В исследовательской работе и проекте по химии и биологии "Вода вокруг нас" автор расширил знания о воде, изучил ее характеристики, влияющие на качество питьевой воды, разработал список источников воды, которые можно использовать для жизни жителей в городе Богданович и опубликовал его в сети интернет.

В процессе проведения работы над индивидуальным исследовательским проектом по химии и биологии на тему «Вода вокруг нас» обучающийся 6 класса изучил pH питьевой воды физико-химическими способами, провел забор воды из различных источников, а также провел химический анализ воды набором тестов «НИЛПА».

Подробнее о работе:

В готовом исследовательском проекте на тему «Вода вокруг нас» автор сделал выводы о том, что самая хорошая вода по химическим показателям из ключа «Паршино», вода не совсем мягкая и в тоже время имеет допустимые включения других минеральных веществ. Но вода из открытых источников может быть биологически грязной, поэтому её обязательно надо перед использованием кипятить.

Вода из «водомата» очень мягкая и почти не имеющая примесей больше походит на дистиллированную воду, использовать можно, но не постоянно. Регулярное использование такой воды может привести к вымыванию из организма полезных веществ.

Оглавление

Введение

1. Питьевая вода в нашей жизни, её состав и польза
2. Исследование питьевой и родниковой воды физико-химическими методами
3. Исследование воды города Богданович и его окрестностей индикаторами из набора «НИЛПА»

Заключение
Список использованной литературы
Приложение

Городской округ Богданович — это территория равнинного Зауралья. Гидрографическая сеть округа принадлежит к бассейну реки Пышма. Здесь протекают реки, такие как река Кунара и Большая Калиновка, длина которых не превышает 60 км, обе реки впадают в Пышму. В геологическом отношении территория городского округа Богданович изучена недостаточно. Богданович, как и подавляющее большинство молодых городов (официально нынешний статус получил в 1947 году), невелик.

Город Богданович разделен железнодорожными путями, и состоит из двух микрорайонов: Северного и Южного. [4] Жители многоэтажных домов снабжаются водой централизованно. В частном секторе есть где жители получают воду из центрального водопровода, но так же у многих есть свои скважины и колодцы.

На уроке биологии, мой учитель Вертянкина Галина Аркадьевна сказала о пользе качественной питьевой воды для здоровья человека. Так как я живу в многоэтажном доме, мне стало интересно узнать содержание минеральных веществ в воде из крана. Я решил исследовать воду из разных источников доступными методами. В школу по программе «Точка роста» поступили цифровые pH датчики для определения кислотно-щелочной характеристики водной среды. Также имеется «Экспресс – тест для определения pH» (универсальная индикаторная бумага) и «индикаторы для определения качества воды «НИЛПА». [Приложение 1 рис. 1-3]

Цель: уточнение и расширение знаний о воде, изучение ее характеристик, влияющих на качество питьевой воды, разработать список источников воды, которые можно использовать для жизни жителей в городе Богданович и опубликовать его в сети интернет.

Задачи:

1. Изучить литературу и интернет источники по качеству питьевой воды
2. Изучить существующие методы исследования воды
3. Исследовать pH питьевой воды физико-химическими способами
4. Провести забор воды из различных источников
5. Провести химический анализ воды набором тестов «НИЛПА»

Вода – это химическое соединение водорода с кислородом. Формы её существования (туман, облака, дождь, иней, снег, град, лёд) обуславливаются метеорологическими условиями. [2]

Вода приводит в действие ионные насосы, так как свободно проходит через мембраны и обеспечивает перемещение ионов натрия и калия в обоих направлениях по всей длине нервных отростков, что обеспечивает нейропередачу в головном и спинном мозге, а также в нервах. Вода транспортирует в клетку натрий, а калий выводит, за счёт этого и создаётся разность потенциалов в 60 мВ. На клеточных мембранах располагаются сотни тысяч ионных насосов, генерирующих напряжение. [3]

Вода участвует в обменных процессах организма. Реакции гидролиза белков, жиров и углеводов — это химическая основа обмена веществ в организме, а реакции гидролиза АТФ — это химическая основа обмена энергии. Без обмена веществ и энергии немыслима сама жизнь. [3]

Вода является универсальным растворителем для значительного количества веществ, в связи с чем в природе химически чистой воды нет. О содержании растворённых в воде веществ, как правило судят о её солёности. По этому признаку вода делится на пресную, солёную и рассолы. Наибольшее значение в быту имеет пресная вода.

