XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Серебро под ногами. Определение физико-химических и биологических свойств снеговой воды

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мачулайтис А.Д. 1

---

1МОУ "СОШ №1"

Смирнова Н.Г. 1

---

1МОУ "СОШ №1"

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Тема исследования: определение физико-химических и биологических свойств снеговой воды.

Мы выбрали эту тему, потому что контактируем со снегом в нашем городе каждую зиму. Важно узнать, насколько безопасна среда, в которой мы живём половину года.

Наша тема актуальна, потому что снег – явление, которое посещает половину населения в той или иной степени. К тому же, снег может быть индикатором некоторых экологических ситуаций, ведь образовываются осадки благодаря микрочастицам пыли и других веществ, находящимся в облаке.

Проблематика исследования по определению физико-химических и биологических свойств снеговой воды заключается в необходимости исследования влияния загрязнения снега на качество воды, используемой в природных и жилых экосистемах. Определение параметров и характеристик снеговой воды имеет важное значение для оценки ее влияния на окружающую среду и здоровье живых организмов.

Цель работы: исследовать физико-химические и биологические свойства снеговой воды опытным путём.

Гипотеза: талые снега способствуют развитию и восстановлению флоры в период ранней весны. Объект исследования – снеговая вода, предмет исследования – её свойства.

Задачи работы:

• изучить и проанализировать литературу на тему снега,

• разработать план проведения исследования и провести его,

• проанализировать результаты исследования,

• описать проделанную работу,

• подготовить презентацию, ёмко отражающую главные моменты работы.

Наша работа состоит из введения, теоретической части, практической части, заключения и приложения.

Результаты нашего исследования можно использовать в учебных целях, а также в качестве одного из аргументов в возможном эко-проекте, направленном на защиту здоровья природы и людей нашего края.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. 1. Из истории вопроса

Снег – не изобретение и не относительно новое явление, поэтому сказать точную дату появления самого первого снега на Земле нельзя. Учёные выяснили, что первый снег появился после первых клочков суши, показавшихся из океана на Земле примерно 2,5 миллиарда лет назад. Живые организмы, обитавшие в той воде, постепенно эволюционировали и совершенствовались, вследствие чего поверхность планеты стала отражать больше солнечного света, и температура упала до той, в которой возможно появление льда и снега. Примерно тогда учёные в том числе ставят дату начала ледникового периода, кардинально повлиявшего на развитие живых существ на планете.

В начале мы дали определение снега и упомянули, что он состоит из кристалликов льда, и чаще всего они принимают форму снежинок. Кристаллики льда, имеющие шестиугольную конструкцию, при минусовой температуре присоединяются к какому-либо маленькому объекту в облаке, например, к пылинке, и снежинка путём присоединения кристалликов определённым образом растёт дальше. При сухой и особо холодной погоде снежинка растёт не в ширину, а в высоту, и из таких непривычных снежинок получается тот самый рыхлый снег во время морозов – он совсем не лепится, почти не остаётся на одежде и сыпется подобно крупе. Если погода тёплая, то и снежинки присоединяют кристаллики в ширину, и при этом никогда не углами, а только гранями, поэтому конечная снежинка всегда шестиугольная, а ответвления растут под углом 60 или 120 градусов. Снег из подобных снежинок мягкий, липкий, немного мокроватый и иногда даже не холодный – из него дети лепят снеговиков, играют в снежки и строят крепости. Место присоединения следующего кристаллика зависит от температуры и влажности окружающей среды, но из-за малейших колебаний в значениях две соседние снежинки могут развиться совсем по-разному. Именно поэтому одинаковых снежинок почти не бывает.

