Внеклассное занятие по химии "Анализ почвенных и водных образцов средствами современного химического эксперимента"

Цель занятия: Осуществить анализ водных и почвенных образцов адаптированными методиками лабораторного эксперимента.

Рабочие группы:

• Аналитики - 11класс (комплексонометрический анализ воды и почвы);
• Органолептики - 9класс (органолептический анализ воды и почвы)

В первой части мероприятия педагоги представляют юных исследователей и проговаривают цель занятия.

Рабочие группы знакомят присутствующих с образцами для экспериментов, проговаривают методики забора различных образцов.

Отбор проб водопроводной воды

На водопроводный кран надевают резиновый шланг, конец которого опускают до дна бутылки для проб. Медленно открывают кран, пока вода не потечет непрерывной струёй толщиной около 0,5 см. После наполнения сосуда водой его оставляют под краном до тех пор, пока температура перетекающей через край воды не станет постоянной. Если требуется определить содержание токсичных веществ в водопроводной воде, пробу берут сразу же после открытия крана.

Консервация проб воды

Для получения достоверных результатов анализ воды следует делать как можно быстрее. Биохимические процессы в пробах можно приостановить, охладив воду до 3-4°С.Универсального консервирующего средства не существует. Состав консерванта зависит от состава воды и определенных в ней компонентов. Обычно используют такие консерванты, как серная, соляная, азотная кислоты, хлороформ.

Забор проб почвенных образцов

Для анализа были выбраны 2 пункта взятия образцов: территория пришкольного участка и личного садового участка в районе реки Иса.

Каждый образец характеризует определенную площадь, однотипную по рельефу, почвенному покрову и хозяйственной истории. Площадь, где были взяты образцы, составляет 16 квадратных метров. Отобранные образцы, массой 200 граммов, поместили в мешочек и снабдили этикеткой. Поскольку почва была достаточно влажной, то образцы сначала довели до воздушно-сухого состояния, рассыпав тонким слоем на бумаге. Измельчили большие комочки почвы, корешки, гальку и удалили другие примеси.

Почву просушили в хорошо проветриваемом помещении, но не на солнце. За сутки до сегодняшнего мероприятия навеску почвы в 10 граммов поместили в большую пробирку диаметром 2 см и длиной 20 см и прилили туда же мерным цилиндром 25 мл однонормального раствора хлорида калия. Для приготовления такого раствора отвешали на технических весах 75 граммов соли, растворили в 400 кубических см дистиллированной воды и довели до 1 л раствора. Пробирку закрыли пробкой, раствор с почвой хорошо взболтали и оставили стоять на сутки. Сегодня мы имеем 2 большие пробирки с солевыми вытяжками наших образцов, которые и будем исследовать на значение pH методом Алямовского и затем рассчитаем для них массу извести, вносимой в почву.

В ходе подготовки к эксперименту учащиеся заранее подготовили небольшие сообщения, связанные с работой в группах. Группа аналитиков подготовила экологическую справку о состоянии воды в городе и сообщение о жесткости воды, которое непосредственно связано с химическим экспериментом.

Жесткость воды и способы ее устранения.

В природе чистая вода не встречается: она всегда содержит примеси каких-либо веществ. В частности, взаимодействуя с солями, содержащимися в земной коре, она приобретает определенную жесткость. Жесткость воды – это совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция и магния. Если концентрация этих катионов велика, то воду называют жесткой, если мала – мягкой. Именно они придают специфические свойства природной воде. При стирке белья жесткая вода ухудшает качество тканей и требует повышенной затраты мыла. В жесткой воде с трудом развариваются пищевые продукты. Очень плохо заваривается чай и вкус его теряется. Жесткая вода не пригодна в паровых котлах: растворенные в ней соли при кипячении образуют на стенках котлов слой накипи, который плохо проводит теплоту. Это вызывает перерасход топлива, преждевременный износ котлов, а иногда, в результате перегрева котлов и аварии. Катионы кальция обуславливают кальциевую жесткость, а катионы магния – магниевую. Общая жесткость складывается из суммарной концентрации в воде ионов кальция и магния.

Учащиеся из группы “Органолептики – почвоведы” тоже подготовили экологическую справку, в которой рассказали о кислотности почв на Урале и специфике произрастания различных видов растений в таких почвах.

