Исследовательская работа" Оценка бытовых способов определения качества воды"

  Государственное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования города Москвы

«Дворец творчества детей и молодежи

«Преображенский»

Исследовательская работа

«Оценка бытовых способов определения

 качества воды»

Выполнили обучающиеся Детского Научного Клуба

Мирзоян Ирина (9 класс)

Рыжков Валерий (10 класс)

Терёхина Ксения (7 класс)

Руководитель

Грачева И.В.,

педагог дополнительного образования

 .

г. Москва

2017 год

Проблема: 

В различных источниках информации описан ряд простых способов, которыми, по уверению авторов, можно оценить качество питьевой воды в домашних условиях. Заслуживают ли доверия эти способы?

Цель работы: 

Проверить действенность простых способов определения качества воды в домашних условиях, предлагаемых в Интернете.

Задачи:

Оценить качество нескольких образцов воды при помощи простых способов, предлагаемых в Интернете.

Оценить качество тех же образцов воды при помощи более технологичных способов, также доступных в домашних условиях.

Сравнить полученные результаты и сделать выводы о применимости простых методов определения качества воды.

Теоретическая часть

Важная роль воды была давно подмечена человеком. Совсем не случайно Аристотель включил ее в число четырех основных начал природы. Вода – простое вещество, единое и неделимое, считали в средние века. Позже А.Лавуазье доказал, что вода состоит из водорода и кислорода и ее можно получить с помощью химических реакций.

Вся практическая деятельность человека с глубокой древности связана с использованием воды и растворов. Вода дороже золота, утверждали бедуины, всю жизнь кочевавшие в песках. Они знали, что никакие богатства не спасут путника в пустыне, если иссякнут запасы воды. Величайшие пески Сахары, неприступные и жестокие, поглотили много смельчаков, нередко исчезали целые караваны. Их убивала «одна карающая рука» – неумолимая и безжалостная жажда. В пекле пустынь человек может продержаться без воды примерно около суток.

          Вода составляет основу каждой живой клетки, именно в водной среде протекает подавляющее большинство биохимических процессов. Организм человека на 60-70% состоит из этой жидкости, она содержится во всех органах и тканях, включая даже зубную эмаль (см. табл.1).

С водой в организм поступают многочисленные полезные микроэлементы, и насыщают клетки влагой, благодаря этому вода способствует улучшению здоровья и внешнего вида. Кроме этого, вода помогает выводить из организма, попадающие в него с пищей или другими напитками, токсины. Работа сердечной мышцы тоже зависит от потребления достаточного количества воды, при ее нехватке существует риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. А на суставы и мышцы вода действует как природная «смазка», то есть облегчает их работу и уменьшает «истираемость».  Вода поддерживает в норме пищеварение и иммунитет, участвует в поддержании оптимальной температуры тела.  

Таблица 1. Содержание воды в организме человека

Недостаток воды часто проявляется в том, что у человека ухудшается внимание, память и может появиться головная боль, поэтому при возникновении головной боли врачи рекомендуют не сразу пить болеутоляющие таблетки, а сначала выпить чистой, прохладной воды.

Выпить чистой воды…. А как узнать, насколько чистой является вода, которую мы пьём?

Требования (нормативы), которым должна соответствовать вода, изложены в санитарных нормах и правилах РФ (СанПиН) и международных нормативах. Основные показатели качества воды приведены ниже.

Органолептические свойства воды.  К органолептическим свойствам воды относят следующие характеристики: запах, привкус, цветность и мутность.

  Запах и привкус воды объясняются присутствием в ней естественных или искусственных загрязнений. Природа запахов и привкусов очень различна, и может быть обусловлена как наличием в воде определенных растворенных солей, так и содержанием разных химических и органических соединений. Например, запах тухлых яиц обусловлен наличием в воде сероводорода (Н2S), а также присутствием бактерий, вырабатывающих этот газ, а гнилостный запах обусловлен присутствием в воде природных органических соединений. Химические запахи (например, бензиновый, фенольный) указывают на антропогенный характер загрязнений.

  Вкус воды обусловлен растворенными в воде природными веществами, каждое из которых придает воде определенный привкус:

 ∙ солоноватый — хлоридом натрия;

 ∙ горьковатый — сульфатом магния;

 ∙ кисловатый — растворенным углекислым газом или растворенными кислотами.

Приятный или неприятный вкус воды обеспечивается наличием и концентрацией находящихся в ней примесей.

 Под цветностью понимается естественная окраска природной и питьевой воды. Цветность косвенно характеризует наличие в воде некоторых органических и неорганических веществ.   Главными «виновниками» цветности воды, являются вымываемые из почвы органические вещества. Повышенная цветность воды также может свидетельствовать о возможной ее техногенной загрязненности.  