Из кристаллов льда образуется снег, снег позже выпадает в атмосферу – это явление мы называем снегопадом. Есть несколько видов снегопадов по количеству выпадения снежинок: слабые – менее 10 снежинок на кубический метр воздуха, средние – от 10 до 100 и сильные с количеством снежинок более 100. В безветренную погоду даже сильные снегопады особой опасности не несут, но если поднимется сильный ветер, снегопад уже будут называть метелью. Они могут идти до нескольких дней, при этом останавливая движение любого транспорта и мешая функционированию электропередач. Если снега становится слишком много, существует угроза обрушения лавины – огромной массы снега, несущейся по склону со скоростью до 100 м/с. В зависимости от масштаба катастрофы, лавина может уничтожить крупные города и тысячи жителей, поэтому в районах с частой опасностью схода лавины проводят специальные профилактические мероприятия – срезают снег с верхушек, инициируют преждевременный сход лавины, строят лавиноотводы и лавинорезы и т.д.^[3]

1.2 Характеристика понятийного аппарата

Ключевыми понятиями данного исследования, очевидно, являются “снег”, “физико-химические свойства” и “биологические свойства”. Снег – белые пушинки, хлопья, представляющие собой кристаллики льда, а также сплошная масса этих осадков, покрывающая землю зимой.^[8] Физико-химические свойства характеризуют влияние физического состояния материала на протекание определенных химических процессов. В пример можно назвать температуру плавления вещества, электро- и теплопроводность, магнитные свойства и т.д. Биологические свойства – свойства, присущие живым организмам. Например, для человека такими можно назвать дыхание, рост, размножение.

Исходя из определений, можно понять, что у талой воды нет биологических свойств - потому что это не живое вещество. Но своими физико-химическими свойствами она может повлиять на живых организмов – в нашем случае растений.

В нашем исследовании мы рассматриваем снеговую воду – жидкость, образовавшаяся после таяния снега. Также важны определения опыта и эксперимента – воспроизведения какого-нибудь явления экспериментальным путем, создания чего-нибудь нового в определенных условиях с целью исследования, испытания.

1.3 Обзор используемой литературы и источников

Источниковая база нашего исследования включает в себя словари, энциклопедии, книги, статьи и интернет-ресурсы. Основополагающей для нашего исследования можно назвать статью “Учёные рассказали, когда и почему на Земле появился первый снег”, описывающую работу Ильи Биндемана и других учёных по созданию карты Земли 2,5 миллиарда лет назад.^[9] Также не менее важную роль играет словарь С. И. Ожегова, в котором мы взяли определение снега.^[8] Книга К. Ф. Войтковского даёт нам характеристики и физические свойства снежного покрова, такие, как его упругость, плотность, теплоёмкость и т. д.,^[1] а статья “Всё про снег” научно-популярного журнала “Как и почему” рассказывает о формировании снежинок и их поведении.^[5] Статья “Современные методы прогнозирования и защиты от снежных лавин” за авторством Ноготковой Ж. В. и Соловьева А. С. содержит информацию о лавинах и способах их предотвращения или защиты от них.^[3] В статье “Химия снега: как таяние влияет на состав воды рек Западной Сибири” говорится о химическом составе снега, взятого на территории Западной Сибири,^[10] а в статье “Когда чем больше, тем хуже: биологи исследовали опасные свойства серебра в почве” Анна Шиховец, автор, рассказывает про содержание серебра в южноуральских почвах, его норма и влияние на рост растений.^[4] Журнал “Лёд и снег”, выпускаемый Российской Академией Наук, предоставляет огромное количество знаний о теме нашего исследования.^[7]

Таким образом, вышеуказанные источники помогают нам собирать, обобщать и дополнять информацию, которая может пригодиться в нашем исследовании.

