Тезисы к исследовательским работам
проект по теме

Многие промышленные предприятия являются источниками сточных вод, которые содержат разнообразные ионы металлов, например никель, цинк, медь, свинец и железо, хром, кадмий. Одним из самых токсичных из них является хром.

          Предельно допустимая концентрация хрома в водах санитарно-бытового пользования равна 0,1 мг/дм3.

Влияя на состав и свойства природных вод, соединения хрома вызывают необратимые изменения в растениях и в организмах животных, а через них воздействуют на всю биосферу. Токсическое действие хрома на организм человека во всех случаях приводит к ухудшению обмена веществ, кожи и слизистых, приводящих к их изъязвлению, поражению органов дыхания вплоть до развития пневмосклероза. Независимо от пути введения соединений хрома в организм в первую очередь поражаются почки.

Одним из эффективных и технологически простых способов удаления хрома (VI) из сточных вод  является  адсорбция.

В качестве адсорбентов применяются следующие вещества: активные угли (древесный, кровяной, костяной), гель кремниевой кислоты, глинозём, каолин, некоторые алюмосиликаты, а также природные (цеолиты) и синтетические (ионообменные смолы). При использовании высокоактивных адсорбентов можно получать воду практически с нулевыми остаточными концентрациями загрязняющих веществ. Адсорбция на ионно-обменных смолах позволяет не только извлекать металлы из сточных вод, но и повторно их использовать. Этот способ целесообразно применять при концентрации тяжелых металлов в стоках 1,0 - 1,5 г/л. Основные недостатки применения данных адсорбентов - их дефицит, сложность процесса обезвреживания или утилизации элеатов.

Актуальность и новизна: в последние десятилетия в связи с накоплением в биосфере большого количества загрязнителей, в том числе соединений хрома, особую актуальность приобрёл поиск новых, эффективных и недорогих адсорбентов. Например, уже используют побочные продукты сельского хозяйства, такие  как скорлупа лесного ореха, кокосовая шелуха и морские водоросли.

Заинтересовавшись темой, я выдвинула   гипотезу:    верно ли, что растения – суккуленты (кактусы) являются адсорбентами для очистки хромсодержащих сточных вод.

Цель:  изучение адсорбционной способности растений – суккулентов (на примере кактуса) для очистки сточных вод от хрома.

В качестве объекта исследования я выбрала растения – суккуленты, а именно кактусы.

Предметом исследования стали модельные хромсодержащие растворы (сточные воды).        

Для  достижения цели были  поставлены следующие задачи:  

1. Найти и изучить литературу по морфологии растений-суккулентов.
2. Выяснить, содержится ли хром в сточных водах  предприятий города Ханты-Мансийска.
3. Изучить адсорбционную способность растений-суккулентов на примере кактуса.
4. Определить зависимость эффективности адсорбционной очистки от продолжительности   данного процесса.
5. Определить влияние хромсодержащего раствора на  прорастание семян индикаторного растения (бобов).

Экспериментальная часть работы проведена в химической лаборатории СОШ №2 города Ханты-Манстийск и на базе Федерального Государственного учреждения «Центр лабораторного анализа и технических измерений по Уральскому ФО» по ХМАО-ЮГРА.

Содержание хрома определяли по  «Методике выполнения измерений массовой концентрации хрома в природных и сточных водах  фотоколориметрическим методом».  

Полученные данные первого  опыт по «Изучению адсорбционной способности кактуса»  мы занесли в таблицу, и на её основе построили гистограмму, из которой видно, что, чем больше навеска  выбранного адсорбента, тем больше поглощается Сг6+ на нём, т.е. зависимость прямая.

Используя аналогичную методику мы выполнили второй опыт  «Адсорбционная очистка  воды, полученной после таяния снега».

Проба снег была взята в Белоярском районе. Результаты опыта показали, что адсорбционная очистка природного объекта-снега на кактусе достаточно эффективна. Содержание Сг6+ уменьшилось с 0,0127 до  0,0023 мг/л, т.е.  в 5,5 раз.

 «Определение зависимости эффективности очистки раствора от продолжительности адсорбционного процесса» - это 3 опыт.

Вывод: Из приведённых в таблице данных и из гистограммы видно, что продолжительность адсорбционного процесса ведёт к более эффективной очистке раствора от хрома, т.е. зависимость вновь прямая.

