Методика исследовательской работы по химии " Жесткость воды"

МКОУ «Большебичинская ООШ»

Тема:

«Определение жесткости воды в окрестностях Большой Бичи» .

                                                            Исследовательскую работу выполнила

                                                   Маметкулова Алсу, учащаяся 9 класса

                                                  МКОУ «Большебичинская ООШ»

                                                  Руководитель Черноусова Т. А.,

                                                  учитель химии.

2014 год

Тема: «Определение жесткости воды в окрестностях Большой Бичи» .

Цель работы: Сравнение жесткости воды различных источников и изменение этой жесткости.

Часть І. Жесткость воды

1.1.Насколько «жестка» жесткая вода?

Жёсткость воды - это свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде. Накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и отложения солей на бытовой технике (например, в чайниках), белые хлопья в воде, пленка на чае и т.д. - все это показатели жесткой воды. Жесткость - это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca2+ и Mg2+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая
качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится. В настоящее время известна взаимосвязь жесткости воды и образования камней в почках. Жесткость питьевой воды по действующим стандартам должна быть не выше 7 мг-экв/л, и лишь в особых случаях допускается до 10 мг-экв/л. Для производственных целей использование жесткой воды недопустимо. Существует два типа жесткости: временная и постоянная. Обусловлено это различие типом анионов, которые присутствуют в растворе в качестве противовеса кальцию и магнию. При большом содержании ионов магния, вода горьковата на вкус и оказывает послабляющее действие на кишечник. Различают карбонатную и некарбонатную жесткость. Карбонатная жесткость вызвана присутствием растворенных гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются с образованием осадков малорастворимых карбонатов CaCO3, жесткость уменьшается, поэтому карбонатную жесткость называют временной. При кипячении ионы Mg2+ и Ca2+ осаждаются в виде карбонатов. Жесткость, сохраняющаяся после кипячения воды, называется постоянной или некарбонатной. Она обусловлена растворенными в воде кальциевыми и магниевыми солями сильных кислот (сульфатами и хлоридами). Жесткую воду перед употреблением умягчают.

1.2.Влияние жесткости воды на здоровье человека

В жесткой воде хуже развариваются продукты, в результате этого снижается усвояемость белков. Это связано с тем, что соли жесткости вступают в реакцию с животными белками.

Повышенная жесткость воды негативно сказывается на здоровье человека при умывании. Соли жесткости взаимодействуют с моющими веществами и образуют нерастворимые шлаки. Эти шлаки высыхают и остаются в виде микроскопической корки на кожном и волосяном покрове человека. Разрушается естественная жировая пленка кожного и волосяного покрова человека, забиваются поры, появляется сухость, шелушение, перхоть. Признак повышенной жесткости воды – скрип чисто вымытой кожи и волос. Чувство повышенной мылкости, признак того, что защитная пленка на коже невредима, и жесткость воды небольшая.

При большой жесткости необходимо пользоваться лосьонами, увлажняющими кремами, чтобы создать искусственную защитную пленку для кожи и волос. Поэтому косметологи советуют умываться дождевой или талой водой. С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения.
Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах.

1.3.Умягчение жесткости воды

Умягчение воды – процесс снижения жесткости воды, т.е. уменьшение концентрации ионов кальция и магния.

Жесткая вода негативно сказывается на здоровье человека, на работе сантехнического и котельного оборудования. Поэтому, чтобы не испортить оборудование, требуется умягчение воды. При повышенной жесткости воды в котлах и бойлерах умягчение воды обязательно.

Применяются несколько методов умягчения воды, которые выбираются, опираясь на факторы:

·         Глубина умягчения воды

·         Качество исходной воды

·         Экономические соображения

Методы умягчения воды:

·         Реагентное умягчение воды, при этом способе очистки воды ионы Ca+2 и Mg+2 связываются различными веществами в нерастворимые соединения.

·         Электромагнитное воздействие на воду.

·         Диализ.

Химическое умягчение воды - снижение жесткости воды

Чтобы воду можно было использовать на ТЭЦ и котельных в теплотрассах, где она является теплоносителем, необходимо чтобы жесткость воды была невысокой. Применяются два метода химического умягчения воды: известковый и известково-содовый. Данные методы очистки воды основаны на переводе ионов Са2+ и Мg2+ в соединения с ограниченной растворимостью: карбонат кальция СаСО3 и гидроксид магния Мg(ОН)2.

Безреагентное умягчение воды – магнитное воздействие

Магнитная обработка воды применяется с середины прошлого века. Данный метод очистки воды не умягчает воду, не снижает ее жесткость, а предотвращает выпадение накипи, карбонатных отложений. Данный метод используется, где умягчение воды не является самоцелью. Но данный метод нашел ограниченное применение в водоподготовке и применяется только при водоподготовке технической воды в редких случаях.

Чтобы избавиться от временной жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.
Ca2+ + 2HCO3 = CaCO3 + H2O + CO2

С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3
неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.
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 образую жесткость, остаются в не замершей воде.
Еде один способ – перегонка, то есть, испарение воды с последующие 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. С последствием жесткости воды - накипью, с точки зрения химии можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

Часть ІІ. Исследования жесткости воды в окрестностях села Большая Бича.

2.1. Методика исследования жесткости воды

Методика № 1.

