Науково-дослідна робота
Дослідження фізико-хімічних властивостей питної води. Твердість води.

Природні води являються розчинами, різними за складом з широким діапазоном вмісту розчинених речовин. Формування складу природних вод проходить в результаті ви луження, випаровування, конденсації та іонного обміну, поглинання і виділення газів, життєдіяльності організмів і в результаті інших фізико-хімічних процесів взаємодії вод з породами, ґрунтами, газами та забруднювачами навколишнього середовища. Для санітарної оцінки чистоти питної води має важливе значення визначення ступеня забрудненості її залежно від розчинених органічних речовин тваринного і рослинного походження, кількості розчинених солей азотистої кислоти, вмісту заліза, солей кальцію і магнію.
Органолептичні 2 бали
Каламутність 0,5 (1,5) мг/дм3
Кольоровість 200 (350)
Присмак 2 бали
Водневий показник,рН 6,5-8,5
Мінералізація загальна 1000 (1500) мг/дм3
Твердість загальна 7 (10) мг-екв/дм3
Сульфати 250 (500) мг/дм3
Хлориди 250 (350) мг/дм3
Мідь 1,0 мг/дм3
Марганець 0,1 мг/дм3
Залізо 0,3 мг/дм3
Хлорфеноли 0,0003 мг/дм3
Примітка. Величини, зазначені в дужках, допускаються з урахуванням конкретної ситуації. Природні води містять різну кількість хімічних речовин:
прісна вода до 1000 мг/дм3 (питна);
солонувата 1500-2000 мг/дм3;
солона до 5000 мг/дм3 (гіркуватий смак).
Кількість домішок у прісних водоймах лежить у межах від 0,01 до 0,1% маси.
Хімічний склад питної води:
а) розчинені гази (СО2, О2, і ін.);
б) катіони (Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ та ін.);
в) аніони (Cl-, SO42-, HCO3- та ін.
В залежності від вмісту солей кальцію та магнію воду поділяють за ступенем твердості. Твердість за хімічним складом буває карбонатною і не карбонатною.
Карбонатна твердість – твердість води, обумовлена наявністю в ній гідрокарбонатів кальцію і магнію, а не карбонатна – створюється хлоридами та сульфатами кальцію і магнію. Карбонатна твердість ще називається тимчасовою, оскільки зникає при кип’ятінні, не карбонатна – постійна. Сума тимчасової і постійної дають загальну твердість:
За ступенем твердості воду поділяють:
м’яка – не більше 4 мг-екв/л (40)
середньої твердості – 8-4 мг+екв/л (40-80)
тверда – 8-12 мг-екв/л (80-120)
дуже тверда – понад 12 мг-екв/л (120)
Примітка. Твердість води в Україні визначається градусами: 10г 1мг-екв Ca і Hg на 1л води.

Методи боротьби з твердістю
Кип'ятіння – виведення з води вуглекислого газу, а це означає, що зменшується концентрація гідрокарбонатів і зросла концентрація гідрокарбонатів.
Додавання соди для зменшення некарбонатної твердості.
Використання антинакіпінів (містить трифосфат натрію Na3PO4)
Метод використання гашеного вапна.
Катіонітний спосіб – використовують катіони – синтетичні іонообмінні смоли і алюмосилікати. Якщо пропускати воду крізь шари катіону, тто іони Na будуть обмінюватися на іони кальцію і магнію. Йони Са Нg переходять з розчину в катіоніт, а йони Na – з катіоніту в розчин; твердість при цьому усувається
Вапняно-содовий спосіб – усувається одночасно карбонатна і некарбонатна твердість.
Вимоги питної води згідно ГОСТу оцінюється за:
хімічним складом;
мікробним забрудненням;
органолектичними характеристиками;
інші показники.
Найбільше зло для питної води – процес хлорування – утворюються діоксини-хлорорганічні сполуки, що за токсичністю в 7 разів перевищують отруту кураре, в 920 разів – ціаністі сполуки.
На Землі є величезна кількість води, більша частина якої зосереджена в океанах, які вкривають поверхню планети на 71% і мають глибину в км. Ця вода випала у вигляді дощу після того, як під впливом високих температур внутрішніх зон молодої планети з гірських порід були витиснені атоми кисню і водню. Молекули води, що утворилися з них, виносилися на поверхню лавою, утворювали великі хмари, після охолодження планети, вода, що містилася у цих хмарах, випадала на Землю у вигляді дощу. Тобото, наші океани колись були складовою частиною гірських порід.
Властивістю води є те, що вона є рідиною при кімнатній температурі . Молекули води здатні утворювати хімічні зв’язки між молекулами, які називають водневими. Завдяки цим міжмолекулярним зв’язкам вода замерзає при незвичайно високій температурі. Всі три форми води-крига, рідка вода, водяна пара – є у достатній кількості на землі, але лише незначна доля цієї води придатна для пиття. Дійсно, 97% води містить багато солей, а 75% прісної води зосереджено на земних полюсах у вигляді криги. Ту воду, що залишилася можна пити (це ? 1% від її загальної кількості), але більшою частиною до неї не добратися, так як вона зосереджена на великих глибинах. Внаслідок цього людина безпосередньо може використовувати тільки воду річок та озер, що складає 0,05% від загальної її кількості. Незначну кількість грунтової води людина добуває з сердловини.
