Вода, которую мы пьём

МОУ СОШ №15

Химия

Вода, которую мы пьём

,

11А класс

2011

Область исследования: экология.

Объект исследования: вода, которую мы пьём.

Предмет исследования: качественный состав питьевой воды.

Гипотеза: вода, которую мы пьём, содержит различные ионы, оказывающие влияние на человеческий организм.

Цели

1.  Провести качественный анализ воды:

а) водопроводной;

б) родниковой;

в) бутылированной.

2.  Дать рекомендации.

Задачи

1.  Рассмотреть:

а) строение молекулы;

б) физические свойства;

в) биологическую роль.

2.  Провести среди учащихся социологический опрос для выяснения их потребительского спроса.

3.  Рассмотреть различные способы очистки воды в домашних условиях.

Участники: учащиеся 9-11 классов.

Содержание.

1.  Введение

2.  Строение молекулы воды

3.  Физические свойства воды

4.  Биологическая роль

5.  Вода, которую мы пьём

а) Водоканал

б) Исследовательская часть:

а. водопроводная вода;

б. бутылированная вода;

в. родниковая вода:

6.  Рекомендации.

7.  Литература.

Каждый день мы встречаемся с этим веществом. Без него жизнь на Земле была бы невозможна. Вода – одно из самых распространённых веществ на планете. Она покрывает около 70% поверхности Земли. Около 97% земных запасов воды находится в морях и океанах. Остальная вода хранится в виде льда и снега. Менее 1% приходится на озёра и реки.

С участием воды протекает множество реакций в живой и неживой природе. Тело человека почти на 70% состоит из воды, а кровь человека – на 90%. Она обладает рядом свойств и выполняет различные функции, имеющие большое значение для живых организмов: вода доставляет питательные вещества к клеткам живых организмов и растений.

Вода окружает нас и в нас же находится. Без пищи человек может прожить месяц, а без воды – несколько дней. А некоторые продукты питания – это почти одна вода. Например, в салате латуке её 98%. [3] Ежедневно мы выпиваем около двух с половиной литров воды, а за все время жизни – такое её количество, которое в сотню раз превышает человеческий вес. Этого объёма хватило бы на небольшой бассейн. Без воды человек не может обходиться, но на состояние нашего здоровья влияет не только количество выпитой воды, но и её качество. Однако многие из нас ревностно следят за диетой и качеством продуктов, не обращая особого внимания на качество воды. Вода, которую мы пьём, должна содержать полезные вещества и быть чистой. Но даже если воду пропускают через фильтр, а потом кипятят, всё равно нельзя быть в полной уверенности, что она достаточно очищена от вредных примесей. И, прежде чем исследовать воду Егорьевского района, обратимся к строению молекулы, физическим свойствам воды и её биологической роли.

Строение молекулы воды

Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула состоит из одного атома кислорода, связанного с двумя атомами водорода ковалентной полярной связью. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода, в результате общие электронные пары смещены в его сторону. Поэтому, хотя молекула в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом, а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд. Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).

Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивает частично положительные заряды атомы водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды. [1]

Рис. 1. Строение молекулы воды

Молекула воды является исключительно устойчивым химическим соединением, которое может существовать в самых разных условиях – в Космосе, на поверхности Земли и в её мантии. Атомы водорода и кислорода существуют в виде нескольких изотопов. Стабильных изотопов водорода два – обычный водород 1Н, или протий, и тяжёлый водород 2Н, или дейтерий (их соотношение в природе 6700:1). Стабильных изотопов кислорода три – 16О, 17О и 18О (их процентное содержание – 99,759%, 0,037%, 0,204% соответственно). Обычная природная вода, содержащая изотопы 1Н и 16О, составляет 99,73% гидросферы Земли. [2]

Физические свойства воды

1.  Прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха.

2.  Сохраняет форму сосуда, в котором находится.

