Лабораторно-практичне заняття № 4

Вивчення якості питної води за фізико-хімічними показниками. Дослідження рН-характеристпк природних розчинів. Вплив показника рН на життєдіяльність людини.

Тема. : Природні загрози, характер їхніх проявів та дії на людей, тварин, рослин, об’єкти економіки.

Мета: Вивчити і засвоїти методи і прилади контролю фізико-хімічних показників питної води суспільно-побутового призначення, засвоїти навчальний матеріал про залежність здоров’я людини від якості питної води,

з’ясувати вплив показника рН на життєдіяльність людини, виміряти активність іонів водню природних розчинів.

Теоретичні відомості

Вода - найбільш поширена речовина на Землі. Вона покриває приблизно 3/4 земної поверхні. В морях і океанах знаходиться майже 98% загальної кількості води. Запаси прісної води складають приблизно 2,5% всієї кількості води.

Вода входить у склад любої живої істоти. Так, тіло людини складається з води приблизно на 70...75 %, в крові людини знаходиться приблизно 80%, в мускулах – 35%, в кістяку – 25% води. Організми риб містять до 80% води, в овочах міститься 60...80% води. Без води не може прожити ні одна жива істота. Якщо організм людини губить 12% вологи від маси тіла, наступає смерть. Величезна кількість води необхідна для рослин. Так, одне велике дерево влітку бере із ґрунту і випаровує за добу 50...70 відер води.

Чиста вода представляє собою прозору рідину без смаку і запаху. В тонких шарах вона безкольорова, а в товстих має голубуватий відтінок. Вода – єдина сполука на планеті, яка в земних умовах температури і тиску може знаходитися в трьох агрегатних станах: в виді льоду, рідини і пари. Вода являється еталоном фізичних констант для всіх інших речовин. Так, температура танення льоду за нормального атмосферного тиску 760 мм. рт. ст. прийнята за нуль, а температура кипіння води за цим же тиском – за 100⁰С. Вода має найбільшу теплоємність порівняно з іншими рідинами і твердими речовинами. Теплоємність води прийнята за одиницю (теплоємність спирту 0,3; піску 0,2; заліза 0,1). Вода має дуже велику теплоту випаровування, великий поверхневий натяг, високу діелектричну проникність. Вода являється досить інертним розчинником багатьох органічних і неорганічних речовин. Вона широко використовується в техніці, як розчинник і реагент при багатьох хімічних процесах, для охолодження і інших цілей.

Питна вода – найважливіший фактор здоров’я людини. В крани міських квартир питна вода потрапляє з річок, водосховищ, озер, з підземних глибин. Найчистіша – підземна вода (особливо артезіанська). Але цієї води для великих міст не вистачає.

За даними ВООЗ, вода може містити до 13 тис. токсичних речовин, водою передається до 80% усіх захворювань, від яких у світі щорічно вмирає 25 млн. осіб. Вода містить велику кількість різних мінеральних і органічних домішок. Мінеральні домішки – це частини піску, глини, кварцу, інертного пилу, карбонатів металів, розчинені в воді солі, кислоти, луги. Органічні домішки – це нафта, нафтопродукти (гас, бензин, різні масла і ін.), продукти життєдіяльності живих організмів, продукти розкладу деревини, частинки торфу, вугілля, сланців і інші речовини.

Вода містить мікро- і макроелементи, гази, колоїдні частинки та живі мікроорганізми. Основні компоненти питної води – гідрокарбонатні та сульфатні солі кальцію, магнію і натрію. З мінералів у воді є кремній, фтор, стронцій, цинк, з мікроелементів – залізо і калій. Вміст цих речовин не повинен перевищувати ГДК.

Частки ґрунту і все, що може гнити, вносять в воду органічні сполуки. Щоб природна вода була придатна для вживання, вона проходить очищення та знезараження на водопровідних станціях. Способи очищення забруднених вод – це механічні, фізичні, фізико-механічні, хімічні, фізико-хімічні, біологічні та комплексні. Після механічних, хімічних та фізико-хімічних методів очищення стічні води підлягають біологічному очищенню (мікроорганізмами), яке здійснюється в біофільтрах, в аеротенках, в біотенках. Після очищення у воді можуть знаходитись різноманітні віруси та бактерії (вірус гепатиту, дизентерійні бактерії, збудники черевного тифу, вірус поліомієліту). Знешкодити мікроорганізми, які залишились, можна наступними способами:

• термічним (воду скип’ятити);

• за допомогою сильних окисників (наприклад, хлору, озону, марганцевокислого калію);

• впливом іонів благородних металів (срібла);

• фізичними методами (за допомогою ультрафіолетових променів або ультразвуку).