Заключение

В ходе работы мы  подтвердили гипотезу  по эффективности применения кактуса в качестве адсорбента для очистки  сточных вод от хрома. Полученные результаты демонстрируют большой потенциал остатков биоматериала, как дешевых адсорбентов тяжелых металлов.

1. Результаты нашей работы показывают, что, чем больше навеска биоматериала кактуса, тем ниже содержание Сг6+ в растворе после адсорбции, а увеличение продолжительности адсорбционного процесса ведёт к более эффективной очистке раствора от хрома.
2. Хромсодержащие растворы оказывают сильное ингибирующее влияние на прорастание семян индикаторных растений (фасоли): всхожесть семян фасоли после обработки хромсодержащим раствором была равна нулю, что связано с высокой чувствительностью этого растения к внешним воздействиям, так как вообще фасоль относится к семейству бобовых, которые характеризуются высокой энергией прорастания.
3. Несмотря на то, что (по данным ЦЛАТИ) в городе Ханты-Мансийске нет источников хромсодержащих сточных вод.

Рекомендации:

1. Технология удаления других тяжелых металлов, используя биоматериалы, как кактус, была бы эффективным методом для экономичной очистки сточных вод.
2. В промышленности методика может быть использована для предобработки сточных вод, с целью удаления тяжелых металлов из стоков подземных выработок и индустриальных сточных вод.
3. Материалы  исследования рекомендуем использовать в школе на занятиях элективного курса по экологии.

«Изучение возможностей растений для восстановления почв

после нефтяного загрязнения»

Шрейдер Виктория Александровна

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2»,

г. Ханты-Мансийск

Актуальность и новизна

Загрязнение природной среды при нефтедобыче и транспортировке нефтепродуктов наносит огромный вред природе и экономике: деградируют сельскохозяйственные угодья, падает урожайность сельскохозяйственных культур, уменьшается продуктивность лесов и лугов, изымаются из хозяйственного оборота значительные площади плодородных земель, загрязняются грунтовые и подземные воды. А причина этого заключается в том, что загрязняющие почву нефть и нефтепродукты ухудшают водный режим и физические свойства почвы, снижают содержание подвижных соединений азота и фосфора, вызывают разрушение хлорофиллов и каратиноидов, оказывают токсическое действие на развитие растений (Шепелева Л.Ф., Филимонова М.В., 2008).

В то же время для естественного восстановления загрязненных земель требуются сотни, а порой и тысячи лет (Андерсон Р.К., Мукатонов А.Х., Бойко Т.Ф., 1980). Отсюда особое значение в настоящее время приобретает рекультивация земель (http://top100.rambler.ru/), с помощью новых способов, например, с помощью выращивания культурных и дикорастущих растений, которые устойчивы к нефтяному загрязнению (Известно, что научные исследования по адаптации растений к нефтяному загрязнению проводятся в России сравнительно недавно).

Цель нашей работы - изучение возможностей применения высших растений в качестве одного из звеньев в технологической цепочке рекультивации почв, загрязненных нефтью.

Объектом исследования  являются высшие растения (редис и овёс посевной).

Гипотеза: Верно ли, что высшие растения можно применить для рекультивации почв, загрязнённых нефтью.

Для раскрытия цели были поставлены следующие задачи:

1. Найти и изучить литературу о рекультивации земель в Ханты-Мансийском округе.
2. Чтобы доказать, что высшие растения можно применить для рекультивации почв, загрязнённых нефтью (нефтепродуктами) различной концентрации, мы поставили задачу: выяснить степень влияния нефти на них.
3. Оценить степень изменения содержания углеводородов нефти в загрязненной почве

      при   повторном выращивании на ней одних и тех же растений.

    4.     Донести до сведения общественности о результатах исследования.

Этапы исследования:

1. Обзор литературы о рекультивации земель в Ханты-Мансийском округе.

2. Планирование и проведение эксперимента по изучению степени влияния нефти на растения и возможности их использования для рекультивации почв, загрязнённых нефтью (нефтепродуктами) различной концентрации.

2. Описание эксперимента, анализ полученных данных, формулирование выводов.
3. Разработка перспективных мероприятий по дальнейшему исследованию темы.

Исследование проходило на базе лаборатории МОУ СОШ № 2 в период с февраля по сентябрь 2010  года.

Нами были проведены модельные опыты. Повторность их трёхкратная. Для исследования были взяты культурные растения овёс посевной (Avena fatua L) и редис сорта «Ранний красный».

Для проведения экспериментов в лаборатории были использованы пластмассовые ёмкости. Каждую ёмкость наполняли почвой - средним суглинком.

