Наукова робота. Хімічний аналіз води (жорсткість, рН, мінералізація)

Виконала:
Ясиненко Лілія,
учениця Маріупольського механіко-металургійного
коледжу Державного вищого навчального закладу
„Приазовський державний технічний університет”

Науковий керівник:
Бистрова Юлія Віталіївна,
учителька хімії
Маріупольського механіко-металургійного
коледжу Державного вищого навчального закладу
„Приазовський державний технічний університет”,
лауреатка IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу 
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Хімія”

Вступ

Здоров’я населення знаходиться в прямій залежності від складу природних вод в джерелах, з яких здійснюється регулярне водопостачання даної території. Щодня людина вживає 1,5-2,5 літра води, яка не повинна, в ідеалі, містити ніяких шкідливих домішок, що негативно впливають на здоров’я людини. У той же час, питна вода повинна містити достатню кількість мікроелементів, що беруть участь в обмінних процесах людини.

У природі вода ніколи не зустрічається у вигляді хімічно чистої сполуки. Маючи властивості універсального розчинника, вона постійно несе велику кількість різних елементів і сполук, склад і співвідношення яких визначається умовами формування води, складом водоносних порід. Великий вплив на склад природних вод, як поверхневих, так і підземних, надає техногенне забруднення.Метою науково – дослідної роботи є аналіз якості питної природної води.Для проведення аналізу було взято 3 зразка води:1. Джерело в Володарському районі (25 км від Маріуполя) (Проба 1)2. Джерело в Кальміуському районі (Проба 2)3. Старокримське водосховище (Проба 3)Для досягнення мети дослідження були поставлені такі завдання:- кількісне визначення загальної жорсткості (вміст іонів Mg ²⁺ і Ca ²⁺);- визначення рН досліджуваної води;- кількісне визначення мінералізації (сухого залишку) досліджуваної води.

1. Теоретична частина

1.1 Загальна жорсткість води

1.1.1 Загальна характеристика

Жорсткою називається вода, що містить велику кількість розчинених солей кальцію і магнію. Розрізняють загальну, тимчасову (карбонатну), постійну (некарбонатну) жорсткості. Одиниці виміру моль/м³ або ммоль/дм³.

Загальною жорсткістю називається сумарна концентрація іонів Ca²⁺, Mg²⁺ у воді.

Постійною (некарбонатною) жорсткістю називається частина загальної жорсткості, яка залишається після кип’ятіння води протягом певного часу. Некарбонатна жорсткість – частина загальної жорсткості, що дорівнює різниці між загальною і карбонатною жорсткістю.

Тимчасовою (карбонатною) жорсткістю називається частина загальної жорсткості, еквівалентна концентрації карбонатів і гідрокарбонатів кальцію і магнію. Карбонатна жорсткість – це частина загальної жорсткості, що видаляється кип’ятінням води протягом певного часу. Вона дорівнює різниці між загальною і постійною жорсткістю.

Використання жорстких вод для господарсько-побутових і промислових потреб призводить до дуже небажаних наслідків.1. Посилення корозії парових котлів і теплообмінників внаслідок гідролізу магнієвих солей і підвищення концентрації водневих іонів в розчині:

Mg^{2 +} + 2H₂O → Mg(OH)₂ + 2H⁺

2. Відкладення накипу на поверхні теплообмінних апаратів (котлів, холодильників), знижує економічність роботи цих установок. Накип має малу теплопровідність і збільшує непродуктивний витрата палива. Метал під накипом перегрівається і розм’якшується. Це призводить до утворення здуття і тріщин в трубах парових котлів.
3. У жорсткій воді погано розварюються продукти, знижується їх поживна цінність. Білки переходять в нерозчинний стан, погано засвоюються організмом.
4. Передчасний знос тканин при пранні в жорсткій воді. Волокна тканин сорбують кальцієві і магнієві мила, а це робить їх крихкими і ламкими.

1 моль/м³ жорсткості дорівнює 20,04 г/м³ іонів Са ²⁺; 12,153 г/м³ іонів Mg²⁺.

Розрізняють п’ять класів жорсткості води:

I Дуже м’яка – жорсткість 0-1,5 ммоль/дм³;

II М’яка – жорсткість 1,5- 3 ммоль/дм³;

III Середньої жорсткості – жорсткість  3-4,5 ммоль/дм³;

IV Досить жорстка – жорсткість 4,5-6 ммоль/дм³;

V Жорстка – жорсткість 6-10 ммоль/дм³;

VI Дуже жорстка – жорсткість більше 10 ммоль/дм³.

Різні країни умовно приймають свої одиниці. Так, 1 моль/м³ дорівнює 2,807 німецьких градусів, 5,005 французьких, 50,050 американських.

