Исследовательская работа учащихся по химии «Исследование ионного состава синеральных вод»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА ПО ХИМИИ

Исследование ионного состава минеральных вод

Работу выполнил ученик Аничкова лицея:

Моськин Артем Вячеславович 9 «а» класс

__________________________

Научные руководители работы:

Педагог дополнительного образования ЭБЦ

«Крестовский остров», учитель химии ГБОУ СОШ №225

Воронаев Иван Геннадиевич

___________________________

Учитель химии Ковалёва Галина Викторовна

___________________________

Санкт-Петербург, 2015

 Оглавление 1. Введение

К минеральным водам относятся природные питьевые воды, оказывающие на организм человека лечебное действие, обусловленное либо повышенным содержанием полезных биологически активных компонентов, их ионного или газового состава, либо общим солевым составом воды.

Россия является наиболее богатой страной по запасам минеральных вод. Минеральные воды издавна широко применяются в санаторно-курортном лечении. В настоящее время, помимо традиционного употребления минеральных вод на курортах и в местах их происхождения, растет потребление бутилированных минеральных вод. В связи с этим, возрастает актуальность контроля химического состава воды, представленной в торговых сетях.

Цель работы заключалась в изучении количественного содержания различных ионов в минеральных водах разнообразных торговых марок.

2. Литературный обзор 2.1. Что такое минеральная вода?

Минеральными лечебными водами называются воды, содержащие в повышенных концентрациях различные неорганические (реже органические) компоненты или обладающие какими-либо специфическими физическими свойствами, вследствие чего эти воды могут оказывать на организм человека лечебное действие. Минеральные воды — это сложные растворы, в которых компоненты находятся в виде ионов, недиссоциированных молекул, коллоидных частиц и растворенных газов. Химический состав минеральных вод точно известен, и его можно воспроизвести в лабораторных условиях, но лечебное действие природных минеральных вод формируется путем вымывания химических элементов из геологических пород в течение длительного периода. [1]

В зависимости от степени минерализации и назначения минеральные воды могут быть отнесены к одному из следующих видов: минеральные питьевые (столовые), лечебно-столовые, лечебные.

2.2. Классификация минеральных вод

Существует несколько классификация минеральных вод по различным признакам [1, 2]. Ведущим является химический состав, обусловленный ионным составом вод.

По химическому составу минеральные воды подразделяют на 52 группы, имеющие внутреннюю классификацию на типы по наиболее значимым источникам минерализации. Химический состав минеральной воды представляет собой, в первую очередь, разнообразные комбинации из шести основных компонентов: ионы натрия (Na+), кальция (Са2+), магния (Мg2+), хлориды (Сl-), сульфаты (SO42-) и гидрокарбонаты (НСО3-). Таким образом различают: гидрокарбонатные, хлоридные, сульфатные и прочие минеральные воды.

По содержанию солей (минерализации) различают воды слабой минерализации (1-2 г/дм3), воды малой минерализации (2-5 г/дм3), воды средней минерализации (10-35 г/дм3), рассолы (35-150 г/дм3), крепкие рассолы (150-350 г/ дм3) и очень крепкие рассолы (более 350 г/дм3).

Широкое распространение получила классификация А.М.Овчинникова, построенная по принципу формирования минеральных вод в различных геохимических обстановках – окислительной, восстановительной и метаморфической [3]. В данной классификации наиболее разнообразной является группа, к которой относятся железо- и мышьяксодержащие воды, воды обогащенные органическим веществом, сульфатные, хлоридные и переходные сульфатно-хлоридные воды. Также существует еще группы: азотные термальные, метановые, сероводородные и углекислые воды, которые в соответствии с общим химическим составом подразделяются на пять типов:

1) НСО3-, Са2+ (Кисловодский нарзан)

2) НСО3- , SO42-, Na+ и Cl- , НСО3-, Са2+ (Железноводск, Джермук, Пятигорск, Карловы Вары)

3) Щелочные НСО3-, Na+ (Боржоми)

4) Соляно-щелочные НСО3-, Cl –, Na+ (Ессентуки)

5) Cl –, Na+ (Арзни).

