая плёнка.

7. Разбавить чай сырой водой. Нужно долить в свежезаваренный чай немного сырой воды. Всё в порядке, если чай стал светлее. Если же стал мутным, значит, в воде содержится большое количество солей и других примесей.

8. Добавить марганцовку. Нужно растворить небольшое количество марганцовки в воде. Розовый цвет говорит, что вода хорошего качества. Если цвет стал жёлтым - такую воду не следует пить.

Приборы для измерения жёсткости воды

Также для измерения жёсткости воды существуют специальные приборы, такие как:

1. РН-метр применяется для измерения уровня кислотности в различных средах. Данный прибор определяет активность ионов водорода, то есть водородный показатель, в конкретной среде. Среда считается нейтральной, если значение рН равно 7, например, дистиллированная вода. Кислой считается среда, в которой показатель рН меньше 7. Показатель выше 7 – указывает на щелочную среду.

2. Фотометр – это устройство, которое измеряет различные фотометрические параметры, такие как уровень яркости, степень освещённости, силу света, интенсивность световых потоков. Также он осуществляет измерение параметров, которые связаны с различными излучениями, такими как ультрафиолетовое и инфракрасное. Еще фотометр позволяет обнаружить в составе исследуемого образца и другие щелочные металлы, например, литий и натрий.

3. TDS-метр, или солемер, может измерить не только жёсткость воды, но и её электропроводимость. Он определяет степень концентрации солей и других веществ, растворенных в воде. Иначе говоря, кроме ионов кальция и магния, TDS-метр определяет содержание всех ионов, содержащихся в исследуемой жидкости.

4. Тест-полоски. Для измерения жёсткости тест-полосками, необходимо на пару секунд опустить индикаторную полоску в воду, вынуть и 15 секунд подождать. Цвет полоски изменится, так как ионы солей, которые содержатся в воде, вступят в реакцию с индикатором. По цветовой шкале, можно определить результаты пробы (шкала прилагается к набору полосок).

2.3. Методы смягчения воды

1. Мембранный метод. По-другому этот метод также называют обратный осмос. Благодаря этому способу воду можно не только смягчить, но и очистить от разного вида примесей, ионов тяжелых металлов, хлора и хлорорганических соединений, бактерий, взвесей. В ходе данного метода вода под давлением проходит через полупроницаемые мембраны (в основном, полиамидные). Лишь молекулы воды могут проходить через такую мембрану. Все соли жёсткости задерживаются на мембране, поэтому вода очищается на 97-99%.

2. Электродиализ - это процесс удаления солей из воды с помощью электрического поля. Специальные мембраны убирают ионы веществ, которые в ней растворены. С помощью этого метода удаляются не только соли кальция и магния, но и соли других веществ.

3. Процесс смягчения воды с использованием реагентов включает в себя добавление в воду специальных химических веществ, и удаление затем образующихся нерастворимых или слаборастворимых соединений.

Для химического снижения жёсткости воды используют следующие реагенты:

- Полифосфаты натрия, например, ортофосфат. Не подходят для смягчения питьевой воды, используются для технической воды.

- Кальцинированную соду. Используют, если в воде значительно выражена карбонатная жёсткость.

- Одновременно гашеную известь и кальцинированную соду. Этот способ предназначен в основном для промышленных масштабов.

4. Смягчение воды с использованием ионообменных смол - это наиболее используемый метод, который применяют коммунальные службы и пищевая промышленность. Когда вода проходит через смолы, происходит высвобождение ионов магния и кальция. Их место занимают ионы калия, натрия и водорода.

5. Магнитный метод. Соли жёсткости преобразуются в такое состояние, при котором происходит их кристаллизация, но не в твёрдый кальцит, который откладывается на трубах, а в неустойчивый арагонит, который выводится вместе с водой. Для этого, устанавливаются на трубы постоянные магниты, которые помогают изменить структуру солей кальция и магния.