Вплив надлишкової жорсткості:Постійне вживання води з підвищеною жорсткістю призводить до зниження моторики шлунка, до накопичення солей в організмі, та, як підсумок, до захворювання суглобів (артрити, поліартрити) і утворення каменів в нирках і жовчних шляхах.М’яка вода вимиває з кісткової тканини солі. У людини може розвинутися рахіт (якщо пити таку воду з дитинства), у дорослої людини стає ламкою кісткова тканина. Є ще одна негативна властивість м’якої води. Вона, проходячи через травний тракт, не тільки вимиває мінеральні речовини, а й корисні органічні речовини, в тому числі і корисні бактерії.

1.1.2 Методика визначення

Трилонометричний метод

Трилон Б – двонатрієва сіль етілендіамінотетраоцтової кислоти, утворює міцні комплекси з іонами трьох- і двовалентних металів, зокрема з іонами кальцію і магнію

Схематично взаємодія трилону Б з іонами кальцію (магнію) згідно із рівнянням:

Ca²⁺Na₂H₂ R = Na₂ (Ca R) = 2Н⁺,

де R — радикал етилендіамінотетраоцтової кислоти.

Трилонометричний метод використовують для вод із різною жорсткістю

Реактиви

1. Розчин трилону Б 0,1 н.
2. Аміачний буферний розчин.
3. Індикатор еріохром чорний Т.

Хід визначення

У конічну колбу на 250 см³ відміряють піпеткою або циліндром 100 см³ досліджуваної води. Додають 5 см³ аміачного буферного розчину, 2-3 краплі індикатора еріохрома чорного Т (до появи інтенсивного вишнево-червоного кольору). Пробу титрують 0,1 н розчином трилону Б до зміни забарвлення в еквівалентній точці (забарвлення повинно бути блакитним із зеленуватим відтінком), стійким протягом 2 хвилин. Загальну жорсткість розраховують за формулою:

де Ж_заг. – загальна жорсткість, ммоль/дм³; V₁ – об’єм розчину трилону Б, що пішов на титрування проби, см³; Сн – нормальність робочого розчину трилону Б; V₂ – об’єм проби води, см³

1.2 Визначення водневого показника рН

1.2.1 Загальна характеристика

Визначення кислотності у природній воді – визначення водневого показника.

Концентрацію іонів водню виражають величиною .

У більшості природних вод значення pH обумовлено лише співвідношенням концентрації вільної вуглекислоти і гідрокарбонат-іонів. В цьому випадку pH коливається від 4,5 до 8,3. Вода з підвищеним значенням рН може роздратовувати очі таі шкіру, викликати відчуття печії. При споживанні такої води шлунково – кишковий тракт стає вразливим для паразитуючих організмів. Вона може спровокувати багато захворювань.

Значне зниження рівня рН води також може заподіяти шкоди організму. Така вода позбавлена ​​потрібних для нього речовин. Не отримуючи їх, тканини втрачають здатність до регенерації.Споживання кислої або лужної води призводить до порушення кислотно – лужного балансу, а, отже, порушується і його стабільне функціонування.Існує два основні методи визначення показника рН різних розчинів:

1. Індикаторний метод. Визначення рН розчинів цим методом ґрунтується на тому, що індикатори змінюють своє забарвлення при різних значеннях рН, зокрема: метилоранж – при рН = 4,4; лакмус – при рН = 7; фенолфталеїн – при рН = 9.
2. Метод потенціометра. Він заснований на вимірюванні ЕРС елемента, що складається з електрода порівняння (каломельний, хлорсрібний) і вимірювального електроду, потенціал якого є функцією активності іонів водню в розчині. Для цього використовують прилади: іономіри і рН-метри.

 Основні технічні характеристики приладів, що використовуються в даній роботі:

1. Іономер універсальний «ЕВ-74».

Напруга живлення: 220 В, частота струму 50 Гц. Іономір призначений для вимірювання активності іонів водню (рН), активності інших одновалентних і двовалентних аніонів і катіонів (рХ) в розчинах у вигляді аналогового сигналу напруги постійного струму. Прилад призначений для використання в лабораторіях науково-дослідних установ. Діапазон вимірювань рН в даній роботі: 4-9.

Портативний рН-метр

Шкала: 0,1-14,0 рН; шаг: 0,1; амплітуда температур: 0-50°С при відносній вологості менш ніж 95%. Табло: електронне монохромне

1.2.2 Методика визначення

1) Виконання вимірювань водневого показника іономером універсальним ЕВ-74

1. Іономер ЕВ-74 включаємо в мережу і прогріваємо 20 хв. для стабілізації роботи.2. Промиваємо електроди дистильованою водою, потім досліджуваною водою і занурюємо в аналізовану воду.3. Вимірюємо величину pH відповідно до інструкції, яка додається до приладу.4. Отримані результати округляємо до 0,05-0,1 одиниці pH.

2) Виконання вимірювань водневого показника портативним рН-метром

Занурюємо електрод в середу для вимірювань. Чекаємо, доки показання приладу стабілізуються (45-60 секунд).

