Исследование водопроводной воды на содержание ионов железа (III)
опыты и эксперименты по химии (10, 11 класс)

 Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы "Школа № 777 имени Героя Советского Союза Е.В. Михайлова"

Исследование водопроводной воды на содержание ионов железа (III)

Львунина Мария Николаевна

Научный руководитель:

Кирилина Анна Игоревна,

учитель биологии

Консультант:

Вергун Андрей Александрович,

к.б.н., доцент кафедры биохимии,

молекулярной биологии и генетики

Института биологии и химии МПГУ

Москва 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        3

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ        5

МЕТОДИКА        7

1. Тест-метод определения ионов железа (III).        7

2. Приготовление РИБ на основе гексацианоферрата (II) калия.        9

РЕЗУЛЬТАТЫ        13

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ        14

ЛИТЕРАТУРА        15

ВВЕДЕНИЕ

 Мы живем в мире, где оценка экологического качества воды – одна из самых актуальных проблем на сегодняшний день. В древности люди знали, что без воды нет жизни. Со временем потребление воды человеком росло. Люди стали использовать воду для самых разнообразных целей: питья, домашних нужд, во всех отраслях промышленности, для отдыха, в сельском хозяйстве, для получения электроэнергии и др. Такая  интенсивная эксплуатация природных источников и недостаточная вторичная очистка воды привели к деградации водных ресурсов. Сегодня качество воды в большинстве районов Земли оставляет желать лучшего.

Когда ученые, исследуя другие планеты, ставят вопрос, есть ли еще где-либо в Солнечной системе жизнь, первое, на что они обращают внимание, – это вода. Без воды жизнь существовать не может. На Земле ее очень много, около 70% поверхности планеты покрыто морями и океанами, но эта вода – соленая. Все основные наземные экосистемы, включая и человеческую, зависят от наличия пресной воды, содержащей менее 0,01% солей.

Основными потребителями воды на нашей планете являются города. Например, потребление воды на одного жителя крупного города в сутки составляет более 700 л, когда достаточно всего 250 л, и это без учета расходов промышленности. Почти в каждом городе есть река, которая принимает на себя часть городских расходов. Не расточительное расходование пресной воды, повсеместное ее загрязнение является главной опасностью для населения. Во многих городах вода далека от совершенства. Очистка промышленных стоков – важнейшая задача для любого города.

Известно, что с помощью физических, химических и биологических исследований можно оценить качество воды и обозначить его изменение. Эти исследования дают понять, какие воздействия на водоемы являются неблагоприятными и каким образом можно восстановить здоровье воды.

В ЮВАО исследования загрязнения поверхностных вод проводились неоднократно. Для исследований брали воду из природных источников. Для дополнительной экологической оценки состояния поверхностных вод, в тех же пробах были проведены исследования содержания металлов: железа и марганца, а также группы тяжелых металлов.

Однако, для тех же исследований в качестве объекта можно брать воду не только из природных источников (рек, озер, прудов, родников и т.д.), но и из водопровода, то есть питьевую. Особенно важно и актуально проводить данные исследования в детских учреждениях, где существует питьевой режим.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Для оценки качества питьевой воды в лаборатории часто используют тестовые методы химического анализа.

Так, например, Золотов Ю.А. считает, что одной из важных тенденций современной аналитической химии является перемещение химического анализа из лабораторий в места, где находится анализируемый объект. Анализ "на месте" имеет много достоинств, т.к. экономятся время и средства на доставку проб в лаборатории и на сам, более дорогой, лабораторный анализ (Вестник российской академии наук.-1997. т.67. №6. с.508-523.)

"Тест-методы анализа – это экспрессные и дешевые приемы обнаружения и определения веществ, обычно не требующие существенной подготовки пробы, приготовления растворов, использования сложных приборов, сложного лабораторного оборудования (и вообще условий лаборатории), а главное – квалифицированного персонала. Тест-приспособления во многих случаях служат для предварительной оценки наличия и содержания компонента, однако, по мере их усовершенствования они все в большей мере будут служить единственным средством в анализе" – считает Золотов Ю.А.  (Простейшие средства контроля. // Хим. промышленность.-1997. т.52(436). №6. с. 48-56.)

Одним из таких быстрых и дешевых приемов обнаружения является индикаторная бумага.

Целлюлоза – дешевый природный источник для поглощающих бумажных носителей (Островская В.М., Запорожец О.А., Будников Г.К.,
Чернавская Н.М. Вода. Индикаторные системы. - М.:2002.-226с.). "Наличие в целлюлозе активных глюкопиранозных колец в сочетании с пористостью структуры, обуславливает широкие возможности как сорбции на целлюлозу аналитического реагента, так и химической модификации целлюлозы с получением твердой матрицы на ее основе с различными функционально-аналитическими группами" – поясняют авторы.

