Ученическая исследовательская работа "Исследование воды, которую мы пьём"

Исследовательская работа ученика 8 класса

МОУ «Вилегодская средняя общеобразовательная школа»

Шевелёва Василия

1. Введение

          Какую воду мы пьём? Как и чем определяется качество питьевой воды?  Как от состава воды зависит здоровье человека? Судя по историческим свидетельствам, ещё Гиппократ связывал качество питьевой воды со здоровьем человека: «следует знать о водах, какие воды вредны и какие очень здоровы, какие неудобства и какое благо происходит от употребления вод, так как они имеют большое влияние на здоровье человека» (3). В нашей местности люди пользуются чаще колодезной водой. Я решил провести исследование своей питьевой воды с целью выяснения её состава и влияния его на моё здоровье и здоровье моих родных и друзей и, возможно, выработать советы по повышению её качества.

           Актуальность: в настоящее время остаётся актуальным решение проблем чистоты окружающей среды, из которых проблема качества питьевой воды для людей наиболее важна, так как человек ежедневно использует её.  Без пищи человек может прожить около сорока  дней, а без воды лишь восемь (6).  Люди не задумываются над тем, какую воду они пьют и используют для приготовления пищи, чем, возможно,  приносят вред своему здоровью.

 Проблема: как определить качество питьевой воды, чтобы быть уверенным, что моя домашняя вода не причинит  вреда здоровью моей семье и  друзьям.

Тема: «Исследование качества  воды, которую мы пьём»

Предмет исследования: качество домашней  питьевой воды.

Объект исследования: питьевая вода.

Цель работы: исследование состава домашней питьевой воды, прогноз последствий его воздействия на организм человека и выработка советов по повышению качества воды.

Задачи работы:

* найти в источниках информации и проанализировать данные о  качестве питьевой воды, воздействии её на организм человека, способах улучшения качества воды;

* провести опрос членов семьи и друзей о знаниях состава питьевой воды и влиянии  его на наше  здоровье;

* подобрать методику и исследовать качество домашней питьевой воды;

* сформулировать и оформить выводы  о влиянии минерального состава питьевой воды на здоровье человека, довести их до  членов семьи, разработать рекомендации по улучшению качества воды.

Гипотеза: допустим, что домашняя питьевая вода не достаточно качественная, тогда  я смогу определить присутствие в ней вредных веществ и принять меры по улучшению её состава, чем буду способствовать укреплению здоровья членов моей семьи и друзей.

Методы исследования: анализ литературы, статей из Интернета, опрос и тестирование членов семьи и друзей, наблюдение, исследование минерального состава питьевой воды по методикам, предложенным в  книге «Химия. Предметные недели в школе» Л.Г. Волыновой, самоанализ и самооценка.

Анализ  литературы по теме.  Существует обширная литература, посвящённая данной теме. Наиболее  подробно представлен материал по требованиям к качеству питьевой воды и влиянию её минерального состава на здоровье человека  в книге Ицковой А.И. «Наш быт глазами врача». Главные ионы пресных вод перечислены в книге Дерпгольца В.Ф. «Мир воды». Предельно допустимые концентрации элементов состава воды я нашёл  на сайтах Интернета.

Проведено тестирование и опрос членов моей семьи и друзей  о знаниях  минерального состава питьевой воды, воздействии его  на здоровье человека и способах улучшения качества воды. Оказалось, что большинство респондентов знают составляющие качества питьевой воды, но не знают о воздействии его  на здоровье человека и из  способов улучшения качества предлагают кипячение  (Приложение 1).

2. Основная часть

Раздел 1

Глава 1. Качество  питьевой воды

   Показателем качества питьевой воды является её минерализация. Общая минерализация — это количественный показатель содержания растворенных в воде веществ. Его еще называют солесодержанием, так как вещества, растворенные в воде, находятся в виде солей. Наиболее распространенные неорганические соли (гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты кальция, магния, калия и натрия) и небольшое количество органических веществ, растворимых в воде (1).  Решая вопрос о том, в каком количестве те или другие соли  могут содержаться в воде без вреда для здоровья человека, учёные проводят эксперименты на лабораторных животных, изучают влияние воды различного солевого состава на состояние здоровья людей, длительное время её потребляющих. В результате  исследований  устанавливаются безвредные уровни содержания в питьевой воде различных солей, которые выражаются в граммах вещества или иона на литр воды и называются предельно допустимыми концентрациями (ПДК) (3).                                          Согласно ГОСТу  СанПиН 2.1.4.1074-01 вода признанная   питьевой «должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу, и иметь благоприятные органолептические свойства» (7).    В соответствии с действующими стандартами и нормами под термином питьевая вода высокого качества подразумевается: по органолептическим показателям - это прозрачная вода, без запаха и с приятным вкусом; жесткость не выше 7 –10 градусов жёсткости; суммарное количество полезных минералов не более 1000 мг/л; вредные химические примеси либо составляют десятые-сотые доли предельно допустимых концентраций (ПДК), либо вообще отсутствуют (то есть их концентрации очень малы); болезнетворные бактерии и вирусы отсутствуют (3).