1.3 Мінералізація (сухий залишок)

1.3.1 Загальна характеристика

Визначення мінералізації (сухого залишку) в хімічному аналізі має велике практичне значення. Ця величина дозволяє не тільки характеризувати загальну мінералізацію води, але й контролювати якість виконаного аналізу, тому що при вірно виконаному аналізі загальний вміст знайдених речовин повинен бути близький до величини сухого залишку.

У водах, а також у розсолах, сухий залишок отримують випаровуванням води з содою. У кислих водах сухий залишок отримують випаровуванням з сірчаною кислотою. Найбільш зручно обсяг води для визначення брати з таким розрахунком, щоб вага сухого залишку становила 50 – 500 мг. Для визначення сухого залишку в розсолах беруть наважку від 1 до 10 г в залежності від концентрації розсолу.

Визначення сухого залишку простим випаровуванням води і подальшим висушуванням при температурі 105 – 110 °С дає для вод і розсолів незадовільні результати внаслідок гідролізу і гігроскопічності хлоридів магнію і кальцію і важкою віддачі кристалізаційної води сульфатами кальцію і магнію. Ці недоліки усуваються додаванням до води, що випаровується, наважки хімічно чистого карбонату натрію. При цьому хлориди і сульфати кальцію і магнію переходять в безводні карбонати, а з натрієвих солей лише сульфат натрію має кристалізаційну водою, але вона повністю видалятися висушуванням сухого залишку при температурі 150 – 180 °С.Мінеральні води з певним змістом солей корисні для здоров’я, але лікарі рекомендують вживати їх в обмежених концентраціях. З іншого боку, ультрапрісна дистильована вода, що отримана внаслідок очищування води методом зворотнього осмосу, теж не дуже корисна для здоров’я – багато лікарів вважають, що її постійне вживання призводить до порушення сольового балансу і вимивання з організму необхідних хімічних речовин.

1.3.2 Методика визначення

Виконання вимірювання мінералізації портативним TDS-метром

Занурюємо прилад у середовище для вимірювання. Чекаєио, доки показання прибору стабілізуються (45-60 секунд).

2. Експериментальна частина

2.1. Визначення загальної жорсткості трилонометричним методом

Результати титрування:

^* Середнє значення 3-х паралельних дослідів

Розраховуємо загальну жорсткість:

Ж_заг = (V_тр * C_тр *1000)/V_пробы

1 проба: Ж_заг=(4,7*0,025*1000)/100=4,7 мг-екв/л

2проба: Ж_заг=(11,53*0,025*1000)/100=11,53 мг-екв/л

3проба: Ж_заг=(21,2*0,025*1000)/100=21,2 мг-екв/л

Висновок: згідно із санітарними правилами і нормами жорсткість питної води повинна бути не вище 7,0 мг-екв/л. Другий і третій зразок води, за даним показником, не відповідають нормі і небезпечні для вживання.

2.2. Визначення рН

Результати досліджень:

Висновок: згідно з санітарними правилами і нормами значення рН питної води не повинно перевищувати 6,5 – 8,5. Результати досліджень показали, що у всіх зразках води значення рН в межах норми.

2.3 Визначення мінералізації (сухого залишку)

Результати досліджень:

Висновок: в нормі сухий залишок питної води не повинен перевищувати 200-500 мг/л. В ході дослідження було виявлено, що мінералізація другого і третього зразків води перевищує норму. Отже, можна зробити висновок, що ця вода не придатна для вживання в питних цілях.

Висновки

Проблема якості питної води турбує людське суспільство протягом всієї історії його існування. В теперішній час питна вода – це проблема соціальна, політична, медична, географічна, а також інженерна та економічна.Питна вода – найважливіший фактор здоров’я людини. Практично всі її джерела під впливом антропогенного і техногенного впливу різної інтенсивності.В ході навчальної науково – дослідницької роботи були вирішені наступні завдання:- кількісно визначена загальна жорсткість (вміст іонів Mg ²⁺ і Ca ²⁺);- визначено водневий показник рН досліджуваної води;- кількісно визначена мінералізація досліджуваної води.

Таблиця – Показники хімічного складу води

Порівнюючи отримані результати аналізів з вимогами ДержСанПін, можна сказати про те, що тільки 1-й зразок води повністю відповідає вимогам за всіма досліджуваними показниками.Для остаточного висновку про якість води не можна обмежуватися тільки представленими в роботі показниками. Існує цілий ряд хімічних, фізичних, санітарно-мікробіологічних параметрів, які також дуже важливі при оцінці якості води.

Перелік літератури

1. Державні санітарні правила і норми «Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання». – К.: ІЖКГ Держбуду України, 1999. – 55с.
2. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. – М.: Стройиздат, 1995. – 208 с.
3. Кульский Л.А., Гороновский И.Т., Когановский А.М. и др. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды. В 2 томах. – К.: “Наукова думка” , 1980. – 1206 с.
4. Липунов И.Н. Основы химии и микробиологии природных и сточных вод. – Е.: УГЛТА, 1995. – 212 с.
5. Набиванець Б. Й. Аналітична хімія природного середовища. – К.: Либідь, 1996. – 304 с.на Allbe

Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!