Для решения поставленных в работе задач мы использовали следующие методы лабораторных исследований:

1. Влияние различных концентраций нефти на высшие растения

Для изучения влияния различных концентраций нефти на развитие растений, в каждую ёмкость с почвой добавлялась сырая нефть в количестве: 1, 5, 10, 20, 30 или 50 мл. Добавленная в ёмкость нефть, тщательно перемешивалась с почвой, и производился полив водой.

Затем проводились фенологические наблюдения  по общепринятым методикам (Бейдеман И.Н., 1974). Среди фенологических показателей у растений регистрировались дни появления всходов, первого, второго, третьего и четвертого настоящих листьев (Бейдеман И.Н., 1974).

2. Влияние разных фракций нефти

 (бензина,  машинного масла) на растения

      Проводился посев растений на почву, загрязнённую бензином (20 мл на 200 г почвы) и машинным маслом (20 мл на 200 г почвы) и влияние нефтепродуктов на растения изучалось по времени появления всходов, первого и второго настоящих листьев.

3. Изменение содержания углеводородов нефти

в загрязненной почве при выращивании на ней одних и тех же растений.

    Проводились  четыре последовательных посевов редиса с интервалом в два месяца на одну и ту же почву, загрязнённую нефтью (20 мл на 200 г почвы). Отмечалось появление у растений первого, второго, третьего и четвёртого листьев.

Глава 1

Рекультивация земель в Ханты-Мансийском округе

Обычные рекультивационные мероприятия, практикуемые в настоящее время в Ханты-Мансийском округе (Шепелева Л.Ф., Филимонова М.В., 2008), также как и на остальных территориях России - засыпка загрязнённых участков грунтом, сжигание нефти и нефтепродуктов, вывоз загрязненного слоя и его складирование на свалках (Андерсон Р.К., Мукатонов А.Х., Бойко Т.Ф., 1980; Колесников Б.П., 1974; Измайлов Н.М., Пиковский Ю.И., 1988). Однако эти меры далеко не всегда способствуют восстановлению почвенного плодородия и часто сами наносят долговременный экологический ущерб природе. При сжигании нефти происходит резкое снижение биопотенциала и загрязнение атмосферы, гибель растений и фитоценозов, накопление токсичных и канцерогенных веществ в почве и растениях. При засыпке нефти замедляются процессы ее разложения. Складирование земли, загрязненной нефтью и продуктами ее распада, создает очаги вторичного загрязнения не только почво–грунтов, но и подземной и грунтовой воды (Стеревская Л.В., Яранцева Л.Д., 1976).

Глава 2

Результаты исследования

Опыт №1. Влияние различных концентраций нефти на высшие растения

Цель: Изучить влияние различных концентраций нефти на высшие растения по фенологическим показателям.

Оборудование и материалы: технические весы с разновесками, пластмассовые ёмкости (14 шт.), почва (тип средний суглинок), нефть, семена редиса сорта «Красный ранний» и семена овса посевного.

Ход исследования:

Для изучения влияния различных концентраций нефти на развитие растений, в каждую ёмкость с почвой добавляли сырую нефть в количестве: 1, 5, 10, 20, 30 или 50 мл. Добавленную в ёмкость нефть тщательно перемешивали с почвой и производили полив водой. Повторные поливы производили через 2-4 дня, по мере просыхания почвы.

Семена растений высеивали по 5 штук на глубину 1-2 см. Среди фенологических показателей у растений регистрировали появление всходов, первого, второго, третьего и четвертого настоящих листьев (Бейдеман И.Н., 1974). Результаты вносили в таблицы (табл. 2 и 3).

Таблица 2

Влияние различных концентраций нефти на редис

Таблица 3

Влияние различных концентраций нефти на овёс

Результаты и вывод: Различия в степени загрязнения почвогрунтов отчетливо проявляют себя через фенологические признаки у растений.

Фаза первого листа у проростков редиса отмечалась с 7-го дня при концентрации нефти 0, 1, 5 и 10 мл на 200 г почвы. При концентрации 20 и 30 мл на 200 г почвы эта фаза отмечалась только на 9-й и 10-й день опыта соответственно. Появление третьего настоящего листа при низких концентрациях нефти отставало от контроля на 2-3 дня, а при концентрации 20 мл на 200 г почвы - на 6 дней. При более высоких концентрациях нефти в почве (30 и 50 мл на 200 г почвы) третий настоящий лист вообще не образовался.

