VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вода известная и неизвестная
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
В прошлом году, после изучения темы «Вода», мне захотелось познакомиться с этим уникальным веществом подробнее, и я выбрала для работы над проектом тему «Вода известная и неизвестная». Но моих знаний по химии в прошлом году было недостаточно, чтобы в полной мере удовлетворить своё любопытство, поэтому в этом году я продолжила работу над этой темой, оставив прошлогоднюю проблему. Она заключается в том, что мы знаем, вода покрывает 3/4 поверхности Земли, но не знаем, какую роль она играет в жизни человека. Для решения этой проблемы, я поставила перед собой цель
изучения свойств воды, ознакомление с её «профессиями» и экологическими проблемами загрязнения природных вод и способами её очистки.
Чтобы добиться этой цели, я сформулировала для себя следующие задачи:
- Изучить литературные источники о свойствах воды и экологических проблемах;
- Познакомиться с причинами загрязнения воды и способами её очистки;
- Проанализировать положение с загрязнением водных ресурсов
- Практически ознакомиться с методикой определения жёсткости воды;
- Провести анализ питьевой воды из различных источников на территории ПГТ Междуреченск;
Я изучила много источников по данной теме, но наиболее полезными стали книги:
- Синюков В.В. «Вода известная и неизвестная», знакомство с которой и послужило толчком к изучению данной темы. Эта книга раскрыла передо мной тайны химического вещества, познакомила с его свойствами и «профессиями».
- Александрова М.А. «Очистка воды от загрязнений». Эта брошюра помогла разобраться в причинах и последствиях загрязнения водных ресурсов, дала возможность понять устройство и принцип работы промышленных очистных сооружений, в частности того, что находится в ПГТ Междуреченск.
- Пичугина Г.В. «Химия и повседневная жизнь человека». Материал, помещённый в этой книге, позволил мне научиться определять качество питьевой воды, а также изучить и использовать в дальнейшем простые способы очистки воды в домашних условиях.
Вода – самое распространённое вещество на Земле: три четверти поверхности планеты покрыто морями, океанами, реками, ледниками. Вода в больших количествах содержится в земной коре. Общее содержание воды на земном шаре составляет около 16 млрд. км3 – 0,25% массы планеты. 13 млрд. км3 рассредоточено в глубинных слоях. Большая часть оставшейся разницы входит в состав горных пород и минералов. 1385 млрд. км3 составляет гидросферу Земли. Значительные количества воды содержит атмосфера. В ней постоянно находится в виде водяного пара до 1300 км3 воды. Помимо того, вода входит в состав горных пород и минералов (глина, гипс), в состав почвы, находится во всех растительных и животных организмах, достигая в некоторых случаях 99% их веса.
Значительная часть воды на нашей планете скрыта под её поверхностью. Лишь относительно малая доля воды выходит наверх то в виде тихих лесных ключей, то в виде горных ручейков или бурных пароводяных фонтанов-гейзеров.
Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.
Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).
Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.
Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п. При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.
Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма; кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
Вода уникальна и ничем не заменима. На Земле нет ни одного даже самого примитивного существа и ни одного растения, которые не имели бы в своем составе воду и могли бы без нее обходиться. Наверное, всем известно, что вода составляет от 80 до 99% массы растений и около 75% массы животных. Что касается человека, то его организм очень строго реагирует на нарушения водного баланса: потеря 6—8% влаги от массы вызывает тяжелое состояние, близкое к обмороку, а если потеря достигает 10—12% — перестает биться сердце.
Пожалуй, нам не найти такой отрасли хозяйства, которая могла бы обойтись без воды или подыскать ей полноценный заменитель. Благодаря своим свойствам вода универсальна. Она непременный участник всех технологических процессов. Без нее невозможна работа промышленных производств, транспорта, строительства.
Вода – наиболее надёжный и дешевый теплоноситель: ею греют, но ею же и охлаждают. Вода - источник энергии и перевозчик грузов. Незаменима вода и в быту: без нее немыслимы приготовление пищи, личная гигиена, отдых. Вот почему мы с полным правом можем сказать: где нет воды, там нет и жизни.
II. Основная часть
1. Вода и ее профессии
1.1. Строение воды
Вода - уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой.
У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью.
Каждая из молекул, присоединённых к данной молекуле воды, сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть "полимеризацией". Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то "полимеризация" приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять из четырёх молекул, но величина угла 90° делает водородные связи крайне напряжёнными. Практически ненапряжёнными должны быть пятизвенные кольца (угол 108°), а шестизвенные (угол 120°), также как и семизвенные - напряжённые.
Рассмотрение реальных структур гидратов показывает, что, действительно, наиболее устойчиво шестизвенное кольцо, находимое в структурах льдов. Плоские кольца являются привилегией клатратных гидратов, причём во всех известных структурах чаще всего встречаются плоские пятизвенные кольца из молекул воды. Они, как правило, чередуются во всех структурах клатратных гидратов с шестизвенными кольцами, очень редко с четырёхзвенными, а в одном случае - с плоским семизвенным.