Кислые почвы и их особенности.

Город Нижний Тагил продолжает входить в число территорий с самым высоким уровнем загрязненности. Здесь население наиболее подвержено комплексной химической нагрузке, которая происходит за счет загрязнений почвы, воды и воздуха.

Основной загрязнитель - металлургический комбинат, на его долю приходится почти 92% общегородских выбросов.

Следствием влияния на окружающую среду антропогенных факторов является изменение почвенной реакции, выражающейся в терминах pH.

В зоне Среднего Урала почвы дерново-подзолистого типа, для которых характерна повышенная кислотность (значения pH в интервале 4,8-5,2).

Повышенное содержание кислоты в почве – это не только губительная среда для растительности, но и опасные испарения, загрязнения грунтовых вод, которые могут быть источником питьевой воды.

Почвы становятся кислыми вследствие вытеснения ионами водорода основных катионов на почвенных коллоидах. Процесс этот обратимый, pH почвы можно повысить внесением основных катионов – Ca, Mg, Na и K.

Наиболее экономичным для повышения pH почвы является кальций. Внесение кальция или его соединений с целью снижения pH почвы известно как известкование. Известкование почвы приводит к значительному улучшению роста растений. Исходя из вышеизложенного, становится понятным, почему надо уметь определять pH почвы и рассчитывать дозу извести для снижения кислотности.

В блоке “Особенности химического эксперимента”, учащиеся коротко знакомят присутствующих с методиками анализа водных и почвенных образцов.

Приложение

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРОБ.

Физические, органолептические методики

Прозрачность

Прозрачность, или светопропускание воды, обусловлена ее цветом и мутностью, т. е. содержанием в ней различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ. Мерой прозрачности служит высота водяного столба, сквозь который еще можно различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа. Метод дает лишь ориентировочные результаты.

Оборудование: Стеклянный цилиндр, градуированный по высоте в сантиметрах, высотой 30-50 см и с внутренним диаметром 2,5 см. Стандартный шрифт с высотой букв 3,5 мм.

Ход определения:

Определение проводят в хорошо освещенном помещении, но не на прямом свету, на расстоянии 1 м. от окна. Цилиндр наливают неподвижно над стандартным шрифтом. Цилиндр наполняют хорошо перемешанной пробой исследуемой воды до такой высоты, чтобы буквы, рассматриваемые сверху, стали плохо различимы.

Прозрачность по шрифту выражают в сантиметрах высоты водяного столба и определяют с точностью до 0,5 см. Измерение повторяют 3 раза и за окончательный результат принимают Среднее значение.

Цвет (окраска)

Чистые природные воды почти бесцветны, наличие окраски поверхностных вод обычно связано с присутствием гуминовых веществ и соединений железа. При загрязнении сточными водами можно наблюдать окраску, не свойственную природным водам. Цвет вод, содержащих большое количество взвешенных веществ, определяют после отстаивания или фильтрования. Определение проводят через 2 часа после отбора пробы.

Оборудование: Цилиндр из бесцветного стекла, градуированный в сантиметрах, с плоским дном.

Ход определения:

А. Пробу воды наливают в цилиндр до отметки 10 см. Рассматривают пробу в цилиндре сверху на белом фоне при рассеянном дневном освещении. Результат определения описывают словесно с указанием оттенка и интенсивности окрашивания (слабое или сильное).

Б. Пробу воды наливают в цилиндр до отметки 10 или 20 см. В качестве контроля используют цилиндр, заполненный на ту же высоту дистиллированной водой. Затем оба цилиндра рассматривают сверху на белом фоне при рассеянном дневном освещении. При повышенной окраске проводят разбавление пробы воды дистиллированной водой и затем снова сравнивают с контролем. Отмечают то разбавление, при котором цвет разбавленной пробы и дистиллированной воды станет одинаковым. Данное разбавление будет являться показателем того, во сколько раз исследуемая вода по цвету (окраске) превышает норму.

Для источников хозяйственно-питьевого водоснабжения окраска не должна обнаруживаться в столбике воды высотой 20 см, для водоемов культурно-бытового назначения - 10 см.