Общая идея таких тест-методов заключается в том, что используются  известные аналитические реакции и реагенты в условиях и в форме, обеспечивающих визуальный и легко измеряемый эффект, чаще всего тон или интенсивность окрашивания носителя (бумаги,  силикагеля и др.) или длины окрашенной зоны на бумаге или в трубке. В тест-методах используют реагенты различной природы (органические и неорганические) и разного механизма действия: кислотно-основные индикаторы, комплексообразующие агенты, органические соединения с функциональными группами различной природы. Реагенты закрепляют на твердых носителях или используют в виде заранее приготовленных растворов.

Таким образом, цели и задачи нашего исследования следующие.

ЦЕЛЬ: оценить качество водопроводной воды в ГБОУ Школа №777.

ЗАДАЧИ: определить содержание ионов железа (III) в водопроводной воде, выполнив анализ проб из разных кабинетов; сравнить результаты анализа; выработать рекомендации по использованию водопроводной воды в школе.

МЕТОДИКА

В основе методики нашего исследования использованы методы аналитической химии:

1. Тест-метод определения ионов железа (III).

В последние годы большое внимание уделяется использованию реактивных индикаторных бумаг для определения ионов железа (II, III).

Предложено большое количество реагентов, однако, представляет интерес рассмотреть тест-метод с использованием 2-х реагентов: гексацианоферрата (II) калия и роданида аммония. Эти реагенты  применяются при изучении химии в средней школе.

Для определения ионов железа (III) (проведения тест-метода) были приготовлены стандартные растворы.

Эталонный раствор с содержанием ионов железа (III) 1мг/мл готовили растворением точной навески – . Навеску массой 4,3036 г растворили в мерной колбе емкостью 500мл. Добавляли 2мл  и доводили объем колбы до метки. Перемешивали.  добавляли для подавления гидролиза.

Растворы меньшей концентрации готовили в день исследования.

Десятикратным разбавлением эталонного раствора был получен раствор с концентрацией ионов железа (III) 100 мг/л.

Раствор с концентрацией 50 мг/л готовили так: пипеткой собирали 25 мл эталонного раствора и помещали в мерную колбу на 500 мл. Доводили дистиллированной водой до метки.

Раствор с концентрацией 10 мг/л получали десятикратным разбавлением раствора, содержащего 100 мг/л ионов железа. Десятикратным разбавлением раствора, в котором содержалось 10 мг/л ионов железа (III) готовили раствор, содержащий 1 мг/л ионов железа (III). Десятикратным разбавлением соответствующих растворов были получены растворы, содержащие 0,5 и 0,1 мг/л ионов железа (III).

Таким образом, приготовленные растворы содержали от 0,1 до 10 мг/л ионов железа.

Наиболее простая реактивная бумага может быть приготовлена путем пропитки фильтровальной бумаги в 10% растворе роданида аммония (РИБ-Р). Кроме того, можно приготовить реактивную индикаторную бумагу – РИБ – на основе гексацианоферрата (II) калия (РИБ ГЦФ (II))

Реактивная индикаторная бумага на основе роданида аммония (РИБ-Р) позволяет определять ионы железа (III) до концентрации 5 мг/л. Окраска бумаги остается без изменений. Изменяет окраску раствор. При концентрации ионов железа (III) больше 10 мг/л интенсивное розовое окрашивание появляется сразу же после погружения РИБ в раствор. Причем интенсивность окраски увеличивается при увеличении концентрации ионов железа (III). В растворе с концентрацией ионов железа (III) 5 мг/л розовое окрашивание появляется через 5 мин. Со временем интенсивность окраски усиливается. В растворах с концентрацией ионов железа  (III) 1 мг/л и менее изменений в растворе не наблюдается.

Следовательно, используя РИБ-Р, логично обнаружить ионы железа в концентрациях 5 мг/л. Однако, как уже упоминалось выше, известно, что в водных объектах содержание железа должно определяться ПДК, т.е. быть менее 0,5 мг/л, лишь в загрязненных водоемах концентрация ионов железа (III) возрастает до 2 мг/л и более.

Поэтому большой интерес представляют данные, полученные реактивной индикаторной бумагой на основе гексацианоферрата (II) калия. Реактивная индикаторная бумага РИБ-ГЦФ(II) светло-бурого цвета при погружении  РИБ в раствор, содержащий ионы железа (III) в концентрациях более 10 мл/г бумага приобретает голубую окраску, но более яркое изменение окраски наблюдается  в растворе. При возрастании концентрации интенсивность окрашивания  увеличивается от голубого до интенсивно синего цвета (10 мг/л до 50 мг/л).