1.4 Характеристики снега

У снега есть характерные свойства: его белый цвет из-за отражения солнечных лучей, хруст в зависимости от температуры, пониженное трение, теплопроводность и др.^[1] Но главным для моего исследования является поглощение снегом различных веществ из окружающей среды. Так как снег состоит из кристалликов льда, формирующихся из воды и водяного пара, которые некоторое время назад испарились, перейдя из жидкости в состояние, достаточное для нахождения в облаке, а также учитывая нахождение снега, то можно сделать вывод, что вода, полученная после таяния этого снега, может содержать некоторые микроэлементы, так как эти микроэлементы мог содержать сам снег. Это может происходить рядом с локальными источниками загрязнения: автомобильные и железные дороги, мусорные свалки, жилые дома и т.д., в том числе промышленные предприятия. В снегу могут содержаться сульфаты железа, цезия, свинца, мышьяка, а также тяжёлые металлы вроде цинка и сурьмы.^[10] Есть большая вероятность, что все эти элементы и соединения попадут после таяния снега в сточные воды и в конечном итоге впитаются в почву или смешаются с водами рек поблизости. Именно для предотвращения загрязнения окружающей среды правительством и заинтересованными структурами принимаются законы о запрете выброса отходов в окружающую среду, ставятся очистные сооружения и т.п. Известно, что вода с примесями влияет на живые организмы, потребляющие эту воду, в особенности на растения, которые растут вблизи выброса вредных веществ. В зависимости от самих примесей, физическое состояние и химико-биологический состав отдельных частей растения может изменяться. Например, растущие вдоль автомобильных дорог растения менее крепкие в общем понимании этого слова: они могут хуже переносить резкие изменения климата окружающей среды (заморозки, обильные осадки, засуха), возможно, имеют менее яркий цвет по сравнению с такими же растениями вдали от источников загрязнения или выделяют меньше кислорода из-за затруднённого доступа солнечного света к хлоропластам.

Влияние серебра на растения до конца не изучено, в отличие от остальных тяжёлых металлов. Некоторые источники указывают на бактерицидные и противовоспалительные свойства ионов серебра и его коллоидного раствора, по ГОСТу и СанПину же серебру присвоен второй класс опасности, т.е. “вещества высокоопасные”. На самом деле дело в количестве – серебро действительно обладает некоторыми полезными свойствами, но для того, чтобы их было заметно, нужно взять токсичную по другим свойствам массу серебра. Отравление серебром называют аргирозом или аргирией, при этом заболевании кожа, ногти и слизистые приобретают сине-серый оттенок, также страдают почки, печень, повышается риск сердечно-сосудистых заболеваний. Всему причиной способность серебра накапливаться в тканях человека, растениях и почве. При большой почвенной концентрации серебро влияет на всхожесть и темп роста растений, корни растений становятся короче; также существующие в этой почве дождевые черви погибают с возрастанием концентрации серебра.^[4]

2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Характеристика исследования

В контексте исследовательской работы можно рассмотреть различные опции, включая как долгосрочные, так и краткосрочные эксперименты. Мы решили провести ряд опытов; для выявления физико-химических свойств снеговой воды мы под наблюдением учителя химии провели несколько краткосрочных экспериментов (эксперимент №2) на выявление характеристик снеговой воды, а для выявления биологических свойств мы провели долгосрочный эксперимент с участием капусты огородной (эксперимент №1). Семена были разделены на две группы: одну из них поливали чистой водой, а другую - талой водой, собранной из снега возле дома. Таким образом, наблюдая за ростом экспериментальной группы и сравнивая с контрольной группой, мы могли бы выявить свойства снеговой воды и их влияние на рост растений.

2.2 Характеристика этапов работы над исследованием

Во время планирования опыта мы выделили два этапа работы над исследованием.

Первым этапом мы поставили подготовку к длительному эксперименту и его началу. Это включало в себя покупку семян, земли и контейнеров для групп семян, подготовку снеговой воды для выращивания и опытов; мы приобрели семена капусты, подобрали подходящие контейнеры у себя дома, подготовили их к эксперименту и взяла землю у своей бабушки, также набрали снега возле своего дома в ведро и оставили его таять. В рамках этого же этапа после полного оттаивания снега мы посадили семена, разделив их на две группы, которые обозначили цифрами: 1 – контрольная и 2 – экспериментальная.