У проростков овса фаза первого листа отмечалась с 10-го дня при концентрации нефти 0, 1, 5  мл на 200 г почвы. При концентрации 10, 20 и 30 мл на 200 г почвы эта фаза отмечалась на 11-й, 12-й и 15-й дни соответственно. Появление третьего листа при концентрациях нефти 10 и 20 мл на 200 г почвы отставало от контроля на 2 и 6 дней соответственно.

При более высоких концентрациях нефти в почве (30 и 50 мл на 200 г почвы), как и в случае с редисом, третий настоящий лист у проростков овса не образовывался.

Таким образом, мы видим, что более высокие концентрации нефти в почве приводят к более сильному стрессу для высших растений.

Опыт № 2. Влияние разных фракций нефти

 (бензина,  машинного масла) на растения

        Цель: Изучить влияние нефтепродуктов (бензина и машинного масла) на растения.

Оборудование и материалы: технические весы с разновесками, пластмассовые ёмкости (4 шт.), почва (тип средний суглинок), бензин марки АИ-95, машинное масло «Лукойл», семена редиса сорта «Красный ранний» и семена овса посевного.

Ход исследования:

Выполнили посев редиса и овса на почву, загрязнённую бензином (20 мл на 200 г почвы) и машинным маслом (20 мл на 200 г почвы).  Изучение влияния нефтепродуктов на растения проводили по времени появления всходов, первого и второго настоящих листьев. Полученные результаты фиксировали в таблице (табл. 4).

Таблица 4

Влияние бензина и  машинного масла на редис «Красный ранний» и овёс посевной

Результаты и вывод: Данные таблицы показывают следующее: на почве, обработанной бензином, всходы редиса появились позднее, чем на почве, обработанной машинным маслом.  Всходов овса на почве с  бензином  вообще не наблюдалось. Таким образом, мы видим, что под действием бензина развитие редиса  и овса тормозилось. Это говорит о том, что действие более легких фракций нефти для растений токсичнее.

Опыт № 3. Изменение содержания углеводородов нефти

в загрязненной почве при выращивании на ней одних и тех же растений.

Цель: Оценить степень изменения содержания углеводородов нефти в загрязненной почве при выращивании одних и тех же растений.

Оборудование и материалы: технические весы с разновесками, пластмассовые ёмкости (14 шт.), почва (тип средний суглинок), нефть, семена редиса сорта «Красный ранний» и семена овса посевного.

Ход исследования:

Четыре последовательных посевов редиса проводили с интервалом в два месяца на одну и ту же почву, загрязнённую нефтью (20 мл на 200 г почвы). Отмечали появление у растений первого, второго, третьего и четвёртого листьев. Результаты фиксировали в таблицу (табл. 5).

Таблица 5

Результаты повторных посевов на загрязнённую почву

Результаты и вывод: Из таблицы видно, что

1. Растения (редис и овёс), посаженные одновременно с внесением нефти в почву, погибли после появления первого листа (рис. 1 и 2).

                                              Рис. 1. Фото всходов редиса (контроль)

                               Рис. 2. Фото всходов редиса на почве, обработанной нефтью

2. Растения (редис и овёс), посеянные через два и четыре месяца после нефтяного загрязнения, образовали по два настоящих листа.
3. Растения (редис и овёс), посаженные через восемь месяцев, развили, как и в контроле, по три настоящих листа.    

 Таким образом, при повторных посевах одной и той же культуры на загрязненную почву наблюдается уменьшение ингибирующего действия нефти на развитие растений.

Заключение

          В результате проведённых исследований по определению влияния различных концентраций нефти на высшие растения (редис и овёс) мы выяснили, что более высокие концентрации нефти в почве приводят к более сильному стрессу для высших растений.

          Исследование влияния разных фракций нефти на редис и овёс показало, что более лёгкие фракции нефти (бензин) оказывают на высшие растения более токсичное влияние.

При повторных посевах одной и той же культуры на загрязненную почву наблюдается уменьшение ингибирующего действия нефти на развитие растений.