6. Электрохимический метод. Этот способ включает в себя одновременно происходящие процессы, в воде находящейся между электродами. Это такие процессы как электролиз, электрофорез, поляризация. Благодаря этому образовываются нерастворимые в воде соли кальция и магния, которые затем удаляются через фильтр.

Перечисленные способы используются для смягчения воды в больших объемах для производственных целей.

Способы умягчения воды в домашних условиях

Рассмотрим более доступные методы умягчения воды в домашних условиях, эти методы помогут очистить лишь небольшие объёмы воды.

1. Самый простой способ, который мы используем каждый день, это кипячение или, как его ещё называют термический способ. Суть термического умягчения воды в том, что при нагревании жидкости свыше 90°С соли кальция и магния выпадают в осадок. Этот способ подходит для смягчения воды с временной жёсткостью, но не подходит для жёсткости постоянной, некарбонатной.

2. Заморозка. Этот метод основывается на частичной заморозке жёсткой воды. Жидкость наливают в посуду и ставят в морозильную камеру холодильника. При появлении на внутренней поверхности сосуда ледяного нароста незамерзшую воду сливают. Полученная изо льда вода будет вполне пригодна для питья. Полезные свойства не исчезнут, а вредные примеси останутся в слитой воде.

3. Отстаивание. Смысл метода в том, что под воздействием естественной силы тяготения, взвешенные частицы растворенных примесей осаживаются на дно. Таким способом можно избавиться и от растворенного в жидкости хлора. В чистую ёмкость нужно налить воду, закрыть и оставить на 5-6 часов. Для употребления подойдут лишь верхние две трети отстоянной воды, осадок нужно вылить.

4. Фильтр-кувшин. Это ёмкость с двумя резервуарами. В верхний заливается вода, затем она проходит через картридж-очиститель и попадает в нижний уже очищенной. Для употребления используют воду из нижнего резервуара. Сменный картридж с угольным наполнителем служит хорошим барьером для вредных водных примесей. Замена фильтрующего элемента производится в зависимости от частоты применения и степени жёсткости воды.

5. Проточные фильтры с ионо-обменными смолами – устанавливаются между трубой подачи воды и краном. Благодаря активному действию смолы, содержащейся в таких фильтрах, из воды убираются различные примеси, влияющие на качество воды.

Далее будут перечислены методы для смягчения воды, которую можно использовать в быту, но для употребления в пищу, она уже не подходит.

1 Лимонная кислота и уксус. Показатели жесткости будут снижаться прямо пропорционально росту кислотности данной жидкости. Этот метод можно использовать в области косметологии без ущерба для здоровья. Рецепт приготовления прост: 1 ч. л. лимонной кислоты или 1 ст. л. столового уксуса смешивается с 2 л жидкости. Затем нужно выждать 5-7 мин. до полного растворения солей, после этого мягкую воду можно применять.

2. Пищевая сода. Растворяясь в воде, сода вступает в реакцию с солевыми и кислотными примесями, и способствует их быстрому распаду. На 10 л воды берут 2 ч. л. пищевой соды. Нужно дать жидкости отстояться, чтобы выпал осадок.

3. Поваренная соль. Показатель жёсткости воды снижается благодаря тому, что растворённая в воде поваренная соль нейтрализует магниевые и кальциевые включения, тем самым снижая величину жёсткости воды. Именно этот метод широко используется в средствах для посудомоечных машинах. Основным компонентом таблеток и гранул, продаваемых в магазинах для техники, является именно поваренная соль.

4. Крахмал. На 1 л жидкости берут 1 ч. л. крахмала, тщательно перемешивают. Этот метод хорошо подходит для купания и стирки белья, так как полученный раствор оказывает благотворное действие на состояние кожи.

2.4. Влияние жёсткой и мягкой воды на человека

Вода играет первостепенную роль в жизни всех живых организмов. Человек — не исключение. Больше всего воды содержит мозг человека — до 85 %, мышечная ткань — около 70 %.

Важную роль вода играет в пищеварении, способствуя быстрому и полному усвоению питательных веществ. Также вода выводит из организма конечные продукты обмена веществ, токсины.