3.  Закипает при 100°С, замерзает при 0°С. Это свойство является аномальным, так как вода теоретически должна быть подобна химическим соединениям водорода с другими элементами VI группы таблицы : серой (H2S), селеном (H2Se) и теллуром (H2Te), то есть кипеть при -70оС и замерзать при -90оС. Обладай вода такими свойствами, на Земле она могла бы существовать только в виде пара. Однако вода имеет очень высокие температуры замерзания и кипения, что позволяет ей существовать во всех агрегатных состояниях (водяной пар атмосферы, мировой океан, ледники) на нашей планете и имеет большое значение для геологических, климатических и биологических процессов на Земле. [2]

4.  В отличие от большинства веществ, плотность которых с понижением температуры увеличивается, вода обладает наибольшей плотностью при 4оС (ро=1000 кг/м3), выше и ниже этой температуры плотность меньше. Плотность воды при 0оС равна 999,968 кг/м3, тогда как плотность льда при этой температуре – 916,8 кг/м3. Благодаря такой особенности воды глубокие водоёмы не промерзают до дна; при её замерзании лёд не опускается на дно, и в водоёмах сохраняется жизнь. [2]

5.  Вода – уникальный растворитель. Она таковым является, потому что дипольный характер молекул воды обуславливает большую величину диэлектрической проницаемости, благодаря чему молекулы воды активно «растаскивают» частицы и ионы растворяемого вещества, обеспечивая его высокую растворимость. Растворяя вещества, вода практически не изменяет их химическую природу и является прекрасным транспортным средством доставки живым организмам необходимых им питательных веществ. Вода растворяет и газы. Кислород, растворённый в воде, обеспечивает жизнедеятельность аэробных водных живых организмов (водной биоты).

6.  Обладает высокой теплоёмкостью. Вода способна поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от перегревания. [1]

Из всех природных твёрдых и жидких веществ вода обладает наибольшей теплоёмкостью: удельная теплоёмкость при нормальных условиях 4,19 кДж/(кг*град). Это делает воду, при том её количестве, которое имеется на Земле, планетарным аккумулятором тепла, а учитывая круговорот воды – постоянное движение воды во всех подразделениях биосферы, в том числе океанические течения, бризовые и муссонные ветры, - планетарным переносчиком тепла.

Вода является мощным тепловым стабилизатором, обеспечивая устойчивый климат планеты в течение тысячелетий. Главными амортизаторами являются ледники и Мировой океан, а также мощные океанические течения, несущие тепло в полярные широты и холод в экваториальные. Тёплые течения способствуют конвекции и выпадению осадков, а холодные – уменьшают возможность их выпадения. Кроме того, течения обеспечивают перемешивание воды, перенос питательных веществ, миграцию животного и растительного планктона. В качестве примера можно привести расположенный за Полярным кругом и не замерзающий за счёт течения Гольфстрим порт Мурманск, где средняя температура января около 0оС. На той же широте в Якутии средняя температуря января равна -40оС.

Удельная теплота плавления льда равна 334 кДж/кг, а удельная теплота парообразования воды – 2260 кДж/кг. Это означает, что для перевода льда в воду или воды в пар требуется огромное количество энергии. Основным источником этой энергии в изменениях состояния воды на Земле является Солнце. Так, ежесекундно на испарение воды с поверхности Мирового океана затрачивается порядка 103 кДж солнечной энергии. Водяной пар, запасая эту энергию, переносит её на сушу или возвращает в океан, конденсируясь в облака и выпадая в виде различных атмосферных осадков. Одновременно водяной пар атмосферы является (так же, как и углекислый газ, но в большей степени) основным утеплителем планеты, изолируя её от космического пространства и перехватывая тепловое излучение Земли.

