В исследовательской работе и проекте по химии "Природные и бытовые факторы, влияющие на жесткость воды" обучающийся 8 класса расширил знания о термине «жёсткость воды», изучил единицы измерения жёсткости воды, а также ознакомился с нормами жёсткости воды.

В процессе проведения работы над исследовательским проектом по химии на тему «Природные и бытовые факторы, влияющие на жесткость воды» обучающийся 8 класса узнал о влиянии жёсткости воды на организм человека и о влиянии жёсткости воды на аппаратуру, а также изучил природные и бытовые факторы, влияющие на жесткость воды.

Подробнее о работе:

В своем индивидуальном исследовательском проекте по химии на тему «Природные и бытовые факторы, влияющие на жесткость воды» учащийся 8 класса сделал выводы о том, что жёсткость воды является одним из главных свойств воды, которое напрямую влияет на здоровье человека и работу приборов.

Как недостаток, так и избыток ионов магния и кальция в воде для принятия внутрь может привести к заболеваниям и побочным эффектам, поэтому порой не стоит прибегать к радикальным способам смягчения воды для питья, допустим, химическому воздействию, из-за которого в воде не остаётся ионов кальция и магния. Для водопроводной воды в большинстве регионов России и ближайших государств достаточно кипячения, чтобы частично понизить жёсткость воды до безопасного уровня.

Оглавление

Введение
1. Понятие термина «жёсткость воды»
1.1. Определение термина «жёсткость воды»
1.2. Единицы измерения жёсткости воды
2. Влияние уровня жёсткости воды на здоровье и аппаратуру
2.1. Влияние уровня жёсткости воды на здоровье человека
2.2. Влияние уровня жёсткости воды на работу аппаратуры
3. Факторы природы и быта, влияющие на жёсткость воды
3.1. Природные факторы, определяющие жёсткость воды
3.2. Бытовые факторы, определяющие жёсткость воды
Заключение
Список литературы
Приложения

Исследовательская работа (проект) «Природные и бытовые факторы, влияющие на жесткость воды» направлена на изучение вопроса важности жёсткости воды в жизни человека и в работе техники, а также условий, которые могут влиять на это свойство воды, соответственно, и на здоровье человека и работоспособность аппаратуры.

Актуальность исследовательской работы (проекта): В настоящее время большинству людей присуще бдительно относиться к своему здоровью и технике. Так как вода является важнейшим условием для поддержания всех процессов в организме, необходимо тщательно контролировать её свойства, одно из которых - жёсткость. Жёсткость воды является важнейшей характеристикой воды, так как от её состава зависят многие функции организма.

Помимо обширного влияния воды на организм человека, вода также необходима большинству техники, облегчающей бытовые задачи. Соответственно, также от жёсткости воды зависит работоспособность техники.

Поэтому, контроль этого свойства воды крайне важен, для чего необходимо знание факторов, влияющих на жёсткость воды. Также, так как многие водопроводные системы получают воду из поверхностных водохранилищ, исследовательская работа может быть полезна в понимании уровня жёсткости водопроводной воды в зависимости от различных природных факторов.

Цель исследовательской работы: Изучить влияние жёсткости воды на организм человека и технику, узнать о том, что влияет на уровень жёсткости воды.

Задачи исследовательской работы:

1. Изучить термин «жёсткость воды».
2. Изучить единицы измерения жёсткости воды.
3. Ознакомиться с нормами жёсткости воды.
4. Узнать о влиянии жёсткости воды на организм человека.
5. Узнать о влиянии жёсткости воды на аппаратуру.
6. Изучить природные и бытовые факторы, влияющие на жесткость воды.
7. Систематизировать информацию.

Жёсткость воды - одна из характеристик воды, определённая содержанием солей магния и кальция в ней. В теории, жёсткость воды зависит от всех солей щёлочноземельных металлов, но на практике их содержанием пренебрегают из-за крайне малой концентрации. Жёсткость воды имеет два вида: временная и постоянная.

Временная жёсткость воды обычно характеризуется содержанием в ней гидрокарбонатов кальция и магния. Такой тип жёсткости воды обусловливается возможностью снижения содержания соли гидрокарбоната и, соответственно, содержания ионов кальция и магния в водной среде путём кипячения воды.

Постоянная жёсткость воды является отражением содержания в водной среде термически устойчивых растворимых солей, таких как: сульфаты, хлориды, иодиды, фториды и прочие. Извлечь данные соли из воды путём кипячения нельзя.

