Исследование физических свойств воды
ВВЕДЕНИЕ
В эпоху научно-технического прогресса воздействие человека на окружающую его среду привело к тому, что выработанные миллионами лет эволюционного природного развития биохимические процессы, химия природной среды подверглись серьезным нарушениям и изменениям.
Кризисные экологические ситуации и бедствия разнообразных уровней, масштабы загрязнения природной среды обуславливают глубокие противоречия во взаимоотношениях общества и природы, характер которых становится все более угрожающим для человечества.
Нынешнему молодому поколению предстоит решать важные экологические проблемы уже в ближайшем будущем. Это предопределяет не только необходимость экологического образования, формирования экологической этики, развития ноосферного мышления, но и важность приобретения навыков и умений для решения практических задач.
Большинство процессов, протекающих в биосфере, как природных, так и антропогенных, представляют собой движение химических элементов и преобразование их соединений. Поэтому можно говорить о химическом единстве всех живых и неживых частей экосистемы.
Данное учебное пособие имеет цель помочь студентам в более глубоком и осознанном усвоении учебной программы курса «Экология» через практические занятия в лаборатории кафедры. Студенты получают возможность самостоятельно провести несложные химические действия, чтобы оценить качество воды по органолептическим показателям, по химическому и биогенному составу, определить уровень загрязнения снежного покрова. На практических опытах студенты знакомятся с методикой определения нитратов в растительной продукции, с некоторыми методами установления качества пищевых продуктов. Две практических работы посвящены вопросам почвенной структуры и содержанию химических элементов в почве. Использование специальной лабораторной установки позволяет провести реализацию весового способа оценки запыленности воздушной среды.
Проведение предусмотренных пособием работ потребует от студента минимума знаний общей химии, биологии и физики и, как надеются авторы, будет способствовать формированию у студентов аналитического и экологического мышления, а также создаст предпосылки для развития интереса у молодого поколения к решению проблем сохранения природной среды.
Лабораторная работа 1
Исследование физических свойств воды
Цель работы: изучить физические свойства воды.
Воды, находящиеся на поверхности планеты (материковые и океанические), образуют геологическую оболочку, называемую гидросферой. Гидросфера находится в тесной связи с другими сферами Земли: литосферой, атмосферой и биосферой.
Большая часть воды (около 97%) находится в океанах и морях и лишь 3% на континентах. Вода входит в состав многих минералов и горных пород, присутствует в почве и во многих живых организмах. Тело взрослого человека на 65% состоит из воды. Она входит в состав всех его органов и тканей: сердце, легкие, почки содержат около 80% воды, кровь – 83%, кости – 30%; тело рыб содержит 80% воды, водоросли – 90%.
Вода жизненно необходима. Человек может прожить без пищи 3 – 4 недели, а без воды – лишь несколько дней. Вода помогает регулировать температуру тела, служит в качестве смазки, облегчающей движения суставов.
Важное свойство воды – растворять другие вещества. Морская вода – прекрасный растворитель. Около 70 элементов периодической системы содержатся в ней в обнаруживаемых количествах. Такое разнообразие элементов определяет состав природных вод.
Состав природных вод. По химическому составу природные воды чрезвычайно разнообразны. Различия обусловлены не только качественным составом и общей концентрацией растворенных веществ, но и соотношением компонентов и различных форм их нахождения в воде.
Растворенные газы находятся в природных водах в виде молекул и частично гидратированных соединений. Минеральные и органические вещества встречаются в истинно растворенном, коллоидном или взвешенном состояниях.
Принято совокупность компонентов, входящих в состав природных вод, условно делить на 5 групп:
1. Макрокомпоненты, к которым относятся ионы Cl-, SO42-,
HCO3 -, CO32-, Na+, K+, Mg2+, Ca2+.
2. Растворенные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и др.).
3. Биогенные элементы (соединения азота, фосфора, кремния).
4. Органические вещества (гумусовые вещества, углеводы, органические кислоты и т. д.).
5. Микроэлементы (Li, Ba, Cu, Br, I, Cr, Mo, радиоактивные элементы).
Вода используется в любых областях хозяйства.
По видам использования природные воды классифицируют следующим образом:
1. Хозяйственно-питьевое водопользование. К нему относят использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.
2. Коммунально-бытовое водопользование предполагает использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения.
3. Рыбохозяйственное водопользование включает в себя использование водных объектов для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.
Интенсивное развитие промышленности, техники и благоустройство городов связано с ростом водопотребления. Увеличение водопотребления вызывает, с одной стороны, необходимость вовлечения в оборот вод с менее удовлетворительным качеством, с другой – заставляет считаться с ухудшением качества воды в используемых водоемах из-за возрастания их загрязнения.
Различают следующие виды загрязнений водной среды: минеральные, органические, биологические, тепловые, радиоактивные, твердые отходы (мусор).
Основными источниками загрязнения и засорения рек и водохранилищ являются следующие:
– сточные воды и ливневые стоки промышленных и сельскохозяйственных предприятий;
– коммунально-бытовые и ливневые стоки городов, сельских
населенных пунктов, объектов рекреации;
– сточные воды с объектов животноводства;
– вынос биогенных веществ с сельскохозяйственных угодий;
– массовое использование берегов водохранилищ и рек при неорганизованном отдыхе, интенсивное дачное строительство.