2. Приготовление РИБ на основе гексацианоферрата (II) калия.

Нарезали полоски фильтровальной бумаги , пропитали раствором

сульфата меди (II) разной концентрации ( и  моль/л), высушили тепловентилятором (электрическим феном).

Высушенную бумагу обработали раствором гексацианоферрата (II) калия различной концентрации ( моль/л).

В химические стаканы помещали по 50 мл каждого из стандартных растворов. Растворы подкисляли до pH=1, пользуясь универсальной индикаторной бумагой. В каждый раствор вносили тест-полоски размером  и наблюдали за изменениями в растворе и на бумаге.

Обработка бумаги раствором сульфата меди проводилась с целью устранения мешающего влияния ионов меди (II) на определение ионов железа (III). Ионы меди с гексацианоферратом  образуют осадок бурого цвета.

Было установлено, что при обработке индикаторной бумаги раствором сульфата меди в концентрации  моль/л устраняется мешающее влияние ионов меди.

При изменении концентрации гексацианоферрата (II) калия в широком диапазоне концентраций найдено, что наилучший видимый эффект наблюдается при обработке бумаги гексацианоферратом (II) калия в концентрации 0,5 моль/л.

Таблица 1. Определение ионов железа (III) тест-методом.

Как видно из таблицы 1. РИБ ГЦФ (II) логично обнаружить ионы железа (III) до концентрации 0,15 мг/л. Причем, изменение окраски бумаги практически не наблюдается, раствор становится  голубым.

В зависимости от концентрации ионов железа в растворе изменение окраски раствора происходит во времени: при концентрации 10 мг/л появляется синее окрашивание раствора сразу после погружения в раствор индикаторной бумаги, при концентрации 5 мг/л раствор становится голубым через 2 секунды, при концентрации ионов железа 1; 0,5; 0,25 мг/л изменение окраски наблюдается через 2, 3 и 5 минут соответственно. Во времени интенсивность окраски увеличивается.

Таким образом, полуколичественное определение ионов железа (III) можно проводить тест-методом анализа с использованием реактивной индикаторной бумаги на основе гексацианоферрата (II) калия.

Индикаторная бумага сохраняется длительное время (3 мес). Полученную реактивную бумагу необходимо хранить в герметичной упаковке.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для исследования содержания ионов железа (III) в питьевой воде ГБОУ Школа №777 использовался тест-метод анализа при помощи реактивной индикаторной бумаги на основе гексацианоферрата (II) калия. При этом использовалась РИБ ГЦФ (II), обработанная раствором сульфата меди в концентрации 0,01 моль/л и гексацианоферратом (II) калия в концентрации 0,5 моль/л.

Таблица 2. Содержание ионов железа (III) в пробах водопроводной воды ГБОУ Школа №777.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

По изменению окраски (и ее интенсивности) проб воды во времени (таблица 2) можно сделать вывод о том, что содержание ионов железа (III) в водопроводной воде ГБОУ Школа №777 1-5 мг/л, что превышает ПДК.

Для решения данной проблемы в школе используют специальные кулеры с бутилированной водой. Кроме того мы используем фильтры «Аквафор» и «Барьер». При проведении тест-метода после фильтрации вода окрашивается в голубой цвет менее интенсивно и несколько позже. Считаем, что на первых этапах восстановления качества питьевой воды данное решение является приемлемым.

ЛИТЕРАТУРА

1. Золотов Ю.А. Вестник российской академии наук.-1997. т.67. №6. с.508-523.

2. Золотов Ю.А. Простейшие средства контроля. // Хим. промышленность.-1997. т.52(436). №6. с. 48-56.

3. Островская В.М., Запорожец О.А., Будников Г.К., Чернавская Н.М. Вода. Индикаторные системы. - М.:2002.-226с.

4. Алексеева С.В., Груздева Н.В., Гущина Э.В. Экологический практикум школьника: Учебное пособие для учащихся. – Самара: Корпорация «Федоров», Издательство «Учебная литература», 2005. – 304 с. (Элективный курс для старшей профильной школы).

5. Алексеева С.В., Груздева Н.В., Гущина Э.В. Экологический практикум школьника: Справочное пособие. - Самара: Корпорация «Федоров», Издательство «Учебная литература», 2005. – 80 с. - (Элективный курс для старшей профильной школы).

6. Мансурова С.Е., Кокуева Г.Н. Следим за окружающей средой нашего города: 9-11 кл.: Школьный практикум. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2001. – 112 с.: ил.

7. Харьковская Н.Л., Ляшенко Л.Ф. Пособие по качественному анализу.-Москва, МПГУ, изд-во «Прометей»,2002 г.