Жёсткость воды, как и другие химические и физические величины имеет свои единицы измерения. Жёсткостью воды является содержание катионов кальция и магния в водной среде, выраженное разными способами. Рекомендуемой к использованию единицей СИ является моль/м3, но в большинстве случаев используются следующие единицы:

мг-экв/л (миллиграмм-эквивалент на литр): является произведением молярной концентрации (C) на степень окисления металла (зачастую - это 2).
°Ж (градус жёсткости): является равным концентрации, выраженной в мг-экв/л (1°Ж = 1 мг-экв/л). На данный момент эта единица измерения жёсткости воды утверждена межгосударственным стандартом ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жёсткости» в большинстве стран СНГ.

°dH (немецкая система): 1 единица °dH равна 0.3566 мг-экв/л.

Согласно исследованиям экспертов, жесткость воды можно разделить на несколько категорий:

1. 0-1,5 мг-экв/л - мягкая вода.
2. 1,5-2 мг-экв/л -оптимальная питьевая вода.
3. 2-5 мг-экв/л - жесткая вода.
4. 5-7 мг-экв/л - сверхжесткая вода
5. 7+ мг-экв/л - не питьевая вода.

Соответственно, вода с большим содержанием солей магния и кальция называется жёсткой, вода же с малым содержанием солей магния и кальция называется мягкой.

Каждый день мы потребляем воду, из-за чего она становится важнейшим ресурсом, который влияет на наше здоровье. Так как жёсткость воды является одной из главных характеристик воды, наше здоровье и благосостояние организма непременно зависит от жёсткости воды. Так каким образом это свойство может влиять на наш организм? Ионы магния и кальция, от которых зависит жёсткость воды, имеют важнейшую роль в нервной деятельности организма человека, в образовании костных тканей, работе сердца и свёртывании крови.

Так, у человека с недостатком ионов магния и кальция в организме могут начаться сердечные заболевания, боли в суставах и судороги. Поэтому часто лекарства от возникновения судорог содержат в себе соли этих металлов. Такие проблемы могут возникать от длительного потребления слишком мягкой воды, практически не содержащей солей.

Однако, длительное потребление воды повышенной жёсткости может тоже отрицательно сказаться на здоровье и чревато тяжёлыми заболеваниями. Излишне жесткая вода при долгом потреблении может вызвать образование камней в почках, вызывающих сильнейшие боли в области живота и мочеиспускание с кровью. Помимо того, высокое содержание ионов кальция в кровеносных сосудах может вызвать образование тромбов, мешающих кровообращению в организме. У детей в возрасте нескольких месяцев могут наблюдаться кожные заболевания после мытья в жёсткой воде.

Большинство бытовых предметов в нашей жизни, без которых порой обойтись крайне сложно, требуют наличие воды в них для исправного функционирования. В плане работы приборов и механизмов первое место всегда отдаётся мягкой воде.

Жёсткая вода крайне пагубно влияет на большинство оборудования и техники, так
как при длительной работе оставляет слой налёта и другие проблемы, которые могут привести к поломке и неисправностям. Рассмотрим эти проблемы на примере двух распространённых устройств:

1. Чайник. Всем известно, что после долгой работы в чайнике начинает образовываться большое количество накипи, которая ухудшает вкусовые качества воды, ухудшает теплопроводность, соответственно и потребление электроэнергии и может привести к повреждению чайника при механическом удалении накипи.

2. Стиральная машина. Помимо нагревательной системы, страдающей такой же проблемой, как и в чайнике, в стиральной машине значительно ухудшается качество стирки. Эта проблема возникает из-за плохого вспенивания, которое вызывается химической реакцией средства для стирки и солей в воде с повышенной жёсткостью, а также из-за остатков на ткани солей, которые вызывают излишнюю жёсткость одежды и даже белые разводы.

Можно приводить множество примеров, где основной проблемой будет являться повреждение и образование налёта на элементах нагревания аппаратов, вызываемые повышенной жёсткостью воды. Для автономных от водопровода аппаратов (двигатели, утюги) эта ситуация может быть решена путём использования дистиллированной воды, не содержащей солей и не оставляющей налёта. Для подключённых к водопроводу приборов эта проблема может быть решена несколько иначе - установкой фильтра для водопровода.

В течении года погодные условия на одной и той же территории постоянно изменяются, что не может не сказаться на жёсткости воды, которая находится в наземных водоёмах. Согласно круговороту воды в природе на рисунке (см. Приложение 1), природная вода из подземных источников, попадая в водоём, испаряется, затем возвращается обратно в подземные источники при помощи осадков и в водоём с помощью стекания воды с возвышенностей. Но в разные времена года этот режим может изменяться, что значительно сказывается на жёсткости воды. Так какие природные факторы могут повлиять на жёсткость воды?