Второй этап – подготовка и проведение опытов над снеговой водой для того, чтобы выявить его свойства. Мы произвели качественный анализ талой воды, исследовали взятые пробы на наличие ионов некоторых химических элементов; вместе с этим мы продолжали наблюдение за выращиваемыми растениями.

2.3 Проведение экспериментов и их анализ

Для проведения долгосрочного эксперимента мы купили два пакетика семян капусты огородной марки “Аэлита” (Приложение 1, фото 1). Далее мы взяли ведро объёмом 10 литров и набрали в него снег, после оставили его до полного таяния. После этого воды оказалось около пяти литров, поэтому мы перелили воду в две бутылки по 1,5 литра, а оставшуюся воду использовали для подготовки почвы. По инструкции с оборота упаковки почву с семенами нужно увлажнить, после накрыть пищевой плёнкой и убрать в тёмное тёплое место до появления первых ростков; под условия хорошо подходит место под батареей центрального отопления (Приложение 1, фото 2 и 3).

Эксперимент начался с посадки семян 26 февраля. Для удобства мы записывали увиденное в таблицу, где первый столбик означал день эксперимента и дату, второй столбик означал контрольную группу 1, третий столбик означал экспериментальную группу 2 и строчки соответствовали дню наблюдения (Приложение 2, таблица). Первые несколько дней после посадки семена были под пищевой плёнкой и видимых изменений не было, что довольно ожидаемо.

На четвёртый день, 29 февраля, появились первые ростки: в группе 1 появилось около 10 ростков высотой до семи сантиметров, в то же время в группе 2 ростков было несколько меньше, около восьми, высотой до четырёх сантиметров (Приложение 1, фото 4 и 5). Уже на таком сроке проведения эксперимента можно увидеть разницу между группами 1 и 2. Далее примерно до 17 дня, 13 марта, ростки росли в примерно одинаковом темпе. На 17 день мы обнаружили, что несколько ростков в обеих группах погибли. Также мы увидели, что ростки в группе 1 выглядели более крепко, чем ростки в группе 2: в первой группе соотношение сильных и слабых ростков было примерно четыре к одному, тогда как во второй группе соотношение было один к одному.

Наш эксперимент подошёл к концу на 21 день, 17 марта, в тот день мы также заметили, что в обеих группах у ростков с тремя листьями один лист имел зубчатый край, а два других – ровный (Приложение 1, фото 10 и 11).

Ростки мы решили оставить для будущей посадки в огороде – декоративная капуста хорошо смотрится в клумбах и палисадниках. Наблюдения мы больше не записывали, но при очередном поливе заметили, что те ростки, которые имели на момент 21 дня только один лист с зубчатым краем из трёх, вскоре приобрели зубчатые края на всех листах. Оказалось, это нормально для декоративной капусты, и в будущем, когда растение полностью вырастет, его листья будут иметь волнистый край.

Во время проведения долгосрочного эксперимента мы занялись краткосрочными опытами и их проведением. Снег был набран на улице Клима Косолапова, 49, во дворе в 20-х числах февраля. Цвет снега колебался от серого до белого, был мелкозернистый и рассыпчатый; на участке, с которого мы брали снег, мы обнаружили малое количество антропогенного мусора.

Далее мы приступили к качественным характеристикам. Увиденное мы записывали в таблицу, где первый столбик – название характеристики, которую мы исследовали, а второй – результат, который показала снеговая вода (Приложение 3, таблица 1). Мы определили запах: налили в колбу с широким горлом 500 мл талой воды комнатной температуры, накрыли стеклом и вращательными движениями слегка встряхнули, после открыли стекло. Вода имела лёгкий землистый запах. Для определения окраски мы переместили воду в прозрачный цилиндр, взяли второй такой же цилиндр, поместили в него чистую воду и рассматривали оба образца на белом фоне при дневном освещении. В сравнении с чистой водой снеговая вода имела явный серый оттенок, была мутной, а после нескольких минут в покое образовала осадок на дне цилиндра.