Это так называемый парниковый эффект, обусловленный присутствием в атмосфере водяного пара и углекислого газа, обеспечивает среднегодовую температуру у поверхности Земли порядка 15оС, при этом водяной пар задерживает да 60% отражаемого теплового излучения земной поверхности. Уменьшение в атмосфере водяного пара наполовину понизило бы температуру у поверхности Земли до катастрофической величины -5оС. К счастью, в отличие от углекислого газа, содержание которого в атмосфере за счёт антропогенных выбросов возрастает (происходит усиление парникового эффекта), содержание водяного пара в атмосфере, обусловленное глобальным геобиохимическим круговоротом воды в биосфере, достаточно стабильно.[2]

7.  Обладает высокой теплопроводностью. Тем самым вода обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму.

8.  Практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей.[1]

9.  Обладает силой поверхностного натяжения (большее значение имеет только ртуть). Поверхностное натяжение вместе с явлением смачиваемости (вода обладает высокой способностью смачивать твёрдые тела) позволяет воде передвигаться по капиллярам вопреки силе тяжести. Это свойство воды удерживает её в почве, не даёт уйти в глубокие горизонты, обеспечивает насыщенность корнеобитаемых слоёв почвы водой, позволяет перемещаться воде с растворёнными в ней питательными веществами по стеблям и стволам растений, обеспечивает важнейший процесс в круговороте воды – транспирацию, то есть испарение с листовой поверхности растений.

10.  Важной характеристикой воды является её солёность (количество солей в г, растворённых в 1000 г воды, измеряется в промилле (о/оо)). Средняя солёность вод океана 35 о/оо. Свойства воды зависят от растворённых в ней химических веществ. В частности, от степени солёности зависит температура замерзания воды: морская вода замерзает при температуре порядка -2оС, вода некоторых озёр – даже при температуре -20оС. [2]

Биологическая роль

1.  Все химические процессы в клетке протекают в водных растворах. Вода

легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Также в воде неплохо растворяются соединения, в молекулах которых присутствуют заряженные группы (сахара, простые спирты, аминокислоты). Хорошо растворимые вещества называются гидрофильными. Плохо растворимые вещества называются гидрофобными (жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды). К числу важнейших в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и другие).

2.  Служит для обмена с окружающей средой.

3.  Связанная вода входит в состав различных клеточных структур.

4.  Сохраняет объём и упругость клетки. [1]

Вода, которую мы пьём

Наше здоровье напрямую зависит от чистоты воды, которую мы пьём. Мы провели опрос, чтобы узнать, какую воду пьют учащиеся нашей школы. Оказалось что:

Ø  39% опрошенных пьют родниковую воду

Ø  31% опрошенных пьют водопроводную воду

Ø  19% опрошенных пьют несколько видов воды

Ø  11% опрошенных пьют бутылированную воду

Рис. 2. Круговая диаграмма, показывающая процент опрошенных, употребляющих тот или иной вид питьевой воды

В первую очередь мы проверили водопроводную воду.

Чтобы больше узнать о ней мы отправились на экскурсию на водоканал.

Обычно для бытовых и промышленных нужд воду берут из водоёмов, рек и подземных источников. Вода обычно содержит некоторое количество растворимых минеральных веществ, а также следы химикатов, используемых в сельском хозяйстве Жёсткая вода, в которой мыло даёт хлопья, содержит много солей кальция и магния. В неочищенной воде могут присутствовать твёрдые частички песка и земли, которые могут повредить трубы, а так же болезнетворные микробы.

На станциях очистки обеззараживают воду и удаляют из неё твёрдые частицы. Безвредные растворимые соли обычно остаются. [3]

А что же на Егорьевском водоканале?

В химической лаборатории специалисты проверяют очищенную воду, добываемую из подземных источников, на примеси. Для этого у них есть всё нужное оборудование.

Рис. 3,4. Оборудование в химической лаборатории

Рис. 5. Проведение качественного анализа состава воды сотрудницей лаборатории

Сотрудник водоканала рассказал, что добываемая природная вода достаточно чистая, но содержит избыточное количество ионов железа, а сульфат и хлорид ионов, наличие которых мы позже будем проверять, содержится в норме.