1. Время года. В летнее время жёсткость воды остаётся относительно одинаковой, что нельзя сказать о зиме и весне. Так как зимой испарение воды остаётся невозможным, речные воды перестают снабжать водоёмы пресной водой. В это же время в водоёмы в штатном порядке поступает вода из подземных источников, что не испаряется в течении зимнего периода. Из-за того, что в подземных водах большое содержание солей, в поверхностных водоёмах также начинается повышение уровня концентрации соли, что вызывает повышение жёсткости.

Исходя из этого, в конце зимы жёсткость воды становится максимальной за весь год из-за активного поступления воды с большим содержанием солей и отсутствия испарения, вызывающего осадки. Весной же происходит чрезмерное таяние снега, что вызывает большое поступление растаявшей воды, практически не содержащей солей, в поверхностные водоёмы, сопутствующее понижению концентрации солей и жёсткости воды. Таким образом, минимальная жёсткость воды в водоёмах достигается в весеннее время.

2. Дождливость. На нашей планете есть места, в которых присутствует повышенная дождливость и невысокая температура. Примером такого места может служить город Черапунджи в Индии. В таких местностях в поверхностные водоёмы попадает большое количество осадков, являющихся пресной водой, а испаряется вода из
водоёмов неинтенсивно, что вызывает значительное понижение концентрации соли и жёсткости воды.

3. Температура. Также на планете имеются места, где температура является крайне высокой (от 35 °C и выше) и в таких местностях, наоборот, выпадает малое количество осадков. Все эти условия порождают повышенное испарение воды из поверхностных водоёмов и отсутствие поступления в них пресной воды, из-за чего в них значительно повышается уровень концентрации солей. Примером такого водоёма может служить Мёртвое море в Израиле.

3.2. Бытовые факторы, определяющие жёсткость воды

В повседневной жизни человек всегда взаимодействует с водой, что делает её неотъемлемой частью жизни людей. Так как жёсткость воды непременно влияет на наше здоровье и работу бытовой техники, люди необходимы бдительно контролировать её, для чего необходимо знание факторов, влияющих на жёсткость воды в быту. Отсюда вопрос: «Что может влиять на жёсткость воды в бытовых условиях и какими методами человек может контролировать жёсткость воды?»

Наиболее распространённые факторы, влияющие на жёсткость воды и методы по контролю над ней:

1. Температура воды в смесителе. Этот фактор является ключевым, так как именно благодаря смесителю в квартиру/дом попадает вода. Согласно изображению (см. Приложение 2), в воде значительная доля солей может являться гидрокарбонатами, которые являются термически неустойчивыми.

Рассматриваемые гидрокарбонаты магния и кальция начинают разлагаться уже при температуре около 50°C, которая присуща горячей воде в смесителе, и преобразовываться в нерастворимые карбонаты кальция и магния по химическим уравнениям:
Mg(HCO3)2 = MgCO3 + CO2 + H2O, Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O. Однако, вода содержит также термически устойчивые соли (хлориды, сульфаты), которые не подвергаются воздействию высокой температуры и по-прежнему остаются в воде. Исходя из этого, повышение температуры воды в кране позволяет получать воду без содержания в ней гидрокарбонатов, но с содержанием нерастворимых карбонатов, благодаря чему в воде частично понижается жёсткость.

2. Кипячение воды. Так как кипячение сопутствует нагреванию воды, соли гидрокарбонаты, содержащиеся в ней, разлагаются по аналогичным химическим реакциям, как в случае повышения температуры в смесителе. В этом случае термически устойчивые соли также остаются в воде и жёсткость снижается частично. Является самым частым методом устранения временной жёсткости воды.

3. Химическое воздействие. С помощью повышения температуры воды не всегда можно полностью устранить её жёсткость, так как в воде останутся термически устойчивые соли, которые могут составлять большую часть жёсткости воды. Для достижения полной мягкости воды (отсутствия ионов магния и кальция) необходимо воспользоваться химическим воздействием на соли, придающие воде жёсткость.

Способ подразумевает собой обменную реакцию между веществами, позволяющую полностью избавиться от ионов кальция и магния в водной среде посредством осаждения солей, содержащих катионы кальция и магния. Чаще всего для осуществления вышесказанного применяются такие вещества как: Ca(OH)2, Na3PO4, NaF, Na2CO3. С помощью этого метода можно избавиться как от временной жёсткости, так и от постоянной.