Властивості води не обмежуються її різким станом при кімнатній температурі. При замерзанні густина більшості речовин збільшується, а густина криги при 0оС менша за густину води при тій самій температурі. Саме за цією причиною крига плаває на воді, утворює міцну корку на ріках і ставках. Ця корка захищає воду, яка знаходиться під нею від переохолодження на всю глибину. Завдяки цій обставині у водоймищах можуть зберігатися живі організми, навіть якщо їх поверхня вкрита кригою. Незвичайна зміна густини води при замерзанні знов-таки обумовлена водневими зв’язками, тому що при кристалізації молекули води не тільки зв’язуються, але й утримуються тими ж зв’язками одна біля іншої на певній відстані; кожна молекула тримає сусідню достатньо міцно. Тобто структура твердої криги більш впорядкована, ніж структура рідкої води, тому густина криги менша за густину води. Таким чином айсберги є доказом міцності водневих зв’язків.
Вода є чудовим розчинником. Вона легко змішується зі спиртом, наприклад, у спиртових напоях, так як молекули води можуть утворювати водневі зв'язки і з молекулами спирту. За цієї ж причини у воді розчиняється цукор. Багато твердих речовин також легко розчиняється у воді, солоність морської води обумовлена наявністю розчиненої солі та інших мінералів.
Вода є ідеальним середовищем для таких процесів, як транспорт поживних речовин у клітини і вимивання мінералів з гірських порід, внаслідок чого сформувалося багато із знайомих нам деталей ландшафту Землі. Вода необхідна для життя, оскільки вона створює всередині клітини таке середовище, яке сприяє міграції інших молекул. Вода може переносити молекули у клітини і забезпечувати їх рухомість всередині і транспортувати молекули з клітин до їх оточення. Вода може переносити необхідін для функціонування живих організмів речовини, наприклад, глюкозу. Більш цього, це відбувається при температурах живого організму, оскільки за даних умов вона є рідиною. На щастя, вона не розчиняє кальцій фосфат-, речовину, яка входить до складу кісток людини; тому скелет людини не розчиняється у рідинах свого ж організму і ми достатньо твердо тримаємося на ногах. Колір чистої води (на білому фоні шар товщиною 2м здається світло-блакитним) також обумовлений водневими зв’язками. Коли одна з молекул починає коливатися, починають коливатися і сусідні з нею молекули води, зв’язані водневими зв’язками. Такий самий світло-блакитний колір можна спостерігати і у товстому шарі криги.
Крім того, вода знаходиться у надрах Землі, насичує грунт і різні гірські породи, входить до складу багатьох мінералів, в особливості глини. Вона міститься в усіх живих організмах. Нормальний вміст води в тілі людини – 65% (кров містить 83% води, серце і мозок – 80%). При втраті 10-12% вологи людині загрожує загибель. Кожного дня людина споживає ? 2,5 л. води, що за 70 років складає ? 65 тонн. У великих містах на кожну людину приходиться по 300 л. води на добу. Воду використовують у різних галузях промисловості (для виплавки 1 т. сталі необхідно 25 т. води, для очищення 1 т. нафти треба витратити 18т. води) і сільського господарства.
Для знезаражування води застосовують гази – хлор і озон. У деяких випадках використовують хіміко-біологічний захист. Відстійники заселяють хлорелою – це одноклітинна водорість, що швидко розмножується і поглинає з води вуглекислий газ і деякі шкідливі речовини. Внаслідок цього вода очищується, а хлорену використовують для годівлі худоби. 25000 років тому давні перси користувалися срібним посудом для зберігання води під час військових походів (срібло вбиває мікроби).
Хімічні властивості води
Молекули води дуже стійкі проти нагрівання. Однак при температурах, вищих за 1000 С, водяна пара починає розкладатися на водень і кисень.
2Н2О 2Н2 + О2
Процес розкладання речовини в результаті її нагрівання називається термічною дисоціацією. Термічна дисоціація води відбувається з поглинанням теплоти. Тому, згідно з принципом Ле Шателье, чим вища температура, тим більшою мірою розкладається вода. Проте навіть при 2000С ступінь термічної дисоціації води не перевищує 2%, тобто рівновага між водяною парою і продуктами її дисоціації – воднем і киснем – все ще лишається зміщеною у бік водяної пари. При охолодженні не нижче за 10000С рівновага практично повністю зміщується у цьому напрямі.
Вода – дуже реакційно здатна речовина. Оксиди багатьох металів і неметалів сполучаються з водою, утворюючи основи і кислоти; деякі солі утворюють з водою кристалогідрати; найактивніші метали взаємодіють з водою з виділенням водню.