Таким образом, в ходе работы мы  подтвердили гипотезу  об использовании высших растений для рекультивации почв, загрязнённых нефтью и нефтепродуктами.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ КРАЕВОГО ЭФФЕКТА В РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВАХ НА ГРАНИЦЕ КОНТАКТА «ЛЕС-ЛУГ» (НА ПРИМЕРЕ ЛОГА ХОЛОДНОГО, ПРИРОДНЫЙ ПАРК «САМАРОВСКИЙ ЧУГАС»)

Лобанова Юлия Алексеевна

Учитель химии, Ю.П. Пережегина

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №2», 10 класс

Российская федерация, Ханты-Мансийский автономный округ-Югра,

город Ханты-Мансийск

В настоящее время проблема сохранения окружающей среды в целом и в том числе краевого эффекта «лес-луг» концентрирует на себе внимание экологов не только нашей страны, но и всего мира. На территории города Ханты-Мансийска в последнее время происходит активное преобразование естественных ландшафтов и повышение хозяйственной освоенности городской территории и устойчивый рост эмиссии загрязнителей. Поэтому и нас заинтересовал вопрос о ценности краевого эффекта

Краевой эффект — это сочетание комплекса факторов, обуславливающих тенденцию к увеличению разнообразия и плотности организмов на окраинах двух соседствующих сообществ в наш случае «лес-луг» и в переходных областях между ними.

Новизна нашего исследования состоит в том, что на сегодняшний день, подобная работа на территории лога Холодный (Природный парк «Самаровский чугас») не проводилась.

Цель: выявление особенностей проявления краевого эффекта на границе контакта «лес-луг».

Гипотеза: Верно ли, что в области контакта сообществ растений луга и леса развивается краевой эффект, проявляющийся в повышении видового богатства растений, более высокой их продуктивности и увеличении активности почвенных ферментов.

Объект исследования: экотон на границе лес-луг на территории лога Холодного.

Предмет исследования: растительность экотона , каталазная  активность почвы.

Для подтверждения гипотезы мы решали задачи:

1. Описать видовой состав лесных и луговых растительных сообществ лога Холодного.
2. Охарактеризовать комплексы доминирующих видов в растительных сообществах леса, луга и области их перехода.
3. Проанализировать тенденцию изменения экологических показателей растительных сообществ и ферментативной активности почв в области контакта леса и луга.
4. Определить связь видового богатства растительных сообществ с биологической активностью почвы.

Материалы и методы исследования

Исследование проводили с июля по октябрь 2011 года на модельном участке лога Холодный, расположенном на территории Природного парка «Самаровский Чугас»

Для выявления краевого эффекта в области контакта растительных сообществ леса и луга заложена трансекта, которая содержал 9 площадок одинакового размера и расположенных на разном расстоянии друг от друга.

На каждой пробной площадке определяли видовой состав растений, проективное покрытие по шкале обилия-доминирования Браун-Бланке, надземную фитомассу растений в воздушно-сухом , также брали пробы почвы, на определение каталазной активности газометрическим способом (реакция с H2O2) по методу Галстяна.

В результате изучения растительности заложенной трансекты выявлено 47 видов растений, относящихся к 25 семействам. Видовой состав сосудистых растений представлен 45 видами (24 семейства), а мохообразных – 2 видами (1 семейство). Наибольшим видовым богатством отличаются сем. Бобовые (5 видов), Сложноцветные (5 видов) и Розовые (4 вида).

Общими для растительных сообществ леса, луга и лесолугового экотона были 11 видов: клевер луговой, незабудка дернистая, мятлик луговой, овсяница луговая, черноголовка обыкновенная, лютик ползучий, осока, лапчатка гусиная, таволга вязолистная, одуванчик лекарственный и хвощ лесной.

В составе растительности лесолугового экотона (участки 4-6) нами отмечено самое большое количество видов 33. Из них только 7 видов приурочено к экотону и не встречаются на лугу и в лесу. К таким видам относятся брусника обыкновенная, черника обыкновенная, звездчатка ланцетовидная, подмаренник северный, малина обыкновенная, ситник и осот полевой.

Растительные сообщества луга, леса и зоны контакта «лес-луг» характеризуются специфичным набором доминантов. В луговом фитоценозе доминирует клевер ползучий, лапчатка гусиная и лютик ползучий, в лесном – мхи гилокомиум блестящий и плевроциум Шребера, а в области контакта сообществ - гилокомиум блестящий, кислица обыкновенная, хвощ лесной и черника обыкновенная.

Как видно из Таблицы 1, экологические индикаторы краевого эффекта (ферментативная активность почвы, видовое богатство и биомасса растительных сообществ) изменяются не согласованно. Например, всплеск числа видов растений отмечается на участках 3-7, фитомассы – на участках 2-4, а активности каталазы – на участках 2-8. Всплеск значений всех трех индикаторов краевого эффекта происходит только на участках 3-4 и, по-нашему мнению, они являются истинным экотоном. При этом повышенный уровень видового богатства растений и каталазной активности почвы в лесу, указывает на распространение экотона до участка 7.