Очистка воды проходит в специальном помещении. Первое, на что обращает входящий в это здание человек, – резкий запах сероводорода (запах тухлых яиц). Нам это объяснили тем, что в добываемой в данном случае воде содержится растворённый сероводород. В очистительной системе специально есть открытые резервуары, чтобы при взаимодействии с воздухом сероводород уходил в атмосферу, и этого не происходило непосредственно в домах людей.

Рассмотрим сам процесс очистки.

Сначала снизу вверх вода поднимается в цистернах.

Рис. 6. Цистерны, в которых протекает процесс очистки воды

Рис. 7. Цистерны, в которых протекает процесс очистки воды (вид сверху)

Далее через специальный порог она сбрасывается вниз.

Рис. 8. Установленный порог

На этом пороге оседает всё железо.

Рис. 9. Порог с осевшим на нём железом

Экскурсия на водоканал показала, что в шестом микрорайоне вода относительно чистая, но фильтрами всё равно надо пользоваться в обязательном порядке.

Исследование

Вернёмся к исследованию.

В первую очередь надо сказать о наличии в воде ионов железа, потому что их избыток в организме может привести к физической слабости, потере веса, частым болезням, пигментации кожи, изменению морфологического состава крови и аллергическим реакциям. [4]

Как было выше сказано, согласно словам сотрудника водоканала, добываемая вода обогащена ионами железа, поэтому на водоканале основное внимание сосредоточено на очистке воды именно от этих ионов. На водоканале для нас провели анализ очищенной воды на наличие ионов железа, который не дал положительного результата.

·  Водопроводная вода

Для исследования мы взяли водопроводную воду из деревни Ефремовской (пробирка №1), свеженалитую (пробирка №3) и отстоявшуюся воду (пробирка №2).

Сначала мы прилили нитрат серебра, чтобы проверить наличие хлорид ионов. Во всех пробирках образовалось небольшое помутнение, что свидетельствует о небольшом количестве ионов хлора.

Ag+ + Cl - = AgCl$

1 2 3

Рис. 10. Водопроводная вода после добавления нитрата серебра

Потом добавили хлорид бария, чтобы проверить наличие сульфат ионов. Образовалось небольшое помутнение в пробирке с водой из деревни Ефремовской, что свидетельствует о небольшом количестве сульфат ионов.

Ba2+ + SO42- = BaSO4$

1 2 3

Рис. 11. Водопроводная вода после добавления хлорида бария

Мы проверяли воду на наличие хлорид и сульфат ионов, так как избыток первых приводит к угнетению роста и раздражению кожи и слизистых оболочек. Вещества, содержащие хлор, имеют бактерицидные свойства.[5] Избыток сульфат ионов приводит к нарушению работы пищеварительной системы, а в худшем случае – к летальному исходу.[6]

Накипь

Из-за примесей, находящихся в воде, со временем в чайнике появляется накипь. Тестирование показало, что у 57% опрошенных накипь есть, в 38% случаев она не образуется, а 5% опрошенных не обращали внимания.

Рис. 12. Диаграмма, отображающая частоту встречаемости накипи

Накипь бывает различного цвета: жёлтого, коричневого, белого и серого. На круговой диаграмме показано, у скольких процентов опрошенных какого цвета накипь.

Рис. 13. Диаграмма, показывающая цвета накипи и частоту их встречаемости

Данное вещество мы также исследовали.

Рис. 14. Накипь, использованная в исследовании

На водоканале сказали, что накипь имеет карбонатный состав, чтобы это подтвердить, мы прилили к накипи соляную кислоту.

Произошло бурное вспенивание, что свидетельствует о выделении газа. В результате мы получили прозрачный раствор жёлтого цвета.