Вода також має каталітичну здатність. Якщо немає слідів вологи, то практично не відбуваються деякі звичайні реакції, наприклад Cl не взаємодіє з металами, фтороводень не роз’їдає скло, натрій не окислюється в атмосфері повітря.
Вода здатна утворювати сполуки з рядом речовин, що перебувають за звичайних умов у газоподібному стані і звичайно не мають великої хімічної активності. Прикладом можуть бути гідрати Xe * 6H2O, CH4 * 6H2O, C2H5Cl * 15H2O. Такі сполуки утворюються в результаті заповнення молекулами газу міжмолекулярних порожнин, які є в структурі води, і називаються сполуками включення або клатратами. Клатрати – нестійкі сполуки, можуть існувати при порівняно низьких температурах.
1. Визначення тимчасової твердості води.
Тимчасову твердість води, яка характеризується присутністю в ній гідрокарбонатів Са і Мg, визначають методом нейтралізації. В колбочку для тестування вносять 50 мл. досліджуваної води, додають 2 краплі індикатора метил – оранту і титрують із бюретки 0,1 с. Розчином НCl до зміни забарвлення від жовтого до рожевого.
Титрування повторюють три рази. Результати заносять у табл. № 1
№
п/п | V (H2O) | V (HCl) | C (HCl) | Т. тимч., мг + скв/л
1 | 50 | 0,1
2 | 50 | 0,1
3 | 50 | 0,1
Сер.знач | 50 | 0,1
Обчислення тимчасової твердості води досліджуваної в (мг – екв/л) ведуть за формулою:
Т тимч = V (HCl) * C (HCl) * 1000/ V (H2O)
2. Відношення загальної твердості води.
Загальну твердість води, яка характеризується сумарним вмістом розчинених солей Са і Мg не залежно від природи аніону, визначають комплексанометрично.
В колбочку для титрування вносять 5 мл. досліджуваної води, 1 мл. амонійного буферу, 2-3 краплі індикатора хлорогену чорного і титрують 0,01с. Розчином тилону Б до зміни забарвлення від червоно-фіолетового до зеленуванто-синього. Титрування повторюють три рази. Результати заносять у табл. № 2.
№
п/п | V (H2O) | V (Тр.Б) | C (Тр.Бl) | Т. тимч., мг + скв/л
1 | 5 | 0,01
2 | 5 | 0,01
3 | 5 | 0,01
Сер.знач | 5 | 0,01
Обчислення загальної твердості води досліджуваної в (мг – екв/л) ведуть за формулою:
Т заг. = V (Тр.Б) * C (Тр.Б) * 1000/ V (H2O)
3. Визначення постійної твердості води.
Постійну твердість води, яка обумовлена присутністю в ній солей CaCl3, MgCl2, MgSO4, визначають розрахунково, які різницю між загальною і тимчасовою твердістю.
Т пост. = Т заг. – Т тимч.
4. Визначення окислюваності води.
Окислюваність – величина, яка характеризує кількість у воді відновників як органічних, так і неорганічних, зокрема нітратів, сульфітів, гумінових кислот, Н2S, солей Fe (II) і ін. Визначення вмісту зазначених речовин ґрунтується на їх схильності окислюватися перманганатом калію.
В колбочку для титрування вносять 10 мл. досліджуваної води, додають 1 мл. 1с розчину H2SO4 і титрують із бюретки 0,02с розчином KMnO4 до слабо-рожевого забарвлення. Доливають ще 1 мл. KMnO4 і суміш перемішують на протязі 5-10 хв. Потім в колбочку додають 1 мл. титрованого розчину щавлевої кислоти, внаслідок чого вміст колбочки знебарвлюється. Знебарвлений розчин продовжують титрувати перманганатом до появи рожевого кольору. Фіксують загальний об’єм використаного розчину KMnO4, за яким розраховують окислюваність (Х) за формулою:
Х = (V перм. * С перм. – V щавл.к. * С щавл.к.) * Е перм. * 1000/ V (H2O)
5. Визначення вмісту заліза у воді.
Загальний вміст заліза у воді визначають комплексонометрично, для чого попередньо іони Fe (VI) окислюють в іони Fe (III) за допомогою персульфату амонію. Іон Fe (III) утворює з трилоном Б, на відміну від інших катіонів, найстійкіший комплекс.
В колбочку для титрування вносять 20 мл. досліджуваної води, 5 мл. ацетатного буферу, 2-3 краплі індикатора (сульфосаліцилової кислоти), декілька кристаликів персульфату амонію і титрують 0,01с. розчином трилону Б до зміни забарвлення від фіолетового до світло-жовтого.
Користуючись формулою, за об’ємом трилону Б, затраченого на титрування, розраховують вміст заліза у досліджуваній воді.
m Fe = V (Тр.Б) * С (Тр.Б) * Е (Fe31) / 1000 чи V (Н2О)
При розрахунках еквівалентності іона Fe31 необхідно брати рівним половині атомної маси заліза, в зв’язку з тим, що іон Fe31 заміщує в аніоні трилону Б два іони водню.