 Мутность - показатель, характеризующий наличие в воде взвешенных веществ неорганического происхождения (например, карбонаты различных металлов, гидроокиси железа), органического происхождения (коллоидное железо и т.п.), минерального происхождения (песка, глины, ила), а также микробиологического происхождения.

Химические показатели качества воды характеризуют химический состав воды. К данным показателям относят водородный показатель воды рН, жесткость и щелочность, минерализацию (сухой остаток), содержание органических веществ.

Окисляемость -показатель, характеризующий общую загрязненность воды, т.е. содержание в воде окисляющихся органических и неорганических примесей, которые в определенных условиях окисляются сильным химическим окислителем. К упомянутым выше загрязнителям относятся в основном органические вещества и неорганические ионы (Fe2+, Mn2+, и т.п.). Различают несколько видов окисляемости воды: перманганатную, бихроматную, иодатную. Как видно из названий — при этом для проведения химического анализа воды используются соответствующие окислители.      

Водородный показатель, рН. Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н+ и ОН-, образующихся при диссоциации воды. Если ионы ОН- в воде преобладают, что соответствует значению рН>7, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н+   - кислую. В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и многие другие ее характеристики.  

Сухой остаток- величина, отражающая количество растворенных неорганических и органических веществ. В первую очередь это сказывается на органолептических свойствах воды. Установлено, что до 1000 мг/л вода можно быть использована для водопотребления. Величина сухого остатка влияет на вкусовые качества питьевой воды. Человек может без риска для своего здоровья употреблять воду с сухим остатком до 1000 мг/л. При большем значении вкус воды чаще всего становится неприятным горько-соленым. Следует также отметить, что у воды с низким уровнем сухого остатка вкус может отсутствовать и употреблять ее тоже не очень приятно.

 Жесткость характеризует свойство воды, связанное с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»). Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой. Численное выражение жёсткости воды - это концентрация в ней катионов кальция и магния.  Вода с высокой жесткостью наносит большой вред бытовым электронагревательным приборам, образуя накипь и тем самым вызывая их перегрев и разрушение, образует неприятные матовые налеты на сантехнике; в ней плохо пенятся мыло и шампуни, а поэтому увеличивается их расход; она сушит кожу и вредит волосам; отрицательно влияет на качество приготовленной пищи, полезные вещества которой могут образовывать с солями жесткости, плохо усваиваемые организмом соединения. Жесткая вода вредна и для организма человека: увеличивается риск развития мочекаменной болезни, нарушается водно- солевой обмен.  

 Железо- его токсичное влияние на организм человека незначительно, но все же употребление питьевой воды с повышенным содержанием железа может привести к отложению его соединений в органах и тканях человека. В общем случае в воде железо может встречаться в свободной форме в виде двух- и трехвалентных ионов.

В разных странах существуют различные требования к чистоте воды. В табл.2 приведены сравнительные данные по органолептическим показателям воды и допустимому содержанию некоторых примесей в ней. Как видно из таблицы, санитарные правила и нормы, принятые в нашей стране, в целом менее жесткие, чем европейские. Например, общее солесодержание в России допускается до 1000 мг/л, выше этого показателя вода уже имеет выраженный горько-соленый вкус. Европейскими же нормами вода с солесодержанием выше 500 мг/мл признаётся негодной к употреблению для питья.

Таблица 2. Показатели качества воды по разным нормам. 

Задачу определения качества воды обычно решают в специализированных химических лабораториях. Однако, такой анализ трудоемок, и вследствие этого, достаточно дорог. Поэтому в Интернете предлагается целый ряд простых способов, которыми, по уверению авторов, можно оценить качество питьевой воды в домашних условиях.

Изучив источники информации, мы нашли такие способы:

• оценка цвета и запаха – их быть не должно;
• оценка прозрачности (мутная вода непригодна для питья),
• отстаивание - не должно образовываться осадка, зелени и плёнки на поверхности;
• проба с чаем – при добавлении к чайной заварке «плохой» воды заварка должна помутнеть;
• проба с раствором марганцовки – изменение цвета раствора с розового на желтоватый говорит о плохом качестве воды.
• предлагается также нанести каплю воды на стекло и   высушить, если капля оставляет след, то вода считается непригодной для питья.

Практическая часть

Мы решили проверить указанными простыми способами несколько образцов воды и оценить полученные результаты при помощи более технологичных методов, также доступных в домашних условиях. Во-первых, это использование тест-полосок, которые можно купить в специализированном магазине. Они приблизительно определяют качество воды по 7 показателям. Во-вторых, мы использовали прибор, измеряющий общее содержание солей в воде (ТДС-метр).

Мы взяли для исследования водопроводную воду; воду в бутылках из магазина двух видов; воду, полученную при таянии чистого снега и воду из аквариума, как точно непригодную для питья. Для сравнения мы также использовали дистиллированную воду.