Таблица 1. Экологические показатели сообществ растений и ферментативной активности почвы на изученной трансекте.

На основе полученных результатов мы сделали следующие выводы:

1. Видовой состав растений представлен 47 видами. Наибольшее их число (33 вида) отмечено в лесолуговом экотоне, меньшее (27 видов) - в растительном сообществе леса, а минимальное (23 вида) – в сообществе луга.

2. Растительные сообщества луга, леса и зоны контакта «лес-луг» характеризуются специфичным набором доминантов. В луговом фитоценозе доминирует клевер ползучий, лапчатка гусиная и лютик ползучий, в лесном – мхи гилокомиум блестящий и плевроциум Шребера, а в области контакта сообществ - гилокомиум блестящий, кислица обыкновенная, хвощ лесной и черника обыкновенная.

3. В области контакта сообществ растений луга и леса развивается краевой (опушечный) эффект, проявляющийся в повышении видового богатства растений, более высокой их продуктивности и увеличении активности почвенных ферментов. Это указывает на развитие в этой области экотона, который распространяется на 10.5 м от границы контакта сообществ как в сторону леса, так и в сторону луга.

4. Выявлена тесная прямая связь активности почвенной каталазы с видовым богатством растений, что может быть связано развитием в области экотона благоприятных условий для почвенных организмов, привлекаемых более высоким разнообразием корма.

Практическая значимость работы:

а) Результаты работы позволяют оценить биологическое разнообразие экотона на границе лес-луг на территории лога Холодного и других моделях. Создание и обоснование теоретических и методических основ устойчивого природопользования в зоне экотона «лес-луг», оценка экологического состояния и разработка конкретных практических рекомендаций и схем природопользования – являются актуальными с научной точки зрения и имеют важное народнохозяйственное значение.

б) Материалы исследования могут быть использованы на занятиях элективного курса  в школ.е 

Рекомендации:

1. Необходима смена принципов ведения хозяйствования в экотоне «лес-луг» лога Холодного, ориентация на рациональное природопользование, в том числе исключить антропогенное влияние.

2. Для разработки и принятия эффективных управленческих решений необходимо:

–  активизировать разработку кадастров природных ресурсов лесо-луговых  территорий.

–  детализировать градостроительный, лесной кадастры.

Список литературы

1. Минеев В.Г. и др. Практикум по агрохимии: Учебн. пос. М.: Изд-во МГУ, 2001. 689 с.
2. Самедов П.А., Надиров Ф.Т. Влияние дождевых червей и мокриц на физико-химические и поверхностные свойства почв / Почвоведение, №8, 1989. С.109-115.
3. Зайков Г.И. Учение о растительных сообществах. Омск: Изд-во ОмГПУ, 1971. 154 с.
4. Комиссарова Т.С. Полевые уроки по геоэкологии. СПб: Просвет, 1995. 168 с.
5. Нетрусов А.И., Захарчук Л.М. и др. Практикум по микробиологии: Учеб. пос. для студ. ВУЗов. М.: Издательский центр «Академия», 2005. с. 105-107.
6. Бабьева И.П., Агре Н.С. Практическое руководство по биологии почв. М.: Сельхозлит, 1971. 211 с.

Сравнительный анализ определения ионов железа в воде

Тарасюк Яна

Научный руководитель - Ю.П. Пережегина, учитель химии

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

 «Средняя общеобразовательная школа №2»

Российская федерация, Ханты-Мансийский автономный округ-Югра,

город Ханты-Мансийск

Актуальность и новизна

 Избыточное содержание железа опасно для здоровья человека. Но как определить концентрацию ионов Fe3+  жителям  города Ханты – Мансийска и других населённых пунктов, не прибегая к помощи специализированных лабораторий и станций обезжелезивания? Заинтересовавшись данным вопросом, я решила изучить методики определения ионов Fe3+  в воде и выбрать из них наиболее приемлемую для жителей населенных пунктов.

Цель: комплексное сравнение методик определения концентрации ионов Fe3+ из различных источников на территории города Ханты - Мансийска при помощи тиоционат - иона и танина.

Объект исследования: речная и водопроводная вода.

Предмет исследования: концентракция Fe3+ в воде.