Рис. 15. Раствор, полученный после приливания концентрированной соляной кислоты к накипи

Такой результат доказывает, что накипь имеет карбонатный состав.

Фильтры

Из-за солей, находящихся в воде, даже чистой, надо обязательно использовать фильтры для её очистки. Результаты анкетирования показали, что 61% опрошенных их используют, 39% - нет, что также можно хорошо увидеть на диаграмме.

Рис. 16. Диаграмма, отображающая процент опрошенных, использующих фильтры для питьевой воды

Также тестирование показало, что самыми популярными марками фильтров являются «Барьер» и «Аквафор».

·  Бутылированная вода

Так как бутылированную воду пьют 11% опрошенных, мы также её исследовали. Bon-Aqua и Аква Минерале являются самыми популярными марками, поскольку каждую из них употребляют 38% пьющих бутылированную воду.

Рис. 17. Диаграмма, отображающая процент опрошенных, использующих тот или иной вид бутылированной воды

Но прежде надо отметить, что в магазинах надо опасаться подделок. Качественную воду можно отличить по рельефу на бутылке, а также изображению на крышке.

Рис. 18. Пример бутылки с рельефом

Рис. 19. Пример изображения на крышке

Так же перед покупкой следует обращать внимание на состав воды, который указан на этикетке, особенно, если у Вас есть предрасположенность к заболеваниям, о которых было сказано выше.

Вернёмся к исследованию. Мы взяли на проверку воду марок Аква Минерале (пробирка №3) и Bon-Aqua (пробирка №1), а также дистиллированную воду (пробирка №2) для сравнения.

Добавили нитрат серебра. В первой пробирке образовалось сильное помутнение, что свидетельствует о наличии большого количества хлорид ионов. Вода во второй и третьей пробирках осталась прозрачной.

1 2 3

Рис. 20. Бутылированная и дистиллированная воды после добавления нитрата серебра

При добавлении хлорида бария нигде не образовалось помутнений, значит, сульфат ионов ни в одной из вод не содержится.

1 2 3

Рис. 21. Бутылированная и дистиллированная воды после добавления хлорида бария

·  Родниковая вода

Так как люди употребляют кроме водопроводной и бутылированной воды ещё и родниковую, то её мы также проверили на хлорид и сульфат ионы. Мы исследовали родниковую воду, взятую с Любляны и с Жуковой горы. Опять же прилили в одну пробирку нитрат серебра, а в другую – хлорид бария. В воде из родника Любляны в обоих случаях образовалось небольшое помутнение. Вода же из родника Жуковой горы осталась абсолютно прозрачной.

Рис. 22. Вода из родника Любляны после добавления реактивов

Рис. 23. Вода из родника Жуковой горы после добавления реактивов

Рекомендации

1) Обязательно очищать воду фильтром.

2) Даже очищенную воду надо обязательно кипятить, потому что далеко не все фильтры могут полностью обезопасить воду от содержащихся в ней веществ и бактерий.

А что делать с накипью? Мы нашли несколько способов, как от неё избавиться:

·  Прокипятить раствор любой пищевой кислоты.

·  Прокипятить литр кока-колы.

·  Прокипятить картофельные очистки и яблочную кожуру.

·  Прокипятить раствор соды.

Использованная литература

1.  , , Пасечник биология 10-11классы [Текст] Москва: Изд-во «Дрофа», 2010 – 367 с.

2.  Вода в природе. Дефицит чистой пресной воды [Текст] Москва: Изд-во «Чистые пруды», 2009 – 32 с.

3.  Дж. Холланд Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита [Текст] Москва: Изд-во «Махаон», 2006

4.  Журнал «Микроэлементы в медицине» [Электронный ресурс] Международный научно-практический журн. /АНО "Центр биотической медицины" - Электрон. журн. – Москва 2000 – .

Режим доступа к журн.: http://www. *****

5.  Сайт «o8ode» [Электронный ресурс]

Режим доступа к сайту: http://www. *****/