В настоящее время промышленные выбросы превышают допустимые санитарные нормы. Это приводит к увеличению числа людей, страдающих заболеваниями, такими как хронический бронхит, ишемия, аллергия, рак.
Для обеспечения безопасности здоровья населения и нормативных условий санитарно-бытового водопользования состав и свойства воды в водоемах должны соответствовать гигиеническим нормативам вредных веществ, что является важнейшей частью водно-санитарного законодательства.
Один из главных показателей санитарных норм – предельно-допустимая концентрация (ПДК) ядовитых и вредных веществ в воде.
ПДК – концентрация вещества в воде, выше которой вода непригодна для пользования, измеряется в мг/л.
Кроме ПДК используется также другой норматив – лимитирующий показатель вредности (ЛПВ).
ЛПВ – предельная норма неблагоприятных свойств или вредного воздействия. При нормировании качества воды в водоемах питьевого водоснабжения различают три вида ЛПВ: общесанитарный, органолептический, санитарно-токсикологический.
Общесанитарный показатель вредности – максимальная концентрация, не приводящая к нарушению процессов естественного самоочищения водоемов.
Органолептический показатель вредности – максимальная концентрация в воде, при которой не обнаруживается неприемлемых для населения изменений органолептических свойств воды.
Санитарно-токсикологический показатель вредности – максимальная концентрация, не оказывающая неблагоприятного влияния на состояние здоровья человека (см. прил. 1).
Материалы, реактивы, оборудование: пробирки; колбы на 250 мл; мерный цилиндр емкостью 100 мл; цилиндр, градуированный по высоте на сантиметры; эксикатор; бюкс; фарфоровая чашка; фильтр; пипетка; часовое стекло; белая и черная бумага; универсальная индикаторная бумага; беззольные фильтры; pH-метр; аналитические весы; ареометры (денсиметры); термометры; сушильный шкаф.
Определение запаха
Запах определяют при комнатной температуре и при нагревании. Определение запаха при комнатной температуре производится непосредственно из емкости, в которой добавлена проба. Для этого открывают пробку и слегка втягивают в нос воздух из склянки.
Для определения запаха при нагревании в колбу на 250 мл вносят 100 мл исследуемой воды, закрывают колбу часовым стеклом и нагревают воду до 50-600С. После этого снимают колбу с нагревательного прибора, встряхивают её вращательным движением, сдвигают стекло и быстро определяют характер запаха и его интенсивность по шкале (табл. 1,2).
Таблица 1
Характеристика запаха
| Характер запаха | Примерный род запаха |
| Ароматический | Огуречный, цветочный |
| Болотный | Илистый, тинистый |
| Гнилостный | Фекальный, сточный |
| Древесный | Запах мокрой древесины |
| Землистый | Прелый, свежевспаханной земли |
| Рыбный | Рыбьего жира, рыб |
| Сероводорода | Тухлых яиц |
| Травянистый | Сена, скошенной травы |
| Неопределенный | Запах естественного происхождения, не подходящий под предыдущие определения |
Таблица 2
Шкала определения интенсивности запаха
| Баллы | Термины |
| Запах не ощущается | |
| Очень слабый | |
| Слабый | |
| Заметный | |
| Отчетливый | |
| Очень сильный |
При определении запаха в лаборатории не должно быть посторонних запахов. Одному и тому же лицу нельзя производить определение запаха длительное время, так как наступает привыкание и утомляемость.
Определение цвета
Цветность можно определять визуально. Для этого в колориметрический цилиндр наливают 100 мл профильтрованной исследуемой воды и, просматривая окраску контрольных растворов сверху вниз, находят цилиндр, окраска жидкости в котором совпадает с окраской воды в цилиндре с исследуемой водой (табл. 3).
Цветность можно более точно определить на фотоколориметре. Для этого строят градуировочный график по хромово-кобальтовой шкале цветности. Растворы с различной цветностью фотометрируют в кювете на 5 см в синей части спектра относительно профильтрованной дистиллированной воды.
При цветности выше 350С водопотребление ограничивают.
Таблица 3
Определение цветности
| Раствор №1, мл | |||||||||||
| Раствор №2, мл | |||||||||||
| Градусы цветности |
Определение плотности
Плотность воды определяют при помощи ареометров. Испытываемую воду наливают в мерный цилиндр емкостью 100 мл, замеряют её температуру и погружают ареометр, который имеет шкалу от 1,000 до 1,060 г/см3. Если плотность воды окажется более высокой, используют ареометр со шкалой 1,060 – 1,120 г/см3 и т. д.
Отмечают температуру, при которой проводилось измерение.
Определение мутности
Для определения степени мутности обычную пробирку наполняют исследуемой водой почти доверху, ставят её на черную бумагу и смотрят сверху, отмечают результаты наблюдений.
Различают следующие степени мутности:
– прозрачная;
– слабо-опалесцирующая;
– опалесцирующая;
– слабо-мутная;
– мутная;
– очень мутная.