Вода принимает участие в терморегуляции организма человека, необходима для смазки суставов. Кроме того, вода:

• увлажняет вдыхаемый воздух;

• сохраняет упругость кожи;

• регулирует давление крови в сосудах;

• предохраняет почки от образования камней;

• выступает в качестве амортизатора для спинного мозга;

• служит защитой жизненно важным органам.

От качества воды, которая используется для питья и приготовления пищи, напрямую зависит здоровье всех органов и систем.

Жёсткая вода негативно влияет на кожу человека. При взаимодействии жёсткой воды с мылом образуются «мыльные шлаки», они не смываются, разрушают естественную жировую пленку, которая защищает кожу от старения и неблагоприятных климатических факторов, забивают поры. На волосах образуется микроскопическая корка, которая вызывает сыпь, зуд, сухость, перхоть, шелушение.

Высокая жёсткость оказывает отрицательное воздействие на органы пищеварения. Постоянное употребление воды с повышенной жёсткостью приводит к снижению моторики желудка и накоплению солей в организме.

Переизбыток магния и кальция в воде сильно влияет на сердечно-сосудистую систему. Продолжительное использование жёсткой воды может привести к заболеваниям суставов (артритов, полиартритов), образованию камней в почках и желчных путях.

Использования жёсткой воды опасно не только для людей, но и для домашних питомцев и растений - излишнее содержание солей магния и кальция в воде может привести к болезням и даже гибели.

Слишком малое содержание солей жёсткости (мягкая вода) не менее вредно для человека:

• Низкое содержание солей кальция в воде приводит к его вымыванию из организма, что может вызвать ломкость костей и разрушение зубов, а также заболевания суставов и сосудов. Недостающий кальций в воде и пище организм забирает из костей. Однако, большая его часть не усваивается, что ведет к образованию камней во внутренних органах, а также костных шпор.

• Также в результате нехватки кальция и магния возникают сердечно-сосудистые проблемы.

Во избежание серьезных заболеваний нежелательно постоянно употреблять как слишком жёсткую, так и очень мягкую воду.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЁСТКОСТИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В Г.АХТУБИНСКЕ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СМЯГЧЕНИЯ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

3.1. Измерение жёсткости питьевой воды в г. Ахтубинске Астраханской области

Изучив, что же такое жёсткость воды, методы её определения и способы устранения, остановимся на изучении воды, которую мы употребляем в пищу каждый день (см. Таблица 6).

Итак, изучим жёсткость питьевой воды в г. Ахтубинске Астраханской области в домашних условиях.

При проведении опытов, также нужно учитывать в какое время года проводятся измерения. Ведь жёсткость водопроводной воды может колебаться в зависимости от времени года. Осенью в дождливое время или весной во время паводка соли понемногу разбавляются, и вода становится более мягкой. А летом, при жаркой погоде вода испаряется быстрее, а соли жёсткости остаются в том же количестве, и жёсткость воды повышается.

Я проводил измерение жёсткости воды в январе 2024г., поэтому общий уровень жёсткости воды будет меньше, чем, если бы опыт проводился летом.

Для проведения опытов я использую следующие приборы: тест-полоски, TDS-метр и титровальный тест для измерения общей жёсткости воды. Приборами пользуются следующим образом:

Тест-полоски: Необходимо взять тест-полоску и на 2 секунды опустить в воду. Затем вынуть и выждать 15 секунд. Далее нужно сверить полученный результат с контрольной шкалой, которая прилагается к набору тест-полосок. Диапазон измерения pH 1.0-14.0, с шагом 1 ед. Уровень pH для питьевой воды считается нормальным в пределах от 7.0 до 7.5. Значение 7.0 означает нейтральный уровень. Если показатель ниже, то это говорит о повышенной кислотности. Если значение выше 7.0, то значит, преобладает щелочь.

