Практико-ориентированный проект по исследованию природных вод

3

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации
Российская академия образования
Издательство «Центрхимпресс»

ХИМИЯ

в школе

НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И МЕТОДИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ

ИЗДАЁТСЯ С 1937 ГОДА

Трибуна члена редколлегии

2 Медведев Ю. Н.

ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ:

ОТ ВЫСШЕГО К НИЗШЕМУ

НАУКА И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

6 Мустафин Д. И., Джанинотто Дж.

НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

МЕТОДИКА И ОБМЕН ОПЫТОМ

9 Никитина Н. Н., Оржековский П. А.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ НА ЭТАПЕ ФОРМИРОВАНИЯ НОВЫХ ЗНАНИЙ

Федеральные государственные образовательные стандарты

13 Пак М. С., Миренкова Е. В.

ОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ ШКОЛЬНИКОВ С УЧЕБНИКОМ

16 Порошина Л. А.

ИЗ ОПЫТА ИЗУЧЕНИЯ СПИРТОВ 21 Белохвостов А. А., Аршанский Е. Я.

ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА В СОЦСЕТЯХ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ КОМПЕТЕНТНОСТИ УЧИТЕЛЯ ХИМИИ

Конкурс «Мой самый удачный урок»

27 Вивюрская А. А.

ВЗАИМООБУЧЕНИЕ В ГРУППАХ:

УСВОЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

31 Семенкова Т. Е.

О СИСТЕМАТИЗАЦИИ ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ

34     Дёмина В. Ф.

УРОК ПО ТЕМЕ «СОСТАВ И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ»

Готовимся к изучению химии

35     Шепелев М. В.

РАННЕЕ ИЗУЧЕНИЕ ХИМИИ:

ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ ИЛИ НАОБОРОТ?

КОНСУЛЬТАЦИЯ

40 Четверин В. Б.

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ЗАДАНИЙ ЕГЭ ПО РАЗДЕЛУ «УГЛЕВОДОРОДЫ»

ИЗ ИСТОРИИ химии

48 Ковалёв Е. Г.

ОБ ИЗУЧЕНИИ ПРОЦЕССОВ СОРБЦИИ

ХИМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

53 Нелюбина Е. Г.

ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ АГРОХИМИЧЕСКИХ ОПЫТОВ 56 Лыгин С. А., Кабирова Л. Р., Пурина Е. С.

ПРАКТИКО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПРОЕКТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД

Конкурс «Химия после урока»

61 Докшина Н. В.

ЗАГАДКА НАНОМИРА

Журнал входит в перечень ведущих научных журналов и изданий, утверждённый ВАК РФ

экскурсию с учащимися 10-го класса (быв­шего 9-го класса) и с учащимися 9-го класса (бывшего 8-го класса). Необходимо собрать клубни, корнеплоды, растения и снопики с опытных и контрольных делянок для де­монстрации их на уроках и занятиях факуль­татива. Для упрощения работы достаточно выполнить один опыт с калийными удобре­ниями, чтобы убедиться в необходимости использования калийных удобрений для по­вышения урожая.

Особенность представленных агрохи­мических опытов заключается в том, что все описанные и подобранные эксперимен­тальные опыты связаны с учебным мате­риалом школьного курса химии, изучаемым в 9-м классе, кроме того, выполнять данный эксперимент можно на школьном участке или (если школа расположена в сельской местности) на поле или в огороде. Универ­сальность экспериментов заключается в том, что можно выращивать растения в цветоч­ных горшках на подоконнике в квартире и проводить опыты с ними.                                    ■

ЛИТЕРАТУРА

Американское химическое общество. Химия и обще­ство / Пер. с англ. — М.: Мир, 1995.

Американское химическое общество. Химия и обще­ство: Пособие для учителей / Пер. с англ. — М.: Мир, 1995.

Нелюбина Е. Г., Самарина Е. С. Научно-исследова­тельская деятельность школьников по химии: проблемы и перспективы //Самарский научный вестник. — 2013. — № 2 (3). - С. 42-43.

Нелюбина Е. Г. Реализация деятельностного под­хода в процессе преподавания дисциплин естественно­научного цикла / В сборнике: Самарский институт инду­стрии питания и бизнеса в зеркале истории МГУТУ им. К. Г. Разумовского. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. — Самара, 2013. — С. 82-92.