В Україні всі поверхневі, а в окремих районах і підземні води за рівнем забруднення не відповідають вимогам стандарту до джерел водопостачання. Питна вода – першопричина виникнення багатьох інфекційних захворювань, зокрема вірусного гепатиту В. Внаслідок хлорування в питній воді утворюються хлорорганічні сполуки, наприклад, вміст хлороформу перевищує в 1,5-2 рази за норму, рекомендовані ВООЗ. У питну воду потрапляють іони важких металів, сполуки фосфору і сірки, пестициди, нітрати, нітрити тощо. На сьогодні відомо близько 100 хвороб, які дарує нам питна вода.

Приблизно в 66% свердловин, з яких добувають питну воду, вода містить підвищену кількість заліза, марганцю, сірководню, сульфідів, сульфатів, хлоридів, карбонатів та інших домішок, що вимагає додаткового очищення цієї води. Артезіанська вода є умовно питною й може служити лише додатковим джерелом водопостачання.

Для поліпшення якості питної водопровідної води використовують фільтри, але лише деякі з них здатні зробити воду максимально безпечною. Універсальних фільтрів, здатних повністю очистити воду від усіх шкідливих домішок, просто не існує. І в той же час фільтри стали предметом першої необхідності.

Для характеристики якості питної води, придатності її для споживання велике значення мають такі фізичні показники як температура, органолептичні властивості, вміст різних домішок, мутність (або прозорість), забарвленість та такі хімічні показники як твердість (жорсткість), кислотність, вміст нітратів та нітритів.

Температура води. Температура природної води залежить від її походження. Вода підземних джерел відрізняється постійністю температури, причому із збільшенням води сезонні коливання температури зменшуються. Температура води відкритих водоймищ (річок, ставків, озер) значно змінюється, що пов'язано із нагріванням і охолодженням водоймищ. Крім сезонних змін, температура води в окремих місцях відкритих водоймищ можна змінюватись внаслідок протікання процесів гниття і надходження в водоймища підземних вод. Оптимальна температура води для питних потреб 7...11 ⁰С. Така вода найбільш приємна на смак. Вода, температура якої перевищує 15 ⁰С (при недостатньому вмісті газів), має неприємний смак, не вгамовує спрагу.

Органолептичні властивості води (запах, смак, присмак)

Запах і смак природної води залежить від температури, вмісту газів, які насичують воду, хімічного складу, домішок. По смаку вода може бути солоною, солодкою, кислою, гіркою. Гіркий смак обумовлений підвищеним вмістом сульфату магнію, солоний - хлориду натрію. Інші види смакових відчуттів називаються присмаками. Запах і присмак води може бути обумовлений також наявністю сірководню і деяких солей. Так, солі заліза і марганцю надають воді чорнильний і металічний присмак, сульфат кальцію - в'яжучий. Велику роль у формуванні запаху і присмаку природної води відіграє її органічний склад і наявність різних специфічних органічних сполук.

Важливим показником якості води являється мутність (або прозорість), яка залежить від вмісту глини, піску, мулу, органічних речовин. Мутність води визначається мутномірами. Суть методу заключається в порівнянні мутності досліджуваної води з еталонами, які приготовлені з каоліну. Для цього світло синьої лампи пропускають знизу вверх через плоске дно скляних циліндрів з водою (довжина 750 мм; діаметр 50 мм) при односторонньому боковому освітленні їх білим світлом лампою потужністю 300 Вт. Мутність виражається в мг/л.

Вміст плаваючих речовин в воді (тобто їх концентрація, виражена в мг/л) характеризується прозорістю. Прозорість представляє собою максимальну товщину шару води, яка налита в циліндр, через який можна прочитати стандартний типографський шрифт Снелліна або роздивитися хрест, накреслений чорними лініями товщиною 1 мм з 4 крапками між ними. В з’вязку з цим розрізняють прозорість за “шрифтом” і за “хрестом”. Прозорість води визначають в сантиметрах.