После определения качественных характеристик мы приступили к определению наличия ионов химических элементов в снеговой воде. Для удобства мы решили записывать увиденное в таблицу, где первый столбик – химический элемент, наличие которого мы выявляли, а второй – результат, который показала снеговая вода (Приложение 3, таблица 2). Первым мы решили проверить наличие ионов меди Cu. Мы налили в 3 пробирки талую воду и добавили в них аммиачную воду. Ни в одном из сосудов осадок не образовался - ионы меди отсутствуют. Второй пункт: определение ионов свинца Pb, для этого мы налили воду в три пробирки и в каждую добавили дихромат калия. Цвет воды не изменился, значит, ионов свинца в ней нет. Третьим мы изучили воду на наличие ионов железа Fe. К 1 мл исследуемого талого снега мы прибавили 2-3 капли соляной кислоты НСl, несколько капель пероксида водорода и 0,2 мл (4 капли) 50% раствора роданида калия KSCN. В случае наличия железа цвет начинает меняться от бледно-розового до ярко-красного в зависимости от концентрации, однако цвет воды не изменился – ионов железа в ней нет. Последним мы решили проверить наличие ионов хлора Cl в воде. Для проведения этой качественной реакции к 5 мл талой воды мы добавили 3 капли 10% раствора нитрата серебра AgNO3, подкисленного азотной кислотой HNO3. В зависимости от концентрации хлора в воде в воде появляется слабая муть или объёмистый белый осадок AgCl (Приложение 3, таблица 3). После проведения реакции в снеговой воде появилась слабая муть, что свидетельствует о низкой концентрации хлоридов. Возможными источниками поступления хлора в атмосферный воздух являются выбросы автомобилей, проезжающих возле домов.

2.4 Выводы

Таким образом, талая вода, полученная из снега во дворе жилого дома, содержит видимые примеси (например, песок) и также ионы хлора Cl, что может свидетельствовать о лёгкой-средней степени загрязненности, соответствующей обстановке, в которой снег образовался и находился. Также грязная вода препятствует росту растений, заметно замедляя его в сравнении с чистой водой из-за вредных примесей в своём составе. Несмотря на это, она не останавливает рост растений, а значит, ранней весной талый снег и лед становятся отличным источником чистой воды для растений и животных в лесах, парках и других местах, которые не поливаются человеком вручную.

Подводя итоги по обоим экспериментам, мы можем сделать выводы. Талая вода, полученная из снега во дворе жилого дома, содержит видимые примеси (скорее всего, песок) и также хлориды в небольшом количестве, но это не воспрепятствовало росту растений, пусть и замедлило его. Это значит, что такая вода подходит для некоторых бытовых нужд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Резюмируя всё вышесказанное, мы можем с уверенностью сказать, что цель нашей работы достигнута: мы исследовали физико-химические и биологические свойства снеговой воды опытным путём. Все задачи, которые мы ставили во введении, были достигнуты одна за одной по ходу работы: мы изучили литературу, которая касается нашей темы,и проанализировали полученный материал. Затем мы подготовились и провели опыты, которые мне были нужны, проанализировали полученные результаты, описали всё, что мы сделали и подготовили презентацию выполненной работы.

В результате исследования мы пришли к занимательному выводу. Проба снега, которую мы брали возле своего дома, оказалась с примесями песка и содержала хлориды, однако это не помешало растениям в нашем долгосрочном эксперименте воспользоваться талой водой для роста, что означает, что степень загрязнения этой воды, соответственно, и снега на участке, откуда мы его брали, достаточно низкая, чтобы питать живые организмы. Для исследования мы выбрали нейтральное место, без сильного влияния антропогенных факторов, что помогло получить общую картину, что происходит в заснеженных местах ранней весной. Результаты долгосрочного эксперимента показали, как снег и талая вода действительно помогают восстановиться флоре после длительной зимней спячки и как важно делать всё возможное, чтобы предотвращать антропогенное загрязнение снегов.