В большинстве же случаев минеральная вода имеет смешанную структуру, что в совокупности с биологически активными веществами значительно усиливает её лечебный эффект. К таковым относятся:

1) железо - препятствует анемии;

2) йод – нормализует деятельность щитовидной железы;

3) кальций – поддерживает ионное равновесие в организме, влияет на процесс свёртываемости крови, полезен для костей, зубов, мышц и сердечно-сосудистой системы;

4) магний – регулирует углеводный и энергетический обмен, помогает работе нервной системы; натрий – нормализует кровяной давление, полезен для мышечной системы;

5) калий – необходим для почек, сердца;

6) фтор – важный элемент зубов и костной ткани, рекомендуется беременным женщинам.

Лечебно-столовая минеральная вода — минеральная вода, предназначенная как для обычного питья (не регулярного), так и в лечебных целях. Согласно ГОСТ лечебно-столовой считается вода с минерализацией от 1 до 10 г/л.

Минеральные воды с минерализацией менее 1 г/л относятся к столовым водам. Столовые воды могут быть рекомендованы для регулярного пития в течение длительного времени. Минеральные воды с минерализацией более 10 г/л или при наличии в них определенных биологически активных компонентов относятся к лечебным минеральным водам. Прием лечебных минеральных вод рекомендуется только после консультаций со специалистом.

2.3. Предельные концентрации токсичных элементов в минеральных водах

Помимо биогенных элементов, минеральная вода может содержать и элементы-токсиканты. Токсиканты – соединения, оказывающие ядовитое действие на живой организм. Содержание токсичных элементов в минеральных водах не должно превышать норм, установленных нормативными документами [4].

Допустимые уровни содержания токсичных элементов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Допустимые уровни содержания токсичных элементов в минеральных водах [4]

Помимо элементов-токсикантов нормативные акты также регалментируют пределы содержания в минеральных водах углекислого газа. Массовая доля углекислого газа в газированных минеральных водах должна быть не менее 0,2%.

Также немаловажной характеристикой минеральной воды является наличие фторидов, так, например, при большом содержании фторидов вода становится непригодной для употребления.

2.4. Жесткость воды

Жесткостью называют свойство воды, обусловленное наличием в ней растворимых солей кальция и магния.

Жесткость воды - это один из основных критериев качества воды. Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок.

Различают следующие виды жесткости.

Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8,3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).

Ионы кальция и магния, а также других щелочноземельных металлов, обуславливающих жесткость, присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного углекислого газа с минералами и в процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. [5]

3. Практическая часть 3.1. Методика определения содержания ионов Ca2+ и Mg2+ в минеральной воде методом комплексонометрического титрования

Содержание ионов Ca2+ и Mg2+ определялось комплексонометрическим титрованием.

Комплексометрия – метод количественного титриметрического анализа, основанный на различных реакция образования комплексных соединений.

Титрование — это процесс постепенного добавления небольшими порциями стандартного раствора реагента (рабочего раствора) к раствору определяемого вещества

Чаще всего в комплексометрическом титровании используют комплексоны – реагенты, имеющие в своем составе основные и кислотные группы (доноры и акцепторы), благодаря чему с ионами металлов они образуют хелаты. Титрование хелатообразующим реагентом называют комплексонометрией.

В данной работе для определения жесткости воды использовалась соль этилендиаминтетрауксусной кислоты – трилон Б (ЭДТА, комплексон III).

С ионами металлов, заряд которых +2 и выше, ЭДТА образует хелаты - комплексные соединения повышенной устойчивости. Схематические реакции комплексона III с ионами металлов разного заряда в кислой среде (рН = 4–5) можно представить уравнениями:

Н2Y2– + М2+ = МY2– + 2H+,

Н2Y2– + М3+ = МY– + 2H+,

Н2Y2– + М4+ = МY + 2H+,

а в щелочных растворах:

Мz+ + НY3– = МY(z–4)+ + H+.

Из приведенных уравнений следует, что ЭДТА с ионами металлов всегда реагирует в молярном отношении 1 : 1, т.е. на 1 моль катиона металла требуется 1 моль ЭДТА. При этом в зависимости от pH раствора титрант преимущественно находится в формах [6]:

Суммарное содержание ионов Ca2+ и Mg2+ в минеральной воде основывалось на следующей методике [7]. В коническую колбу для титрования отбирают аликвоту 10 мл, добавляют 10 мл аммиачно-хлоридного буферного раствора (рН = 10) и 3 капли индикатора хрома черного. Раствор приобретает винно-красный цвет. Титруют раствором комплексона III при интенсивном перемешивании до перехода окраски раствора в синеватую.