Забарвленість - це колір, який може мати природна вода. Тонкі шари чистої води не мають кольору, товсті мають блакитний відтінок. Інші відтінки свідчать про наявність у воді різних розчинених і плаваючих домішок. Наприклад, колоїдні сполуки заліза надають воді відтінки від жовтуватого до зеленого.

До хімічних показників якості води відносять кислотність (або лужність), вміст розчинених газів, заліза, хлоридів, сульфатів, солей твердості (жорсткості), азотвмісних речовин, а також її окисленість.

Кислотність (або лужність). Дуже важливим показником якості води являється її кислотність (або лужність), яка характеризується концентрацією іонів водню. При дисоціації води утворюються іони Н⁺ і ОН^-: Н₂О = Н⁺ + ОН^-

Значення водних ресурсів планети для життєдіяльності людини та загальні вимоги до якості питної води: наша планета містить близька 16 м³ води, що становить 25 % її маси, біля 80 % води знаходиться в мантії Землі. Підземна частина гідросфери охоплює ґрунтові, підґрунтові, міжпластові води й води карстових порожнин у легко розчинних гірських породах, зокрема вапняках, гіпсах і т. п.

У теперішній час водним ресурсам загрожує вичерпування та псування. Людство майже повністю залежить від поверхневих вод суші – річок та озер. Ця мізерна частина водних ресурсів підлягає найбільш інтенсивному впливу. Вода річок та озер покриває потре­би людства у питній воді, використовується для зрошення у сільсь­кому господарстві (73 % всієї питної води), витрачається в промис­ловості, зокрема для охолодження АЕС та ТЕС. Споживання води постійно збільшується, і одна з небезпек – зменшення її запасів.

Для значної частини живих організмів вода (Н₂0) є середови­щем зародження й розвитку. Вода у біосфері перебуває у безперерв­ному русі, бере участь у геологічному та біологічному кругообігу речовин. Вода є основою існування життя на Землі, без неї не може існувати наша цивілізація, бо людина використовує воду як для пит­тя, так і для забезпечення своїх санітарно-гігієнічних і господарсь­ко-побутових потреб. Ця хімічна сполука входить до складу живих тканин, продуктів харчування, ґрунтів, гірських порід тощо.

Отже, значення належного стану гідросфери для життєдіяль­ності людини і всього живого на нашій планеті важко переоцінити. З одного боку, вода — фізіологічно й гігієнічно необхідний елемент, а з іншого — вона може стати джерелом хвороб і порушень здоров’я людини. Це, у першу чергу, може бути пов’язано зі зміною складу, якісного показника води або недостатньою її кількістю.

У хімічно чистому вигляді води в природі не буває, бо вона є універсальним розчинником практично всіх речовин у рідкому, твер­дому та газоподібному стані. Забруднення джерел водопостачання спричиняють стічні побутові та промислові води, стікання дощових і талих вод з сільськогосподарських полів тощо. Вода забруднюєть­ся такими речовинами; відходами, що поглинають кисень; отруйни­ми речовинами (пестицидами, гербіцидами); нафтою й нафтопро­дуктами; відходами органічного синтезу (мийними речовинами); радіоактивними та хімічними речовинами. Окрім цього, забруднен­ня може бути тепловим, наприклад, від гарячих стоків промислових підприємств.

Основні показники якості питної води регламентуються держав­ними стандартами і санітарно-гігієнічними вимогами. Показники хімічного складу води визначаються нормами вмісту — гранично допустимими концентраціями (ГДК) речовин, які з’явилися у воді внаслідок природного, промислового, сільськогосподарського й ко­мунально-побутового забруднення.

Існує три стадії забруднення природних вод:

• 1 стадія. Концентрація забруднювачів у воді вища за фонову, але менша за ГДК. Основні властивості води знаходяться у ме­жах норми. Наявність деякого забруднення не є перешкодою для використання води у побуті, сільському господарстві й на виробництвах.

• 2 стадія. Концентрація забруднювачів досягає небезпечного рі­вня для здоров’я людини (досягає або перевищує ГДК). Вико­ристання води обмежується.

