Научно-исследовательская работа «Жесткость воды»

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа с. Павло-Федоровка Кировского района»

Научно-исследовательская работа

По направлению: химия

«Жесткость воды»

Выполнила: Смирнова Алёна Викторовна,

ученица 11 класса

Руководитель: Ильина Дина Аркадьевна,

учитель химии

с. Павло-Федоровка, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время всё большую актуальность приобретает проблема очистки воды, причём не только для питья и приготовления пищи, но и той, которая используется в быту – для стирки, мытья посуды и т.д. Существует проблема общая, как для загородных домов с автономной системой водоснабжения, так и для городских квартир. Имя этой проблемы – жёсткость воды. Для современной бытовой техники, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники необходимость борьбы с жёсткостью крайне актуальна.

Вода с высокой жесткостью не приятна на вкус, ее регулярное употребление может провоцировать образование камней и приносить другой вред здоровью человека, мытье жесткой водой негативно сказывается на состоянии кожи и волос. Жесткая вода приводит к появлению известкового налета на нагревательных элементах бытовых приборов. В жесткой воде ухудшаются моющие свойства мыла, так как ионы кальция и магния реагируют с ними с образованием осадка.

Актуальность темы: снизив жесткость воды, можно избежать проблем со здоровьем.

Проблема:вода, которую мы используем дома в хозяйственной деятельности жестка.

Гипотеза:я считаю, что жесткость воды можно устранить в домашних условиях.

Цель:изучение жёсткости воды и способов её устранения.

Задачи проекта:

– познакомиться с понятием жесткости воды, и ее видами;

– подобрать образцы воды для лабораторных исследований;

– измерить показатели жесткости воды с помощью датчика электропроводности;

– проделать опыты по умягчению воды;

– сформулировать выводы и подтвердить или опровергнуть гипотезу.

Объект исследования: вода, взятая из разных источников.

Предмет исследования: жёсткость воды.

Методы исследования: изучение литературы, эксперимент, наблюдение, анализ полученных результатов.

I РАЗДЕЛ 1

1.1. Физические свойства воды

Несмотря на свой, казалось бы, предельно простой химический состав, вода – одно из самых загадочных веществ на Земле. Достаточно упомянуть, что это единственное химическое вещество, которое существует в условиях нашей планеты одновременно в трёх агрегатных состояниях - газообразном, жидком и твёрдом.

При замерзании вода расширяется, а не сжимается. Лёд имеет меньшую плотность и массу, чем жидкая вода, поэтому он плавает на поверхности. Благодаря этому свойству воды в водоёмах и зимой сохраняется жизнь.

Вода обладает большой теплоёмкостью, поэтому она медленно нагревается и медленно остывает, являясь хорошим теплоносителем. Водные бассейны регулируют температуру на нашей планете: летом не дают ей перегреваться, а зимой снабжают материки теплом. От космического холода Землю предохраняют те капли воды, которые рассеяны в атмосфере.

У воды исключительно высокая величина поверхностного натяжения (σ), поэтому она способна подниматься по тонким капиллярам.

Вода является универсальным растворителем. В ней растворяются многие вещества.

Существование воды на Земле в трёх агрегатных состояниях — газообразном, жидком и твёрдом — обязано очень важному обстоятельству: вращению Земли вокруг Солнца на расстоянии 149,6 млн км. Если бы расстояние

от Земли до Солнца было бы меньше 134 млн км — вся вода океанов, морей и рек испарилась бы. Если бы расстояние между Землёй и Солнцем было более 166 млн км, то жидкая вода превратилась бы в лёд.

1.2. Химические свойства воды

Вода – простейшее устойчивое химическое соединение водорода и кислорода (окись водорода – Н₂O), одно из самых распространённых соединений в природе, играющее исключительно важную роль в процессах, происходящих на Земле.

Известно 3 изотопа водорода (1Н – протий; 2Н или Д – дейтерий; 3Н или Т – тритий) и 6 изотопов кислорода (14О, 15О, 16О, 17О, 18О, 19О), так что существует большое количество изотопных разновидностей молекул воды. Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с ядрами О и Н в вершинах.

Химически чистая вода состоит почти исключительно из молекул Н₂O. Незначительная доля молекул (на каждый миллиард молекул только две распадаются на ионы) диссоциирует по схеме Н₂O ↔ Н⁺ + ОН^-. Хотя степень диссоциации в воде ничтожна, она играет большую роль в химических процессах, происходящих в различных системах, в том числе и биологических. В частности, она является причиной гидролиза солей слабых кислот и оснований и некоторых других реакций, протекающих в воде.

Вода взаимодействует со многими элементами и веществами. Так, при реакции воды с наиболее активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции со многими окислами образуются кислоты или основания. Вода гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и другие вещества.