Глава 2. Воздействие минеральных элементов воды на здоровье человека

          Вопрос о «минеральном составе» человека и, соответственно, потребностях его организма очень сложный. На бытовом уровне мы используем термины «полезные» вещества, «вредные» или «токсичные». Но сама постановка вопроса о вредности-полезности химических элементов относительна. Еще в древности было известно, что все дело в концентрациях. То, что полезно в минимальных количествах, может оказаться сильнейшим ядом в больших. По значениям предельно допустимых концентраций веществ питьевой воды (ПДК) к «главным ионам» в составе воды можно отнести катионы  кальция (ПДК–200 мг/л)  и магния (ПДК –100 мг/л).  Кальций является составной частью костной ткани (зубы, кости), участвует в сокращении мышц, в процессе свёртываемости крови, в сердечной деятельности, а  магний участвует в механизмах регуляции возбудимости нервных волокон и мышц (2). Избыточное содержание кальция и магния в воде связано с понятием «жёсткость воды». Норма жёсткости питьевой воды до 10 градусов жёсткости. Постоянное употребление внутрь воды с повышенной жесткостью приводит к накоплению солей в организме и, в конечном итоге, к заболеваниям суставов (артриты, полиартриты), к образованию камней в почках, желчном и мочевом пузырях. В эксперименте на животных и добровольцах установлено, что нижний предел минерализации 100 мг/л. При этом минимальное содержание кальция должно быть не менее 25 мг/л, магния - 10 мг/л (4).  Калий и натрий  (ПДК по 200 мг/л) также необходимы для нормальной жизнедеятельности организма, т.к. они являются компонентами калий-натриевого насоса - это структура на мембране каждой клетки, благодаря которой в клетку проникают вещества из межклеточной жидкости, а из клетки выводятся продукты ее жизнедеятельности. Кроме того, особенно важен калий для сердечно-сосудистой деятельности, т.к. он нормализует давление крови и работу сердца.                                  

             Главными ионами среди анионов в питьевой воде являются: гидрокарбонат ион (ПДК -1000 мг/л); сульфат ион (ПДК-500 мг/л); хлорид ион (ПДК-350 мг/л); карбонат ион (ПДК-100 мг/л). Наличие в воде хлоридов и сульфатов природного происхождения более 350 мг/л придает ей солоноватый привкус и приводит к нарушению пищеварительной системы у людей. Вредные нитрат-ионы содержатся главным образом в поверхностных водах (колодезная вода - грунтовая, значит, в моей воде нитратов не должно быть). Нитраты в концентрации более 20 мг/л оказывают токсическое действие на организм человека. Постоянное употребление воды с повышенным содержанием нитратов приводит к заболеваниям крови, сердечнососудистой системы, мочекаменной болезни (2).                                                                                            

