Конспект для лабораторной работы по химии "Жесткость воды и способы ее устранения"

Тема урока: Жесткость воды и способы ее устранения.

Ученик научится:

- характеризовать основные методы познания: наблюдение, измерение, эксперимент;

- описывать свойства твердых, жидких, газообразных веществ, выделяя их существенные признаки;

- грамотно обращаться с веществами в повседневной жизни

Ученик получит возможность научиться:

- характеризовать вещества по составу, строению и свойствам, устанавливать причинно-следственные связи между данными характеристиками вещества;

- использовать приобретенные знания для экологически грамотного поведения в окружающей среде;

- осознавать значение теоретических знаний по химии для практической деятельности человека;

Цели и задачи урока:

1.                 Рассмотреть понятие и причину жесткости воды как основополагающей характеристики качества воды, пригодной для использования человеком;

2.                 Изучить способы устранения жесткости воды;

3.                 Закрепить полученный материал лабораторным занятием.

Вода – сложное природное вещество, в состав которого входит целый набор микроэлементов. В том или ином виде вода содержится во всех живых организмах.

Что подразумевается под понятием жесткость, и что определяет данный показатель? Жёсткая вода — это вода, в которой в большом количестве находятся растворенные соли, щелочноземельных металлов. В основном на жесткость воды влияют кальций и магний, соединения которых и являются основными солями жесткости. Жесткость определяет не только возможность использования воды в питьевых целях, но и ее применение в бытовых или промышленных нуждах. По вкусу жесткую воду отличить очень легко – она крайне горькая. Иногда встречающийся горький вкус родниковой воды обусловлен именно наличием солей жесткости. По внешнему виду можно узнать после кипячения. В этом случае соли выпадают в осадок, которой легко виден на дне любого сосуда.

Абсолютно чистой воды в природе не существует. Природная вода всегда содержит растворенные в ней соли. Анализ жесткой воды показывает, что в ней содержатся значительные количества растворимых солей кальция и магния. Эти соли образуют с мылом нерастворимые соединения.

По значению общей жесткости природные воды делят на группы:

ü   очень мягкая вода (0–1,5 мг-экв/л)

ü    мягкая вода (1,5–4 мг-экв/л)

ü   вода средней жесткости (4–8 мг-экв/л)

ü   жесткая вода (8–12 мг-экв/л)

Жесткость бывает:

1. Временная или карбонатная (HCO₃^-)

2. Постоянная или некарбонатная (Cl^-, SO₄^2-)

3. Общая

Способы устранения жесткости:

 1. Временная

А) нагревание

Ca(HCO₃)₂=CaCO₃ ↓+CO₂+H₂O (накипь на стенках чайника). Так при нагревании жесткой воды на стенках водонагревательных и охладительных систем образуется накипь, она плохо проводит теплоту, Накипь внутри чайника - это осадок карбонатов кальция и магния с примесью сульфата кальция. Время, за которое закипает вода в чайнике, увеличивается по мере того, как растет накипь на стенках. Накипь можно удалить со стенок, используя разбавленный раствор уксусной кислоты.

Кипячение снижает общую жесткость на 30-40%.

Б) действие известковой воды

Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂=2CaCO₃ ↓+2H₂O

В) действие соды

Ca(HCO₃)₂+Na₂CO₃= CaCO₃ ↓+2NaHCO₃ (+в ионном виде)

2. Постоянная

А) действие соды

С постоянной жесткостью бороться труднее. Один из вариантов: вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образуют жесткость, остаются в не замершей воде. Вымораживание снижает общую жесткость на 30-80%.

Еде один способ – перегонка. Испарение воды с последующей ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.

Но такие методы, как замораживание и перегонка пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность же имеет дело с тоннами. Поэтому используют другие методы. Наиболее широко используется катионообменный способ, основанный на применении специальных реагентов – катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия.

Отрицательное влияние жесткой воды на организм человека

Постоянное употребление жесткой воды может привести к отложению солей (мочекаменная болезнь) в организме человека. («Человек выпивает 90% всех своих болезней» Луи Пастер).

1)                Снижение моторики желудка;

2)                Заболевание суставов (артриты и полиартриты);

3)                Заболевание сердечно - сосудистой системы;

4)                Образование камней в почках, желчном и мочевом пузырях.

5)                 Вымывает кальций из костей;

6)                 Ломкость костей у взрослого человека;

7)                Риск развития рахита у детей;

8)                 Вымывает минеральные вещества и полезные бактерии.