Мы бы хотели, чтобы результаты нашей работы оказались полезными для учеников, учителей, может быть, эко-активистов для привития людям правильного отношения к окружающей среде.

Список используемой литературы

1. Войтковский, К. Ф. Механические свойства снега / К. Ф. Войтковский. – Москва : Наука, 1977. – 126 с. (дата обращения 14.02.24).

2. Николаева, Е. Что находится в центре каждой снежинки и почему у людей развивается хионофобия: 10 удивительных фактов о снеге //TechInsider:[сайт]. - URL: https://www.techinsider.ru/popmem/1572403-10-udivitelnyh-faktov-o-snege-vy-budete-porazheny/ (дата обращения 14.02.24 ).

3. Ноготкова Ж.В., Соловьев А.С. Современные методы прогнозирования и защиты от снежных лавин//Киберленинка:[сайт]. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-metody-prognozirovaniya-i-zaschity-ot-snezhnyh-lavin/viewer (дата обращения 17.02.24).

4. Шиховец, А. Когда чем больше, тем хуже: биологи исследовали опасные свойства серебра в почве// Наука:[сайт]. - URL: https://xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/journal/kogda-chem-bolshe-tem-khuzhe-biologi-issledovali-opasnye-svoystva-serebra-v-pochve/ (дата обращения 26.02.24).

5. Всё про снег//”Как и Почему”:[сайт]. - URL: https://kipmu.ru/vse_sneg/ (дата обращения 14.02.24).

6. Всплытие континентов вызвало первое массовое вымирание в истории Земли//Риа Новости:[сайт]. - URL: https://ria.ru/20180524/1521229059.html (дата обращения 13.02.24).

7. Лёд и снег, [Москва], 2016 г. / ответственный редактор В. М. Котляков. – Москва ; РАН, 2016. – 148 с. – ISSN 2076-6734 (дата обращения 14.02.24).

8. Словарь русского языка: Ок. 60 000 слов и фразеологических выражений / С. И. Ожегов; Под общ. ред. проф. Л. И. Скворцова. – 25-е изд., испр. и доп. – Москва: Оникс, 2008. – 976 с. – ISBN 978-5-488-00938-7 (дата обращения 17.02.24).

9. Учёные рассказали, когда и почему на Земле появился первый снег//Мир космоса:[сайт]. - URL: https://mirkosmosa.ru/p/pub-3692-uchenye-rasskazali-kogda-i-pochemu-na-zemle-poyavilsya-pervyi-sneg (дата обращения 13.02.24).

10. Химия снега: как таяние влияет на состав воды рек Западной Сибири//Новости ТГУ:[сайт]. - URL: https://news.tsu.ru/news/khimiya-snega-kak-tayanie-vliyaet-na-sostav-vody-rek-zapadnoy-sibiri/ (дата обращения 18.02.24).

Приложение

Приложение 1

Фотоотчёт о проведении эксперимента №1

Пакет с семенами

Фотография 1

Первая группа семян сразу после посадки

Фотография 2

Вторая группа семян сразу после посадки

Фотография 3

Первая группа семян 29 февраля

Фотография 4

Вторая группа семян 29 февраля

Фотография 5

Первая группа семян второго марта

Фотография 6

Вторая группа семян второго марта

Фотография 7

Первая группа семян третьего марта

Фотография 8

Вторая группа семян третьего марта

Фотография 9

Округлый лист на одном из растений первой группы 17 марта

Фотография 10

Лист с зубчатыми краями на одном из растений первой группы 17 марта

Фотография 11

Приложение 2

Таблица наблюдений над экспериментальной и контрольной группами

Приложение 3

Результаты проведения эксперимента №2

Качественные характеристики снеговой воды

Таблица 1

Наличие химических элементов в снеговой воде

Таблица 2

Определение содержания хлоридов

Таблица 3