Методическое пособие 586
.pdfПеренесите 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).
|
|
|
Таблица 10 |
|
|
Кислотность |
|
|
|
|
|
|
|
|
Кислая среда |
Нейтральная |
|
Щелочная среда |
|
|
среда |
|
|
|
[Н+] > [ОН–] |
[Н+] = [ОН–] |
|
[Н+] < [ОН–] |
|
pH < 7 |
pH = 7 |
|
pH > 7 |
|
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).
|
|
|
Таблица 11 |
|
|
Окраска индикаторов в зависимости от рН |
|||
|
|
|
|
|
Индикатор/среда |
Кислая |
Нейтральная |
Щелочная |
|
Лакмус |
Красный |
Фиолетовый |
Синий |
|
Метил-оранж |
Красный |
Оранжевый |
Желтый |
|
Фенолфталеин |
Бесцветный |
Бесцветный |
Малиновый |
|
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:
НА = Н+ + А- |
(1) |
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–:
МеОН = Ме+ + ОН- |
(2) |
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:
Fe3+ + HOH ↔ FeOH2+ + H+ |
(3) |
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 12 |
Типы гидролиза солей в водных растворах |
||
|
|
|
Катион/анион |
Катион |
Катион слабого основания |
|
сильного |
|
|
основания |
|
Анион сильной кислоты |
Гидролиз не |
Гидролиз по катиону |
|
идет |
|
Анион слабой кислоты |
Гидролиз по |
Гидролиз по катиону и аниону |
|
аниону |
|
Таблица 13 Тип гидролиза и среда водных растворов некоторых солей
Катион/анион |
Na+ |
NH4+ |
Cl– |
NаCl, гидролиз не |
(NH4)2CO3 гидролиз по катиону, среда |
|
идет, среда |
щелочная |
|
нейтральная |
|
CO32– |
Na2CO3, гидролиз по |
Na2CO3, гидролиз по катиону и аниону, |
|
аниону, среда |
среда определяется силой кислоты и |
|
щелочная |
основания |
|
35 |
|
Например, ацетат-ионы (остаток уксусной кислоты CH3COOH)
подвергаются гидролизу: |
|
|
|
||
|
|
CH3COO— + HOH ↔ CH3COOH + OH— |
(4) |
||
|
В зависимости от состава соли водные растворы солей могут иметь |
||||
кислую, нейтральную или щелочную среду (табл. 14) [17]. |
|
|
|||
|
|
|
Таблица 14 |
||
|
|
Среда водных растворов солей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Катион/анион |
Катион |
Катион слабого основания |
|
|
|
|
сильного |
|
|
|
|
|
основания |
|
|
|
|
Анион сильной |
Нейтральная |
Кислая |
|
|
|
кислоты |
|
|
|
|
|
Анион слабой кислоты |
Щелочная |
Нейтральная (на практике среда водных |
|
|
|
|
|
растворов солей, образованных слабым |
|
|
|
|
|
основанием и слабой кислотой, |
|
|
|
|
|
определяется силой кислоты и основания) |
|
Индикаторы в разной среде приобретают разную окраску, что позволяет использовать их для идентификации солей в водных растворах (табл. 15, 16).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица15 |
|
|
|
Окраска лакмуса в солевых водных растворах |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Катион/анион |
|
Катион сильного |
|
|
Катион слабого основания |
|||||||
|
|
|
основания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Анион сильной |
|
Лакмус фиолетовый |
|
|
|
Лакмус красный |
|
|
||||
кислоты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Анион слабой |
|
|
Лакмус синий |
|
|
|
Окраска лакмуса зависит от силы кислоты |
|
||||
кислоты |
|
|
|
|
|
|
|
|
и основания |
|
Таблица 16
Окраска лакмуса в водных растворах некоторых солей
Катион/анион |
|
|
Na+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
NH4+ |
||||
Cl– |
NаCl, лакмус фиоле |
|
|
|
(NH4)2CO3 лакмус красный |
|
|
|||||||||
|
|
|
товый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CO 2– |
|
|
Na |
CO |
, |
|
|
|
Na |
CO |
, окраска лакмуса зависит от силы |
|
||||
3 |
|
|
2 |
3 |
|
|
|
|
2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
лакмус синий |
|
|
|
|
|
|
кислоты и основания |
|
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
Приложение 1 Таблица П.1
Показатели оценки состояния зеленых насаждений и элементов благоустройства
Состояние |
Категория |
|
Основные признаки |
|
||
деревьев |
состояния |
|
|
|
|
|
|
|
Деревья |
|
|
|
|
Хорошее |
Без признаков |
Листва или хвоя зеленые, нормальных размеров, крона |
||||
|
ослабления |
густая, нормальной формы и развития, прирост текущего |
||||
|
|
года нормальный для данного вида, возраста, условий |
||||
|
|
произрастаний |
деревьев |
и |
сезонного |
периода, |
|
|
повреждения вредителями и поражения болезнями |
||||
|
|
единичны или отсутствуют |
|
|
|
|
Удовлетворите |
Ослабленные |
Листва или хвоя часто светлее обычного, крона |
||||
льное |
|
слабоажурная, прирост ослаблен по сравнению с |
||||
|
|
нормальной; в кроне менее 25% сухих ветвей. Возможны |
||||
|
|
признаки местного повреждения ствола и корневых лап, |
||||
|
|
ветвей, механические повреждения, единичные водяные |
||||