Вред, наносимый жесткой водой технике и предметам быта

Кроме плохого вспенивания мыльных средств, из-за контакта жесткой воды с ними образуются разводы и твердый налет на сантехнике и поверхности посуды, так как выпадает солевой осадок. Такой налет тяжело отмывается с посуды, а так же негативно влияет на сантехнику, постепенно разрушая ее поверхности.

В процессе нагревания воды в электроприборах соли кристаллизуются и выпадают в виде накипи. Именно накипь является основной причиной быстрой поломки водонагревательных приборов.

Жесткая вода оставляет пятна, разводы и грязные налеты на свежевыстиранных вещах, цвет тускнеет, рисунки становятся серыми. От них избавиться очень сложно и это, требует повышенных затрат моющих средств. Ткань, постиранная в жесткой воде, становится грубой и неэластичной, потому что соли забивают в ней все свободное пространство. Уменьшается прочность одежды и белья.

В последнее время появилось множество смягчителей воды, защищающих стиральные машины от накипи. Одновременно производители стиральных порошков ввели компоненты предотвращающие образование накипи. Calgon - снижает жесткость воды на 100%.

Зная степень жесткости воды источника водоснабжения, можно определить правильные меры по профилактике и борьбе с накипью. Определить степень жесткости воды можно с помощью специальных тестовых полосок, которые можно приобрести в магазине.

Самая жесткая – природная вода – это морская вода. Общее среднее содержание солей в Мировом океане составляет 35 г на 1 л. Самая мягкая природная вода – это дождевая и талая, содержание солей в которой близко к 0. Самая мягкая искусственная вода – дистиллированная. Казалось бы, дистиллированная вода наиболее полезна для организма. Однако, ее использование нежелательно и даже вредно для человека, так как вымывает из организма необходимые ему минеральные соли. Эти соли поступают в организм с пищей и напитками, в том числе с минеральной водой. Вода некоторых природных источников содержит катионы К,  Na, Ca, Mg и др., а также анионы Cl, SO4, HCO3, и др., т.е. необходимые организму минеральные соли. Если содержание таких солей превышает 1 г/л, такие воды и их источники называют минеральными. Наиболее богат минеральными источниками одноимённый район Кавказских Минеральных Вод. Например, наиболее известная и широко применяемая минеральная вода – кисловодский «Нарзан» - рекомендована как лечебно-столовая сульфатно-гидрокарбонатная вода. Содержание солей в ней составляет 2-3 г/л.

Вода в г. Челябинске и Челябинской области

Шершневское водохранилище – единственный водоисточник, обеспечивающий питьевой водой жителей Челябинска. Для него характерно повышенная мутность и цветность в пять и более раз, а также превышение по жесткости.

Но, несмотря на это, в процессе очистки специалистами МУП «ПОВВ» удаётся добиться качества, соответствующего всем санитарно-гигиеническим нормам.

83,82% сточных вод, сбрасываемых в водоёмы, являются неочищенными или проходят недостаточную очистку и обеззараживание. В основном они сбрасываются в бассейны рек Миасс, Ай, Урал и Теча. Для рек характерно содержание в воде нитратов, фосфатов, аммиака, нефтепродуктов, тяжелых металлов и других загрязнителей.  Река  Сак-Элга, протекающая через шлакоотвалы Карабашского округа, приносит в озеро Аргази загрязнители, существенно ухудшающие качество воды и оказывающие

В Троицком, Октябрьском и Чесменском районах в питьевой воде содержится высокая концентрация марганца. Жителям настоятельно рекомендуют применять воду только для технических целей и личной гигиены, а для питья и приготовление еды покупать в бутылках.

В целом качество воды в Челябинской области оценивается как удовлетворительное. 14,8% проб из источников централизованного водоснабжения не соответствуют по санитарно-химическим показателям, 3,1% - по микробиологическим.

Лабораторная работа

Сегодня у нас урок изучения нового материала с выполнением лабораторной работы по теме «Жесткость воды и способы ее устранения». Но прежде всего прочитаем правила техники безопасности.

Оборудование и реактивы: раствор мыла, сода, вода из под крана, кипяченая вода из под крана, вода из очистного фильтра, пластиковые стаканы, деревянная палочка.

Правила техники безопасности для учеников

Работай с малыми количествами реактивов, выполняй все операции аккуратно. Растворы, взятые в большем объеме, чем нужно, обратно в сосуд не выливай.

Методические рекомендации для родителей при проведении лабораторной работы по химии в домашних условиях

1.                 В первую очередь, спокойствие. Все мы понимаем, что дистанционное обучение невозможно, хотя бы первое время, без участия родителей. Так или иначе, вы будете вовлекаться в процесс. Но успокойтесь и постарайтесь передать спокойный эмоциональный фон ребенку, это снизит его тревожность.

