О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 21/2009

§ 17. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА «МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД»

Цель. Продолжить развитие практических умений и навыков, посредством решения соответствующих расчетных задач соединить практические и теоретические знания.

Оборудование и реактивы. Мерный цилиндр, штатив с лапкой и кольцом, делительная воронка, химические стаканы, емкость для хранения химических отходов, пластиковый стаканчик, булавка, бумажные фильтры, воронка, гравий, песок, активированный уголь, образцы загрязненной воды.

План занятия

Визуальное определение загрязнений в воде.

Отделение воды от масла.

Механический метод очистки воды.

Адсорбция и фильтрование воды на древесном угле.

Опыт 1. Визуальное определение загрязнений в воде

1) Получите у учителя образец загрязненной воды, мерным цилиндром измерьте объем, запишите данные в таблицу (таблица).

2) Внимательно изучите внешний вид образца воды: цвет, запах, прозрачность, наличие твердых частичек или маслянистых загрязнений. Внесите наблюдения в таблицу.

Таблица

Опыт 2. Отделение воды от масла

Вода и масло (моторное или растительное) практически не смешиваются друг с другом. При взбалтывании и отстаивании смесь разделяется на два слоя, причем масло, имеющее меньшую плотность, будет сверху.

Закрепите в лапку штатива делительную воронку, налейте в нее воду, дайте отстояться до разделения жидкости. Осторожно откройте кран воронки и слейте нижний слой в стакан, далее его перекройте. Масляный слой удаляется в емкость для хранения химических отходов. Изучите внешний вид, измерьте объем оставшегося водного слоя. Сохраните его для следующих опытов. Результаты наблюдений запишите в таблицу.

Опыт 3. Механический метод очистки воды

Данный способ используют для очистки воды от твердых примесей, например в туристическом походе, если закончится жидкость для питья. Песок удерживает твердые частицы, находящиеся в воде, которые слишком велики, чтобы протиснуться между песчинками.

В изготовлении простейшего фильтра пригодится пластиковый стакан или разрезанная бутылка из-под прохладительных напитков. В донышке следует сделать небольшие отверстия булавкой. Насыпьте в стакан слоями гравий, песок и снова гравий. Нижний слой гравия предотвращает вымывание песчинок через отверстия, а верхний не допускает взмучивания при добавлении воды.

Осторожно налейте на песчаный фильтр воду, загрязненную твердыми частицами, и соберите очищенную воду в отдельный стакан. Оцените внешний вид жидкости, измерьте ее объем. Сохраните воду для последующих опытов. Результаты наблюдений запишите в таблицу.

Опыт 4. Адсорбция и фильтрование воды на древесном угле

Учитель. Опытные путешественники всегда имеют в походной аптечке таблетки активированного угля, его можно использовать как в медицинских целях, так и для очистки воды.

Древесный или активированный уголь адсорбирует (поглощает, задерживает на своей поверхности) многие вещества, которые могут придавать воде мутный вид, а также неприятный запах и вкус. Древесный уголь часто добавляют в аквариумы, чтобы предотвратить затхлость.

Для проведения эксперимента класс делится на две группы экспериментаторов, которые работают, соответственно, в лабораторных и полевых условиях (в последнем случае предстоит проявить «солдатскую смекалку» и найти некую замену стандартному оборудованию).

Первый этап (в лабораторном исполнении) состоит в изготовлении бумажного фильтра. Он помещается в воронку так, чтобы фильтровальная бумага была чуть ниже края воронки на (0,5–1 см), затем ее смачивают водой.

На втором этапе следует расположить воронку в кольце штатива таким образом, чтобы стеклянный носик опустился на 2–3 см внутрь стакана.

Третий этап – фильтрование. Перемешайте загрязненную воду с измельченным активированным углем. Данную смесь перелейте в воронку и следите, чтобы уровень жидкости находился чуть ниже верхней кромки бумажного фильтра.

Фильтрат может содержать небольшие темные частички угля, в этом случае следует повторить операцию, используя чистую фильтровальную бумагу.

