V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Жесткость воды

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Малов  И.В. 1

---

1ГБОУ «Оренбургская кадетская школа-интернат имени И.И.Неплюева»

Борисова  Е.И. 1

---

1ГБОУ «Оренбургская кадетская школа-интернат имени И.И.Неплюева»

Работа в формате PDF

149.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Гидросферу- водную оболочку земного шара образуют примерно 1,5 миллиарда км.³ воды. Почти все это количество содержится в Мировом океане. Он занимает около 70% всей земной поверхности, его площадь- свыше 360 миллионов км³.

На суше воды немного: всего около 90 миллионов км³. Из них большая часть лежит под землёй и в твёрдом состоянии в горных и ледниковых районах: в Арктике, в Гренландии, в Антарктиде.

Вода – это источник жизни, и среда, в которой протекают все жизненные процессы. Жизнь человеческого общества немыслима без воды, но в то же время человеческая деятельность приводит к загрязнению водоёмов.

Загрязнение водоёмов в настоящее время является очень серьёзным злом. Вода загрязнённых рек и озёр становится непригодной не только для питья, но и для других бытовых и промышленных нужд.

К основным источникам загрязнения и засорения водоёмов относятся сточные и воды промышленных и коммунальных предприятий; отходы при разработке полезных ископаемых; воды шахт, рудников, нефтепромыслов; отходы древесины при заготовке, обработке и сплаве лесных материалов. И уже во второй половине двадцатого века перед человечеством встала проблема нехватки чистой питьевой воды.

Водные ресурсы области представлены поверхностными и подземными водами. Поверхностные воды включают реки Урал, Сакмару, Илек, Орь, Самару, Большой Кинель, 15 притоков длиной 100-200 км, 29 рек протяженностью 50-100 км, 513 рек-до 50 км. Экологической проблеме посвящено много литературы, в которой с разных сторон исследуется эта проблема. Изучив эту литературу, я решил провести исследования качества питьевой воды на территории г. Оренбурга и ознакомить жителей с результатами исследования. Цели:

- изучение свойств воды, экологических проблем, связанные с загрязнением природных вод;

- освоение способов анализа воды и анализ источников воды города Оренбурга.

Для достижения этих целей были поставлены следующие задачи:1. Изучить литературные источники о свойствах воды и экологических проблемах.2. Практически ознакомиться с методикой определения воды на жёсткость pH .3. Провести анализ питьевой воды из различных источников на территории города Оренбурга.

При работе по данной теме я использовал следующие методы:работа с научно-популярной литературой. Проведение эксперимента.«Вода!У тебя нет ни вкуса, ни запаха,тебя невозможно описать, тобой наслаждаться,не ведая, что это такое. Нельзя сказать,

что ты необходима для жизни, ты сама жизнь.Ты самое большое богатство…»(Антуан де Сент-Экзюпери)

1.Основная часть

1.1 Свойства воды.

Вода является главным создателем климата и ежедневной погоды. В виде жидкостях в морях и океанах вода выступает как гигантский термостат, как регулятор тепла на всём земном шаре.

Вода удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с неиссякаемым источником энергии, будущего, но и своими самыми обычными свойствами.

Известно, что молекула воды имеет уголковое строение.Хорошо изучено и измерено взаимное расположение ядер атомов водорода и кислорода и расстояние между ними.

Сколько молекул воды в океане? Одна. И этот ответ не совсем шутка. Вода- вещество особенное. Благодаря своеобразному строению отдельные молекулы взаимодействуют между собой. Возникает особая химическая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электроны атомов кислорода в соседних молекулах. За счёт такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя другими соседними молекулами.

Все отдельные молекулы Н₂О в воде оказываются связанными в единую сплошную пространственную сетку- в одну гигантскую молекулу.

Поэтому вполне оправданно утверждение некоторых учёных, что весь океан- это одна молекула. Хотя все молекулы воды в воде и связываютсямежду собой водородными связями, они в то же время находятся в очень сложном подвижном равновесии, сохраняя индивидуальные свойства.

Учёные установили, что если воду нагреть до 900⁰С, (давление при этом должно быть не менее 15 Гпа), то наступит такое удивительное состояние воды, при котором в ней не останется ни одной молекулы воды, все они распадутся на ионы.

Вода может гореть в атмосфере свободного фтора.