2.                 Подготовьте для ребенка рабочее место. Отдельная комната или рабочий уголок, не столь важно. Главное, чтобы вокруг был порядок, - это настраивает на рабочий лад. Позаботьтесь о технической стороне вопроса, чтобы компьютер (планшет, телефон) был в рабочем состоянии, а интернет не подвел в ответственный момент. На случай сбоя интернета через wi-fi, выберете тариф на телефоне с безлимитным интернетом, чтобы при необходимости создать точку доступа и не выпасть из процесса.

3.                 Рабочая обстановка. Проконтролируйте, чтобы во время занятий ребенка ничего не отвлекало. Отключите уведомления в мессенджерах и удалите животных из комнаты. Редко кто из детей удержится от соблазна потискать питомца.

4.                 Подберите одежду для занятий, нельзя позволять ребенку заниматься в пижаме или домашней одежде, это не создаст рабочую атмосферу.

5.                 Обратная связь. Будьте на связи с преподавателем, задавайте вопросы учителю, если вам что-то непонятно. И не переживайте, для преподавателей это тоже новый опыт. Они волнуются не меньше вас.

Лабораторный опыт 1. Качественное определение жесткости воды с помощью раствора мыла.

В стаканах под номерами 1,2,3 находятся водопроводная вода, водопроводная кипяченая вода, вода из очистного фильтра. В каждый стакан опускаем по кусочку мыла, перемешиваем в течение 1-2  мин. Далее вода отстаивается. Делаем выводы.

Лабораторный опыт № 2 Качественное определение жесткости воды с помощью Na2CO3 (сода)

В стаканах под номерами 1,2,3 находятся водопроводная вода, водопроводная кипяченая вода, вода из очистного фильтра. В каждый стакан опускают по чайной ложке соды, перемешиваем в течение 1 мин. Далее вода отстаивается. Делаем выводы.

Лабораторный опыт № 3 Определение свойств воды с помощью органов чувств.

В стаканах под номерами 1,2,3 находятся водопроводная вода, водопроводная кипяченая вода, вода из очистного фильтра. С помощью органа зрения - глаз, органа обоняния – носа и органа вкуса – языка, определим свойства воды. У каждого ученика свойства будут почти схожи из-за состава воды, которую мы берем за образец. Делаем выводы.

После проведенных лабораторных опытов, заполняем таблицу. В опыте принимали участие 6 человек, у каждого показатели содержания мыла, соды должны быть различны.

Результаты лабораторной работы «Жесткость воды и способы ее устранения»
№ опыта (название)	Водопроводная  вода	Водопроводная  (кипяченая) вода	Вода из очистного фильтра
Опыт № 1 Качественное определение жесткости воды с помощью раствора мыла	1. Вода маломутная, малое количество пены осталось на поверхности	Вода прозрачная, пены больше	Вода прозрачная, большое количество пены
	2. Плохо растворяется, запах мыла сильный, вода маломутная	Цвет воды поменялся, более прозрачная, много пены	Вода прозрачная, пены очень много
	3. Большое содержание пены на поверхности, мутная вода	Однородная масса с мылом	Мыло выделяется хлопьями
	4. Вода мутная, большое количество пены	Вода мутная, малое количество пены	Вода мутная , большое количество пены
	5. Вода помутнела, пены не много	Вода посветлела, пены мало	Вода какая была в первоначальном виде, такая и осталась, пены почти нет
	6. Получение мутного цвета воды, образование пены	Получение мутного цвета воды, образование пены	Вода прозрачная, обильное количество пены
Опыт № 2  Качественное определение жесткости воды с помощью Na2CO3 (сода)	1. Вода мутная, сода в воде поднимается хлопьями, наличие слабого количества пузырьков кислорода	Вода прозрачная, сода в воде растворилась, пузырьки кислорода отсутствуют	Сода осталась на дне стакана, большое количество пузырьков кислорода, вода прозрачная
	2.  Вода мутная, сода не растворилась, поднимаются крупные хлопья соды.	Вода мутная, сода в воде не растворилась, остался осадок	Сода почти растворилась, выработка кислорода, вода прозрачная
	3.  Вода мутная, хлопья соды, выделение пузырьков кислорода	Прозрачная вода, разлагается при кипячении, сода пропадает	Самая прозрачная вода
	4. Вода прозрачная, сода осталась на дне  (осадок), выделение пузырьков газа	Сода в воде не растворилась, остался осадок, вода мутная	Сода в воде не растворилась, остался осадок, выделение пузырьков кислорода,  прозрачная вода
	5. Вода маломутная, выделяются пузырьки кислорода, выпал осадок, хлопья мыла поднимаются вверх	Ничего не произошло, цвет не изменился, хлопья мыла поднимаются к верху	Вода мутная, остался осадок, выделяются пузырьки кислорода
	6. Вода маломутная, выделение маленьких пузырьков кислорода	Выделился осадок, пузырьки кислорода отсутствуют, вода прозрачная	Вода прозрачная, есть осадок
Опыт № 3 Определение свойств воды с помощью органов чувств	1. Ярко выраженный вкус хлорки, прозрачная вода	Вода без вкуса, без запаха, слегка мутноватая	Сладкий привкус, без запаха, прозрачная
	2. Запах и вкус неизвестного порошка	Ощущается вкус соли	Сладкий привкус, но присутствует запах порошка
	3. Ярко выраженный вкус хлорки	Сладковатый привкус	Примеси, запах  как при кварцевании
	4. Наличие большого количества пузырьков кислорода, не имеет запаха.	Не имеет запаха, сладковатый привкус	Не имеет запаха, вкус приятный
	5. Вода не имеет запаха и вкуса, пузырьков кислорода нет	Вода мягкая, сладковатая на вкус	Вода мягкая, сладковатая на вкус
	6. Вода не имеет запаха	Сладкий привкус, вода мутновата	Вода не имеет ни вкуса, ни запаха, большое количество пузырьков газа