В целом структура воды представляется как смесь всевозможных гидратных структур, которые могут в ней образоваться.
В прикладном аспекте это, например, имеет важное значение для понимания действия лекарственных веществ. Как было показано Л. Полингом структурированная клатратная форма воды в межсинаптических образованиях мозга обеспечивает, с одной стороны, передачу импульсов с нейрона на нейрон, а, с другой стороны при попадании в эти участки наркозного вещества такая передача нарушается, то есть наблюдается явление наркоза. Гидратация некоторых структур мозга является одной из основ реализации действия наркотических анальгетиков (морфина)
1.2. Биологическая роль воды
Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов по двум причинам. Во-первых, она является необходимым компонентом живых клеток, и, во-вторых, для многих организмов она служит еще и средой обитания. Именно поэтому следует сказать несколько слов о ее химических и физических свойствах.
Свойства эти довольно необычны и обусловлены главным образом малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы («полюс») несет небольшой положительный заряд, а другой — отрицательный. Такую молекулу называют диполем. У атома кислорода способность притягивать электроны выражена сильнее, чем у водородных атомов, поэтому атом кислорода в молекуле воды стремится оттянуть к себе электроны двух водородных атомов. Электроны заряжены отрицательно, в связи с чем атом кислорода приобретает небольшой отрицательный заряд, а водородные атомы — положительный.
В результате между молекулами воды возникает слабое электростатическое взаимодействие и, поскольку противоположные заряды притягиваются, молекулы как бы «склеиваются». Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные или ковалентные связи, называются водородными связями. Водородные связи постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в толще воды. И хотя это слабые связи, но их совокупный эффект обусловливает многие необычные физические свойства воды. Учитывая данную особенность воды, мы можем теперь перейти к рассмотрению тех ее свойств, которые важны с биологической точки зрения. (См. приложение 1)
1.3. Биологическое значение воды
Вода – это вещество, которое подарило на земле жизнь. Без нее никогда не возникло бы растений, животных и, конечно же, человека в современном понимании этого слова. Мы все приходим в этот мир благодаря воде, поддерживаем свой организм в хорошем состоянии с ее помощью, просто живем…
Идут годы. Знания, полученные в кабинетах биологии, постепенно выветриваются из наших голов. И, расходуя ежедневно десятки литров воды на питье, приготовление еды, мытье, устанавливая в доме самые современные фильтры для очистки воды, мы не знаем ответа на самый главный в нашей жизни вопрос: а для чего вообще нужна вода? Проще него еще совсем недавно не было ничего на свете, теперь же он вызывает затруднение. И правда, зачем нужна нам и всему живому эта бесцветная безликая жидкость.
Вода – это универсальный растворитель. Если этой уникальной жидкости предоставить достаточно времени, она растворит любое твердое вещество. На это не способно ни одно вещество в природе. Именно из-за данного свойства химически чистая вода (не содержащая примесей в принципе) – лишь теория, пока не доступная практике.
Вода – участница химических реакций. Например, благодаря ней в организме животных расщепляются белки, углеводы, жиры, и выделяется энергия, которая дает нам всем возможность жить. При фотосинтезе благодаря активному участию воды выделяется кислород, который необходим всем существам на земле.
Вода – это терморегуляция. Как бы это ни было удивительно, именно вода отвечает за поддержание постоянной температуры тела. Благодаря ней тепло равномерно распределяется по организму, температура не изменяется постоянно в зависимости от условий окружающей среды.
Вода – это уникальный транспорт. Благодаря удивительной жидкости растения и животные могут успешно насыщаться питательными веществами. Вода является одним из основных компонентов лимфы и крови, играет невероятно важную роль в работе выделительной системы. С помощью этой безликой жидкости к верхушкам растений поступают минеральные соли.
Вода – это упругость клеток и организмов. Как всем известно, воду в жидком состоянии практически нельзя сжать. Благодаря этому она часто выступает скелетом клетки и, как следствие, поддерживает форму органов. Вот, к примеру, самый обычный лист вашего комнатного растения. Он поддерживает постоянную форму исключительно благодаря удивительным возможностям воды.
1. 4. «Живая» и «мёртвая» вода.
Вспомним русские сказки. Живая вода - это молодость, здоровье, жизнь; мёртвая вода - это смерть. Подобие живой и мёртвой воды существует в природе. Живая, животворная вода - это вода, образовавшаяся от растаявшего снега или льда. Мёртвая - это тяжёлая вода. Д О c кипения = 101,4 0С, t замерзания = +3,8 0С, плотностью 1,1 г/см3, она хуже растворяет соли, в ней замедлены химические реакции (в 5 раз), семена, смоченные этой водой, не прорастают.