Пичугина Г. В. Повторяем химию на примерах из повседневной жизни: Сборник заданий для старшекласс­ников и абитуриентов с ответами и решениями. — М.: АКРИ, 1999.

Скурлатов Ю. И., Дука Г. Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. — М.: Высшая школа, 1994.

Шустов С. Б., Шустова Л. В. Химические основы экологии. — М.: Просвещение, 1995.

Ключевые слова: агрохимия, научно-исследовательская работа, эксперимент, химия, методика агрохимического экспериментирования.

Key words: agricultural chemistry, scientific research, experiment, chemistry, agro-chemical methods of experimentation.

С. А. Лыгин, Л. P. Кабирова, E. С. Пурина

Бирский филиал Башкирского государственного университета

ПРАКТИКО­ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПРОЕКТ

по исследованию состава природных вод

В

ода — великий дар природы, непремен-
ная часть всего живого и необходимая

составляющая для большинства производ-
ственных процессов. Башкортостан называ-
ют республикой тысяч рек и озёр. Один из

многогидрообъектных районов республи­ки — Караидельский район, по территории которого протекают такие реки, как Караи- дель (Уфа), Бердяш, Урюш, Юрюзань, Байки и др. Проблема чистоты этих рек волнует

56

жителей всей Республики Башкортостан (и Караидельского района в частности) как одних из значимых водных ресурсов.

В связи с этим мы считаем важным аспек­том рассмотрение учащимися некоторых хи­мических показателей качества воды. Они проводят исследование воды в несколько этапов.

1.   Теоретическая часть. Проблемы обе­спечения чистоты рек и озёр, основные за­грязняющие водоёмы вещества.

2.   Практическая часть. Химические пока­затели качества воды реки Уфа и её притока реки Байки.

3.   Анализ результатов проведённого экс­перимента.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Увеличение антропогенной нагрузки на водные экосистемы влияет на химиче­ский состав поверхностных вод, вызывая увеличение содержания тяжёлых металлов, продуктов нефтепереработки и нефтехимии, и тем самым приводит к нарушению эколо­гического состояния водотоков. Отходов, загрязняющих окружающую среду и воду в частности, будет тем меньше, чем лучше их будут использовать в качестве сырья для другого производства.

Человечество почти полностью зависит от поверхностных вод суши — рек и озёр, которые подвергаются наиболее интенсивно­му воздействию. Вода рек и озёр покрывает потребности человечества в питьевой воде, её используют для орошения в сельском хо­зяйстве (на это уходит более 70% всей пре­сной воды), в промышленности—для охлаж­дения атомных и тепловых электростанций. Потребление воды постоянно растёт, и одна из опасностей заключается в том, что её за­пасы не безграничны.

Основные неорганические (минеральные) загрязнители пресных и морских вод — раз­нообразные химические соединения, ток­

сичные для обитателей водной среды. Это соединения свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельно­сти. Тяжёлые металлы поглощает фитопланк­тон, а затем они переходят по пищевой цепи к организмам. Среди основных источников загрязнения гидросферы минеральными ве­ществами и биогенными элементами следует упоминать предприятия пищевой промыш­ленности и сельского хозяйства.

Источники загрязнения и засорения во­доёмов — недостаточно очищенные сточ­ные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разра­ботке рудных ископаемых, лесоматериалов, сбросы водного и железнодорожного транс­порта, пестициды и т. д. [1].

Кислотность
водного объекта

К опасным загрязнениям водной сре­ды можно отнести неорганические кисло­ты и основания, обусловливающие широ­кий диапазон pH промышленных стоков (1,0 -г- 11,0) и способные изменить pH вод­ной среды до значений ниже 4,0 или вы­ше 9,0, которые могут иметь природные воды [2, 3].

Жёсткость воды

Жёсткость воды может быть временной или постоянной.

Временная жёсткость обусловлена при­сутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, которые при длительном кипяче­нии воды разлагаются с выделением диок­сида углерода и выпадающих в осадок кар­бонатов кальция и магния, жёсткость воды при этом уменьшается.