Гипотеза: верно ли, что определение концентрации ионов железа в воде с помощью танина, содержащегося в отваре дуба, является наиболее эффективным и доступным методом для большинства жителей Ханты – Мансийска.

Задачи:

1. Изучить теоретические материалы о применении качественных реакций на ионы Fe3+ для определения его содержания в воде;
2. Составить колориметрическую шкалу для определения концентрации ионов Fe3+ с помощью тиоционат – иона;
3. Провести сравнительный анализ методик определения концентрации ионов Fe3+  в воде при помощи NCS- иона и танина;
4. Разработать оптимальную экспресс – методику по определению концентрации ионов Fe3+ в воде;
5. Составить рекомендации по употреблению воды из различных источников на территории города Ханты – Мансийска в качестве питья.

Глава 1

Определение содержания ионов Fe3+  в воде с помощью различных реактивов

        В водном растворе ионы железа находятся в гидратированной форме в виде комплексной частицы с лигандами – молекулами воды.

Fe3+ + 6H2O   Fe(H2O)6 3+

        Лучшим реактивом на ионы Fe3+  является органическое вщество феррон (7-йодо-8-оксихинолин-5-сульфоновая кислота). Это самый чувствительный реагент на ионы Fe3+ .

        Само вещество желтого цвета. При малых количествах Fe3+ становится зелёным. Реактив имеет максимальную чувствительность при рН=2,6.

        Феррон, к сожалению, мало доступен для школьных лабораторий, поэтому в нашей работе мы остановились на других качественных реакциях.

        В методической литературе чаще всего определяют железо по качественной   реакции с тиоцианат-ионами:

Fe3+ + 3NCS- Fe(NCS)3

        Тиоцианат-ионы,как более сильные лиганды, вытесняют молекулы воды.

Fe(H2O)6 3+ + NCS- Fe(NCS)( H2O)62+ + H2O

        Далее незначительное присутствие ионов железа  в воде приводит к образованию ярко окрашенного комплекса Fe(NCS) ( H2O)62+ . Таким образом, концентрацию ионов Fe3+  можно определить по цвету воды.

        В дополнительной литературе (Ивченко Л,А,, Макареня А.А.)  приводятся следующие данные:

Таблица № 1

        Подобные данные можно считать условными, так как они не отражают весь спектр концентрации Fe3+ и не дают видимого графического изменения окраски.

        Второй метод определения концентрации Fe3+ в воде редко применяется в лабораториях и промышленности, хотя ещё в средние века было известно, что сок чернильных орешков изменяет окраску соединений железа. В средние века к соку из галлов добавляли железный купорос или другие соли железа. На воздухе полученный раствор приобретал глубокий чёрно-фиолетовый цвет. Поэтому сок чернильных орешков длительное время использовался для получения чернил. Чернила эти очень устойчивы. Связано это с органическим веществом танином.

Танин, или галлодубильная кислота, получается из чернильных орешков (Gallae turcicae), наростов на молодых побегах малоазиатского дуба или отечественных растений – сумаха (Rhus coriaria L.). В нашей стране танин можно получить при длительном кипячении коры дуба или галловых наростов на его листьях.

С солями железа  танин образует комплексные соединения сине-фиолетового цвета. Чувствительность реакции 10-4 г/л, т. е.  окраска пробы меняется уже при концентрации Fe3+, равной 0,1мг/л.

Глава 2

Методика лабораторных работ

2.1. Методика определения концентрации ионов Fe3+ с помощью тиоцианат-иона

        Последовательным разбавлением концентрированного раствора хлорида железа готовят образцы, содержащие 50 мг/л, 30 мг водопроводная вода в северной части города, 20 мг/л, 10 мг/л ионов Fe3+ в воде.

В полученные образцы объёмом 10 мл добавляется концентрированная азотная кислота в объёме 1 мл для предотвращения гидролиза солей железа. Через 5 часов в каждую пробу добавляется по 2 мл 20% раствора тиоцианата железа (III). Экспериментальные образцы приобретают различную окраску. Затем по полученным  результатам составляется колориметрическая шкала (Приложение №).

2.2. Методика определения концентрации ионов Fe3+ с помощью раствора танина

        Методика проведения этого анализа основывается на оптических свойствах раствора: чем сильнее свет поглощается раствором, тем выше концентрация поглощенного вещества.

        Эта зависимость выражается формулой: D = kcl, где D – оптическое поглощение (измеряется в лабораториях прибором фотометром), k – коэффициент поглощения, с – концентрация вещества, l – длина пути (в сантиметрах), которую прошёл свет в растворе.