«Живая» вода – талая вода, обладающая целебными свойствами, с сохранением в ней структуры льда, более рыхлой, чем в жидкой воде. Берёзовый сок, собираемый ранней весной, представляет собой талую воду, прошедшую через живые клетки и обогатившуюся витаминами. Может быть, он поэтому и целебен? Активное биологическое воздействие «живой» воды впервые было обнаружено в Арктике, когда при таянии льда было замечено интенсивное развитие планктона. Вода тающего льда (и, конечно, снега) увеличивает в 1,5 – 2 раза урожайность сельскохозяйственных культур, прирост молодняка, оказывает омолаживающее действие на организм как животного, так и человека.
Серебряная вода – это тоже вид живой воды. Применялась в глубокой древности. Во всяком случае, ещё 2,5 тысячи лет назад персидский царь Кир во время походов пользовался водой, сохраняемой в серебряных сосудах. В Индии обезвреживали воду, погружали в неё раскалённое серебро.
Ионы серебра обладают антимикробным действием. Серебряная вода с успехом применялась для обеззараживания питьевых вод. Серебряная вода служит эффективным лечебным средством при воспалительных и гнойных процессах, вызванных бактериальным заражением, а также при лечении желудочно-кишечных заболеваний, язвенной болезни
Есть и ещё один вид воды – намагниченная. Такую воду получают путём пропускания через магниты, вмонтированные в трубопровод, по которому течёт вода. Вода при этом изменяет свои физико-химические свойства.
Таким образом, самое удивительное вещество на Земле – вода таит в себе ещё много неизвестных человеку свойств, которые наука должна изучить и использовать на благо человечества.
1.5. Вода как хранитель энергии.
Рассмотрим существенную роль воды как хранителя и распространителя солнечной энергии на Земле. В этой роли вода выступает во всех трёх состояниях – твёрдом, жидком, газообразном. В виде пара в атмосфере, то конденсирующегося в капельки, то снова испаряющегося, в капельки, то снова испаряющегося, 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. Рассмотрим непрерывный и бесконечный процесс циркуляции воды – из океана в воздух, из воздуха – в почву, из почвы – в реки, из рек- снова в океан. Процесс, который называется круговоротом воды в природе. Ежедневно с поверхности океанов и морей испаряется около 320 000 км воды. Около 60 000 км воды испаряется с суши, а также с водой поверхности озёр и рек. Таким образом, ежегодно в общей сложности около 380 000 км воды уносится в атмосферу, чтобы превратиться в 380000 км осадков, потому что за каждый год количество испарившейся воды в точности до последней капли соответствует количеству осадков, выпавших в виде дождя и снега. Как известно, 1 грамм воды, испаряясь, поглощает около 600 кап. Тепла. Можно образно представить себе, что он уносит с собой эту тепловую энергию в воздух. Рассеянные в воздухе молекулы воды обычно включаются мировую систему циркуляции, обусловленную неравномерным распределением солнечной энергии на Земле. Наибольшее количество энергии на земном шаре получает экваториальная область; по мере движения от этой срединной области к северу и к югу, количество поступающей солнечной энергии уменьшается. Поэтому в тропиках испарение значительно сильнее и воздух теплее, чем где бы то ни было.
Испарившаяся вода, участвующая в атмосферной циркуляции, ни в коем случае не является единственным переносчиком накопленного тепла. Вода, оставшаяся в жидком состоянии в океане, тоже принимает большое участие в переносе энергии на тысячи километров.
2. Свойства воды
2.1. Количество воды на планете
Если рассматривать показатель количества данного оксида во всех агрегатных состояниях, то его на планете около 75% от общей массы. При этом следует учитывать связанную воду в органических соединениях, живых существах, минералах и прочих элементах.
Если учитывать только жидкое и твердое состояние воды, показатель падет до 70,8%. Рассмотрим, как распределяются эти проценты, где содержится рассматриваемое вещество. Соленой воды в океанах и морях, солончаковых озерах на Земле 360 млн км2. Пресная вода распределена неравномерно: ее в ледниках Гренландии, Арктики, Антарктиды заковано во льды 16,3 млн км2. В пресных реках, болотах и озерах сосредоточено 5,3 млн км2 оксида водорода. Подземные воды составляют 100 млн м3. Именно поэтому космонавтам из далекого космического пространства видно Землю в форме шара голубого цвета с редкими вкраплениями суши. Вода и ее свойства, знание особенностей строения являются важными элементами науки. К тому же, в последнее время человечество начинает испытывать явную нехватку пресной воды. Может быть, такие знания помогут в решении данной проблемы.