По сведенным средним показателям, построим график жесткости разных образцов воды.

График 1. Прозрачность воды (Лабораторный опыт № 1)

На 1 графике видно, что большую прозрачность имеет вода  из очистного фильтра. Из 6 учеников, проводивших опыт с мылом и водой, у 4 учеников прозрачность воды не изменилась, это значит, что вода очищена от нитратов, хлора, которые не вступают в реакцию с мылом, а вещества, через которые очищается вода из фильтра, обогащают воду дополнительными свойствами и положительно влияют на организм человека.

График 2. Прозрачность воды (Лабораторный опыт № 2)

На 2 графике видно, что практически одинаковую прозрачность имеет вода из очистного фильтра и водопроводная (кипяченая) вода. Это значит, что вода из очистного фильтра очищена от нитратов, хлора, которые не вступают в реакцию с содой, а вещества, через которые очищается вода из фильтра, обогащают воду дополнительными свойствами. Водопроводная (кипяченая) вода при комнатной температуре при взаимодействии с гидрокарбонатом практически не меняется. рН его раствора приблизительно 8. Коллоидных растворов здесь не образуется. Это означает, что употреблять в пищу водопроводную (кипяченую) воду также безопасно.

Результаты лабораторного опыта № 3

По результатам 3 лабораторного опыта, делаем вывод, что по взгляду все 3 образца воды, практически одинаковы. Во всех образцах воды присутствуют пузырьки кислорода - «вода дышит». На вкус вода практически схожа, но отличается тем, что на вкус воды, в первую очередь, влияет её источник, далее минеральный состав, который может меняться из-за различных воздействий на него и структура человеческой слюны, которая зависит от человека и от того, что мы ели до приема жидкости.

Вывод

Результаты лабораторной работы, показывают, что  водопроводная вода действительно жёсткая. Жесткость воды в основном карбонатная из-за особенностей геологического строения территории, на которой расположен город.

Жёсткую воду перед употреблением целесообразно умягчить. Наша вода, применяемая для питья, легко умягчается кипячением.

Вода, поступающая в стиральные, посудомоечные машины, обязательно должна умягчаться специальными химическими фильтрами.

При стирке белья в стиральной машине необходимо добавлять в стиральный порошок средства для умягчения воды.

Однако для жизнедеятельности человеческого организма ионы кальция и магния необходимы, так как играют важную роль в процессах формирования костной ткани, свёртываемости крови, сокращения сердечной мышцы, передачи нервных импульсов. Отсюда следует, что важно вести контроль над содержанием солей кальция и магния в питьевой воде.

Закрепление нового материала:

1)                Какая вода  называется жесткой?

2)                Перечислите виды жесткой воды?

3)                Назовите способы устранения?

4)                Какие из следующих веществ можно использовать для смягчения жесткой воды: NaOH, H₂SO₄, CaCl₂, Na₃PO₄, CaSO₄, известковая вода, Na₂CO₃?

5)                Как химическим путем можно очистить в домашних условиях поверхность посуды от накипи?