На заключительном этапе слейте очищенную воду в мерный цилиндр и вычислите выход чистой воды (в процентах) по формуле:

Отметьте, сколько процентов жидкости теряется в результате очистки, и какой объем грязной воды был потерян.

Учитель предлагает продумать, какими доступными средствами можно было бы заменить оборудование для фильтрования, если проводить очистку воды в турпоходе.

Учащиеся легко находят заменитель фильтровальной бумаге, например носовой платок, вату. Воронкой может послужить и пластиковый стакан с небольшими отверстиями на дне или горловина отрезанной пластиковой бутылки. Адсорбент – уголь активированный или древесный.

Вторая группа учащихся, используя самодельное оборудование, проводит свое фильтрование и сравнивает качество и выход очищенной воды с образцом первой группы.

В качестве домашнего задания ученикам предлагаются задачи с экологическим содержанием.

Примеры задач с экологическим содержанием

Задача 1. На нефтеперерабатывающем заводе из-за поломки оборудования произошел аварийный сброс нефтепродуктов в ближайшее озеро. Их масса составила 500 кг. Выживут ли рыбы, обитающие в озере, если известно, что примерная масса воды в озере 10 000 т. Токсическая концентрация нефтепродуктов для рыб составляет 0,05 мг/л.

О т в е т. Не выживут. (Концентрация
составит 50 мг/л.)

Задача 2. В результате аварии на производстве серной кислоты в сточные воды массой 400 кг попало 3,2 кг оксида серы(VI). Вычислите массовую долю образовавшейся в сточных водах серной кислоты.

О т в е т. (H₂SO₄) = 0,97 %.

Задача 3. При производстве фенолформальдегидных пластмасс произошел аварийный сброс фенола в ближайший водоем. Рассчитайте молярную концентрацию фенола в водоеме, если масса воды в нем – 10 000 т, а масса сброшенного фенола составляет 0,5 кг.

О т в е т. c = 5,32•10^–7 моль/л.

Задача 4. Распространенный способ доведения концентрации загрязнителей в сточных водах предприятий до безопасного уровня – разбавление промышленных стоков чистой водой. Его применяют на предприятиях, не имеющих очистных сооружений, а также при небольшом объеме стоков. Рассчитайте объем, до которого требуется разбавить 100 м³ промышленных сточных вод, содержащих 3 % сульфата алюминия (плотность такого раствора равна 1030 г/л), если предельно допустимая среднесуточная концентрация этой соли 9,2•10^–5 моль/л.

О т в е т. До 100 000 м³.

Задача 5. Данные анализов показали, что сточные воды химического комбината соответствуют санитарным нормам по содержанию азотной кислоты (30 мг/л). Рассчитайте массовую долю и молярную концентрацию кислоты в стоках (при плотности, примерно равной 1 г/мл). Определите массу азотной кислоты, поступающей в канализацию, если объем промышленных стоков составляет ежесуточно 75 м³.

О т в е т. (HNO₃) = 0,003 %;
c = 0,005 моль/л;
m(HNO₃) = 2,250 кг.

Задача 6. Будет ли вредна для человека питьевая вода с содержанием пестицидов (ядохимикатов, защищающих растения от вредителей и болезней), достигающим 1 мг/м³, если санитарная норма содержания пестицидов в воде равна 5•10^–4 % по массе? Плотность воды 1000 кг/м³.

О т в е т. Такая вода пригодна для питья.
Санитарные нормы допускают содержание пестицидов до 5 г/м³.

Задача 7. Промышленные сточные воды содержат: а) 42 г/м³ сульфата магния; б) 0,06 г/м³ фосфата натрия; в) 12 г/м³ хлорида марганца(II). Во сколько раз надо разбавить стоки водой, чтобы не были нарушены санитарные нормы содержания в воде этих вредных отходов? Предельно допустимые концентрации солей в воде таковы: сульфат магния – 1,7•10^–4 моль/л; фосфат натрия – 3,0•10^–6 моль/л; хлорид марганца(II) – 7,3•10^–7 моль/л.