2.2. Состав воды и строение молекул
Если рассмотреть эти показатели, то сразу станут понятны и свойства, которые проявляет это удивительное вещество. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому имеет эмпирическую формулу Н2О. Кроме того, при построении самой молекулы большую роль играют электроны обоих элементов. Посмотрим, что собой представляют структура воды и ее свойства. (См. Приложение 2)
Очевидно, что каждая молекула ориентирована вокруг другой, и все вместе они формируют общую кристаллическую решетку. Интересно то, что оксид построен в форме тетраэдра - атом кислорода в центре, а две пары электронов его и два атома водорода вокруг асимметрично. Если провести через центры ядер атомов линии и соединить их, то получится именно тетраэдрическая геометрическая форма. Угол между центром атома кислорода и ядрами водородов составляет 104,5 0С. Длина связи О-Н = 0,0957 нм. Наличие электронных пар кислорода, а также его большее в сравнении с водородами сродство к электрону обеспечивают формирование в молекуле отрицательно заряженного поля. В противовес ему ядра водородов образуют положительно заряженную часть соединения. Таким образом, выходит, что молекула воды - диполь. Это определяет то, какой может быть вода, и ее физические свойства также зависят от строения молекулы. Для живых существ эти особенности играют жизненно важную роль.
2.3. Химические свойства
Вода и ее свойства - важный инструмент в понимании многих процессов жизнедеятельности. Поэтому они изучены очень хорошо. Так, гидрохимию интересуют вода и ее химические свойства. Среди них можно назвать следующие:
- Жесткость. Это такое свойство, которое объясняется наличием солей кальция и магния, их ионов в растворе. Подразделяется на постоянную (соли названных металлов: хлоридов, сульфатов, сульфитов, нитратов), временную (гидрокарбонаты), которая устраняется кипячением. В России воду перед использованием смягчают химическим путем для лучшего качества.
- Минерализация. Свойство, основанное на дипольном моменте оксида водорода. Благодаря его наличию молекулы способны присоединять к себе множество других веществ, ионов и удерживать их. Так формируются ассоциаты, клатраты и прочие объединения.
- Окислительно-восстановительные свойства. Как универсальный растворитель, катализатор, ассоциат, вода способна взаимодействовать с множеством простых и сложных соединений. С одними она выступает в роли окислителя, с другими - наоборот. Как восстановитель реагирует с галогенами, солями, некоторыми менее активными металлами, с многими органическими веществами. Последние превращения изучает органическая химия. Вода и ее свойства, в частности, химические, показывают, насколько она универсальна и уникальна. Как окислитель она вступает в реакции с активными металлами, некоторыми бинарными солями, многими органическими соединениями, углеродом, метаном. Вообще химические реакции с участием данного вещества нуждаются в подборе определенных условий. Именно от них и будет зависеть исход реакции.
- Биохимические свойства. Вода является неотъемлемой частью всех биохимических процессов организма, являясь растворителем, катализатором и средой.
- Взаимодействие с газами с образованием клатратов. Обычная жидкая вода может поглощать даже неактивные химически газы и располагать их внутри полостей между молекулами внутренней структуры. Такие соединения принято называть клатратами.
- Со многими металлами оксид водорода формирует кристаллогидраты, в которые он включен в неизменном виде. Например, медный купорос (CuSO4*5H2O), а также
Для воды характерны реакции соединения, при которых происходит образование новых классов веществ (кислот, щелочей, оснований). Они не являются окислительно-восстановительными.
- Электролиз. Под действием электрического тока молекула разлагается на составные газы - водород и кислород. Один из способов получения их в лаборатории и промышленности.
3. Экологическое состояние воды
3.1. Загрязнение природных вод
Загрязнение воды - это серьезная экологическая проблема. Ведь вода необходима для существования всех живых организмов, в том числе и людей. Но её загрязнение делает невозможным использование воды для питья. А существующие способы очистки воды отнюдь не являются панацеей, поскольку во многих случаях ничем помочь не могут.
Основные причины загрязнения воды.
3.1.1. Сточные воды. Проще говоря, это та вода, которая оказывается в канализации. Представляют собой сточные воды смесь отходов жизнедеятельности человека, грязи, моющих средств и дождевой воды. В итоге получается грязная и токсичная жидкость, которая сливается, как правило, в реки и моря. И основная проблема заключается в том, что бытовые сточные воды содержат различные химические вещества (из-за моющих средств). Именно они наносят основной урон по живым водным организмам. (См. Приложение 3)
3.1.2. Промышленные отходы. Оказываются они в водоёмах по различным причинам. Случается так, что промышленные отходы сливаются в реки и моря нарочно (это ведь самый простой способ избавиться от них, и самый вредоносный). А иногда происходят несчастные случаи или утечки, в результате которых отходы оказываются в воде.