Постоянная жёсткость остаётся после кипячения воды в течение 1 ч. В естествен­ных условиях ионы кальция и магния по­ступают в воду в результате взаимодействия

57

растворённого в ней диоксида углерода с карбонатными минералами и при других процессах растворения и химического вы­ветривания горных пород. Источниками этих ионов могут быть микробиальные про­цессы, протекающие в почвах, донных от­ложениях, а также сточные воды различных промышленных предприятий, стоки с сель­скохозяйственных угодий. Вода, жёсткость которой менее 4 мг/л, характеризуется как мягкая, от 4,0 до 8,0 — средней жёсткости, от 8,0 до 12,0 — жёсткая, более 12,0 — очень жёсткая [2, 3].

Нефтепродукты

Нефть и нефтепродукты относятся к чис­лу наиболее распространённых в глобальном масштабе и опасных токсичных веществ, вызывающих тяжёлые экологические по­следствия при загрязнении ими водных объ­ектов.

Нефтепродукты относятся к загрязни­телям антропогенного влияния на водные объекты, поступают в них со сточными во­дами предприятий нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической промыш­ленности, с автотрасс, стоянок, а также при авариях водного транспорта [3].

Фенолы

Фенолы могут образовываться в природ­ных водах в результате естественных про­цессов метаболизма водных организмов, при биохимическом распаде и трансформации органических веществ.

Основные источники антропогенного по­ступления фенолов в водные объекты — сточ­ные воды многих отраслей промышленности: химической, коксо- и нефтехимической, тек­стильной, целлюлозно-бумажной и др.

Фенолы в водах могут находиться в рас­творённом состоянии в виде фенолят-ионов и свободных фенолов. Содержание фенолов в незагрязнённых природных водах, как пра­вило, не превышает десятых долей микро­

грамма в литре, редко повышается до единиц микрограммов в литре, например, при дефи­ците там кислорода. Повышенное содержа­ние фенолов свидетельствует о загрязнении водного объекта [4, 5, 6].

Металлы

в исследуемой водной среде

Попадая в водную среду, ионы тяжёлых металлов вступают во взаимодействие с дру­гими её компонентами, образуя гидратиро­ванные ионы, оксигидраты, ионные пары, комплексные неорганические и органиче­ские соединения. Конкретная форма суще­ствования металлов зависит от их природы, от pH среды, температуры.

В результате проведённого исследования в пробах воды из рек Уфа и Байки были обна­ружены ионы железа, меди, кадмия, цинка, свинца и ртути.

Железо. В речных водах концентрация железа общего в большинстве случаев нахо­дится в пределах 0,01 ч-1,0 мг/л. Она подвер­жена сезонным изменениям, обусловленным участием этого металла в физико-химических и биологических процессах, активно проте­кающих в водной среде особенно в летний период. Основные природные источники поступления железа в поверхностные во­ды — процессы химического выветривания горных пород. Значительная часть железа по­ступает с подземным стоком. Антропогенное загрязнение водных объектов соединениями железа обусловлено их выносом со сточны­ми водами предприятий горнодобывающей, металлургической и химической промыш­ленности [3, 7].

Содержание меди в природной пресной воде колеблется от 2 до 30 мкг/л, в мор­ской — от 0,5 до 3,5 мкг/л. Повышенные концентрации ионов меди (до нескольких граммов в литре) характерны для кислотных рудничных вод. Основные источники посту­пления меди в природные воды — сточные воды предприятий химической и металлур-

58

гической промышленности, шахтовые воды, альдегидные реагенты, используемые для уничтожения водорослей.

Медь относится к числу активных микро­элементов, участвующих в процессе фото­синтеза и влияющих на усвоение азота рас­тениями. Недостаточное содержание меди в почвах отрицательно влияет на синтез белков, жиров и витаминов и способствует бесплодию растительных организмов. Вме­сте с тем избыточное содержание в них ме­ди оказывает неблагоприятное воздействие на растительные и животные организмы [3, 8].

Цинк попадает в природные воды в ре­зультате протекающих в природе процессов разрушения и растворения горных пород и минералов (сфалерит, цинкит, госларит, смитсонит, каламин), а также со сточными водами рудообогатительных фабрик и галь­ванических цехов, производств пергамент­ной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна и др.

