2914

Перенесите необходимый раствор в бюретку (см. п.3).

Переливание раствора из бюретки осуществляется так же, как и из пипетки.

Лабораторная работа 3.2

Механизм формирования среды водных растворов веществ. Определение среды водных растворов с помощью индикаторов

«Водная среда (гидросфера) является составляющей биосферы. В узком смысле гидросфера представляет собой прерывистую оболочку из соленой, пресной, а также твердой воды. В широком смысле гидросфера – это непрерывная оболочка системы «вода-пар» (пронизанная парами воды литосфера). Тяжелые металлы и другие ксенобиотики поступают в водную среду из естественных и антропогенных источников» [16].

Различают первичное и вторичное антропогенное загрязнение гидросферы.

Первое происходит за счет непосредственных поступлений ЗВ в водные объекты.

Вторичное загрязнение является следствием первичного и возникает при нарушении экологического баланса в водных экосистемах и связанным с этим повышением концентрации органических веществ в воде.

Основным источником загрязнения естественной водной среды является хозяйственная деятельность человека (рис. 10).

31

Рис.10. Источники загрязнения водной среды

https: // bezotxodov.ru/wpcontent/uploads/2019/01/istochniki_zagryazneniya_vod.jpg

«В России 42% веществ, загрязняющих воду, образуется в промышленности, 44% – в коммунальном хозяйстве; оставшиеся 14% – минеральные удобрения, смытые с полей, и кислотные дожди» [16].

Поступление в водные объекты значительного количества разнообразных загрязняющих веществ оказывает непосредственное влияние на параметры кислотно-щелочного баланса водной среды.

В водной среде всегда присутствуют катионы Н+ и анионы ОН—, концентрация которых определяет среду раствора.

В нейтральном растворе количество Н+-ионов и ОН–-ионов равны, т.е. [Н+] = [ОН-].

Если [Н+] > [ОН-], то среда раствора кислая. Если [Н+] < [ОН-], то среда раствора щелочная.

Для характеристики кислотности среды используют водородный показатель рН. Он определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (pH = -lg[H+]). В нейтральной среде рН равен 7, в кислой — меньше 7, в щелочной — больше 7 [17] (табл. 10).

В абсолютно чистой воде рН=7, однако естественные водные среды обычно содержат некоторое количество растворенных веществ и отличаются слабокислой реакцией (рН<7) или слабощелочной (рН>7). Диапазон рН в морских водах составляет 8.1-8.4 или 7.8-8.2, в пресных - 6.5-8.2 [18].

32

Естественным фактором, определяющим величину рН в природных пресных водах, является фотосинтетическая деятельность водных растений. К антропогенным факторам, способствующим изменению рН водных объектов, относятся: кислотные осадки, формирующиеся под влиянием газообразных промышленных выбросов, производственные и коммунальные сточные воды, загрязненный поверхностный сток, сельскохозяйственное производство.

Для определения среды раствора используют вещества-индикаторы, меняющие цвет в зависимости от рН. Обычно применяют лакмус, метилоранж, фенолфталеин (табл. 11).

Характер среды определяется процессами, которые происходят с веществами в растворе. Кислоты, основания и соли в воде диссоциируют на ионы. Кислоты диссоциируют на катионы водорода H+ и анионы кислотных остатков:

При этом в растворе возникает избыток катионов водорода Н+, поэтому среда водных растворов кислот — кислая.

Сильные кислоты диссоциируют в разбавленных растворах практически полностью, поэтому среда разбавленных растворов сильных кислот, как правило, сильно кислотная. Некоторые кислоты (слабые) диссоциируют частично, поэтому среда водных растворов слабых кислот — слабо кислая.

Основания диссоциируют на катионы металлов и гидроксид-анионы ОН–:

При этом в растворе возникает избыток катионов гидроксид-анионов ОН–, поэтому среда водных растворов оснований — щелочная. Сильные основания (щелочи) хорошо растворимы в воде, поэтому среда их водных растворов — сильно щелочная. «Нерастворимые основания в воде практически не растворяются, поэтому в водном растворе оказывается лишь небольшое количество ионов ОН–. Среда водного раствора аммиака слабо щелочная» [17].

Цель выполнения лабораторной работы – изучение механизма формирования кислотно-щелочных свойств водной среды.