3.1.3. Фермерские хозяйства. Из-за удобрений, используемых на полях, наносится большой ущерб водоёмам. Происходит это потому, что химические и органические удобрения, находящиеся в верхнем слое почвы, смываются дождём в водоёмы (а также попадают в подземные воды). Но отказаться от ведения фермерских хозяйств было бы самоубийством, поскольку они являются поставщиками пищи. Поэтому с данной проблемой ничего не поделаешь. (См. приложение 5)
3.1.4. Утечки нефти. К сожалению, случаются они слишком часто. По некоторым данным, в одной лишь Америке происходит более 10 тысяч утечек нефти каждый год. И, попадая в водоёмы, нефтепродукты оказывают множество неблагоприятных воздействий на живые организмы. (См. приложение 4)
3.1.5. Твёрдые отходы. В мире существует множество водоёмов, которые служат в качестве каких-то помоек. Туда сбрасывается различный мусор, который в большом количестве собирается на поверхности водоёмов. Из-за чего препятствует попаданию солнечного света, что, в свою очередь, приводит к нарушению многих процессов, происходящих в этих экосистемах. (См. приложение 6)
3.1.6. Тепловое загрязнение. Под этим пунктом подразумевается слив в водоёмы тёплой воды, которая образуется в результате работы тепловых и атомных электростанций. По своему составу вода не представляет никакой опасности, поскольку берётся из тех же водоёмов, но её повышенная температура оказывает неблагоприятное воздействие. Из-за увеличения температуры воды ускоряются многие процессы, что приводит к различным проблемам. В таких водоёмах наблюдаются массовые вымирания живности и ускоренное зарастание водорослями.
3.1.7. Атмосферные загрязнения. В атмосфере нашей планеты содержится множество загрязняющих веществ. Они оказывают вредоносное влияние и на водоёмы. Наибольший вред доставляют пепел, сажа, зола и различные газы. Оказываются они в атмосфере, в основном, из-за промышленной деятельности людей. А после попадания в воду происходят химические реакции, из-за чего образуются концентрированные кислоты.
Также продукты промышленной деятельности могут вступать в реакцию с водой и в атмосфере, из-за чего идут кислотные дожди, тоже наносящие большой вред водоёмам. (См. приложение 7)
3.1.8. Последствия загрязнения воды. В мире уже сейчас наблюдается нехватка пресной воды (преимущественно, в регионах, находящихся близко к экватору). Загрязнение водоёмов лишь усугубляет положение вещей. Всё это грозит нехваткой пресной воды для большого количества людей. И, как следствие, увеличению количества смертей от жажды.
Вывод. Загрязнение воды является серьёзной проблемой человечества, но существует множество способов её решения: научиться бережней относиться к природным ресурсам, создать более совершенные очищающие воду механизмы, внедрить бессточные технологии в промышленности, повторно использовать очищенные сточные воды (в сельском хозяйстве, например) и т.д. Бороться с этой проблемой вполне можно и нужно. А учитывая тот факт, что наука не стоит на месте, можно надеяться, что мы увидим результаты этой борьбы.
3.2. Способы очистки воды
3.2.1. промышленные способы очистки воды
Сегодня проблема качества питьевой воды волнует многих людей во всем мире. Вследствие нехватки чистой питьевой воды и регулярного употребления воды низкого качества, более пятисот миллионов человек в мире страдают от различных заболеваний. Для мегаполисов проблема чистоты и качества питьевой воды особенно актуальна.
Существует множество причин загрязнений питьевой воды. Все эти причины прямо или косвенно связаны с источниками воды. Часто водопроводная вода имеет не артезианское происхождение, а берется из доступных открытых поверхностных источников. Каждый тип водного источника имеет свои собственные характерные причины, которые вызывают загрязнение воды.
Изобретено множество способов предварительной подготовки питьевой воды, а так же методов ее очистки, позволяющих получить практически из любого источника питьевую воду высокого качества.
Очистка воды представляет собой специальный комплекс мероприятий по удалению различных загрязнений, содержащихся в ней. Очистка воды производится на специальных водоочистных сооружениях, а так же в домашних условиях.
Вода, прежде чем попасть в кран конечного потребителя, проходит обеззараживание (чаще всего – хлором, реже используют установки ультрафиолетового облучения), и комплексную очистку на водоочистных станциях.
Рассмотрим наиболее распространенные методы и способы очистки питьевой воды.
Распространенные методы подготовки и очистки воды: осаждение, осветление, мембранные методы, химические реагенты для окисления, адсорбция, обезжелезивание, умягчение, обессоливание, кондиционирование, обеззараживание, удаление органических загрязнений, дехлорирование, удаление нитратов. (См. приложение 8)
Основные методы очистки воды можно разделить на: механические,
Мембранный, биологические, химические, физико-химические, дезинфекция, адсорбация.
К механическим методам относятся различные виды фильтрации или фильтрования воды, процеживание воды, отстаивание воды. Все эти способы относительно недорогие и доступные, их основное использование сводится к отделению от воды различных взвесей.
Мембранный способ очистки питьевой воды заключается в том, что воду пропускают через полупроницаемую перегородку, отверстия которой меньше размера частиц загрязнений.
В основе биологических методов очистки воды лежит способность микроорганизмов подвергать разложению органические соединения. Эти методы обычно применяют для нейтрализации растворенных в воде органических соединений.