• 3 стадія. Концентрація забруднювачів надзвичайно небезпечна (значне перевищення ГДК), що робить воду непридатною до використання.

Установлені гранично допустимі концентрації обмежують за­гальну мінералізацію води, вміст хімічних речовин, загальну жорст­кість і рН.

Загальні вимоги до питної води:

1. Вода не повинна містити токсичні, радіоактивні та інші шкідли­ві для здоров’я людини речовини.

2. Вміст у воді мінеральних речовин і мікроелементів повинен відповідати фізіологічним потребам організму.

3. За своїми органолептичними властивостями (наявність запаху, присмаку, забарвлення тощо) вода повинна задовольняти сма­кові потреби населення.

Вплив показника pH на життєдіяльність людини

Техногенне забруднення довкілля суттєво впливає не лише на склад атмосферного повітря, але й на процеси кругообігу енергії й речовин у природі. Зокрема зміна хімічного складу повітря внаслі­док діяльності людини та процеси кругообігу води у природі спри­чиняють виникнення феномену «кислотних дощів». Це явище бу­ло відкрито понад сто років тому А. Смітом, який виявив залеж­ність між рівнем забруднення атмосферного повітря й кількістю опадів. Незабруднені опади самі по собі мають кислу реакцію (pH = 5,5–6,0). Значне забруднення атмосфери сірчистим ангідри­дом, окислами азоту, сполуками хлору й фтору призводить до біль­шої кислотності. На окремих територіях США, Європи середньоріч­на кислотність опадів не перевищує 4,0-4,5, що прирівнюється до слабких розчинів кислот. У деяких регіонах земної кулі реєструють­ся опади з pH ==3,8.

Збільшення вмісту кислих іонів і постійне вимивання лужних катіонів призводить до того, що буферна система рослин руйнується і кислотність ґрунтів збільшується.

Токсична дія аерозолю сірчаної кислоти на організм людини особливо посилюється у хмарну погоду. Розчин сірчаної кислоти у вигляді крапель туману тримається у повітрі або разом із дощем ви­падає на землю. Сірчана кислота роз’їдає метал, тканини, бетон, фарби, негативно впливає на все живе; на підкислених ґрунтах зни­жується врожайність, а зростання кислотності у водоймах призво­дить до загибелі всього живого. Наприклад, при pH = 4,5 гинуть усі риби, земноводні, комахи, а на дні розвиваються гриби й бактерії –анаероби, внаслідок життєдіяльності яких виділяється вуглекислий газ, метан і сірководень.

Дія забрудненого повітря й води на організм людини проявляєть­ся в загальному погіршенні здоров’я людини, зниженні імунітету, появі головного болю, відчутті слабкості, зниженні продуктивності праці тощо. У районах із сильним забрудненням атмосферного пові­тря й води рівень захворюваності населення на бронхіти у 3-5 разів пневмонією в 2-3, плевритом у 3-4 рази вищий, ніж у населення ін­ших районів.

Сутність показника рН і методи його визначення

Водневим показником рН називається десятковий логарифм концентрації водневих іонів, взятий із протилежним знаком:

рН = –lg[Н⁺] або [Н⁺] = 10^-рН, (5.1)

де

[Н⁺] – концентрація іонів водню, г-іон/л (моль/л).

У свою чергу гідроксильним показником рОН називається від’­ємний десятковий логарифм концентрації гідроксильних іонів, та­кож узятий із протилежним знаком:

рОН = -lg [ОН^-] або [ОН^-] = 10^-рОН, (5.2)

де

[ОН^-] — концентрація гідроксильних іонів, г–іон/л.

Величини рН і рОН кількісно характеризують кислотність і лу­жність розчину. Якщо кажуть, що розчин кислий або лужний, то це є лише якісною оцінкою кислотності чи лужності. Знаючи значення рН і рОН, можна стверджувати, на скільки розчин кислий або луж­ний, тобто дати кількісну оцінку кислотності чи лужності розчину. Наприклад, розчин із рН = 2 містить водневих іонів 10^-2 г–іон/л, що відповідає кислотності 0,01 М (молекулярного розчину) НС1 або ін­шої сильної кислоти, а розчин із рН = 3 містить їх 10^_3 г–іон/л, що ві­дповідає кислотності 0,001 М розчину НСІ. Очевидно, що перший розчин у 10 разів більш кислий, ніж другий.