TDS-метр: Необходимо опустить TDS-метр в воду и подождать 10 секунд. Показатель жёсткости воды будет указан на экране TDS-метра. Чтобы перевести величину жёсткости из промилле (ppm), в которых указываются показания на TDS-метре в градусы, используемые в России, необходимо разделить полученное в промилле число на 17,86. (Например:311ppm:17,86=17,41^оЖ).

Титровальный тест: Проводим опыт согласно инструкции:

1. Необходимо набрать в стеклянную кювету 10 мл воды, которая будет тестироваться.

2. Далее нужно добавить 5 капель реактива GH#1 и перемешать.

3. Затем микрошпателем добавить в кювету индикатор GH#2. Перемешать, чтобы произошло полное растворение.

4 . Набрать 1 мл реагента GH#3 (титрант) в прилагаемый шприц и по каплям через иглу добавить в кювету. В течение 2-3 секунд после очередной добавленной капли титранта произойдет реакция.

5. Когда цвет жидкости изменится с красно-фиолетового на синий, то титровальный тест завершен.

6. В завершении необходимо определить количество титранта, которое было израсходовано. Это можно сделать по шкале на шприце. (Например, если на пробу в 10 мл было израсходовано 0,63 мл титранта означает, что общая жёсткость тестируемой воды составляет 12,6 градусов GН).

Таблица 6 - Сравнение показателей воды

Опыт 1. Измерение жёсткости воды из реки Ахтуба:

Вода в наш водопровод поступает из реки Ахтуба через очистные сооружения. Поэтому вначале измерим показания жёсткости воды непосредственно из реки.

Измеряем жёсткость воды из реки Ахтуба (см. Приложение опыт 1):

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр – 257 ppm (14,38 ^оЖ)

Титровальный тест – 12 ^оЖ (0,60 мл титранта)

Опыт 2. Измерение жёсткости водопроводной воды

Наливаем холодную водопроводную воду в чистый стакан (см. Приложение опыт 2)

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр – 241 ppm (13,49 ^оЖ)

Титровальный тест – 13 ^оЖ (0,65 мл титранта).

Опыт 3. Измерение жёсткости водопроводной воды в школе

Наливаем холодную водопроводную воду в чистый стакан (см. Приложение опыт 3)

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр – 270 ppm (15,11 ^оЖ)

Титровальный тест – 12 ^оЖ (0,60 мл титранта).

В СанПин России указана норма жёсткости 7 единиц. Во всех европейских странах предел допустимой жёсткости воды составляет 2 единицы. Столь высокие нормы в России связаны с обширной географией. В различных регионах жёсткость может значительно различаться из-за особенностей почвы и подземных вод.

3.2. Применение методов смягчения воды в домашних условиях

В ходе проведенных выше опытов было выяснено, что вода в г.Ахтубинске Астраханской области является средне-жёсткой. Поэтому попробуем применить на практике некоторые методы смягчения жёсткости воды в домашних условиях и сравним результаты.

Будем использовать следующие методы:

- кипячение;

- отстаивание;

- замораживание;

- фильтр-кувшин.

После применения данных методов снова произведём измерения жёсткости получившейся воды с помощью тест-полосок, TDS-метра и титровального теста.

Опыт 4. Уменьшение жёсткости воды с помощью кипячения

Наливаем в чайник холодную водопроводную воду и вскипятим её. Остудим до комнатной температуры. Теперь измерим жёсткость получившейся жидкости (см. Приложение опыт 4)

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр -277 ppm (15,50 ^оЖ)

Титровальный тест - 14 ^оЖ (0,70 мл титранта).

Опыт 5. Уменьшение жёсткости воды с помощью кипячения в школе

Вскипятили водопроводную воду. Остудили до комнатной температуры. Теперь измерим жёсткость получившейся жидкости (см. Приложение опыт 5)

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр -277 ppm (15,50 ^оЖ)

Титровальный тест - 14 ^оЖ (0,70 мл титранта).