С помощью химических методов водной очистки нейтрализуют различные неорганические примеси. Сточные воды обычно обеззараживают, обесцвечивают, нейтрализуют растворенные в них соединений с помощью химических реагентов.
Физико-химические методы очистки воды применяют для нейтрализации коллоидных примесей, растворенных соединений, очистки от грубо- и мелко-дисперсионных частиц. Эти методы отличается высокой производительностью.
Дезинфекция - наиболее популярный химический способ очистки питьевой воды хлором, озоном, гипохлоритом натрия, диоксидом хлора.
Для положительного результата необходимо правильно рассчитать требуемый объем реагента. При малых дозах достичь хороших результатов трудно, скорее наоборот, количество вредных микроорганизмов может возрасти. Поэтому лучше вносить действующее вещество с избытком, чтобы уничтожить бактерии, уже находящиеся в воде и способные проникнуть туда уже после обработки. Но и в этом случае дозу необходимо рассчитывать как можно осторожнее, чтобы она не смогла причинить вред потребителям.
Адсорбация – один из физико-химических способов очистки воды. Это процесс так называемого избирательного поглощения твердыми поглотителями, имеющими большую удельную поверхность, одного или нескольких компонентов из жидкой среды. В качестве адсорбентов применяют различные искусственные либо природные пористые материалы: активные глины, торф, зола, коксовая мелочь, силикагель, активированные угли и прочее. (См. приложение 9)
Для окончательной очистки и обеззараживания воды, в основном, применяют: ультрафильтрацию, умягчение, хлорирование, ультрафиолетовое излучение,озонирование, безреагентные способы обезжелезивания.
3.2.1.1. Очистка воды методом ультрафильтрации – это процесс удаления из воды различных механических и химических примесей. Очистка с помощью этого способа строится исходя из химического и физического состава воды, который определяется специальными пробами. Химические вещества, растворенные в воде в количествах, превышающих установленные нормы, осаживаются с помощью специальных процессов, после чего вода прогоняется через фильтры различной степени фильтрации, которые задерживают те или иные примеси. (См. приложение10)
3.2.1.2. Умягчение – это процесс извлечения из воды солей жесткости (кальция и магния). Селективное удаление солей жесткости производится несколькими методами: реагентным умягчением, ионным обменом, при котором ионы загрязненного раствора меняются местами с ионами ионообменного материала, в качестве которого используются различные ионообменные смолы. Умягчение воды снижает угрозу отложения труднорастворимых соединений на стенках и ведущих элементах промышленного оборудования. Установки обратного осмоса предприятий позволяют производить глубокую очистку воды с максимальным качеством по большинству показателей.
3.2.1.3. Хлорирование - этот способ очистки воды не позволяет очистить воду должным образом и способствует образованию примесей, вредных для организма человека. С одной стороны хлорированная вода защищает нас от ряда опасных вирусов и патогенных бактерий, с другой стороны хлор разрушает белковые структуры нашего тела, влияет на состояние слизистых оболочек, убивает полезные бактерии в кишечнике, что способствует ухудшению микрофлоры и может провоцировать появление аллергических реакций. Кроме этого, хлор не убивает яйца остриц и цисты лямблий.
3.2.1.3. Озонирование. Очистка воды с помощью озонирования основана на применении газообразного озона - в процессе взаимодействия с вредными химическими элементами, озон превращается в кислород. Доказано, что озонирование оказывает сильное положительное влияние на организм человека. Озонирование имеет преимущество перед обработкой воды хлором, поскольку не образует токсинов.
3.2.1.4. Обезжелезивание – это процесс удаления из воды железа. Применяют несколько видов обезжелезивания воды, выбирая их в зависимости от того, какое именно железо содержится в обрабатываемой воде: двух валентное, трехвалентное, органическое или бактериальное. Безреагентные способы обезжелезивания применяют для устранения избыточного содержания в воде железа, нитратов и других загрязнений, придающих воде неприятный вкус, запах, цвет и ржавчину. Зачастую из воды также удаляется марганец, и процесс называется деманганацией.
В наше время уровень загрязнения достаточно высок, поэтому процесс очищения питьевой воды очень важен. Для подбора наиболее подходящего и эффективного способа очистки питьевой воды следует сделать ее анализ.
3.2.2. Способы очистки воды в домашних условиях
Существует множество способов доочистки питьевой воды в домашних условиях. Рассмотрим наиболее популярные.(См. приложение 11)
I. Очистка питьевой воды без применения фильтров.
Такие способы, как кипячение, вымораживание или отстаивание, применяются с давних времен.
3.2.2.1. Кипячение воды является наиболее простым и известным способом очистки воды. Кипячение применяют с целью уничтожения вирусов, бактерий, микроорганизмов и другой органики, удаления хлора и других низкотемпературных газов (радон, аммиак и др.). Процесс кипячения помогает в некоторой степени очистить воду, но имеет ряд побочных эффектов:
— при кипячении изменяется структура воды, она становится «мертвой». Чем больше мы кипятим воду, тем больше погибает в ней патогенных организмов, однако при этом вода становится менее полезной для организма человека.