Все реакции, происходящие при осуществлении смягчения воды химическим воздействием и влияющие на жёсткость воды:

Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 = 2CaCO3 + 2H2O
Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 = CaCO3 + MgCO3 + 2H2O
Ca(OH)2 + MgSO4 = CaSO4 + Mg(OH)2
Ca(OH)2 + MgCl2 = CaCl2 + Mg(OH)2
2Na3PO4 + 3Ca(HCO3)2 = 6NaHCO3 + Ca3(PO4)2
2Na3PO4 + 3Mg(HCO3)2 = Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3
2Na3PO4 + 3MgCl2 = 6NaCl + Mg3(PO4)2
2Na3PO4 + 3CaCl2 = 6NaCl + Ca3(PO4)2
2Na3PO4 + 3MgSO4 = Mg3(PO4)2 + 3Na2SO4
2Na3PO4 + 3CaSO4 = Ca3(PO4)2 + 3Na2SO4
2NaF + Ca(HCO3)2 = CaF2 + 2NaHCO3
2NaF + Mg(HCO3)2 = MgF2 + 2NaHCO3
2NaF + CaCl2 = 2NaCl + CaF2
2NaF + MgCl2 = 2NaCl + MgF2
2NaF + CaSO4 = Na2SO4 + CaF2
2NaF + MgSO4 = Na2SO4 + MgF2
Na2CO3 + Ca(HCO3)2 = CaCO3 + 2NaHCO3
Na2CO3 + Mg(HCO3)2 = MgCO3 + 2NaHCO3
Na2CO3 + CaCl2 = 2NaCl + CaCO3
Na2CO3 + MgCl2 = 2NaCl + MgCO3
Na2CO3 + CaSO4 = CaCO3 + Na2SO4
Na2CO3 + MgSO4 = MgCO3 + Na2SO4

Однако использование такого способа может вызвать отравление и даже летальный исход при повышенных дозах и отсутствии профессионализма. Также такой метод полностью удаляет необходимые организму соли, что может привести к заболеваниям, о чем написано ранее. Обычно к такому способу очистки приводят только технические нужды в воде, так как для организма такая вода может быть потенциально опасной.

Заключение

Подведя итоги всего вышесказанного, можно систематизировать информацию:

Жёсткость воды является одним из главных свойств воды, которое напрямую влияет на здоровье человека и работу приборов. Как недостаток, так и избыток ионов магния и кальция в воде для принятия внутрь может привести к заболеваниям и побочным эффектам, поэтому порой не стоит прибегать к радикальным способам смягчения воды для питья, допустим, химическому воздействию, из-за которого в воде не остаётся ионов кальция и магния. Для водопроводной воды в большинстве регионов России и ближайших государств достаточно кипячения, чтобы частично понизить жёсткость воды до безопасного уровня.

В регионах со специфическим климатом могут происходить аномальные изменения в жёсткости воды поверхностных водоёмов. В зоне умеренного климата, в частности, в большинстве российских и ближайших регионов, таких изменений не происходит. Наиболее привычный фактор, изменяющий жёсткость воды в российских и ближайших к ним регионах - время года. Наибольшая жёсткость воды наблюдается в конце зимы из-за накопления в водоёмах подземных вод, содержащих большое количество солей.

Наименьшая жёсткость воды наблюдается весной из-за большого поступления воды в водоёмы с помощью паводков. Так как идеалом для исправной работы большей части аппаратуры, автономной от водопровода, (двигатели, утюги и прочие) является мягкая вода, стоит приобретать для неё дистиллированную воду, не содержащую солей. В случае подключённой к водопроводу техники решением проблемы жёсткой воды будет являться установка фильтра.

Вывод:
В исследовательской работе были рассмотрены: определение понятия «жёсткость воды», влияние жёсткости воды на организм человека и аппаратуру и факторы, влияющие на жёсткость воды.

Значимость работы:
Были рассмотрены сезонные изменения, влияющие на жёсткость воды в поверхностных водоёмах, в том числе в водохранилищах, из которых во многие квартиры дома поступает вода. Знание приведённых фактов поможет контролировать уровень жёсткости водопроводной воды и делать решения по поводу её употребления. Также были рассмотрены бытовые факторы, влияющие на жёсткость воды, которые помогут тщательно контролировать жёсткость необходимой воды.

Приложение 1

Круговорот воды в природе.

Приложение 2

Рекомендуемое содержание анионов в водопроводной воде.