Опыт 6. Уменьшение жёсткости воды с помощью отстаивания

Набираем в чистую ёмкость холодную водопроводную воду. Накрываем ёмкость. Оставляем ёмкость на ночь. Осторожно, не встряхивая ёмкость, сливаем примерно 2/3 верхнего слоя воды. Измеряем жёсткость получившейся жидкости (см. Приложение опыт 6)

Тест-полоски показали – № 7

TDS-метр – 237 ppm (13,26 ^оЖ)

Титровальный тест – 10 ^оЖ (0,50 мл титранта)

Опыт 7. Уменьшение жёсткости воды с помощью замораживания

Набираем в чистую ёмкость холодную водопроводную воду. Ставим данную ёмкость в морозильную камеру холодильника. Следим, чтобы на внутренней поверхности ёмкости появился ледяной нарост. Вынимаем ёмкость и сливаем остатки незамёрзшей воды. Даём льду растаять и доводим воду до комнатной температуры. Измеряем жёсткость получившейся воды(см. Приложение опыт 7)

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр – 105 ppm (5,87 ^оЖ)

Титровальный тест – 6 ^оЖ (0,30 мл титранта).

Опыт 8. Уменьшение жёсткости воды с помощью замораживания в школе

Проводим опыт с замороженной водой. Слили остатки незамёрзшей воды, дали льду растаять. Измеряем жёсткость получившейся воды(см. Приложение опыт 8)

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр – 132 ppm (7,39 ^оЖ)

Титровальный тест – 7 ^оЖ (0,35 мл титранта).

Опыт 9. Уменьшение жёсткости воды с помощью фильтр-кувшина

Устанавливаем новый картридж-очиститель. Наливаем холодную водопроводную воду в верхний резервуар. Ждём, пока вся вода не пройдёт через картридж-очиститель и не окажется в нижнем резервуаре. Теперь измеряем жёсткость получившейся воды (см. Приложение опыт 9)

Тест-полоски показали - № 7

TDS-метр – 204 ppm (11,42 ^оЖ)

Титровальный тест – 4 ^оЖ (0,20 мл титранта).

3.3. Сравнение показателей жёсткости воды до и после смягчения.

Теперь сверим получившиеся показания (см. Таблица 7) и определим наиболее действенный способ смягчения жёсткости воды в домашних условиях.

Таблица 7 – Сравнение образцов исследуемой воды

* Фильтр-кувшин очищает водопроводную воду от всех основных загрязнителей, как хлор и хлорорганические соединения, тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и т. п.), неорганическое железо, соли жесткости в избыточном количестве, ПАВы, нитраты и нитриты, и т.п.

** Так как TDS-метр измеряет электропроводность, а титровальный тест учитывает все загрязнения, то значения так сильно отличаются.

Из таблицы видно, что наиболее действенными способами оказались замораживание и использование фильтр-кувшина.

Но также видно, что после кипячения и отстаивания, уровень жёсткости изменился не существенно. Как же такое может быть? Данный результат можно объяснить. Уровень жёсткости в г.Ахтубинске Астраханской области относится к классификации средне-жёсткой. При кипячении и отстаивании происходит выпадение солей в осадок. Однако, и при кипячении, и при отстаивании воды происходит испарение жидкости, особенно интенсивное испарение происходит при кипячении. Поэтому после испарения части воды получилось, что в меньшем количестве жидкости осталось примерно первоначальное количество солей кальция и магния. Из-за этого показания жёсткости не уменьшились (см. График 1, График 2, График 3).

График 1 – График показателей измерения жёсткости воды тест-полосками

График 2 – График показателей измерения жёсткости воды TDS-метром до и после смягчения (⁰Ж)

График 3 – График показателей измерения жёсткости воды титровальным тестом до и после смягчения (^оЖ)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы были выполнены поставленные задачи, а именно ознакомление с понятием жёсткости воды, методами и приборами для её определения, способами устранения в промышленных и домашних условиях, а также влияние жёсткости воды на здоровье человека.