— при кипячении происходит испарение воды, что приводит к повышению концентрации солей. Они оседают на стенках чайника в виде накипи и попадают в организм человека. Накапливаясь в организме человека, соли приводят к различным заболеваниям — начиная от болезней суставов, образованию камней в почках и окаменению (циррозу) печени, и заканчивая артериосклерозом, инфарктом и мн. др.
— многие виды вирусов могут перенести кипячение воды, поскольку для их уничтожения требуются более высокие температуры.
— при кипячении воды удаляется только газообразный хлор. В лабораторных исследованиях был подтвержден тот факт, что после кипячения водопроводной воды образуется дополнительный хлороформ, даже если перед кипячением воды была освобождена от хлороформа продувкой инертным газом. Это опасное для здоровья канцерогенное вещество может вызывать онкологические заболевания.
Таким образом, после кипячения мы получаем «мертвую» воду, в которой имеется мелкая взвесь и механические частицы, соли тяжелых металлов, хлор и хлорорганика, вирусы и др.
3.2.2.2. Отстаивание, в основном, применяют для удаления из воды хлора. Для отстаивания водопроводную воду наливают в большое ведро или банку и оставляют на 8-12 часов. Без дополнительного перемешивания воды удаление газообразного хлора происходит примерно с 1/3 глубины от поверхности воды, поэтому для получения заметного эффекта необходимо следовать разработанным методикам отстаивания.
Важно помнить, что соли тяжелых металлов самостоятельно из отстоянной воды не исчезнут — в лучшем случае они осядут на дне. Поэтому следует использовать лишь 2/3 содержимого банки, стараясь не взбалтывать ее в процессе переливания воды, чтобы осадок на дне не смешался с более-менее очищенной водой.
Эффективность отстаивания воды обычно оставляет желать лучшего. Для усиления эффекта воду так же настаивают на кремнии и/или шунгите. После отстаивания воду обычно подвергают кипячению.
3.2.2.3. Заморозка или вымораживание.Этот способ применяют для эффективной очистки воды с помощью ее перекристаллизации. Вымораживание гораздо эффективнее кипячения и перегонки, поскольку фенол, хлорфенолы и легкая хлорорганика перегоняются вместе с водяным паром.
Большинство людей под процессом вымораживания понимают следующие действия:
налить воду в посуду и поставить ее в холодильник до замерзания
вынуть посуду со льдом из холодильника и разморозить ее для питья.
Эффект очистки воды таким способом близок к нулю, хотя вода получается немного лучше водопроводной воды.
Правильное вымораживание основывается на химическом законе, согласно которому при замерзании жидкости прежде всего в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество (вода), а затем в наименее холодном месте затвердевает все, что было растворено в основном веществе (примеси). То есть чистая пресная вода замерзнет быстрее, чем вода с примесями солей. Этому закону подчиняются все жидкие вещества. Самое главное — обеспечить медленное замораживание воды, и вести его так, чтобы в одном месте сосуда его было больше, чем в другом. Следите за процессом замораживания, и когда вода наполовину замерзнет, незамерзшую воду вылейте (в ней остались все вредные примеси), а замороженную воду можно растопить и использовать для питья и приготовления пищи.
Размороженная (талая) вода, выпитая сразу после оттаивания, является чрезвычайно полезной и целебной, она способна ускорить восстановительные процессы в организме, повысить работоспособность, облегчить состояние при различных заболеваниях.
3.2.3. О чем может сказать вода из крана
Зеленые и бурые подтеки — наличие в воде минеральных кислот: серной и соляной.
Рыбный, затхлый, землистый или древесный запах — присутствие в воде органических соединений.
Образование темных пятен на посуде, желтоватых или черных пятен на поверхности раковины — присутствие в воде сероводорода.
«Химический запах» - попадание промышленных сточных вод в системы водоснабжения.
Солоноватый привкус — высокое содержание солей магния и натрия.
Образование пятен на алюминиевой посуде - высокое содержание щелочи.
Металлический привкус - высокое содержание железа.
Потемнение и коррозия раковины из нержавеющего металла - высокое содержание хлоридов.
Красновато-бурый оттенок - присутствие в воде окисленного железа, вымываемого из ржавых труб.
Мутная вода — либо высокое содержание воздуха из-за неисправного насоса, либо присутствие метана.
III. Заключение
Запасы воды на Земле значительны, но остро встала проблема чистой воды из-за ее загрязнения.
На сегодняшний день есть два пути решения этой проблемы: бережное отношение, учет и создание безотходных технологий.
Методы очистки воды выбирают в зависимости от загрязняющих веществ и требований, предъявляемых разными производствами при использовании природной воды.