Вода оказывается бывает и сухой. Недавно учёные сумели приготовить сухую воду. К обычной воде прибавили порошок кремниевой кислоты. Вода сразу становится сухой и сыпучей. Её можно пересыпать, перевозить в пакетах; даже на ощупь она не влажная, а сухая и холодная(4)

1.2Виды жесткости. Способы умягчения воды

Катионы Ca²⁺ обусловливают кальциевую жесткость, а катионы Mg²⁺ - магниевую жесткость. Общая жесткость складывается из кальциевой и магниевой, т.е. из суммарной концентрации в воде катионов Ca²⁺ и Mg²⁺.

Под умягчением воды понимают либо устранение, либо уменьшение ее жесткости. Главным образом оно заключается в полном или частичном удалении из нее катионов Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺. Существует три основных способа умягчения воды: термическая обработка, химическая обработка, ионный обмен.

1. Термическая обработка

Суть способа заключается в предварительном нагревании воды до 70-80 С или ее кипячении. При этом катионы Ca²⁺, Mg²⁺ осаждаются в виде малорастворимых соединений.

По отношению к процессам умягчения воды различают жесткость карбонатную и некарбонатную.

Карбонатной называют жесткость, вызванную присутствием в воде гидрокарбонатов кальция Ca(HCO₃₎₂ и магния Mg(HCO₃₎₂. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жесткость воды уменьшается на величину карбонатной жесткости. Поэтому карбонатную жесткость также называют временной.

При кипячении катионы кальция осаждаются в виде карбоната кальция:

Ca²⁺ + 2HCO₃^2- = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂,

а катионы магния – в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН>10.3):

2Mg²⁺ + 2HCO₃^- + 2OH^- = (MgOH)₂CO₃↓ + H₂O + CO₂

гидроксид-ионы OH^- образуются за счет взаимодействия ионов HCO₃^- с водой:

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-

Остальная часть жесткости, сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной. Она определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот: сульфатов, хлоридов, нитратов. При кипячении эти соли не удаляются, поэтому некарбонатную жесткость также называют постоянной.

2. Химическая обработка

Умягчение воды также может быть достигнуто обработкой различными химическими веществами. Так, карбонатную жесткость можно устранить добавлением гашеной извести

Ca²⁺ + 2HCO₃^- + Ca²⁺ + 2OH^- = 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Mg²⁺ + 2HCO₃^2- + 2Ca²⁺ + 4OH^- = Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2 H₂O

При одновременном добавлении извести и соды можно избавиться от карбонатной и некарбонатной жесткости (известково-содовый способ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная – содой:

Ca²⁺ + CO₃^2-+ = CaCO₃↓;

Mg²⁺ + CO₃^2-+ = MgCO₃

и далее

MgCO₃ + Ca²⁺ + 2OH^- = Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓

Эффективным средством для умягчения воды служит полифосфат натрия Na_5P3O₁₀. В этом случае связывание ионов Ca²⁺ и Mg²⁺осуществляется за счет образования хорошо растворимых в воде хелатных комплексных соединений:

P₃O₁₀^5- + Ca²⁺ = [Ca(P₃O₁₀)]^3-

P₃O₁₀^5- + Mg²⁺ = [Mg(P₃O₁₀)]^3-

3. Ионный обмен

Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионитов - катионитный способ. Имеются твердые вещества, которые содержат в своем составе подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Они получили название ионитов.

Иониты делятся на две группы. Одни из них обменивают свои катионы на катионы среды и называются катионитами, другие обменивают свои анионы и называются анионитами. Иониты не растворяются в растворах солей, кислот и щелочей.

Из неорганических ионитов наибольшее значение имеют цеолиты – алюмосиликаты сложного состава, имеющие кристаллическое строение. Например, алюмосиликат состава Na₂O∙Al₂O₃∙4SiO₂∙mH₂O имеет пространственную решетку, образованную атомами Al, Si и O. Решетка пронизана полостями, в которых размещаются молекулы воды и ионы Na⁺. Последние, обладая определенной свободой перемещения, замещаются на ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ при пропускании воды через слой зерен (гранул) цеолита.

Более совершенны ионообменные смолы, получаемые на основе синтетических полимеров. Они обладают одновременно высокими эксплуатационно-техническими характеристиками и разнообразными физико-химическими свойствами.Для устранения жесткости воды применяют катиониты. Их состав условно можно выразить общей формулой Na₂R, где Na⁺ - весьма подвижный катион, а R^2- - частица катионита, несущая отрицательный заряд.