33

Порядок выполнения работы

1.Откройте виртуальную химическую лабораторию.

2.В окне «Stockroom» (склад) выберите раздел «stock solution» (базовые растворы):

3.Работа выполняется поочередно со следующими растворами:

19М NaOH, 11,6M HCl, 18,8M H2SO4, 15,4M HNO3, 15M HclO4, 14,6M H3PO4.

4.Наведя курсор на нужный раствор, в один клик необходимо переместить его на рабочее поле. Переместить также дистиллированную воду.

5.В разделе «Glassware» (стеклянная посуда) нажать на пункт «Erlenmeyers» и выбрать колбу объемом 250 мл.

6. Перелить в колбу 50 мл базового раствора, добавить 150 мл дистиллированной воды. Очистить колбу можно, нажав на нее правой кнопкой мыши и выбрав пункт «Remove Liquid».

7.Определить и записать рН полученного раствора.

8.Рассчитать концентрацию разбавленного раствора с помощью ресурса https: //www.calc.ru/kontsentratsiya-rastvorov.html [19].

9.Записать уравнение диссоциации для базового вещества.

10.Провести определение среды базовых и разбавленных растворов с помощью индикаторов (в окне «Stockroom» раздел «solution», пункт «indicators»), добавляя 1 мл каждого последовательно; зафиксировать результаты в виде скриншотов.

11.Составить отчет о работе с каждым базовым раствором. Сделать

выводы об уровне кислотности растворов до и после разбавления, об изменении цвета растворов при добавлении в них индикаторов.

Лабораторная работа 3.3

Соли, их свойства и трансформация в составе водных растворов

Значительная часть химических загрязнителей воды представлена в форме неорганических солей. Засоленность воды обусловливает многие экологические и экономические проблемы – воду с высокой концентрацией солей нельзя использовать для полива растений в сельском хозяйстве; избыточная засоленность снижает качество питьевой воды, является неблагоприятным условием для жизнедеятельности рыб; соленая вода требует более высоких затрат на водоподготовку в промышленности. Основными источниками солевого загрязнения водоемов являются сельско-хозяйственные и промышленные стоки. В связи с этим изучение вопросов трансформации солей в водных средах является основой разработки экологически эффективных способов очистки загрязненных вод, восстановления экологического равновесия в водных экосистемах.

34

Среди неорганических солей особую роль в качестве индикаторов загрязнения воды играют хлориды. Их повышенная концентрация обусловлена, как правило, загрязнением природных вод бытовыми или промышленными сточными водами.

«Среда водных растворов солей обусловлена процессами их диссоциации и гидролиза. Гидролизом соли называется химическое взаимодействие ионов соли с ионами воды» [17].

Попадая в воду, соли диссоциируют на катионы металлов (или ион аммония NH4+) и анионы кислотных остатков [17].

Катионы металлов, которым соответствуют слабые основания, притягивают из воды ионы ОН–; при этом в воде образуются избыточные катионы водорода Н+. Протекает гидролиз по катиону. Катионы металлов, которым соответствуют сильные основания, с водой, таким образом, не взаимодействуют.

Например, катионы Fe3+ подвергаются гидролизу:

Анионы кислотных остатков, которым соответствуют слабые кислоты, притягивают из воды катионы Н+, при этом в воде остаются гидроксид-анионы ОН–. Протекает гидролиз по аниону. Анионы кислотных остатков сильных кислот, таким образом, с водой не взаимодействуют (табл. 12, 13) [17].

Таблица 13 Тип гидролиза и среда водных растворов некоторых солей

Например, ацетат-ионы (остаток уксусной кислоты CH3COOH)

Индикаторы в разной среде приобретают разную окраску, что позволяет использовать их для идентификации солей в водных растворах (табл. 15, 16).

Таблица 16

Окраска лакмуса в водных растворах некоторых солей

Цель выполнения лабораторной работы – изучение механизма образования и трансформации различных солей в водной среде.

36

Порядок выполнения работы

1.Откройте виртуальную химическую лабораторию.

2.В окне «Stockroom» (склад) выберите раздел «Solutions», пункт «Solids» (примеси).