Воды покрывает три четверти поверхности Земли, запасы её огромны, и они поддерживаются кругооборотом воды в природе, однако проблема обеспечения населения питьевой водой во многих районах земного шара не решена и с развитием научно технологического прогресса обостряется. Большую часть всех водных ресурсов составляет солёная, непригодная для питья и промышленных целей вода морей и океанов (ок. 1,4 млрд. км3), а пресные воды составляют ок. 2%. Имеются города и другие населённые пункты, которые воду привозят на судах, доставляют ж.д. цистернах и на автомашинах. [2]

Вода сама по себе не имеет питательной ценности, но она непременная составная часть всего живого. В растениях содержится до 90% воды, в теле взрослого человека до 70%. Определённое и постоянное содержание воды – необходимое условие существования живого организма. При изменении потребляемой воды и её солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи в жел. - киш. Тракте, кроветворения и др. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание постоянной температуры тела. Человек очень остро ощущает изменение воды в организме. При потере 2% воды от веса – появляется жажда, потеря 6-8% воды отвеса – он впадает в полуобморочное состояние, потеря 10-20% воды от веса наступает смерть.[3]

Химический (физико-химический) анализ воды является основным и предусматривает не только исследование наличия и количества какого-то одного элемента или их соединения, но и их групп, отвечающих за какое-то общие свойства воды – жесткость, кислотность и др. Наиболее важными являются следующие параметры: Кислотность (pH). Характеризует собой активность ионов водорода, от которых зависит скорость различных биохимических реакций, а также коррозионная агрессивность воды. Высокие показатели pH говорят о щелочной среде, низкие – о кислой. Для человека наиболее приемлемыми значениями рН являются 6,5-8,5.

Общая жесткость. Это суммарное содержание солей кальция и магния. Измеряется в градусах жесткости (°Ж). Нормальное значение – 7-10 мг-экв/л или 350 мг/л. Высокая жесткость выводит из строя сантехническое и кухонное оборудование, создает проблемы при стирке и купании, изменяет в негативную сторону вкус напитков и супов. Содержание конкретных элементов и соединений, влияющих на питьевые свойства воды. Измеряется в Мг/Дм3. Допустимая норма для каждого элемента своя. Проверяются: Железо, Фтор, Хлориды, Сульфаты, Нитраты, Нитриты и др. [1]

Для определения качества воды и содержания в ней минеральных веществ использовали набор тестов для воды «НИЛПА» (изготовитель ООО «НеваТропик» Санкт-Петербург). Сегодня не обязательно иметь профессиональную химическую лабораторию для того, чтобы в условиях школы определить параметры воды, с помощью индикаторов «НИЛПА» это можно определить быстро и почти точно. [Приложение 1 рис. 3]

В наборе есть инструкции по применению индикаторов «НИЛПА». Перед применением индикатор необходимо тщательно взболтать. Химическую посуду тщательно прополоскать тестируемой водой и строго выполнять инструкцию по определению какого либо параметра. В наборе есть индикаторы и инструкции по: определению кислотности воды (Тест - pH), определению карбонатной жесткости воды в немецких градусах (Тест – pH), определению общей жесткости воды в немецких градусах (Тест -gH), определению содержания аммиака в мг/л (Тест – аммиак-аммоний), содержанию нитритов в мг/л (Тест – нитрит), содержанию нитратов в мг/л (Тест – нитрат), содержанию фосфатов в мг/л (Тест – фосфат), содержанию меди в мг/л (Тест – медь) и содержанию железа в мг/л (Тест – железо). [Приложение 2 рис. 4-7]

