Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №22/2009
УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

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

Объект наблюдения

Цвет

Прозрачность

Запах

Наличие
загрязнений

Объем жидкости

Образец воды перед обработкой

         

Вода после отделения от масла

         

Вода после фильтрования

         

Вода после адсорбции

         

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

Балл Интенсивность Качественная характеристика
0 Никакой Отсутствие ощутимого запаха
1 Очень слабый Запах, не поддающийся обнаружению потребителем, но обнаруживаемый в лаборатории опытным исследователем
2 Слабый Запах, не привлекающий внимания потребителя, но обнаруживаемый, если на него обратить внимание
3 Заметный Запах, легко обнаруживаемый и дающий повод относиться к воде с неодобрением
4 Отчетливый Запах, обращающий на себя внимание, может быть причиной отказа от питья
5 Очень сильный Запах настолько сильный, что вода становится непригодной для питья

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

№ раствора Объемы растворов для приготовления образца, мл
градусы цветности
0 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100
1 0 1 2 3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20
2 100 99 98 97 96 95 94 92 90 88 86 84 82 80

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

Осадок или помутнение Концентрация хлоридов, мг/л
Опалесценция или слабая муть 1–10
Сильная муть 10–50
Образуются хлопья, но осаждаются не сразу 50–100
Белый объемистый осадок Более 100

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

Соединение,
на которое
задается
норматив
Показатели
Цель водопользования – хозяйственно-питьевые и культурно-бытовые нужды Цель водопользования – нужды рыбного хозяйства
Концентрация, мг/л Класс
опасности*
Концентрация, мг/л Класс
опасности*
Алюминий 0,5 2 0,04 4
Аммоний 1,0(по N) 3 0,5 (NH4 ) 4
Бензол 0,5 2 0,5 4
Ванадий 0,1 3 0,001 3
Гексахлоран 0,02 4 Отс. (0,00001) 1
Гидразин 0,01 2 0,00025 2
Железо общ. 0,3 3 0,1 4
Кадмий 0,001 2 0,005 2
Кальций 180
Кобальт 0,1 2 0,01 3
Метилметакрилат 0,01 2 0,001 3
Магний 40 4
Марганец 0,1 3 0,01 4
Медь 1,0 3 0,001 3
Мышьяк 0,05 2 0,05 3
Нефтепродукты 0,3 4 0,05 3
Никель ОДУ** 3 0,01 3
Нитраты 45 3 40
Нитриты 3,3 2 0,08
Полиакриламид 2 2 0,04 4
Роданиды 0,1 2 0,09 4
Сульфиды Отс. (0,005) 3 0,005 3
Свинец 0,03 2 0,1
Сульфаты 500 4 100
Спав 0,3 3 0,1 4
Толуол 0,5 4 0,5 3
Фенол 0,001 4 0,001 3
Фосфаты 3,5 3 2,0 (Р)***
0,05 для олиготрофных водоемов (Р),
0,15 для мезотрофных водоемов (Р),
0,2 для эвтрофных водоемов (Р)
Фтор 1,5 2 0,75 3
Хлориды 3590 4 300
Хром (3+) 0,5 3 0,07 3
Хром (6+) 0,05 3 0,02
Цианиды ОДУ** 2 0,05 3
Цинк 1,0 3 0,01 3

* 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