3.Используя набор посуды, дистиллированную воду и соль NaCl, приготовьте растворы хлорида натрия с концентрацией 10 мг/л (концентрация соли в речной воде), 100 мг/л, 200 мг/л, 350 мг/л (ПДК хлоридов в источниках централизованного водоснабжения), 300 мг/л (ПДК хлоридов в рыбохозяйственных водных объектах). Для приготовления растворов используются колбы объемом 1 л; каждая колба получает нумерацию, отражающую концентрацию соли.

4.Напишите уравнения синтеза и гидролиза хлорида натрия.

5.Определите и запишите рН каждого раствора, используя индикаторы (в окне «Stockroom» раздел «indicators») зафиксировать результаты в виде скриншотов.

6.Написать уравнения синтеза солей, гидролиза и определить рН растворов для NH4Cl, Na2CO3, CH3COONa, NaF, NaCN, NaOBr.

7.Составить отчет о работе с каждым раствором. Сделать выводы об уровне кислотности растворов солей различных концентраций, об изменении цвета растворов при добавлении в них индикаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обеспечение экологической безопасности техносферы требует применения современных методов мониторинга наиболее уязвимых биотических и абиотических компонентов окружающей среды.

Представленный лабораторный практикум решает задачи обучения студентов методам наблюдений за различными параметрами окружающей среды, экспериментальной проверки теоретических положений, а также формирует практические умения и навыки полевых и лабораторных исследований, обработки полученных результатов.

В целом изложенный материал актуален, имеет прикладную направленность, отличается инновационным подходом к использованию современных образовательных технологий.

Актуальность данного учебного издания заключается в интерактивном предоставлении учебных материалов с использованием компьютерных технологий в соответствии с требованиями ФГОС нового поколения.

Лабораторный практикум содержит иллюстрационный материал, ссылки на цифровые информационные ресурсы и приложения, соответствует современному уровню подготовки специалистов по охране окружающей природной среды, безопасности жизнедеятельности в техносфере.

37

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Проект Всемирный индекс качества воздуха (Загрязнение воздуха в режиме реального времени) https: // aqicn.org.

2.Биоиндикация: теория, методы, приложения. Коллективная монография. Институт экологии Волжского бассейна РАН / Ответственный редактор: Розенберг, Г. С.; Издательство: Интер-Волга, Тольятти, 1994. – 266 с.

3.Диагностика болезней деревьев. Интернет-журнал «Живой лес» https:

//givoyles.ru/articles/uhod/diagnostika-boleznei-derevev/.

4.Экологический центр «Экосистема», раздел «лишайники России» http: // www.rus-nature.ru / 03lich/index.htm.

5.Экологический мониторинг: учебно-методическое пособие / под ред. Т. Я. Ашихминой. – М.: АГАР, 2000.

6.Кудинова, Н. В. Методические указания по выполнению практических работ по дисциплине «Мониторинг безопасности» / Н. В. Кудинова. - Ростов-на-Дону: Рост гос. строит. ун-т, 2011. – 22 с.

7.Тюльпанов, Н. М. Лесопарковое хозяйство [Текст] / Н. М. Тюльпанов.

– Л.: Строй-издат., 1975. – 159 с.

8.Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха, касающиеся твердых частиц, озона, двуокиси азота и двуокиси серы. Глобальные обновленные данные 2005

год http: //www.euro.who.int/Document / E87950.pdf.

9.ГН 2.1.6.3492-17 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений http: // docs.cntd.ru/document / 556185926.

10.Загрязнение воздуха в мире: индекс качества воздуха в реальном времени http: // waqi.info.

11.Единая государственная информационная система учета отходов от использования товаров https: // uoit.fsrpn.ru.

12.Программа «Google earth pro» https: // earth-google.ru.

13.Розы ветров: Воронеж - https: // lakka-sails.ru/winds/34123.

14.«Gismeteo: погода в России» - https: // www.gismeteo.ru.

15.Виртуальная химическая лаборатория «IrYdium»// www.chemcollective.org /vlab/vlab.php.

16.Виды химических загрязнителей природных вод и мирового океана https: // bezotxodov.ru/himicheskie-zagrjaznenija/himicheskoe-zagrjaznenie-vody.

17.Cреда водных растворов веществ. Индикаторы https: // chemege.ru.

18.Влияние измененного гидрохимического режима водоема на жизнедеятельность рыб http: // portaleco.ru.

19.Калькулятор справочный портал Концентрация растворов, онлайн расчет https: // www.calc.ru/kontsentratsiya-rastvorov.html.

38

40