Запах

Запах воды обусловлен наличием в ней летучих пахнущих веществ, которые попадают в нее естественным путем или со сточными водами. На запах подземных и поверхностных вод влияет присутствие в них органических веществ. Запах питьевой воды обусловлен свойствами используемой поверхностной воды, технологическим процессом и способом ее обработки. Например, вода, содержащая фенолы, после хлорирования приобретает неприятный запах хлорфенолов, обнаруживающихся органолептически при содержании 2,4-дихлорфенолов 0,002 мг/л.

Определение основано на органолептическом исследовании характера и интенсивности запаха воды при 20 и 60°С.

Оборудование:

• Конические колбы с широким горлом на 500 мл.
• Цилиндр мерный на 250 мл.
• Баня водяная.
• Термометр лабораторный (от 0 до 60°С).

Ход определения:

В коническую колбу наливают 250 мл исследуемой воды при 20°С, накрывают колбу часовым стеклом (или закрывают притертой пробкой), встряхивают вращательным движением, сдвигают в сторону часовое стекло (открывают пробку) и быстро определяют характер и интенсивность запаха. Затем колбу с пробой накрывают часовым стеклом, нагревают на водяной бане до 60°С, перемешивают содержимое встряхиванием, открывают колбу и тотчас органолептически устанавливают характер и интенсивность запаха.

Характер запаха описывают словесно. По характеру запахи делятся на две группы:

Запахи естественного происхождения (от живущих и отмерших в воде организмов, от влияния почв и т. п.). Различают землистый, гнилостный, тухлый, травянистый, плесневой, торфяной и т. п. запахи.

Запахи искусственного происхождения (от промышленных стоков, от обработки воды химическими реагентами и т. п.). Различают хлорфенольный, ацетоновый, спиртовой, уксусный, бензиновый, хлорный и т. п. запахи.

Интенсивность запаха воды

Интенсивность запаха оценивается при 20 и 60°С по 5-балльной системе согласно таблице :

Аналитические методики анализа проб воды

Жесткость

Комплексонометрическое определение. В водной среде этилендиаминтетраацетат натрия (комплексен III, трилон Б; ЭДТА, хелатон 3) образует при рН 10 прочные комплексные соединения сначала с ионами кальция, а затем и с ионами магния. Когда в анализируемую воду вводят эрихром черный Т, он образует с ионами магния вишнево-красное комплексное соединение. При последующем титровании комплексен III, соединяясь с ионами кальция и затем ионами магния, вытесняет индикатор, который в свободной форме имеет синюю окраску.

Результаты определения жесткости выражают в миллиграмм-эквивалентах на 1 л воды (мг-экв/л). Точность определения при титровании 100 мл пробы составляет 0,05 мг-экв/л, что является также и минимально определяемой концентрацией.

Реактивы:

1. Буферный раствор, рН = 10,0. Растворяют 26,8 г NH₄C1 в 100 мл дистиллированной воды, смешивают с 300 мл концентрированного раствора водного аммиака и разбавляют до 500 мл дистиллированной водой.

2. Эрихром черный Т (кислотный хром черный, специальный). Смесь индикатора с хлоридом натрия приготавливают смешением и тщательным растиранием 0,5 г эрихрома черного Т со 100 г хлорида натрия.

3. ЭДТА (комплексен III), 0,05 М раствор. Растворяют 18,6 г ЭДТА дигидрата в дистиллированной воде и доводят объем раствора до 1 л.

Результаты исследований заносились в сводные таблицы:

 

Методика анализа почвенных образцов.

Кислотность почвенных образцов определялась методом Алямовского, основанном на применении одноименного прибора Алямовского (прибор используется для проведения экспериментальных занятий факультативного курса по почвоведению).

Ход эксперимента:

Две большие пробирки с приготовленными солевыми вытяжками почвенных образцов исследовали на кислотность, пользуясь стандартной инструкцией имеющейся в комплекте к прибору Алямовского.

Результаты исследований заносились в сводную таблицу:

Далее учащимся на основе проделанных опытов предлагается обозначить на карте города Нижний Тагил символическими флажками двух контрастных цветов очаги экологически благоприятные и опасные по водным и почвенным ресурсам. Данная карта может рассматриваться как яркий, конечный результат описываемого мероприятия.

Занятие сопровождалось мультимедийной презентацией, которая составлялась прямо по ходу занятия группой учащихся (10 кл.) “Техники”.

Материалы презентации находятся в приложении 1.