Жесткость воды определяется в немецких градусах, которые мы переводили в мг-экв/л по формуле: количество немецких градусов умножали на 0,356. [8]

Применение индикаторной бумаги для определения кислотно – щелочной характеристики водной среды (страна производитель Китай). Погрузить участок индикаторной бумаги в исследуемую воду на 5 – 7 сек. Выдержать 1 – 2 мин. и определить pH, сравнив окраску участка индикаторной бумаги с образцами окраски контрольной шкалы, выбирая наиболее близкий по интенсивности окраски образец контрольной шкалы. pH исследуемой пробы соответствует значению pH выбранного образца окраски контрольной шкалы. [Приложение 1 рис. 2]

Применение цифрового датчика pH. Подготовка датчика к работе: снять флакон для хранения с электрода, открутив крышку. Тщательно промыть нижнюю часть зонда, особенно вокруг наконечника в форме колбы, дистиллированной водой. Подключить датчик, следуя инструкциям. Перед началом исследований опустить датчик, до метки, в емкость с дистиллированной водой, после этого промокнуть аккуратно о салфетку и опустить в исследуемый образец воды.

После каждого исследования тщательно прополаскивать датчик в дистиллированной воде. После окончания исследований надеть колпачок на корпус электрода навинтить колпачок на бутылку для хранения, так чтобы кончик электрода был погружен в раствор для хранения. Показатели кислотно-щелочного баланса воды, измеряемые цифровым pH датчиком видно на мониторе компьютера. [Приложение 3, рис. 8]

Образцы воды для исследования pH:

1. Холодная вода из крана МАОУ СОШ №5(северная часть города)
2. Холодная вода из крана (после кипячения) МАОУ СОШ №5
3. Вода из школьного фонтанчика (с дополнительным фильтром)
4. Вода из природного источника «Ключ в селе Паршино»
5. Вода бутилированная: негазированная, питьевая, артезианская.
   Вода дочищена и обеззаражена УФ. Артезианская скважина №3 Арамильского филиала УПЗ расположена в Свердловской области, Сыссертском районе, Челябинский тракт, 25 км. Минерализация общая 0,05 – 0,54 г/л, жесткость общая 0,1 – 2,5 мг-экв/л. Изготовитель ООО «Чистогорье» ТУ 11.07.11-001-43081084-2020. Объем 0,5 л
6. Вода бутилированная: «Байкал 430». Чистейшая вода озера Байкал с глубины 430 метров, негазированная, п Листвянка, Иркутская область. Общая минерализация до 0,12 г/л. Объем 0,45 л.
7. Вода бутилированная: «bona aqua», негазированная, изготовитель ООО «Мултон партнес». Общая минерализация 0,1-0,35 г/л, жёсткость общая 1,8 мг-экв/л. Объём 0,5 л.
8. Вода бутилированная: «Пилигрим», талая вода, изготовитель ООО «Пилигрим». 2- скважины взяты из №4-НЕ Нижнеермоловского участка, село Нижняя Ермоловка. Объём 0,5 л. Общая жёсткость 1,4 мг-экв/л.
9. Вода бутилированная: «Святой источник» негазированная. Изготовитель ООО «Аква стар» Общая минерализация 0,05-1,00 мг/л, общая жёсткость менее 7,0 мг-экв/л. Объём 0,5 л.
10. Вода бутилированная: детская, негазированная, «Фрутоняня». Изготовитель АО «Прогресс». Объём 0,33 л. Общая жёсткость 3,56 мг-экв/л, общая минерализация 0,1-0,5 мг/л.
11. Вода из «Водомата» установленного на доме №5, 1 квартал, город Богданович
12. Дистиллированная вода «Болат». Изготовитель ООО «Болат». Объём 5,0 л.