Полученные нами результаты представлены в табл.3.

Таблица 3. Проверка качества воды различными методами

Результаты, выходящие за рамки нормы, выделены красным цветом.

*- указано в единицах производителя тест-полосок.

По цвету и прозрачности пробы прошли все образцы, кроме аквариумной воды.

Чайная заварка не помутнела даже с водой из аквариума – по этому признаку все образцы были хорошего качества.

След от капли оставляли все образцы, кроме дистиллированной, – по этому признаку все они были «непригодны» для питья.

Запах имела вода из аквариума, а также водопроводная и снеговая вода.

            Эти же образцы не прошли испытания раствором марганцовки. Раствор марганцовки менял цвет сразу с аквариумной водой, с водопроводной – в течение часа, со снеговой – на следующий день.

Затем эти же образцы мы проверили ТДС-метром и тест-полосками

 У бутилированной воды все показали были нормальными, в аквариумной воде было слишком много солей и высокая щёлочность, в снеговой, наоборот, солей было слишком мало, а в водопроводной воде оказалась превышена норма железа.

               Итак, сравнив результаты, мы сделали вывод, что из простых методов определения качества воды заслуживают внимания только проба на запах и проба с марганцовкой. Проба «капля на стекле» вводит в заблуждение, т.к. она определяет как пригодную для питья только дистиллированную воду, которая как раз не может быть питьевой из-за крайне низкого солесодержания. Проба с чаем, напротив, показала пригодной для питья даже воду из аквариума, не прошедшую испытания по большинству критериев. Таким образом, среди предложенных простых способов определения качества воды оказались как рабочие способы, так и бесполезные и даже вредные.

             Отдельно можно сказать об отстаивании. Этот способ в нашем эксперименте не дал результата для водопроводной воды, но мы вспомнили, что, когда такая вода отстаивается много раз в одной бутылке (например, для полива цветов), на стенках и дне появляется жёлтый налёт, что тоже может говорить о содержании солей железа. Однако это количество железа незаметно на глаз и не определяется специальными реактивами (см. экспериментальную часть).

           В интернете нам также попалась информация о способе «определения качества воды», который применяют недобросовестные продавцы бытовых фильтров. Они используют для этих целей прибор, действие которого основано на электролизе двух образцов воды (см. рис.).

          Для опыта используется электролизёр PR2, два стакана и вода с очень низким содержанием солей, например, дистиллированная. В один стакан наливают такую воду, в другой –   воду, которую хотят исследовать. Затем включают прибор в сеть 220 В. 

           В стакане, где была обессоленная вода, изменений не происходит, а в стакане с водопроводной водой изменения хорошо заметны: вода приобретает отчётливый зелено-коричневый цвет, мутнеет. Продавцы фильтров объясняют это сильным загрязнением проверяемой воды опасными веществами и предлагают купить у них фильтр, который даёт такую воду, как в первом стакане («чистую»). Мы предположили, что результат опыта связан с низкой электропроводностью обессоленной воды. В любой другой воде в норме содержатся соли, такая вода в условиях электролиза с применяемым напряжением проводит ток, при этом стальные электроды прибора частично разрушаются, и вода приобретает бурый цвет из-за образования гидроксида железа, то есть вода не является изначально грязной, а загрязняется в процессе электролиза.

        Наше предположение мы проверили двумя способами.

                1-ый способ: проверили смесь после электролиза на содержание солей железа. Гидроксид железа доокислили добавлением перекиси водорода, перевели в растворимую соль железа (Ш) добавлением соляной кислоты, затем использовали качественные реакции на ионы железа (Ш) (см. экспериментальную часть). Обе реакции дали отчетливый положительный результат, которого не было до электролиза. Следовательно, железо перешло в воду в результате разрушения электродов.

2-ой способ: в стакан с дистиллированной водой, где при электролизе не образовывалось бурого осадка, добавили небольшое количество сульфата натрия и повторили электролиз. Образовался бурый осадок, что доказывает связь его появления с проводимостью раствора.

По результатам этой части работы мы сделали вывод о неприменимости данного способа для определения чистоты воды. Использование этого метода является мошенничеством.

По результатам, полученным в первой части работы мы решили выполнить еще одно исследование. Водопроводной водой мы пользуемся для приготовления пищи, поэтому нас огорчило повышенное содержание железа в ней. Мы решили проверить, можно ли дома очистить воду от железа.  Мы применили три способа: кипячение, фильтрование через фильтр-кувшин, и получение талой воды (см. экспериментальную часть).

В результате железа в воде стало меньше после фильтрации через бытовой фильтр и в талой воде. После кипячения содержание железа слегка снизилось, но вода стала более щелочной. Самой чистой по железу оказалась талая вода. При этом в ней осталось достаточное количество солей.