В воде цинк существует главным образом в виде ионов или его минеральных и органи­ческих комплексов. Иногда он встречается в нерастворимых формах: в виде гидрок­сида, карбоната, сульфида и др. Цинк от­носится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие организмов. В то же время многие его соеди­нения токсичны, это прежде всего сульфат и хлорид [3, 8].

Кадмий в природные воды поступает при выщелачивании почв, полиметалличе­ских и медных руд, в результате разложе­ния водных организмов, способных его на­капливать. Соединения кадмия попадают в поверхностные воды со сточными водами свинцово-цинковых заводов, рудообогати­тельных фабрик, ряда химических предпри­ятий, гальванического производства, а также с шахтными водами. Понижение концентра­ции растворённых соединений кадмия про­исходит за счёт процессов сорбции, выпаде­

ния в осадок гидроксида и карбоната кадмия и потребления их водными организмами. Растворённые формы кадмия в природных водах представляют собой минеральные ком­плексы. Основная взвешенная в воде форма кадмия — его сорбированные соединения. Значительная часть кадмия может мигриро­вать в составе клеток гидробионтов. В реч­ных незагрязнённых и слабозагрязнённых водах кадмий содержится в субмикрограм- мовых концентрациях Соединения кадмия играют важную роль в процессе жизнедея­тельности организмов животных и человека. В повышенных концентрациях он токсичен, особенно в сочетании с другими токсичными веществами [3, 8, 9].

Источники поступления в поверхностные воды свинца — процессы растворения мине­ралов. Существенные факторы понижения его концентрации в воде — адсорбция его взвешенными частицами и осаждение с ними в донные отложения. В числе других металлов он накапливается в гидробионтах. Свинец находится в природных водах в растворённом и взвешенном состоянии. В речных водах содержание свинца колеблется от десятых долей до единиц микрограммов в 1 л. Он содержится в выбросах предприятий метал­лургии, металлообработки, электротехники, нефтехимии и автотранспорта [8-10].

Соединения ртути могут поступать в по­верхностные воды в результате выщелачива­ния пород в районе ртутных месторождений, в процессе разложения водных организмов, накапливающих ртуть. Значительные её ко­личества поступают в водные объекты со сточными водами предприятий, произво­дящих красители, пестициды, фармацевти­ческие препараты, некоторые взрывчатые вещества [8, 9].

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Оценку качества воды учащиеся проводи­ли по химическим показателям, для чего бы­

59

ли выбраны две точки отбора проб на р. Бай­ки (Т1) и р. Уфа (Т2).

Воду набирали в полиэтиленовые бутыли, предварительно ополоснув их этой водой. Объём пробы — не менее 100 мл.

Анализ воды учащиеся проводили в гидро­химической лаборатории с. Караидель Феде­рального государственного учреждения по мониторингу водохозяйственных объектов бассейнов рек Белая и Урал. Гидрохимиче­ская лаборатория в своей работе использует следующие методы:

•      фотометрический;

•      инверсионно-амперометрический;

•      хроматографический;

•      спектрометрический.

При анализе воды учащиеся использовали соответствующие методики и приборы:

а)  атомно-абсорбционный спектрометр «Квант-г.ЭТА»;

б)  анализатор вольтамперометрический ТА-4»;

в)    pH-метр «Анион-4152»;

г)   анализатор жидкости «Флюорат- 02-5М»;

д)   хроматограф «Кристаллюкс-4000 М».

Результаты

проведённого исследования

Данные, полученные в ходе исследования, представлены в таблице и на графике как результат усреднения основных показателей за месяц. По данным таблицы, показатель кислотности рек и содержание нефтепро­дуктов соответствуют норме. Повышенное содержание фенолов свидетельствует о за­грязнении водного объекта. Как видно из данных таблицы, в реках Уфа и Байки фе­нолы находятся ниже предела обнаружения, что свидетельствует о незагрязнённости их фенолят-ионами и свободным фенолом, де­фицита кислорода не наблюдается.

Проведённые анализы показывают, что вода в реках жёсткая. Это связано с большим

содержанием известняков, в состав которых входят ионы кальция и магния, обусловли­вающие общую жёсткость.