Все эти знания были получены, чтобы исследовать жёсткость воды в городе, в котором я живу, г. Ахтубинске Астраханской области и выяснить является ли вода, которую мы употребляем каждый день пригодной и безопасной для здоровья. Опыты проводились в домашних условия способами, доступными любому человеку. После проведенных исследований и сравнения с ГОСТом выяснилось, что вода, потребляемая нами каждый день, соответствует показателям средне-жёсткой. Значит, при ежедневном употреблении она может иметь отрицательное влияние на здоровье человека.

Также были на практике применены методы смягчения жёсткости воды в домашних условиях. Выдвинутая мною в начале проекта гипотеза нашла подтверждение. Различные методы смягчения воды ведут к ощутимо различным результатам. Так выяснилось, что такие методы как кипячение и отстаивание не приводят к желаемому результату и жёсткость воды не снижается. Этот факт зависит от интенсивного испарения жидкости и малого выпадения в осадок солей кальция и магния. Это в конечном итоге привело к тому, что при меньшем объёме воды осталось почти неизменное количество солей, что и не привело к снижению жёсткости воды. Конечно же, не стоит отказываться от кипячения воды, ведь это, в первую очередь обеззараживание, то есть уничтожение живых клеток бактерий и вирусов. Однако перед кипячением имеет смысл подвергнуть воду дополнительному методу смягчения, например, пропустить воду через фильтр-кувшин или бытовой фильтр. Итак, после проведенных опытов видно, что в г.Ахтубинске Астраханской области вода является средне-жёсткой и может нанести вред здоровью человека.

В заключение всего сказанного, хотелось бы вернуться к актуальности моего проекта.

Объёмы воды на Земле огромны и она необходима для жизни. Однако, выйдя из-под контроля, вода может вызывать ужасные разрушения и гибель людей. Не менее пагубным может быть и её отсутствие, вызванное капризами климата или тем, что человек иногда вмешивается в естественные процессы природы, нарушая их равновесие. Видимо поэтому почитание воды и поклонение её целебным свойствам всегда занимало особое место в жизни человечества.

Воду, как важнейшую жидкость на Земле, нужно, так сказать уважать. Под этим словом я подразумеваю не загрязнять океаны, не растрачивать её впустую, ведь если её не будет, мира тоже просто не будет.

Глоссарий

Анионы – отрицательно заряженный ион.

Арагонит — минерал, один из естественных полиморфов карбоната кальция. Назван по области Арагон в Испании.

Ионообменные смолы — смеси, которые применяются, чтобы удалять из воды железо, соли жёсткости, марганец и другие органические соединения.

Кальцит (известковый шпат) — минерал из класса природных карбонатов, одна из природных форм карбоната кальция (CaCO₃). Широко распространён в земной коре.

Катионы – положительно заряженные ионы.

Коллоиды – неосаждающиеся частицы очень маленького диаметра, способные проходить через стандартный фильтр.

Колориметрический метод – метод для определения количества различных веществ в растворе. Это касается тех веществ, которые дают окраску растворам или превращаются в окрашенные соединения уже в самом растворе.

Конденсация – Изменение состояния вещества из парообразного в жидкое или твердое.

Кондуктометрия - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электрической проводимости растворов. Применяют для определения концентрации растворов солей, кислот.

Обратный осмос – процесс, в котором, при определённом давлении, растворитель проходит через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в обратном для осмоса направлении.

Общая минерализация воды – показатель количества содержащихся в воде растворённых веществ.

Полярное вещество – соединения, молекулы которых обладают электрическим дипольным моментом. Для полярных веществ, в сравнении с неполярными, характерны высокая диэлектрическая проницаемость, повышенные температура кипения и температура плавления.

Солемер — океанологический прибор для измерения солёности морской воды, одной из основных гидрофизических характеристик.

Терморегуляция – способность живых организмов поддерживать температуру тела в определённых границах, даже если температура внешней среды значительно отличается.

Титрование – это аналитический метод, который позволяет определить количество конкретного вещества, растворенного в образце, путем добавления реагента с известной концентрацией.