Если пропускать воду через слои катионита, то ионы натрия будут обмениваться на ионы кальция и магния:

Ca²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + CaR;

Mg²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + MgR

Таким образом, ионы кальция и магния переходят из раствора в катионит, жесткость при этом устраняется.

Когда процесс ионного обмена доходит до равновесия, ионит перестает работать – утрачивает способность умягчать воду. Однако любой ионит легко подвергается регенерации. Для этого через катионит пропускают концентрированный раствор NaCl (Na₂SO₄) или HCl (H₂SO₄). При этом ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ выходят в раствор, а катионит вновь насыщается ионами Na⁺ или H⁺.

4. Физические методы устранения жесткости

Для умягчения воды применяются также методы, основанные на физических явлениях.

Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к сети постоянного тока. Таким образом, ионы металлов, обуславливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки.

Магнитно-ионизационный метод также использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. Для увеличения в воде количества ионов ее предварительно облучают ионизирующим излучением.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворенных веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок.

Ультразвуковая обработка воды также приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка.

1.3. Влияние жесткой воды на организм человека

О том, что вода может быть жесткой и мягкой, слышал каждый из нас – реклама постоянно сообщает нам, что стирать в жесткой воде нельзя и рассказывает о героической борьбе современных хозяек с накипью в чайнике и белым налетом на плитке в ванной. Но что мы знаем про влияние жесткой воды на организм человека в действительности, если не брать в расчет устоявшиеся штампы, которые, порой, имеют мало общего с реальностью?

Почему вода бывает жесткой

Казалось бы, как жидкость, тем более, вода может быть жесткой? Оказывается, может, хотя, это понятие, конечно, не связано с твердостью или мягкостью в буквальном, более привычном для нас значении этого слова. Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния.

Чем больше концентрация гидрокарбонатов, тем выше жесткость воды. С этой точки зрения принято выделять два вида жесткости:

 общая или карбонатная. Она обусловлена наличием таких солей кальция и магния, которые характеризуются слабой устойчивостью к разрушению под воздействием внешних факторов. Именно поэтому такую жесткость еще называют временной или устранимой;

 некарбонатная, в этом случае в воде присутствует большое количество кальциевых солей сильных кислот. Разрушить такие соединения, чтобы устранить жесткость, оказывается не так просто.

Общая жесткость представляет собой сумму карбонатной и некарбонатной жесткости, поэтому данный показатель не постоянен и может меняться в зависимости от условий использования воды. Это обстоятельство обязательно следует учитывать при изучении влияния жесткой воды на организм человека.

Как жесткая вода влияет на человека

Если при длительном использовании без соответствующих профилактических мер, вода с повышенным содержанием сильных солей кальция способна разрушать даже самый износостойкий металл, то каким же губительным может быть влияние жесткой воды на организм человека?

Больше всего страдают, конечно же, органы пищеварения. Соли жесткой воды, попадая в организм, соединяются с животными белками. Образовавшиеся в результате такой реакции вещества оседают на стенки желудка и пищевода, покрывая его устойчивой пленкой. Это затрудняет процесс перистальтики, нарушается работа ферментов. Итог – пониженная моторика желудка, некачественное переваривание пищи и, как следствие, накопление в организме солей и вредных отложений. Кроме того, частое употребление жесткой воды становится причиной дисбактериоза.

Некоторые соли, попадающие в организм с жесткой водой, образуют неорганические соединения, которые постепенно вытесняют из суставов синовиальную жидкость. Как известно, это вещество служит смазкой, благодаря которой обеспечивается подвижность суставов. В итоге, со временем суставы обрастают кристаллами, что становится причиной очень болезненных ощущений, возникающих даже при незначительном движении. С течением времени все это может развиться в такие неизлечимые заболевания, как артрит и полиартрит.

Жесткая вода пагубно влияет и на сердечно-сосудистую систему человека. В нормальной концентрации ионы кальция и магния способствуют

релаксации сердечной мышцы. Однако в жесткой воде наблюдается недостаток ионов и переизбыток солей. Поэтому влияние жесткой воды на организм человека может выражаться в серьезных осложнениях работы сердца, вплоть до возникновения устойчивой хронической аритмии.