Для определения ионов Ca2+ применяли комплексонометрическое титрование с мурексидом с предварительным осаждением магния в виде гидроксида Mg(OH)2. В колбу для титрования отбирают аликвоту 10 мл, прибавляют 10 мл 2 М раствора гидроксида натрия и на кончике шпателя индикатора мурексида. Титруют раствором комплексона III при тщательном перемешивании до перехода окраски из красной в пурпурно-фиолетовую.

Проводят три параллельных определения. По данным титрования вычисляют содержание ионов кальция и магния (по разности объемов) (г) в объеме мерной колбы и общую жёсткость воды Жобщ. (ммоль/л).

где - объем ЭДТА, пошедший на титрование с эриохромовым черным Т, мл; - объем ЭДТА, пошедший на титрование с мурексидом, мл;  – концентрация ЭДТА, моль/л;  – молярная масса эквивалента, г/моль;  – объем колбы, мл;  – объем аликвоты, мл.

Жёсткость воды рассчитывают по формуле:

Погрешность анализа, рассчитанная на 100 мл пробы составляет ±0,05 моль/л.

Результаты анализа представлены в таблице 3.

3.2. Методика определения суммарного содержания солей в минеральной воде методом ионообменной хроматографии

Поскольку проба минеральной воды представляет собой сложную смесь и её компоненты характеризуются близкими физико-химическими свойствами, то в данном исследовании успешно были применены хроматографические методы, а именно ионообменные разделения.

Хроматография («хрома» - цвет, «графо» - пишу) – это метод разделения и определения смесей веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами – подвижной и неподвижной.

Ионообменная хроматография – это сорбционный динамический метод разделения смесей ионов на сорбентах, называемых ионообменниками. При пропускании анализируемого раствора электролита через ионообменник в результате происходит обратимый стехиометрический эквивалентный обмен ионов раствора на ионы того же знака, входящие в состав ионообменника.

Ионообменные группы состоят из неподвижных ионов и связанных с ними противоионов. По характеру ионогенных групп иониты делятся на катиониты и аниониты.

Катиониты обладают функциональными группами, такими, как сульфогруппа –SO3H, в которой атомы водорода обмениваются с другими катионами, находящимися в растворе пробы.

Анионитами служат иониты, имеющие основные функциональные группы. Типичным примером является группа –NH3OH. Гидроксид-ион, находящийся на поверхности частиц смолы, может участвовать в реакции обмена с другим анионом в растворе.

Ионный обмен можно охарактеризовать следующими реакциями:

(катионный обмен),

(анионный обмен),

где R – радикал, образующий вместе с ионогенной группой элементарную ячейку ионита; горизонтальная черта показывает твердую фазу ионита.

Содержание нейтральных солей определялось методом кислотно-основного титрования с предварительным выделением H+ методом ионообменной хроматографии на катионите КУ-2. Определение основано на том, что при пропускании раствора минеральной воды через колонку с сильнокислотным катионитом в Н+ - форме катионы соли обмениваются на ионы водорода, при этом выделяется сильная кислота в количестве, эквивалентном содержанию соли в растворе минеральной воды. Количество выделившейся кислоты в растворе, вытекающем из колонки (элюате) определяют титрованием щелочью.

Катионит предварительно переводится в Н-форму путем пропускания через колонку 2 моль/л раствора HCl со скоростью 1 капля/с. Далее производится отмывание катионита от кислоты, для этого использовалось 200 мл дистиллированной воды со скоростью пропускания 1 капля/с. Вытекающий элюат проверяют на значение рН среды с помощью универсальной индикаторной бумажки. рН элюата приблизительно равнялся 7.

Следует отметить, что пробу минеральной воды предварительно следует выдержать в течении нескольких дней открытой при периодическом перемешивании для максимального удаления растворенного углекислого газа, иначе в колонке образуются пузырьки.

Далее 10 мл исследуемой воды пропускались через подготовленную колонку со скоростью 1 капля/с. Вытекающий элюат собирался в колбу до первой капли с нейтральным значением рН.

В элюат объемом 10 мл добавляют 2-3 капли индикатора метилового оранжевого и раствор титруют предварительно стандартизованным раствором NaOH до перехода окраски раствора из красной в желтую.

Результаты анализа представлены в таблице 5.

3.3. Методика определения содержания элементов в минеральной воде методом рентгенофлуоресцентного анализа

В качестве параллельного метода для прецизионности результатов был использован рентгенофлуоресцентный метод анализа.