Тест-полоски – предназначены для качественного и полуколичественного определения общей жесткости (GH) воды. Полоски дают возможность определить жесткость воды всего за 1 минуту.

Фотометр — прибор, который осуществляет измерение фотометрических величин связанных с инфракрасным и ультрафиолетовым излучениями. С его помощью измеряют степень плотности и светопропускающую способность жидкостей.

Электродиализ – использование электричества для расщепления воды на кислород (O₂) и водород (H₂).

рН-метр – используется для определения уровня кислотности в различных средах. Прибор измеряет водородный показатель, который характеризует активность ионов водорода в конкретной среде.

рpm – Миллионная доля — единица измерения каких-либо относительных величин.

TDS-метр – измеряет минерализацию жидкости, количество частиц, растворенных в воде.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Егоров А.С. Репетитор по химии. – Изд. 60-е. – Ростов н/Д: Феникс, 2019. – 762 с.

2. Калякин, С. Н. Вода и ее химические свойства / С. Н. Калякин, С. Л. Покутняя. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2019. — № 3 (23). — С. 20-23. — URL

3. Кучковский, А. Е. Изучение свойств воды, текучести, несжимаемости и способов их применения в жизни человека. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2018. — № 1 (15). — С. 50-57. — URL:

4. Френкель Е.Н. Химия. Самоучитель. Книга для тех, кто хочет сдать экзамены, а также понять и полюбить химию. Элементы общей, неорганической и органической химии. – М.:АСТ, 2023. – 352 с.

Описание электронных ресурсов:

1. Википедия (wikipedia.org)

2. Жесткость воды и способы ее устранения | Методы умягчения воды (wt-filter.ru)

3. https://expertchistoti.ru/kak-smyagchit-vodu/

4. Методы умягчения воды (pcgroup.ru)

5. Отстаивание водопроводной воды: плюсы и минусы простейшей очистки | BWT

6. Умягчение воды: как сделать питьевую жесткую воду из скважины мягче с помощью смягчителей, методы и способы умягчить в домашних условиях для питья, что такое умягченная жидкость (ovteh.ru)

7. https://wika.tutoronline.ru/himiya/class/11/osnovnye-svedeniya-o-zhestkosti-vody-v-himii--opredelenie-formula

8. https://indicator-ru.turbopages.org/turbo/indicator.ru/s/chemistry-and-materials/vredno-li-pit-zhestkuyu-vodu.htm

9. https://foodandhealth.ru/komponenty-pitaniya/voda/

10. https://nauchniestati.ru/spravka/voda-v-prirode/

11. https://moluch.ru/young/archive/23/1404/

ПРИЛОЖЕНИЕ:

Приборы, с помощью которых проводились опыты:

Фильтр-кувшин Тест-полоски TDS-метр

Титровальный тест

Опыт 1. Измерение жёсткости воды из реки Ахтуба:

Тест-полоски TDS-метр Титровальный тест

Опыт 2. Измерение жёсткости водопроводной воды:

Тест-полоски TDS-метр Титровальный тест

Опыт 3. Измерение жёсткости водопроводной воды в школе:

Тест-полоски TDS-метр

Титровальный тест (последовательность проведения опыта)

Опыт 4. Уменьшение жёсткости воды с помощью кипячения:

Тест-полоски TDS-мет Титровальный тест

Опыт 5. Уменьшение жёсткости воды с помощью кипячения в школе:

Тест-полоски TDS-метр

Титровальный тест

Опыт 6. Уменьшение жёсткости воды с помощью отстаивания:

Тест-полоски TDS-метр Титровальный тест

Опыт 7. Уменьшение жёсткости воды с помощью замораживания:

Тест-полоски TDS-метр Титровальный тест

Опыт 8. Уменьшение жёсткости воды с помощью замораживания в школе:

Тест-полоски TDS-метр

Титровальный тест

Опыт 9. Уменьшение жёсткости воды с помощью фильтр-кувшина:

Тест-полоски TDS-метр

Титровальный тест