Результаты исследования качества водопроводной воды после очистки разными способами представлены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты очистки водопроводной воды.

Результаты, выходящие за рамки нормы, выделены красным цветом.

*-указано в единицах производителя тест-полосок

Экспериментальная часть.

1. Определение цветности и запаха. Цветность оценивают, посмотрев на сосуд с водой на белом фоне. В норме глаз не должен увидеть никакой окраски или очень слабую. Для определения запаха наливают воду в сосуд с сужающимся горлом и оценивают интенсивность запаха при температуре 20 и 60 градусов. В норме запах не должен ощущаться или ощущаться слабый землистый запах.
2. Определение мутности. Воду наливают в цилиндр высотой 30 см и рассматривают текст, подложенный под дно цилиндра. Текст величиной 3 мм должен легко читаться.
3. Отстаивание. Образец наливают в чистый прозрачный сосуд и оставляют на срок до 1 недели. В норме осадка и пленки на поверхности не появляется.
4. Реакция с чаем. К крепкой чайной заварке добавляют исследуемый образец воды в соотношении 1:1. Оценивают изменение прозрачности раствора. В норме раствор остаётся прозрачным.
5. След капли на стекле. На чистое предметное стекло наносят каплю исследуемого раствора и оставляют до полного высыхания, затем оценивают след.
6. Реакция с перманганатом калия. Раствор перманганата калия   добавляют к исследуемому образцу до получения слабо-розовой окраски. Наблюдают за изменением окраски раствора. Сохранение розовой окраски говорит об отсутствии реакции, изменение окраски на желтоватую – о присутствии примесей, реагирующих с перманганатом.
7. Исследование воды при помощи тест-полосок. Тест-полоску опускают в воду и оценивают результат по каждому параметру через отрезок времени, указанный производителем.
8. Исследование общей минерализации – в соответствии с инструкцией производителя ТДС-метра.
9. Анализ воды после проведения электролиза. а) реакция с желтой кровяной солью: пробу воды из электролизёра в количестве 2-3 мл помещают в пробирку, добавляют несколько капель 3%-ной перекиси водорода, затем прибавляют 10%-ную соляную кислоту до получения прозрачного раствора. К полученному раствору приливают несколько капель раствора желтой кровяной соли (гексацианоферрат калия). При наличии в растворе ионов железа (Ш) наблюдается появление синего окрашивания. б) реакция с роданидом калия: пробу воды из электролизёра в количестве 2-3 мл помещают в пробирку, добавляют несколько капель 3%-ной перекиси водорода, затем прибавляют 10%-ную соляную кислоту до получения прозрачного раствора. К полученному раствору приливают несколько капель раствора роданида калия. При наличии в растворе ионов железа (Ш) наблюдается появление темно-красного окрашивания.
10.  Получение «талой» воды. В чистую емкость наливают, не доходя до верха, холодную воду из-под крана. Емкость закрывают и помещают в морозильную камеру. Дожидаются замерзания половины объёма воды. Незамерзшую воду сливают, а лёд размораживают и исследуют полученную воду.

Выводы

В результате выполнения данной исследовательской работы нами были сделаны следующие выводы:

1. Методы определения качества воды в домашних условиях, предлагаемы в Интернете оказались применимыми частично, некоторые же были бесполезными или даже могли ввести в заблуждение. Наиболее объективные результаты были получены в способе с использованием перманганата калия.
2. Предлагаемый некоторыми продавцами фильтров для воды способ оценки чистоты воды при помощи электролизёра является мошенническим.
3. Лучшим из простейших способов очистки воды в домашних условиях является получение т.наз. «талой» воды. 

Список использованных источников информации:

1. https://sosed-domosed.ru/sposoby-proverit-kachestvo-vody-v-domashnix-usloviyax/
2. https://goodmaster.com.ua/zdorove/kak-opredelit-kachestvo-pitjevoj-vody.html
3. https://incomeeasily.ru/ugolok-potrebitelya/kak-proverit-kachestvo-vody-v-domashnih-usloviyah-s-priborom-i-bez-nego
4. http://www.koshcheev.ru/2012/12/22/test-drive-water/
5. http://ochistivodu.ru/laboratornye-metody-analiza-vody/kachestvennye-kriterii-pitevoi-vody 
6. http://saltecs.ru/wp-content/uploads/2015/07/СанПиН.pdf 
7. Ахманов М.: Вода, которую мы пьем. Качество питьевой воды и ее очистка с помощью бытовых фильтров.   Эксмо, 2007 г.
8. Габриелян О.С., Попкова Т.Н., Сладков С.А.: Химия. Вода в нашей жизни. Дополнительные материалы к учебникам О.С. Габриеляна "Химия.8-9 классы"     Дрофа, 2011 г.
9. Тимофеев И.В. Как очистить воду. Ростов-на-Дону: Феникс. 2000