До такого уявлення прийшли на підставі того, що вода є слаб­ким електролітом і дуже незначна частина її молекул дисоціює на іони Н⁺ і ОН“, які знаходяться в рівновазі з недисоційованими мо­лекулами:

Н₂ ^_ Н⁺ + ОН^-. (5.3)

Концентрацію іонів зазвичай виражають у грам-іонах на 1 л роз­чину і позначають за допомогою квадратних дужок. Так, грам-іон водню дорівнює 1 г, а грам-іон гідроксилу – 17 г.

У воді, як видно з рівняння дисоціації, концентрації іонів вод­ню [Н⁺] й іонів гідроксилу [ОH^‑] однакові. Добуток концентрації іо­нів водню та іонів гідроксилу у воді називають іонним добутком во­ди – К_в, При певній температурі К_в є сталою величиною. Числове значення її при 22 °С дорівнює 10^-14:

[Н⁺]•[ОН^-] = 10^-7-10^-7 =10^-14 (5.4)

При підвищенні температури К_в дещо збільшується, а під час пониження – зменшується.

Оскільки добуток [Н⁺] і [ОН^-] дорівнює сталій величині, в бу­дь-якому водному розчині концентрація іонів водню й концентрація іонів гідроксилу не може дорівнювати нулю. Будь-який водний роз­чин кислоти, основи або солі містить як Н⁺-іони, так і ОН^--іони. Зо­крема для чистої води:

[Н⁺] = [ОН^-] = 10^-7 г-іон/л. (5.5)

Якщо до неї добавити кислоти, то [НҐ] буде >10'⁷, а [ОН"]<10^_7 г-іон/л і навпаки., Зі сталості добутку [Н⁺] і [ОН“] випливає, що при збіль­шенні концентрації одного з іонів води відповідно зменшується кон­центрація другого іона.

Поняття pH зручно застосовувати для характеристики реакції різних розчинів: нейтральна – pH=7, кисла - pH < 7, лужна - pH>7.

Таким чином, для:

• нейтральних розчинів [H+]=[OH+]=10^-7, pH=pOH=7

• кислотних розчинів [H+]>10^-7, pH<7, pOH>7

• лужних розчинів [H+]<10^-7, pH>7, pOH<7

Наприклад, показники рН деяких відомих розчинів мають таке значення: шлункового соку дорівнює 1,7 (сильнокисла реакція); торф’яної води – 4 (кисла реакція); дощової води – 6 (слабокисла реакція); водопровідної води (згідно з санітарними нормами) – 7,5 (слабко- лужна реакція); крові – 7,1 (слабколужна реакція); слини – 6,9 (слабокисла реакція); сліз – 7 (нейтральна реакція).

Для нормального розвитку сільськогосподарських культур і одер­жання високих урожаїв також необхідна певна реакція ґрунтового роз­чину. Залежно від величини рН ґрунтового розчину, ґрунти поділяються на шість груп: сильнокислі ґрунти (рН = 3-4); кислі ґрунти (рН = 4-5); слабокислі ґрунти (рН = 5-6); нейтральні ґрунти (рН = 6-7); слабко- лужні ґрунти (рН = 7,1-8); сильнолужні ґрунти (рН = 8-9).

Практика показує, що найчастіше на розвиток рослин негатив­но впливає підвищена кислотність. Для її усунення застосовується вапнування ґрунтів – внесення в них вапняків, зокрема карбонатів кальцію або магнію.

Якщо ґрунти мають підвищену лужність (солонцюваті й солон­чакові ґрунти), то для її усунення проводять гіпсування ґрунтів роз­меленим гіпсом.

Існує два основних методи визначення показника рН різнома­нітних розчинів.

Індикаторний метод. Визначення показника рН цим методом ґрунтується на тому, що індикатори змінюють своє забарвлення при різних значеннях показника, зокрема: метилоранж – при рН = 4,4; лакмус – при рН = 7; фенолфталеїн – при рН = 9 тощо.

Метод потенціометра ґрунтується на вимірюванні потенціалів во­дневого, гіпгідронного та скляного електродів, які перебувають у стані рівноваги з іонами гідрогену. Для цього використовують рН-метри.