|
|
побеги |
|
|
|
|
Удовлетворите |
Сильно ослабленные |
Листва мельче или светлее обычной, хвоя светло-зеленая |
||||
льное |
|
или сероватая матовая, крона изрежена, сухих ветвей от 25 |
||||
|
|
до 50%, прирост уменьшен более чем наполовину по |
||||
|
|
сравнению с нормальным. Часто имеются признаки |
||||
|
|
повреждения болезнями и вредителями ствола, корневых |
||||
|
|
лап, ветвей, хвои и листвы, в том числе попытки или |
||||
|
|
местные поселения стволовых вредителей, у лиственных |
||||
|
|
деревьев часто водяные побеги на стволе и ветвях |
|
|||
Неудовлетвори |
Усыхающие |
Листва мельче, светлее или желтее обычной, хвоя серая |
||||
тельное |
|
желтоватая или желто-зеленая, часто преждевременно |
||||
|
|
опадает или усыхает, крона сильно изрежена (более 50% |
||||
|
|
сухих ветвей), прирост текущего года сильно уменьшен |
||||
|
|
или отсутствует. На стволе и ветвях часто имеются |
||||
|
|
признаки заселения стволовыми вредителями (входные |
||||
|
|
отверстия, насечки, сокотечение, буровая мука и опилки, |
||||
|
|
насекомые на коре, под корой и в древесине); у |
||||
|
|
лиственных деревьев обильные водяные побеги, иногда |
||||
|
|
усохшие или усыхающие |
|
|
|
|
Неудовлетвори |
Сухостой текущего |
Листва усохла, увяла или преждевременно опала, хвоя |
||||
тельное |
года |
серая, желтая или бурая; крона усохла, но мелкие веточки |
||||
|
|
и кора сохранились. На стволе, ветвях и корневых лапах |
||||
|
|
часто признаки заселения стволовыми вредителями или их |
||||
|
|
вылетные отверстия |
|
|
|
|
Неудовлетвори |
Сухостой прошлых |
Листва и хвоя осыпались или сохранились лишь частично, |
||||
тельное |
лет |
мелкие веточки и часть ветвей опали, кора разрушена или |
||||
|
|
опала на большей части ствола. На стволе и ветвях |
||||
|
|
имеются вылетные отверстия насекомых, под корой – |
||||
|
|
обильная буровая мука и грибница дереворазрушающих |
||||
|
|
грибов |
|
|
|
|
39
|
|
Окончание табл. П.1 |
|
|
Кустарники |
Хорошее |
Без признаков |
Кустарники здоровые (признаков заболеваний и |
|
ослабления |
повреждений вредителями нет); без механических |
|
|
повреждений, нормального развития, густо облиственные, |
|
|
окраска и величина листьев нормальные |
Удовлетворите |
Ослабленные |
Кустарники с признаками замедленного роста, с наличием |
льное |
|
усыхающих ветвей (от 10 до 15%), изменением формы |
|
|
кроны, имеются повреждения вредителями |
|
|
|
Удовлетворите |
Сильно ослабленные |
Кустарники с признаками замедленного роста, с наличием |
льное |
|
усыхающих ветвей (от 25 до 50%), крона изрежена, форма |
|
|
кроны изменена; прирост уменьшен больше чем |
|
|
наполовину по сравнению с нормальным |
Неудовлетвори |
Усыхающие |
Кустарники переросшие, ослабленные (с мелкой листвой, |
тельное |
|
нет приростов), с усыханием коры более 50%, имеются |
|
|
признаки поражения болезнями и вредителями |
Неудовлетвори |
Сухостой текущего |
Листва усохла, увяла или преждевременно опала, крона |
тельное |
года |
усохла, но мелкие веточки и кора сохранились |
Неудовлетвори |
Сухостой прошлых |
Листва осыпалась, крона усохла, мелкие веточки и часть |
тельное |
лет |
ветвей опали, кора разрушена или опала на большей части |
|
|
ветвей |
|
|
Газоны |
Хорошее |
Поверхность хорошо спланирована, травостой густой, однородный, равномерный, |
|
|
регулярно стригущийся; цвет интенсивно зеленый, нежелательной растительности |
|
|
и мха нет, площадь проективного покрытия 90-100% |
|
Удовлетворите |
Поверхность газона с заметными неровностями, травостой неровный с примесью |
|
льное |
нежелательной растительности, нерегулярно стригущийся, цвет зеленый, площадь |
|
|
проектного покрытия не менее 75% |
|
Неудовлетвори |
Травостой изреженный, неоднородный, много нежелательной растительности, |
|
тельное |
нерегулярно стригущийся, окраска газона неровная, с преобладанием желтых |
|
|
оттенков, имеется мох, много плешин и вытоптанных мест, площадь проективного |
|
|
покрытия менее 75% |
|
|
|
Цветники |
Хорошее |
Поверхность тщательно спланирована, почва хорошо удобрена, растения хорошо |
|
|
развиты, равные по качеству; нежелательной растительности и отпада нет |
|
Удовлетворите |
Поверхность грубо спланирована, с заметными неровностями, почва слабо |
|
льное |
удобрена, растения нормально развиты; отпад незначительный, нежелательная |
|
|
растительность единична (до 10% площади) |
|
Неудовлетвори |
Поверхность спланирована грубо, почва не удобрена, растения слабо развиты, |
|
тельное |
отпад значительный, много нежелательной растительности (более 10% площади) |
40