Природная вода обладает способностью к самоочищению — восстановлению первоначальных свойств в результате естественных биологических, химических и физических процессов. К физическим процессам относится фильтрация, происходящая, в частности, в породах, слагающих речное дно. На очистных сооружениях фильтрация составляет одну из стадий очистки сточных вод.
Считаю, что, работая над данным проектом, я справилась с поставленной целью. Это дало мне возможность сделать вывод, что вода, которую мы потребляем, не соответствуем ни каким санитарным нормам (См. приложение 12). Однако не все люди понимают необходимость использование очищенной воды, а не воду из-под крана. Теперь я понимаю, насколько неочищенная вода может навредить здоровью человека...
На следующий год я планирую продолжить работу над данной проблемой и глубже изучить биологическую роль воды в нашей жизни.
Приложение 1.
Водородные связи между молекулами воды. А. Две молекулы воды, соединенные водородной связью -δ+ — очень маленький положительный заряд; δ~ — очень маленький отрицательный заряд. Б. Сеть из молекул воды, удерживаемых вместе водородными связями. Такие структуры постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в воде, находящейся в жидком состоянии.
Приложение 2.
Приложение 3.
П
риложение 4.
Э Этот баклан погиб в результате утечки н нефти
Приложение 5.
Приложение 6.
Приложение 7.
Приложение 8.
Приложение 9.
Приложение 10.
Приложение 11.
Приложение 12.
Практическая часть
1. Качество водопроводной воды
Для определения качества воды потребовались стеклянные емкости объемом около полулитра. Мы налили в емкости 250-300, добавили в каждую из них по чайной ложке сахарного песка и до6ились того, чтобы он растворился. Затем ёмкости тщательно закрыли и поставили на 48 ч в теплое место. Через двое суток был полyчен следующий результат: во многих емкостях заметны хлопья или же она стала мутной. Такая вода абсолютно не пригодна для употребления. Как же очистить такую воду самостоятельно?
Чтобы избавить воду от множества микроорганизмов, способных существенно нарушить микрофлору вашего желудка, достаточно добавить в нее несколько капель лимонной кислоты. Раствор рекомендуется приготовить в следующем соотношении: 1 часть кристаллической лимонной кислоты следует растворить в 2000 частей воды. Например, на 500 г воды пойдет 0,25 г кристаллической лимонной кислоты. Одной ложки полученного раствора вполне хватит на то, чтобы «дезинфицировать» 2,5 л воды.
Действие этого раствора скажется уже через несколько минут — животные и растительные микроорганизмы погибнут, выпадут в осадок, а вода станет гораздо чище. Такой раствор следует приготовить перед самым употреблением. Он совершенно безвреден для организма человека и не чувствуется в воде.
Мы провели еще один тест, чтобы узнать, является ли чистой вода, которую мы пьем. Для этого мы заполнили небольшую ёмкость водой и поместили её в морозильник. Вода замерзла. Внимательно посмотрите (демонстрирует): лёд прозрачный, искристый, ровный. Это значит, что вода, которую мы использовали для опыта, чистая. Ее можно безбоязненно пить.
А теперь рассмотрим образец замороженной воды, которую мы отобрали из Усы. Лёд бугристый, мутный, с желтоватым оттенком. Эту воду пить нельзя, она недостаточно очищена.
2. Определение реакции среды.
В пробирку с небольшим количеством опускаю универсальную лакмусовую бумажку. Лакмусовая бумажка изменила окраску, и вскипятила воду.
Если до кипячения лакмусовая бумажка посинела, а после кипячения цвет новой лакмусовой бумажки не изменился, то в воде был растворён аммиак (посёлок).
Станционовская вода цвета индикатора не изменила, значит в ней не содержатся примеси углекислого газа и аммиака.
3. Обнаружение органических веществ в воде.
Возьмём две пробирки, в одну из них налейте 5 мл поселковой воды, в другую – станционовскую воду. В каждую пробирку прибавим по одной капле 5%-го раствора перманганата калия. В пробирке с поселковой водой окраска останется. Изменение окраски в станционовской воде указывает на присутствие органических веществ (иногда неорганических веществ восстановителей).
4. Оценка жёсткости различных образцов воды.
Возьмём четыре пробирки, в каждую нальём по 5 мл воды и добавим по кусочку мыла. В течение 5 минут перемешивали содержимое пробирок до полного растворения мыла. После дали растворам отстояться и получили следующие результаты:
|
№ |
Образец воды |
Характеристика полученного раствора |
|
1 |
Станция |
Раствор мутный |
|
2 |
Кипячёная |
Раствор мутный, осадка почти нет |
|
3 |
Посёлок |
Раствор слегка мутный |
|
4 |
Дистиллированная |
Раствор почти прозрачный, осадка нет |
Вывод: самая хорошая вода, которую мы исследовали, взятая на станции, она практически не содержит солей, т.е. является «мягкой»