          Из природных химических веществ, содержащихся в воде в малых количествах,  большое физиологическое значение имеют, прежде всего, фтор и иод. Фтор повышает устойчивость зубов к кариесу, стимулирует кроветворение, реакции иммунитета, участвует в росте скелета, предупреждает развитие старческого остеопороза, влияет на обмен жиров и углеводов. Питьевая вода должна содержать не менее 0,7 и не более 1,5 мг/л фтора. При повышенном содержании фтора  в воде (более 1,5 мг/л) развивается заболевание флюороз, внешним признаком которого является появление пятен на зубной эмали. При содержании фтора в количестве менее 0,5 мг/л возникает кариес зубов. Снижение содержания иода в воде приводит к заболеванию щитовидной железы (эндемический зоб) (3).  Наиболее опасно для человека содержание тяжелых металлов в питьевой воде: Pb (свинца), Al (алюминия), Mn (марганца), Fe (железа), Zn (цинка), Hg (ртути).  Попадая в наш организм, они остаются там навсегда, вывести их можно только с помощью белков молока и белых грибов. Достигая определенной концентрации в организме, они начинают свое губительное воздействие — вызывают отравления, мутации. Ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы печени, таким образом, снижая фильтрационную способность этих органов. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, т.е. самоотравление организма. Металлы и их соединения проникают в ткани организма в виде водного раствора. Проникающая способность очень высока: поражаются все внутренние органы. Накапливание в организме свинца или ртути   приводит к поражению почек и сердечной мышцы. Появление ионов железа трёхвалентного более 0,3 мг/л  приводит к поражению капилляров, разрушает печень и иммунную систему. Повышенные концентрации сопутствующего железу марганца более  0,1 мг/л способствуют развитию аллергических реакций, болезней кожи и подкожной клетчатки, увеличивают риск развития болезней крови.  Ионы  алюминия приводят  к отравлению, а ионы мышьяка и радиактивных элементов -  к возникновению раковых заболеваний (7). Думаю, что из тяжёлых металлов в домашней питьевой воде нашей местности  может  быть свинец. Он выделяется  с выхлопными газами и может попасть с поверхностными весенними и летними водами в колодец (вода считается безвредной в том случае, если содержание в ней свинца не более 0,03 мг/л). В связи с процессом ржавления водопроводных труб, по которым вода доставляется на кухню, в ней может быть железо трёхвалентное и марганец. (Приложение 2).

Глава 3. Способы повышения качества питьевой  воды

        Без всякого преувеличения можно сказать, что высококачественная вода, отвечающая санитарно-гигиеническим и эпидемиологическим требованиям, является одним из непременных условий сохранения здоровья людей. Но чтобы она приносила пользу, ее необходимо очистить от всяких вредных примесей и использовать  чистой.
      Как очистить? Во-первых, кипячением. При выборе способа очистки воды нужно помнить, что сырая вода гораздо полезнее для здоровья человека. Кипяченая вода считается "мертвой", т.к. в ней видоизменён минеральный состав. Однако если есть хоть малейшие сомнения в качестве водопроводной воды, то все-таки лучше вскипятить её. "Оживить" кипяченую воду помогут настои листьев малины, чёрной смородины, настой плодов шиповника, хвоща полевого.  Во-вторых, для очистки воды можно  использовать фильтры, удаляющие из воды соли жесткости, растворенное железо, марганец, а также нерастворимые примеси.  Еще один способ очищения - замораживание воды до состояния льда с последующим оттаиванием. Используйте замороженную воду! Помните, что  кусок льда, который получается в середине замораживания - и есть чистейшая природная вода, полезная для здоровья человека. Оттаивать этот лед нужно при комнатной температуре. Свои целебные свойства талая вода сохраняет в течение 7-8 часов после размораживания.                                                                                        Существуют различные бытовые водные фильтры. Адсорбционный фильтр на активированном угле, я думаю, можно приготовить самим. Уголь очистит питьевую воду от примесей железа, марганца, избытка хлора (7).

.

Раздел 2

Глава 1. Исследование физических свойств  домашней питьевой воды

Исследование домашней питьевой воды я провёл по методикам, предложенным в  книге «Химия. Предметные недели в школе» Л.Г. Волыновой.                          Исследование физических свойств я  провёл органолептическим путём.                    Прозрачность воды я определил по специальной   методике: в стакан налил  30 см воды и смотрел на  шрифт высотой букв  2 мм, держа стакан  на расстоянии 4 см от книги.  Буквы хорошо видны.     Вывод: вода прозрачна, что соответствует норме.                                                                                                                                                        Цвет  (окраску) определил    рассматриванием   сверху столбика воды   высотой   20 см   в сравнении с дистиллированной водой.  Вывод: вода бесцветная, что   соответствует норме.                                                                        Запах определил для воды, нагретой на водяной бане до   60 градусов, используя таблицу. Вывод: запах не ощущается, но обнаруживается   при лабораторном исследовании, 1 балл.                                                                        Вкус. Испытуемую воду набрал в рот, задержал на 3-5 секунд.  Интенсивность и характер вкуса оценил по пятибалльной  системе по таблице.  Вывод: вкус и   привкус  замечаются, если обратить на это внимание, 2 балла (норма) (Приложение 3).                                                                                                                                      