Употребление жесткой воды плохо сказывается на состоянии кожи, которая преждевременно стареет, теряет изначальную упругость и эластичность. Характерно то, что подобные последствия могут быть вызваны и наружным воздействием. Например, при обработке посуды с использованием специальных моющих средств, образующаяся пена оседает на коже, разрушает жировую пленку на ее поверхности и забивает поры. Последствия – сухость и шелушение. Конечно, такое воздействие обусловлено не только жесткой водой, но и свойствами моющих средств, содержащих большое количество различных химикатов. Однако контакт с жесткой водой значительно усиливает вредные свойства бытовой химии.

Напоследок заметим, что не так давно ученым удалось разрушить один из мифов о влиянии жесткой воды на организм человека. Долгое время считалось, что именно повышенная жесткость провоцировала образование камней в почках. Однако сегодня доказано, что главная причина возникновения камней – недостаток кальция в пище. Стремясь компенсировать нехватку кальция, организм начинает выщелачивать его из костей, но при этом большая часть высвобожденного вещества не усваивается и откладывается в организме в виде камней.

Способы защиты организма

Чтобы избежать разрушительного воздействия воды с повышенной жесткостью, специалисты рекомендуют отдавать предпочтение поверхностным источникам. Замечено, что жесткость поверхностных вод гораздо ниже того же параметра подземных источников. Кроме того, жесткость поверхностной воды может заметно колебаться в зависимости от сезона и погодных условий в местности добычи.

А можно ли снизить влияние жесткой воды на организм человека? В принципе, да. Существует несколько способов устранения жесткости. Общую или карбонатную можно устранить обычным кипячением, в процессе которого карбонаты кальция выпадают в осадок – тот самый белый налет, который остается на стенках посуды и не попадает в наш организм. Умягчить некарбонатную воду можно добавлением в нее гашеной извести или соды, после чего воду придется подвергнуть соответствующей фильтрации.

2. Экспериментальная часть

Помимо изучения литературных источников об удивительных свойствах воды и проблемах её охраны, меня интересовали и практические исследования. Например: как определить рН воды, её жесткость, одинаковы ли эти показатели в разных источниках? Для этого был проведён следующий химический эксперимент.

Определение рН (концентрации водородных ионов) в растворах колориметрическим способом.

Для определения рН испытуемого раствора использовался прибор Алямовского.

Определение проводится в следующей последовательности:

1. В пробирку наливают 5 мл испытуемой жидкости и 0,5 кубических сантиметров (мл) универсального индикатора. Перемешивают содержимое пробирки.

2. После этого рН испытуемой жидкости путём сопоставления её окраски с окраской эталонов стандартной шкалы следующим образом:

1-й способ:

В стандартной шкале находят эталон, окраска которого близка к окраске испытуемой жидкости. Вынимают из штатива этот и два соседних с ним эталона (1 с более низким, другой – с более высоким значением рН) и производят более тщательное сравнение окраски испытуемой жидкости с окраской эталонов. Делать это следует на белом фоне.

2-й способ:

Сравнение окраски испытуемой жидкости с окраской эталонов можно производить и в компараторе. В этом случае пробирку с испытуемой жидкости помещают в среднее переднее гнездо компаратора, а в крайние гнёзда вставляют пробирки – эталоны с близкой окраской. Сравнение окрасок производят на белом фоне. Величина рН используемой жидкости будет та, которая обозначена на пробирке – эталоне ближе всех подошедшей по окраске. Если окраска испытуемой жидкости является промежуточной между окрасками двух рядом располагающихся в стандартной шкале пробирках, то берут среднее из значений рН, обозначенных на пробирках – эталонах.

Прибор позволяет определить реакцию испытуемой жидкости с точностью до 0,1 рН. При колориметрическом измерении рН испытуемая жидкость должна быть прозрачной, а пробирки чистыми.

Воспользовавшись данной инструкцией, исследовали воду из различных источников: дистиллированную, из водопроводного крана, из Урала, из родника (Таблица 1).

Таблица 1- Значение pH при исследовании воды из различных источников

Величина рН природной воды служит важным показателем их кислотности или щёлочности и является результирующей величиной кислотно-основного взаимодействия ряда минеральных и органических веществ. В чистых или слабозагрязнённых водах значения рН определяют соотношения между концентрациями свободного оксида углерода (IV), бикарбонатных и карбонатных ионов. Отсюда, рН такой воды слабокислая. На величину рН оказывает влияние повышенное содержание окрашенных гумусовых веществ, органических кислот, различные кислоты и щелочи минерального состава, которые могут поступать в водоёмы вместе со сточными водами.