1.3. Роль воды в жизни человека

Вода участвует во всех процессах жизнедеятельности: транспорте питательных веществ и кислорода, выведении продуктов распада, в дыхании и терморегуляции. Испаряясь, вода способствует охлаждению организма. Поэтому для обеспечения нормального существования человек ежедневно должен потреблять воды в 2 раза больше, чем питательных веществ, т. е.  2,5 - 6 л.

Потеря человеком 12-15 % воды приводит к нарушению обмена веществ, а потеря 25 % воды ведёт к гибели организма. Без пищи человек может прожить 30-50 дней, а без воды не более трёх дней. Вода также является средой обитания для многих животных и растений.

1.4. Определение жёсткости воды

Жёсткость воды – совокупность её химических и физических свойств, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния.  

Вода с большим содержанием таких солей называется жёсткой, с малым содержанием - мягкой. (Приложение 1).  

У одного и того же водоисточника жёсткость воды может меняться в течение года весной, в период паводка, жёсткость воды, особенно в поверхностных источниках, уменьшается. А жарким летом в связи повышенным испарением воды с поверхности водоёма, а также из-за редких дождей жёсткость воды, наоборот, увеличивается.

В подземных источниках жёсткость воды практически не меняется в течение года, и, как правило, очень высокая (до 80-100 мг-экв/л).  

Жёсткая вода при умывании сушит кожу, в ней плохо образуется пена при пользовании мылом.

В различных информационных источниках можно встретить информацию, что жёсткая вода способствует образованию камней в мочеполовой системе, а мягкая увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Однако, достоверных клинических исследований о вреде такой воды на организм человека не существует. Поэтому, вероятнее всего, потребление и использование в быту жёсткой или мягкой воды не является опасным для здоровья. 

А вот бытовой технике или водопроводной системе жёсткая или мягкая вода может нанести существенный вред.  

Нередки случаи, кода чайник или стиральная машина выходят из строя в связи с использованием жёсткой воды. Жёсткая вода вызывает появление осадка (накипи) на нагревательных элементах бытовых приборов, стенках котлов, в трубах. Особенно часто это наблюдается при использовании для бытовых и хозяйственных нужд подземных водоисточников.  

В то же время, использование слишком мягкой воды может привести к коррозии труб, так как, в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность, которую обеспечивает гидрокарбонатная жёсткость. 

Вкусовые качества воды тоже значительно отличаются друг от друга именно из-за отсутствия или наличия в ней тех или иных солей.  

Вот почему родниковая или минеральная вода нам часто очень нравится – она более насыщена солями.  

1.5. Методы устранения жёсткости

Чтобы избавиться от временной жёсткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок:

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO₃ неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)₃, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

С постоянной жёсткостью бороться труднее. Один из вариантов: вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лёд превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жёсткость, остаются в незамёрзшей воде.

Существует ещё один способ избавления от постоянной жёсткости – перегонка, то есть, испарение воды с последующей её конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.

Но такие методы, как замораживание и перегонка пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность же имеет дело с тоннами. Поэтому используют другие методы. Широко используют ионный метод, который заключается в применении специальной ионной смолы. Эта смола представляет собой отдельные частички, которые присоединяют к себе частички кальция и других веществ.

Умягчение - это метод основан на добавлении в воду различных реагентов, например, кальцинированной соды, гашённой извести или ортофосфата натрия.

Последний, часто входит в состав бытовых средств, которые мы используем для предотвращения образования накипи в стиральных, посудомоечных машинах или других бытовых приборах.

Устранение действием соды:

Na₂CO₃ + Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃↓ + 2NaHCO₃

С последствием жёсткости воды - накипью, с точки зрения химии можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

В качестве средства для удаления накипи применяются также адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые добавляются в воду.

1.6. Электропроводность воды

Электропроводность – это способность какого-либо вещества проводить через себя электрический ток, в нашем случае - воды. Причина, по которой проводимость воды важна, заключается в том, что измерение может сказать вам, сколько растворенных веществ, химикатов и минералов присутствует в воде. Более высокое количество этих примесей приведет к более высокой проводимости.

Даже небольшое количество растворенных солей и химикатов может повысить проводимость воды.

Электропроводность (электролитическая проводимость) измеряется в сименсах (S) или, если быть точнее в миллисименсах (мСм/см). Электроны способны проходить через воду от одного электрода к другому благодаря ионам, растворенным в воде. Именно эти ионы переносят электроны.
Таким же образом концентрация ионов в воде определяет количество электронов, которые могут перемещаться от одного электрода к другому: чем выше концентрация ионов, тем больше поток электронов. Чистая вода является очень плохим проводником электричества, поэтому её показания будут равны 0,0. Соленая морская вода, с другой стороны, является гораздо лучшим проводником.