О т в е т. Эти сточные воды надо разбавить минимум в 130 раз.

§ 18. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА «МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОДЫ»

Цели. Продолжить развитие практических умений и навыков, показать взаимосвязь методов очистки сточных вод и методов оценки качества воды, продемонстрировав тем самым практическую значимость всего элективного курса.

Оборудование и реактивы. Колба на 150–200 мл, колбонагреватель, термометр, набор «цветовая шкала», пробка, мерный цилиндр на 250 мл без пластмассовой подставки, индикаторная бумага, пробирки, фарфоровая чашка, 10%-й и 2%-й растворы AgNO₃, физиологический раствор, риванольный раствор*, раствор антипирина**, 1%-й раствор K₂Cr₂O₇, концентрированная и 25%-я HNO₃, персульфат аммония, растворы Н₂О₂, KCNS, нашатырного спирта.

План занятия

Определение запаха воды (аромоиндикация).

Определение вкуса или привкуса воды (дегустация).

Определение прозрачности воды.

Определение цветности воды.

Определение рН воды.

Определение хлоридов в воде.

Определение нитратов и нитритов.

Определение железа в воде.

Определение меди в воде.

Определение марганца в воде.

Практическая работа предваряется обобщением учителя о том, что существует много методов оценки качества воды, затем он подчеркивает, что на этом занятии будут использованы два важнейших метода:

– по физическим свойствам воды (цвет, вкус, запах, прозрачность);

– по химическому составу (аналитические методы).

Опыт 1. Определение запаха воды (аромоиндикация)

100 мл исследуемой воды заливают в колбу объемом на 150–200 мл, закрывают пробкой и встряхивают быстрыми вращательными движениями, затем вынимают пробку и определяют с помощью собственного носа характер и интенсивность запаха при комнатной температуре. Операцию повторяют для воды, нагретой до 60 °С, и еще раз оценивают запах. Качественная характеристика запаха воды определяется с помощью таблицы (табл. 1).

Таблица 1

Интенсивность запаха воды

Опыт 2. Определение вкуса или привкуса воды (дегустация)

Вкус и привкус воды определяют сначала при комнатной температуре, а затем при 60 °С. С этой целью в рот набирают 10–15 мл воды, держат ее несколько минут, не проглатывая, и определяют характерность и интенсивность вкуса и привкуса. Шкала интенсивности этих показателей качества воды полностью идентична приведенной выше шкале интенсивности запаха.

Опыт 3. Определение прозрачности воды

Проводится по инструкции учебника О.С.Габриеляна «Химия. 8 класс» (М.: Дрофа, 2005), с. 182, опыт 3.

Опыт 4. Определение цветности воды

Для определения этого показателя качества воды оптимально использовать специальную «цветовую шкалу» (набор колбочек с пробами воды стандартизированной окраски). Воду наливают в прозрачный бесцветный цилиндр (на белом фоне) и, просматривая сверху, подбирают колбочку с пробой воды аналогичной окраски.

Если в кабинете химии отсутствует такой набор, то его готовят специально. Для этого в 50–100 мл дистиллированной воды отдельно растворяют 0,0875 г дихромата калия и 2 г семиводного сульфата кобальта. Затем растворы этих солей смешивают и добавляют дистиллированной воды до объема в 1 л. Это – раствор № 1. Затем готовят раствор № 2: приливают 1 мл концентрированной серной кислоты в дистиллированную воду и добавляют еще воды до объема в 1 л. Смешивая первый и второй растворы в соотношениях, указанных в таблице (табл. 2, см. с. 24), в отдельных пробирках готовят образцы шкалы цветности.

Таблица 2

Шкала цветности на основе
дихромата калия и сульфата кобальта

Опыт 5. Определение рН воды

Эта часть работы проводится самым простым способом – с помощью индикаторной бумаги, которую опускают в пробу воды и сравнивают полученную окраску с цветовой бумажной шкалой.

Опыт 6. Определение хлоридов в воде

Для качественного определения в пробирку отбирают 5 мл воды и добавляют 3 капли 10%-го раствора нитрата серебра. Содержание хлоридов определяют по помутнению или осадку визуально, используя таблицу (табл. 3).