Ход работы:

Для определения показателей pH химическим методом придерживался инструкции по применению индикатора «НИЛПА Тест – pH». Перед применением индикатор необходимо тщательно взболтать. Перед началом работы все из 12 пронумерованных пробирок тщательно прополоскал исследуемой водой, перед тем как поместить туда 10 мл исследуемой воды. В каждую пробирку добавил по две капли индикатора и перемешал круговыми движениями руки. Через три минуты сравнил окрашенную жидкость с цветовой шкалой, для этого образец переливал в фирменный «НИЛПА» стаканчик и размещал его на белом круге цветной шкалы. [Приложение 4 рис. 10]

Для определения показателей pH индикаторной бумагой пронумерованные стаканчики тщательно прополоскал исследуемой водой. В каждый стаканчик налил примерно по 30 мл исследуемой воды. Индикаторные полоски с помощью пинцета опускались в воду на 5-7 секунд, и после выдерживания 1-2 минут сравнивал цвет индикаторной бумаги с прилагаемой шкалой.

Для определения показателей pH физическим методом придерживался инструкции работы с цифровым датчиком pH и соблюдением техники безопасности. Перед каждым исследованием образца воды электрод промывал в дистиллированной воде и очень аккуратно промокал салфеткой.

Таблица 1. Результаты исследований кислотно-щелочного равновесия 3 методами

№ образца воды	Индикатор НИЛПА	Индикаторная бумага	Датчик pH
1	7,5	7,0	8,02
2	7,5	7,0	8,14
3	7,5	7,0	8,09
4	6,5	7,0	7,95
5	7,5–8,0	7,0	8,48
6	7,0	7,0	7,94
7	7,0	7,0	7,78
8	7,0	7,0	7,72
9	7,5	7,0	7,64
10	7,0	7,0	7,61
11	6,5-7,0	7,0	7,90
12	6,0	7,0	6,71

Химический способ определения кислотно-щелочного баланса с использованием индикаторных бумажек оказался довольно грубым и неточным. Если смотреть на результаты исследований в таблице 1, можно увидеть, что pH у разных образцов воды оказался 7.0, кроме дистиллированной воды 6.0. Химический способ определения кислотно-щелочного баланса с использованием индикатора «НИЛПА» оказался более точным, но также не идеальным, по цветной шкале невозможно точно определить показатель кислотно-щелочного баланса, с помощью pH датчика можно точно с отклонением в 0,01 узнать кислотно-щелочной баланс воды.

Разницу в показателях кислотно-щелочной характеристики образцов воды наглядно видно на графике, из-за сложностей с лабораторной посудой и небольшим объемом индикаторов исследования проводились однократно, без повторности, что возможно отразилось на результатах, которые можно считать примерными.

По результатам исследования мы установили, что вся вода из крана школы, она же после кипячения и из фонтанчика, а также бутилированная вода из магазина, вода из водомата и природного источника в селе Паршино имеют нейтральную среду, что соответствует требованиям СанПиНа.

3. Исследование воды города Богданович и его окрестностей индикаторами из набора «НИЛПА»

Использование набора для определения качества воды предполагает использование одного градуированного стаканчика, входящего в набор. Использование одного стаканчика усложняет проведение большого количества исследований, поэтому решили проводить исследования с использованием пробирок, которые каждый раз тщательно промывались с использованием жидкого хозяйственного мыла, а перед исследованием ополаскивались исследуемой водой. Время на исследование одного образца воды по 9 позициям ускорилось до 45-50 минут. Все результаты фиксировали в журнале и фотографировали. Анализ проводили по мере поступления образцов воды.

Образцы воды для исследования:

1. Домашняя скважина Натальи Викторовны, воду используют только на хозяйственно-бытовые нужды.
2. Ключ Паршино (природный источник в селе Паршино) вода из этого источника пользуется большой популярностью среди жителей города и района, возле источника всегда много людей в любое время года.
3. Ключ Курьи (природный источник в селе Курьи) до этого источника ближе жителям северного микрорайона.
4. Домашняя скважина Юлии Евгеньевны, воду используют на все цели.
5. Домашний колодец Алёны Сергеевны, воду используют в основном на хозяйственно-бытовые нужды, но иногда и на приготовление пищи.
6. Домашний колодец Ларисы Михайловны, вода используется на все нужды.
7. Домашняя скважина Оксаны Анатольевны, вода используется на все нужды.
8. Вода из крана с холодной водой в здании школы, когда мы кипятим эту воду в чайнике, то видим большое количество накипи на стенках чайника.
9. Скважина Екатерины Николаевны, вода используется только на хозяйственно-бытовые нужды, для приготовления пищи воду дополнительно пропускают через фильтр.
10. Вода из водомата, стоящего на доме №5 в 1 квартале.
11. Вода из крана с холодной водой центрального водоснабжения из дома в южной части города.
12. Вода из реки Большая Калиновка (в черте села Паршино)
13. Вода из реки Кунара (в черте города)

Речную воду жители используют для полива огородов, поэтому приняли решение исследовать её на химический состав, поэтому перед исследованием образцы воды были отфильтрованы от взвешенных частиц.
Статьи с результатами исследований воды размещались в сети интернет: на сайте школы и в группе школы в VK. [Приложение 5 рис. 11-12]

Таблица 2. Результаты исследования образцов воды на содержание минеральных веществ

№ п/п	Источник воды	Кислотность Ph	Карбонатная жесткость kH, мг-экв/л	Общая жесткость gH, мг-экв/л	Аммиак аммоний NH3/NH4, мг/л	Нитриты NO2, мг/л	Нитраты NO3, мг/л	Фосфат PO4 мг/л	Медь Cu мг/л	Железо Fe мг/л
1	Скважина Н.В.	6.5	3.6	5.5	0.0	0.0	0.25	0.1	0.0	0.05
2	Ключ Паршино	7.0	1.5	3.0	0.0	0.0	8.0	0.1	0.0	0.05
3	Ключ Курьи	6.5	4.2	7.0	0.0	0.0	5.0	0.05	0.0	0.0
4	Скважина Ю.Е.	7.0	3.0	8.5	0.0	0.0	5.0	0.10	0.0	0.1
5	Колодец А.С.	7.0	3.6	7.0	0.0	0.0	5.0	0.25	0.0	0.25
6	Колодец Л.М.	7.0	3.3	8.5	0.0	0.0	10.0	0.5	0.0	0.1
7	Скважина О.А.	5.5	0.5	2.0	0.0	0.0	10.0	0.0	0.0	0.1
8	Вода из крана МАОУ СОШ №5	7.0	6.0	9.0	0.0	0.0	0.0	0.15	0.0	0.15
9	Скважина Е.Н.	7.0	2.5	7.8	0.0	0.0	5.0	0.0	0.0	0.0
10	Вода из водомата	6.5	0.6	1.1	0.0	0.0	следы	0.0	0.0	следы
11	Вода из крана Южная часть	8.0	5.4	9.8	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.1
12	Вода из р. Б. Калиновка	7.5	3.2	7.6	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0
13	Вода из р. Кунара	7.0	3.3	6.2	0.0	следы	5.0	следы	0.0	следы

Среда воды: меньше 7,0 – кислая, 7,0 – нейтральная, больше 7,0 – щелочная
Уровень жёсткости: 0-4 мг-экв/л – мягкая жёсткость, 4-8 мг-экв/л – средняя жёсткость, 8-12 мг-экв/л – жёсткая жёсткость, более 12 мг-экв/л – очень жёсткая жёсткость.