        Для окрашенных соединений, которые  танин образует с солями железа, коэффициент k равен 4000. Оптическое поглощение, при котором глаз человека способен заметить окраску этого раствора, равно 0,1. Отсюда концентрация вещества:

с = D/kl.

        Для проведения эксперимента готовят концентрированный  отвар коры дуба. Для этого 3 столовые ложки коры дуба заливают кипячёной водой и кипятят 30 минут на водяной бане (Приложение №).

        Высота образцов жидкости в мерном цилиндре должна быть 2,5 см. Свет проходит слой дважды: сначала вниз, а потом, отразившись от дна, вверх – значит, всего он проходит

5 см.

Глава 3

Результаты экспериментов

Опыт №1. Определение концентрации ионов Fe3+ с помощью тиоцианат-иона

Цель: используя графический вариант колориметрической шкалы определить концентрацию ионов Fe3+ в различных водных источниках города Ханты – Мансийска.

        Оборудование и материалы: мерный цилиндр, бюретка, стеклянные палочки, хлорид железа, дистиллированная вода, тиоцианат калия, концентрированная азотная кислота.

 Ход работы.  Используя указанную методику, мы провели необходимые реакции для 4 образцов воды в окрестностях города Ханты – Мансийска:

образец № 1 -  вода реки Иртыш (район ЗАО «Юграсудокомплект»);

образец № 2 - вода из колонки (район улицы Лермонтова);

образец №3- водопроводная вода в МОУ «СОШ № 2 (район Самарово);

 образец № 4 – вода из колонки в северной части города Ханты – Мансийска.

        Пользуясь колориметрической шкалой, мы определили следующую концентрацию ионов железа в этих образцах воды:

Таблица 1

Концентрация ионов Fe3+ в образцах воды

Опыт №2. Определения концентрации ионов Fe3+ с помощью раствора танина

Цель: определить концентрацию ионов Fe3+ в различных источниках с помощью раствора танина на основании его оптических свойств.

Оборудование и материалы: мерный цилиндр, бюретка, стеклянные палочки, дистиллированная вода, отвар дуба.

Ход работы.  Используя указанную методику, мы провели необходимые реакции для 4 образцов воды в окрестностях города Ханты – Мансийска:

образец № 1 -  вода реки Иртыш (район расположения ОАО «Юграсудокомплект»);

образец № 2 - вода из колонки (район улицы Лермонтова);

образец №3- водопроводная вода в МОУ «СОШ № 2(район Самарово);

 образец № 4 – вода из колонки в северной части города Ханты – Мансийска.

В каждый образец воды мы добавляли по 1 мл отвара коры дуба. Полученный раствор разбавляли до тех пор, пока окраска не становилась прозрачной, а затем измеряли высоту столбика для каждого образца и получили следующие результаты:

Таблица 2

Результаты измерений высоты столбика

 Подставляя эти данные в формулу (с = D/kl), мы получили:

Таблица 3

Концентрация ионов Fe3+ в образцах воды

        На основе таблицы построили диаграмму:

Заключение

1. Мы составили колориметрическую шкалу для определения концентрации ионов Fe3+ с помощью тиационат – иона.
2. Провели сравнительный анализ методик определения концентрации ионов Fe3+  в воде при помощи тиоцианат - иона и танина и выяснили следующее:

1. танин, выделенный из отвара коры дуба, реагирует с ионами  Fe3+  гораздо                эффективнее, чем тиоционат – ион.
2. танин, содержащийся в коре дуба, доступнее для использования его в домашних  условиях для определению Fe3+ в воде.

Мы также провели опрос: «Часто ли ощущается привкус железа в водопроводной воде, которую Вы используете для питья?», в котором участвовали 50 жителей города Ханты-Мансийска.

                    Результаты опроса показали, что водопроводная вода, используемая в качестве питьевой:

1. Достаточно чистая – 31%.
2. Не всегда прозрачная и ощущается привкус железа в ней– 25%.
3. Является чистой, но иногда меняет цвет и тогда появляется привкус железа – 44%.

Результаты своей работы мы использовали в беседе с опрошенными, где были даны следующие рекомендация:

Необходимо следить за содержанием ионов Fe3+ , используя оптимальную экспресс – методику по определению концентрации ионов Fe3+ в воде с помощью танина коры дуба.

На основе рекомендаций составили листовку «Железная» ли вода, которую Вы пьёте? Как определить это?».