1.7. Методы электропроводности

Я изучила методику электропроводности воды с помощью датчика электропроводности цифровой лаборатории RELEON:

1. Снять защитный колпачок с датчика электропроводности, с помощью промывалки тщательно ополоснуть его нижнюю часть дистиллированной водой, после чего осторожно осушить фильтровальной бумагой.

2. Закрепить датчик электропроводности в лапке штатива.

3. Подключить датчик к планшетному регистратору или компьютеру.

4. Запустить программу измерений Releon Lite.

5. В химический стакан налить 50 мл водопроводной сырой воды, опустить в стакан датчик электропроводности, слегка поболтать им и нажать кнопку «Пуск». При опускании электрода в раствор необходимо избегать касаний чувствительным элементом стенок и дна стакана.

6. Дождаться, пока показания прибора стабилизируются, и нажать кнопку «Пауза». Занести результат в таблицу.

7. Вынуть из стакана датчик электропроводности, промыть дистиллированной водой и осушить фильтровальной бумагой.

8. Повторить п. 5-7 для дистиллированной и водопроводной кипяченой.

II РАЗДЕЛ 2

2.1. Определение жесткости воды

Я решила проверить электропроводность воды, которую я и моя семья используем дома, а также воду в моей школе.

Электропроводность воды я проверила с помощью датчика электропроводности цифровой лабораторииRELEON. (Приложение 2).

Объектом исследования явилась вода: дистиллированная, из под крана школьная, из под крана домашняя.

Подготовка воды для измерений.

Я кипятила воду в течении 15 минут, после того как она остыла, сделала замеры электропроводности. Далее отфильтровала воду с помощью «Барьера» и снова определила электропроводность воды.

Я работала по методике определения электропроводности жесткости воды и занесла результаты измерений в таблицу. (Таблица 1).

Таблица 1. Электропроводность жесткости воды.

Вывод:из показаний таблицы видно, что исследуемая мной вода является сильножесткой, такая вода не пригодна для употребления. После кипячения и фильтрования показатели воды уменьшились до средней жесткости. Среднежесткая вода является наиболее рекомендуемой для употребления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проведения исследования, мной были решены поставленные задачи. А именно, я познакомиться с понятием жесткости воды, и ее видами, подобрала образцы воды для лабораторных исследований, измерила показатели жесткости воды с помощью датчика электропроводности, проделала опыты по умягчению воды.

Кроме того, узнала, что жесткая вода неблагоприятно влияет как на здоровье человека, так и на работу электроприборов. Чтобы избежать негативных последствий применения жесткой воды, необходимо ее умягчать. Советую использовать воду средней жесткости или с пониженным содержанием солей жесткости.

Моя гипотеза, что жесткость воды можно устранить в домашних условиях подтвердилась. Самые распространённые способы – это кипячения и фильтрация.

Цель, поставленная мной в данной исследовательской работе – изучение жесткости воды и методов ее устранения, - достигнута, запланированные результаты получены.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шпаусус, З. Путешествие в мир химии / З. Шпаусус. – М.: Просвещение, 1967. – 431 с.

2. Харлампович Г.Д. Многоликая химия. / Г.Д. Харлампов – М.: Просвещение, 1992. - 159 с.

3. Хомченко Г.П. Учебник химии / Г.П. Хомченко – М.: Новая волна, 1996. – 304с.

4. Белянин В. Жизнь, молекула воды и золотая пропорция / В. Белянин — М.: Наука и жизнь. – 2004. – с. 2-9.

2. Кочергин Б.Н. Химический словарь школьника. / Б.Н. Кочергин – Минск: «Народная асвета». 1990. - 255с.

3. Потапов В.М. Химия / В.М. Потапов, Г.П. Хомченко. – М.: «Высшая школа», 1982. - 512 c.

4. Ходаков Ю.В. Неорганическая химия / Ю.В. Ходаков, Д.А. Эпинтейн. - М.: «Просвещение», 1982. - 240 с.

5. Золотов Ю.А. Основы аналитической химии: в 1 т. / Ю.А. Золотов. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – Т.2 – 416 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1

Концентрация солей и жесткость воды в различных единицах:

Допустимая жесткость питьевой воды для централизованного водоснабжения (нормативный показатель) — до 7°Ж; допустимая жесткость питьевой воды для нецентрализованного водоснабжения (нормативный показатель) — до 10°Ж; опасная концентрация солей — от 12 мг-экв/л.

Приложение 2

Электропроводность воды.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/622750-nauchno-issledovatelskaja-rabota-zhestkost-vo