Таблица 3

Содержание хлоридов в пробах воды

Опыт 7. Определение нитратов и нитритов (по А.Л.Рычкову)

а) Риванольная реакция.

К 2 мл исследуемой воды приливают 1 мл физиологического раствора и 1 мл риванольного раствора (последний готовят так: 1 таблетку аптечного риванола растворяют при нагревании в 200 мл 8%-й соляной кислоты). Появление бледно-розовой окраски в пробе воды сигнализирует о том, что уровень нитритов в воде опасен для здоровья.

б) Антипириновая реакция.

1 таблетку антипирина растворяют в 50 мл 8%-й соляной кислоты. 1 мл полученного раствора смешивают с 1 мл физиологического раствора и 1 мл испытуемой воды и немедленно добавляют в смесь 2 капли 1%-го раствора дихромата калия. Смесь нагревают до кипения. Если в течение 5 мин. раствор становится бледно-розовым, то в пробе воды содержится более 3 мг/л нитрит-ионов.

Справка: ПДК*** нитрит-ионов в питьевой воде – 3,3 мг/л, а нитрат-ионов – 45 мг/л.

Опыт 8. Определение железа в воде

В пробирку наливают 10 мл испытуемой воды, добавляют 1 каплю концентрированной азотной кислоты, 3–5 капель раствора пероксида водорода и 0,5 мл раствора роданида калия. Розовое окрашивание наблюдается при содержании железа 0,1 мг/л, а при более высоком – это окрашивание будет уже красным.

Справка: ПДК железа в воде – 0,3 мг/л; лимитирующий признак вредности – органолептический, т.е. когда содержание железа ощущается на вкус.

Опыт 9. Определение меди в воде

В фарфоровую чашку наливают 3–5 мл воды. Осторожно ее выпаривают и на периферийную часть пятна наносят каплю раствора нашатырного спирта. Появление интенсивной синей или фиолетовой окраски сигнализирует о присутствии меди.

Справка: ПДК меди в воде – 0,1 мг/л.

Опыт 10. Определение марганца в воде

В колбу наливают 25 мл образца воды и добавляют несколько капель 25%-й азотной кислоты. Затем из пипетки по каплям добавляют 2%-й раствор нитрата серебра до тех пор, пока наблюдается помутнение. Далее добавляют 0,5 г персульфата аммония и смесь нагревают до кипения. Если в воде марганца содержится 0,5 мг/л и выше, то появляется бледно-розовая окраска.

Справка: ПДК марганца в воде – 0,1 мг/л.

Поскольку объем предлагаемой практической работы невозможно выполнить каждому ученику, то учителю можно разбить эту работу на 2–4 варианта и выполнять ее в группах. В этом случае в конце занятия представители групп рассказывают о проделанной работе и демонстрируют ее результаты.

Будет полезно, если в конце занятия учитель познакомит учащихся с таблицей «Перечень ПДК и нормативная характеристика веществ, загрязняющих воду» (табл. 4).

Таблица 4

Перечень ПДК и нормативная характеристика веществ, загрязняющих воду

* Класс опасности вещества: 1 класс – чрезвычайно опасные; 2 класс – высокоопасные; 3 класс – опасные; 4 класс – умеренно опасные.
** Ориентировочные допустимые уровни веществ в воде, разработанные на основе расчетных и экспресс-экспериментальных методов прогноза токсичности.
*** Содержание элементного фосфора во всех растворенных соединениях.

---

* Риванол (этакридина лактат) – лекарственный препарат из группы антисептических средств.

** Антипирин (феназон) – болеутоляющее, жаропонижающее лекарственное средство; применяется в аналитической химии для определения некоторых ионов.

*** ПДК (предельно допустимая концентрация) вещества в воде – это максимальная его концентрация, которая не влияет прямо или опосредованно на состояние здоровья настоящего или последующих поколений людей при воздействии на организм и не ухудшает гигиенические условия водопользования.

Печатается с продолжением