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) – неразрушающий метод элементного анализа, позволяющий обнаруживать элементы от бериллия до урана. Метод основан на сборе и анализе спектра, полученного путем воздействия на исследуемый материал рентгеновский излучением. При облучении атом переходит в возбужденное состояние, затем возвращается в стационарное с испусканием излишка энергии в виде фотона в результате возникает рентгеновский спектр, который позволяет судить о присутствии того или иного элемента, а также определять количество элемента в пробе.

Аликвота исследуемой пробы минеральной воды помещалась в кювету и измерялась на рентгенофлуоресцентном энергодисперсионном спектрометре «BRUKER». Результаты проведенного анализа представлены в таблице 6 для двух проб минеральной воды «Нагурбеш» и «Багиатти».

3.4. Методика определения NO2- в минеральной воде методом фотоколориметрии

Метод основан на способности нитритов диазотировать сульфаниловую кислоту и на образовании красно-фиолетового красителя диазосоединения с 1-нафтиламином. Интенсивность окраски, пропорциональная содержанию нитритов, измеряют на фотоколориметре при длине волны 540 нм.

В предложенной работе в качестве фотометрического реагента использован реактив Грисса. Реактив Грисса – это раствор сульфаниловой кислоты и 1-нафтиламина в разбавленной уксусной кислоте.

Реакция проходит в две стадии: при действии на сульфаниловую кислоту нитрита, который в уксуснокислой среде переходит в азотистую кислоту, образуется диазосоединение (фенилдиазонийсульфокислота), которое реагирует с α-нафтиламином и образует азокраситель [8]:

Реакция относится к числу наиболее чувствительных колориметрических реакций и дает возможность определить до 0,003 мг/л нитритов с погрешностью ±5%, при этом в анализируемой пробе не должны присутствовать сильные окислители или восстановители. Мешают определению медь, железо, ртуть, серебро, висмут, сурьма, свинец, золото, хлороплатинаты и метаванадаты. Железо маскируют лимонной кислотой.

В 6 мерных колб на 50 мл из свежеприготовленного рабочего раствора нитрита натрия квалификации «чда» отбирают аликвоты для получения концентраций 0,0005; 0,001; 0,0015; 0,0018; 0,002; 0,003 мг/мл. Затем последовательно во все колбы приливают по 2 мл 5%-ного раствора реактива Грисса, растворы в колбах доводят дистиллированной водой до метки и через 15 минут после развития окраски выполняют фотометрирование. Измеряют оптическую плотность красной окраски на электроколориметре КФК-3 при длине волны 540 нм с зеленым светофильтром в кювете с толщиной слоя 1 см в отношении раствора сравнения (2 мл реактива Грисса в 25 мл воды).

По полученным данным строят градуировочный график. На оси абсцисс откладывают концентрацию нитрит-ионов ( мг в 1 мл окрашенного раствора); на оси ординат – соответствующую оптическую плотность.

Отбирают пробу анализируемой минеральной объемом 25 мл и переносят в колбу на 50 мл, добавляют 2 мл 5%-ного раствора реактива Грисса, доводят дистиллированной водой до метки и через 15 минут после развития окраски измеряют оптическую плотность окрашенного раствора.

За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое результатов трех параллельных определений. По градуировочному графику находят содержание нитрит-анионов (в мг/мл) в объеме анализируемой пробы [8].

Расчет результатов анализа проводят по формуле:

где С – массовая концентрация нитритов в воде, мг/л; Сград. – массовая концентрация нитритов, найденная по градуировочному графику и переведенная в мг/л; 50 – объем раствора, мл; V – объем пробы, взятый для анализа, мл.

Результаты анализа представлены в таблице 4.

3.5. Методика определения рН минеральной воды потенциометрическим методом

Пробы минеральной воды выдерживались в течение 7 дней открытыми при периодическом встряхивании для удаления избытка растворенного углекислого газа.

Измерение проводилось на рН-метре HANNA Instruments (HI8314) с комбинированным электродом и температурным зондом. Погрешность измерения составляет ±0,01 значение рН.

4. Результаты и обсуждения

Для анализа были выбраны 10 марок минеральной воды различных месторождений, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2. Названия исследуемых минеральных вод

Все исследуемые минеральные воды относятся к лечебно-столовым, что означает преимущественное содержание в них ионов HCO3-, SO42-, Cl-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+.