Глава 2. Исследование минерального состава воды домашней питьевой воды

Обнаружение хлорид – ионов. К 10 мл пробы воды прибавил 1 каплю азотной кислоты и 0,5 мл раствора нитрата серебра. Наблюдал появление слабого помутнения. Концентрацию хлорид - ионов определил  по таблице равной 10 мг/л.  Норма.
Обнаружение сульфат - ионов. К 10 мл пробы воды прибавил 2 капли соляной кислоты и прилил 0,5 мл раствора хлорида бария. Наблюдал слабое исчезающее  помутнение. Концентрацию хлорид-ионов определил по таблице равной 1 мг/л. Норма.
Определение жёсткости (ионов кальция и магния) титрованием. К    1     литру    воды добавлял       по   10 мл   (порция)    мыльного   раствора, каждый раз, хорошо   встряхивая. Наблюдал  образование     пузырей   при    использовании   13 порций  мыльного раствора. Вывод: 13 градусов жёсткости, вода  жёсткая.                                                         Обнаружение катионов свинца. В пробирку помещал  10 мл пробы воды, прибавлял 1 мл раствора реагента - бихромата аммония. Изменений окраски не наблюдалось.               Вывод: катионов свинца в воде нет.                                                                                     Определение содержания общего железа. В пробирку наливал 10 мл исследуемой воды, добавлял 3 капли концентрированной НNO3 и 1 мл 20%-ного раствора роданида  аммония. Наблюдал    слабо - розовое   окрашивание, определял   приблизительную   концентрацию железа в соответствии с таблицей, она равна  0,25 мг/л (близко к предельно допустимому)  (Приложение 4).        

Заключение

В результате исследования литературных источников и проведённых опытов с питьевой водой обнаружилось, что моя домашняя вода неплохого качества.  Тревожит лишь неприятный привкус воды, повышенный показатель по жёсткости воды и близкий к предельно допустимому показатель содержания  железа. Для улучшения качества домашней питьевой воды я создал памятку «Советы по улучшению качества домашней воды»:

1. Немного лимонной кислоты, растворённой в воде, не изменят её вкус, но смягчат воду, то есть уменьшат содержание в ней кальция и магния.
2. Чтобы избавиться от привкуса и уменьшить содержание вредного железа в воде, можно использовать очистку её адсорбентом - медицинским активированным углём, помещённым в  пакетики из фильтровальной бумаги.
3. Можно использовать  специальные фильтры для очистки питьевой воды, которые предлагают нам в торговле.

          Надеюсь, с применением этих советов качество домашней воды улучшится, её употребление больше не будет  приносить вред  нашему здоровью.

          Работа по изучению качества питьевой воды оказалась интересной и полезной не только для меня и моей семьи, но и для  моих друзей. В будущем можно исследовать влияние воды в нашей местности на здоровье сельчан.

Литература

1. Дерпгольц В.Ф. Мир воды. - Л.: Недра, 1979.-254 с.
2. Здоровье всей семьи. Полная энц. Для всех и каждого/ Сост. Г.А. Лапис. - СПб: ИД «ВЕСЬ»,2003.-720 с.
3. Ицкова А.И. Наш быт глазами врача.- 2-е изд., перераб. и доп.-М.:Медицина.1991.-144 с.
4. Книга для чтения по неорганической химии. Книга для учащихся. В 2 ч.1./Сост.В.А.Крицман.-3-е изд. перераб. - М.: Просвещение.1993.-192 с.
5. Химия. Предметные недели в школе: планы и конспекты мероприятий/авт.-сост. Л.Г.Волынова и др.- Волгоград: Учитель,2007.-142 с.
6. Широкова В. Вода.- М.: Слово/SLOVO.2001.- 48 стр.
7. zdravnlk.ru›stati/voda-i-zdorove-cheloveka/                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Приложение 1.       График. Результаты теста-опроса  членов семьи и друзей о знаниях  состава питьевой воды и влиянии  его  здоровье

Вопросы опроса:  

1.Знаете ли вы состав питьевой воды?

А) да, Б) нет

2. Знаете ли вы, как состав питьевой воды влияет на здоровье человека:  

А) да, Б) нет

3. Как улучшить состав домашней питьевой воды?

А) кипячением, Б) специальные аппараты, В) не знаю

Приложение 2. Таблица. Основные компоненты минерального состава воды и их допустимые концентрации

Приложение   3.    Таблица. Определение интенсивности и характера проявления запаха

и вкуса в пятибалльной системе

Приложение   4.  Таблица и фото.    Результаты    исследования    приблизительной

концентрации ионов   хлора, сульфат-ионов,  железа (3) и свинца в  исследуемой питьевой

воде