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 объем мыльного раствора, необходимого для образования устойчивой пены с 10 мл исследуемой воды.

4.      Ополоснуть колбу, повторить действия 1-3 раза с различными образцами воды: водопроводной, кипяченой, талой воды.

Результат исследования:

Вода	Объем мыльного раствора, требующегося для образования устойчивой пены, мл
Кипяченая	1
Водопроводная	2
Талая	0,5

По значению общей жесткости природную воду различают:

Тип воды	Жесткость, ммоль/л
Очень мягкая	Меньше 1,5
Мягкая	1,5-4
Средней жесткости	4-8
Жесткая	8-12
Очень жесткая	12

Длительное употребление жесткой воды приводит к почечнокаменной болезни.

Длительное употребление мягкой воды приводит к угнетению сердечной деятельности.

Методика № 2.

Гидрокарбонаты образованы слабой летучей кислотой, в результате их гидролиза создается щелочная среда. Поэтому их можно оттитровать стандартным раствором HCl:

HCO₃^- + H⁺ = CO₂ + H₂O.

По количеству затраченной кислоты определяют жесткость воды.

Реактивы: 1. Стандартизированный раствор HCl;

2. 0,01%-ный раствор метилоранжа;

3. образцы воды.

Оборудование: бюретка, коническая колба на 200 мл (250 мл), мерная колба на 100 мл.

Выполнение эксперимента:

Мерной колбой отобрать 100 мл анализируемой воды, перенести в коническую колбу для титрования.

Добавить 3-4 капли метилоранжа и титровать раствором HCl (в бюретке) до перехода окраски из желтой в оранжевую.

Титрование проводят 3 раза до получения сходящихся результатов (отличающихся на 0,1 мл).

Вычислить средний объем соляной кислоты V_сред(HCl).

Рассчитать гидрокарбонатную жесткость воды в моль/л.

№ титрования	Объем исследуемого образца воды (мл)	Объем раствора соляной кислоты (мл)
1-е титрование	100	6,9
2-е титрование	100	7
3-е титрование	100	7
Vсред(HCl) = 6,97

Расчет: с_н (НСl) · V_сред(HCl) · 1000

Ж_воды =

V_воды

В нашем примере жесткость воды = 6,9 ммоль/л.

2.2.Результаты исследования

Мы провели исследование жесткости воды из разных источников. Нами было установлено, что вода в окрестностях Большой Бичи средней жесткости или близкая к жесткой. Жесткость природной воды оказалась равной 6-7 ммоль/л при норме 3,5. снеговая вода и кипяченая вода очень мягкая, её жесткость всего 0,8-2,3 ммоль/л (см. Таблицу 3, приложение № 3).

Кроме лабораторных методик мы использовали так называемый «домашний способ». С целью узнать степень жесткости воды мы сравнивали, сколько капель мыльного раствора нужно добавить в образец воды для получения устойчивой пены. Оказалось, что мыльный раствор начинает пениться в снеговой воде после добавления 1 капель, а в жесткой водопроводной воде только при добавлении 2 капель. При этом в жесткой воде раствор получается мутный с хлопьями

Часть III

Выводы и рекомендации

Проведя исследование жесткости воды, мы сделали следующие выводы:

1.Вода в окрестностях Большой Бичи очень жёсткая.

2.Жесткость воды жизненно важный показатель, так как повышенное содержание Са и Mg оказывают влияние на развитие различных заболеваний.

Жесткость воды обусловлена растворенными в ней солями кальция и магния: чем больше в воде растворенных соединений, тем она жестче. Самая мягкая вода вообще не содержит растворенных солей кальция и магния. В природных водоемах такая вода не встречается,

Какие же вещества обусловливают жесткость воды? Это карбонаты — соли кальция и магния: CaCO₃ и CaCO₃ гидрокарбонаты Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂, сульфаты CaSO₄ и MgSO₄, хлориды CaCl₂ и MgCl₂. Набор веществ, содержащихся в воде, может быть самым различным, что обусловлено геологическими особенностями той местности, где расположен водоем.

3.Существует множество способов умягчения воды в домашних условиях. Более приемлемый способ - кипячение, добавление соды и использование фильтра.

4.Так как в окрестностях Большой Бичи жёсткость воды велика, поэтому проблема умягчения воды стоит очень остро. Мы рекомендуем употреблять воду не в сыром виде, а кипячёную. Для бытовых нужд можно использовать талую или дождевую воду.

Список литературы:

1.Шпаусус З. Путешествие в мир химии – М.: Просвещение, 1967. – 431с.
2. Харлампович Г.Д. и др. Многоликая химия.– М.: Просвещение, 1992.-159с
3. Хомченко Г.П. Учебник химии – М.: Новая волна, 1996. – 304с.

4. Андреева С.Ю. Рекомендации к организации исследовательской

работы. - Красноярск.: ККИПК РО, 2000. – 33 с.

5.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая

школа, 1981. – 679 с.

6. Егоров А.С. Химия Пособие – репетитор. Ростов - на -Дону.:

Феникс, 2001. – 540 с.

7.Лидин Р.А. Химия - М.: Дрофа, 2001. – 575 с.

8.Петров М.М. Неорганическая химия. - М.: Химия, 1989. – 543

9. Большая школьная энциклопедия. В 2 т. – М.: Русское

энциклопедическое товарищество. – 2003. – 702 с