По результатам комплексонометрического титрования с трилоном Б получены данные по содержанию ионов Ca2+ и Mg2+, а также рассчитана общая жесткость. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты определения концентраций Ca2+ и Mg2+ в пробах воды

Минеральные воды «Джермук» и «Рычал-Су» имеют завышенное содержание ионов Ca2+ в сравнении с заявленным производителем. Минеральные воды «Нагурбеш» и «Рычал-Су» имеют завышенное содержание ионов Mg2+.

По результатам фотометрического определения нитрит-ионов получены данные, которые представлены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты определения концентрации NO2- в пробах минеральной воды

Все марки минеральных вод, за исключением «Нагурбеш», «Рычал-Су» и «BJNI» имеют чрезмерно высокое содержание нитрит-ионов; в особенности это касается марок «Нарзан», «Ессентуки №17», «Джермук» и «Боржоми», что является отрицательной характеристикой состава данных вод, поскольку в организме человека нитриты могут окисляться до нитратов. Те и другие в больших концентрациях оказывают пагубное влияние на живой организм. Может нарушиться дыхание клеток, возникнуть раковая опухоль и т.п.

По результатам определения содержания нейтральных солей в исследуемых образцах минеральных вод (таблица 5) выявлено, что минеральные воды марок «Нарзан», «Ессентуки №17», «Новотерская», «Боржоми», «BJNI» содержат еще какие-то катионы, помимо K+, Na+, Ca2+ и Mg2+, либо заявленное производителем содержание K+ и Na+ не соответствует действительности.

Таблица 5. Результаты определения содержания

в пробах минеральной воды нейтральных солей

Из анализа экспериментальных данных следует, что только две торговые марки «Нагурбеш» и «Багиатти» полностью соответствуют заявленным требованиям ГОСТ и определенные содержания анализируемых компонентов не отличаются от заявленных производителем.

В качестве параллельного метода для прецизионности результатов для минеральных вод «Нагурбеш» и «Багиатти» был использован рентгенофлуоресцентный метод анализа. Результаты определений представлены в таблице 6. Погрешность измерений составляет ±0,01 %.

Таблица 6. Результаты рентгенофлуоресцентного определения

содержания элементов пробах минеральных вод №4 и №5

 

5. Выводы

Освоены теоретические основы и получены практические навыки в таких методах как: титриметрия, ионометрия, фотоколориметрия и ионообменная хроматография. Получены навыки как прямых определений неизвестной концентрации исследуемого компонента, так и с помощью градуировочного графика.

Проведен анализ 10 марок бутилированных минеральных вод вышеописанными методами.

В ходе выполнения анализа определено содержание ионов Ca2+, Mg2+ с помощью комплексонометрического титрования, NO2- фотоколориметрически.

Адаптирован известный метод ионообменной хроматографии для определения содержание нейтральных солей в минеральной воде.

Проведен анализ данных, полученных с помощью рентгенофлуоресцентного метода анализа.

По результатам анализа выявлено, что только две торговые марки «Нагурбеш» и «Багиатти» полностью соответствуют заявленным требованиям ГОСТ и определенные содержания анализируемых компонентов не отличаются от заявленных производителем.

6. Библиография

Куликов Г.В., Желваков А.В., Бондаренко С.С.// Минеральные и лечебные воды СССР: справочник. М., Недра, 1991, 398 с.

Иванов В. В., Невраев Г. А.// Классификация подземных минеральных вод. М., Недра, 1964.

Крайнов С. Р., Рыженко Б. Н., Швец В. М.// Геохимия подземных вод – теоретические, прикладные и экологические аспекты. М., Наука, 2004, 676 с.

ГОСТ Р. 54316-2011 Воды минеральные природные питьевые //Общие технические условия. – 2011. – Т. 416.

ГОСТ Р. 52407-2005 «Вода питьевая //Методы определения жесткости». М. – 2006.

Булатов А. В. и др. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИКУМУ «ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА». – 2010.

ГОСТ Р. 52407-2005. Вода питьевая. Методы определения жесткости //Взамен ГОСТ. – 2007. – С. 4151-72.

ГОСТ 4192-82 Вода питьевая. Методы определения минеральных азотсодержащих веществ

Золотов Ю. Основы аналитической химии. Задачи и вопросы. – Высшая школа, 2004.

Отто М. Современные методы аналитической химии. Пер. с нем //М.: Техносфера. – 2008.