Таблица 3. Анализ результатов исследования и сравнение их с СанПиНом

№ п/п	Источник воды	Кислотность Ph	Среда	Общая жесткость gH, мг-экв/л	Уровень жесткости	СанПиН 2.1.3684-21 мг-экв/л
1	Скважина Н.В.	6.5	нейтральная	5.5	Средняя жёсткость	не более 7
2	Ключ Паршино	7.0	нейтральная	3.0	Мягкая жёсткость	не более 7
3	Ключ Курьи	6.5	нейтральная	7.0	Средняя жёсткость	не более 7
4	Скважина Ю.Е.	7.0	нейтральная	8.5	Жёсткая жёсткость	не более 7
5	Колодец А.С.	7.0	нейтральная	7.0	Средняя жёсткость	не более 7
6	Колодец Л.М.	7.0	нейтральная	8.5	Жёсткая жёсткость	не более 7
7	Скважина О.А.	5.5	кислая	2.0	Мягкая жёскость	не более 7
8	Вода из крана МАОУ СОШ №5	7.0	нейтральная	9.0	Жёсткая жёсткость	не более 7
9	Скважина Е.Н.	7.0	нейтральная	7.8	Средняя жёсткость	не более 7
10	Вода из водомата	6.5	нейтральная	1.1	Мягкая жёсткость	не более 7
11	Вода из крана Южная часть	8.0	щелочная	9.8	Жёсткая жёсткость	не более 7
12	Вода из р. Б. Калиновка	7.5	щелочная	7.6	Средняя жёсткость	не более 7
13	Вода из р. Кунара	7.0	нейтральная	6.2	Средняя жёсткость	не более 7

По результатам исследования на кислотность воды из 13 образцов один (скважина Оксаны Анатольевны) оказался с кислой средой (pH 5.5), два образца с щелочной средой, остальные с нейтральной. По показателям общей жесткости с мягкой водой три образца это вода из скважины Оксаны Анатольевны (2.0 мг-экв/л), вода из «водомата» (1.1 мг-экв/л) и вода из ключа «Паршино» (3.0 мг-экв/л). Шесть образцов со средней жесткостью и четыре образца с жесткой жесткостью: скважина Юлии Евгеньевны и колодец Ларисы Михайловны (8.5 мг-экв/л), вода центрального водоснабжения северной части города (9.0 мг-экв/л) и южной части города (9.8 мг-экв/л).

Не стоит забывать, что магний и кальций – два необходимых элемента для организма человека. А питьевая вода является одним из ценных источников, поскольку обусловливающие жесткость воды соли кальция и магния в значительной мере поступают в наш организм вместе с водой. Так, с питьем в организм поступает до 10-15% суточной нормы кальция - он, как известно, залог крепких костей и зубов. А магний - ключевой участник более чем 250 химических реакций в теле человека; он входит в состав всех тканей и клеток. Вода не может быть абсолютно мягкой, в ней обязательно должны присутствовать соли магния и кальция. Если постоянно пить чересчур мягкую воду, организму очень скоро может потребоваться фармацевтическая поддержка - витамины, препараты. [6]

Цифровой датчик pH – измеряет наиболее точно, чем другие методы исследования воды.
Вода из центрального водопровода и многих скважин и колодцев оказалась очень жёсткой, поэтому требует предварительной подготовки перед использованием для приготовления пищи.

По результатам исследования воды в городе Богдановиче и окрестностях можно сделать вывод, что самая хорошая вода по химическим показателям из ключа «Паршино», вода не совсем мягкая и в тоже время имеет допустимые включения других минеральных веществ. Но вода из открытых источников может быть биологически грязной, поэтому её обязательно надо перед использованием кипятить.
Вода из «водомата» очень мягкая и почти не имеющая примесей больше походит на дистиллированную воду, использовать можно, но не постоянно. Регулярное использование такой воды может привести к вымыванию из организма полезных веществ.

В дальнейшем я планирую углубить свои исследования и сравнить, как меняется минерализация воды в моем родном городе в связи со сменой сезонов, то есть влияет ли на минерализацию воды таяние снега и изменение погодных условий. После зимы я обращусь к тем же людям и попрошу предоставить образцы воды для исследования.

1. Александрова В.П., Болгова И.В., Нифантьева Е.А. Ресурсосбережение и экологическая безопасность человека: практикум с основами экологического проектирования. 9 класс. – М.: ВАКО, 2015. – 144 с.
2. Естествознание, базовый уровень. 11 класс. – М.: Просвещение, 2022. – 288 с.
3. Популярная медицинская энциклопедия. Гл. ред. Б.В. Петровский. В 1-м томе. – М. 6 «Советская энциклопедия», 1987 – 704 с.