Определение жесткости воды

1. Мерным цилиндром налить 10 мл исследуемой воды в коническую колбу.

2. Наполнить бюретку мыльным раствором, добавить 1 мл мыльного раствора в колбу. Если не образуется пена, добавить ещё несколько мл раствора мыла. Продолжать добавлять мыльный раствор, пока не образуется устойчивая пена (она должна держаться не менее 30 секунд).

3. Записать объём мыльного раствора необходимого для образования устойчивой пены с 10 мл исследуемой воды (Таблица 2).

4. Ополоснуть колбу, повторить действия 1-3 с различными образцами воды: водопроводная, дистиллированная, речная и родниковая.

Таблица 2 - Необходимый объем мыльного раствора для образования устойчивой пены с 10 мл различной воды

Определение карбонатной жесткости воды

Взять 50 мл анализируемой воды и титровать ОД н. раствором соляной кислоты с индикатором метиловым оранжевым до появления розового окрашивания. Результаты записать в таблицу 3.

Таблица 3- Определение карбонатной жесткости

Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в данных водоёмах, а в одной и той же реке изменяется в течение года, и в течение паводка может быть минимальной. Присутствие в воде значительного количества солей кальция или магия делает воду непригодной для многих технических целей. Так, при продолжительном питании паровых котлов жесткой водой их стенки постепенно покрываются плотной коркой накипи, отчего резко увеличивается расход топлива. Жёсткая вода не даёт пены с мылом, и при этом отмываемость ухудшается. Жёсткой водой нельзя пользоваться при крашении тканей; жесткая вода ухудшает и качество приготовлений пищи.

Заключение

Подводя итог этой работе, хотелось бы отметить ещё один чёткий вывод, сформулированный в результате её проведения. Он заключается в том, что для исследования воды различными методами недостаточно написать на эту тему одну единственную работу или провести три - четыре эксперимента.

По каждому разделу теоретической части моей работы уже были проведены научные изыскания учёными, об этом я узнал из различных источников.

Целью моей работы было изучение свойств воды; экологических проблем, связанных с загрязнением природных вод, а также освоение простейших способов анализа воды.

Я считаю поставленная цель нами достигнута. По этой проблеме было изучено много литературы, а также проведены опыты по исследованию анализа воды на прозрачность, запах, наличие нерастворимых примесей, жёсткость.

Проведённое мною исследование состояния источников питьевой воды в городе показало, что вода в нашем городе хорошего качества, но с повышенной жёсткостью. Такую воду без предварительной обработки нельзя использовать в автоматических стиральных машинах, паровых котлах и ещё она плохо даёт пену с мылом, при этом отмываемость воды ухудшается. Жёсткой водой нельзя пользоваться при крашении тканей; жёсткая вода ухудшает качество приготовленной пищи. Это окончательно нас убедило в том, что я в своей работе смог рассмотреть лишь малую часть одной из экологических проблем. Таких проблем очень много, и я планирую дальше заниматься этой проблемой.

Однако я надеюсь, что каждый человек, взрослый и школьник, были внимательны к воде и бережно её расходовали.

А на гербе водяного царства можно написать девиз «Никому не уступлю». Смысл его - великая роль воды в жизни Земли. (9)

Список использованных источников

1) Скуратова, Н. С., Гурина, И.В., Природопользование – Москва-Ростов- на Дону, 2005.

2) Некрасов, Б.В.Основы общей химии.-Т.1-М.: Просвещение, 1997.

3) Новая Иллюстрированная Энциклопедия. –Т. 4.- М.: ООО «Мир книги», 2001.

4) Петрянов, И.В. Самое необыкновенное вещество в мире- М.: Педагогика, 1975.

5) Финкельштейн, Д. Н. Чистота вещества- М.: Атомиздат- 1975.

6) Гроссе, Э., Вансмантель, Х. Химия для любознательных. -2-е изд.- Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1985.

7) Фримантл, М. Химия в действии.- Т. 2.- М.: Мир, 1991.

8) Ширшина, Н.В., Химия. Проектная деятельность.- Волгоград-2007.

9) Белоцветов, А.В., Бесков, С.Д., Ключников, Н.Г. Химическая технология.- М.: Просвещение, 1976.

10) Общая химия/ под.ред. Е.М. Соколовой, Г.Д. Вовченко, Л.С. Гузея.- 2 изд., перераб., дополн.- Изд-во Московского университета, 1980.