Химические показатели воды
рек Байки и Уфа

Показатели содержания кадмия, свин­ца и цинка укладываются в значения ПДК 0,0005 мг/л, 0,01 мг/л, 0,05 мг/л соответ­ственно, а показатель меди немного превы­шает в связи с тем, что территория Башкор­тостана богата залежами медных руд. В ис­следуемых пробах ртуть не обнаружена.

Эти данные указывают на то, что вода исследуемой р. Уфа и её притока р. Байки не представляет токсической угрозы для местных жителей. На территории Караи- дельского района нет ни одного промыш­ленного предприятия, которое наносило бы экологический ущерб окружающей среде. Это один из самых экологически чистых

Содержание тяжёлых металлов в водах рек Уфа и Байки

60

и красивых уголков республики. Природ­ная красота, широта лесного и водного про­странства, обилие рыбных запасов данного края привлекают многочисленных туристов и любителей-рыболовов не только из Респу­блики Башкортостан, но и из других регио­нов страны.

К сожалению, объём загрязнений, посту­пающих в водоёмы, с каждым годом уве­личивается во много раз. Но человек, по­нимая всю важность водных ресурсов в его жизнедеятельности, всё равно продолжает их загрязнять. Наши учащиеся сделали вы­вод о необходимости бережного отношения к окружающей среде.                                               ■

ЛИТЕРАТУРА

1.  Туровский И. С. Обработка осадочных сточных вод. — М.: Стройиздат, 1984.

2.  Косов В. И., Иванов В. Н. Охрана и рациональное использование водных ресурсов. — 4.1. Охрана поверх­

ностных вод: Учебное пособие. — Тверь: Твер. гос. техн. ун-т, 1995.

3.   Руководство по химическому анализу поверхност­ных вод суши / Под ред. А. Д. Семёнова. — Л.: Гидроме- теоиздат, 1977.

4.   Берне Ф-, Кордонье Ж. Водоочистка. Очистка сточных вод нефтепереработки. Подготовка водных си-

' t*

стем охлаждения. — М.: Химия, 1997.

5.   Зенин А. А., Белоусова Н. В. Гидрохимический словарь. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

6.   Новиков Ю. И. Методы исследования качества воды водоёмов. — М.: Медицина, 1990.

7.   Вредные химические вещества. Неорганические соединения V—VIII групп: Справ, изд. / Под ред. В. А. Фи- лова и др. — Л.: Химия, 1989.

8.   Вредные химические вещества. Неорганические соединения I—IV групп: Справ, изд. / Под ред. В. А. Филова и др. — Л.: Химия, 1988.

9.   Эйхлер В. Яды в нашей пище. — М.: Мир, 1993.

10.   Сборник санитарно-гигиенических нормативов

и методов контроля вредных веществ в объектах окру­жающей среды. — М., 1991.

Ключевые слова: загрязнение вод, pH, жёсткость воды, нефтепродукты, тяжёлые металлы, приборы, экология. Key words: water pollution, pH, water hardness, petroleum products, heavy metals, appliances, ecology.

КОНКУРС «ХИМИЯ ПОСЛЕ УРОКА»

Н. В. Докшина

СШ№ 17, Пенза

ЗАГАДКА НАНОМИРА

Д

вадцать первый век называют веком на-
нотехнологий, поэтому необходимо зна-

комить учащихся с основами нанонауки и на-
нотехнологий. Несколько лет я веду факуль-
татив «Загадки наномира», на котором
занимаюсь с ними научно-исследовательской
работой в области нанотехнологий.

В журнале была опубликована статья В. Ф. Торосян и Е. С. Торосян «Конкуренция и автокатализ в колебательных химических реакциях» (Химия в школе. — 2013. —

№ 10. — С. 57-61). В ней авторы приводят примеры колебательных реакций и процес­сы самоорганизации. Нас очень заинтересо­вала эта тема, и мы стали изучать процессы самоорганизации в наномире. Результатом нашей работы стал проект по теме «Загадка наномира. Исследование процесса самоор­ганизации в наномире на примере колец Лизеганга».

В природе мы часто встречаемся с про­цессами, протекающими периодически: обра-

61