Чистая вода в нашем доме - Сценарии прикладных уроков

Цели урока. Познакомить с современными способами очистки воды, качеством питьевой воды в своем населенном пункте и способами ее улучшения, ассортиментом и принципами работы бытовых фильтров для очистки воды, научить простым способам определения качества воды из природных источников, способствовать решению задач экономического и экологического воспитания.

Оборудование. Образцы воды из различных близлежащих природных источников, желательно с явными признаками загрязнений; образцы воды различной степени жесткости (дистиллированной, дождевой или снеговой, родниковой, колодезной — некипяченой и прокипяченной); образцы бытовых фильтров для воды и сменные кассеты для них — новые и использованные (желательно иметь кассеты, которые можно разобрать, чтобы рассмотреть наполнитель, например кассеты от фильтра «Барьер-4»); 1%-ный водный раствор сульфата алюминия, глина (20—30 г), два химических стакана на 200 мл, секундомер, кусочки хозяйственного мыла размером 1x1x1 см, пробирки, соль, сахар, фильтр-пакет с чаем, пакетик растворимого кофе.

Подготовка к уроку

Три-четыре учащихся по желанию выполняют домашний проект «Сколько стоит стакан чистой воды?».

Ход урока

Начинают урок с обсуждения проблемы пресной воды на планете.

К сожалению, жители северных районов России, где вода всегда была в достатке, не в полной мере осознают эту проблему. Но в России много таких регионов, где люди с детства привыкли ценить и беречь воду, например Приазовье.

Несмотря на то что вода — самое распространенное на Земле вещество, запасы пресной воды довольно ограниченны. Они составляют около 20 тыс. км³ на год. При усредненной норме расхода на одного человека — 1000 т воды в год (с учетом промышленности и сельского хозяйства) такого количества пресной воды может хватить на 20 млрд. человек. В настоящее время население нашей планеты составляет около 6 млрд. человек. Демографы считают, что 20 млрд. оно достигнет к 2100 г., и тогда запасов пресной воды на планете станет недостаточно.

Другая проблема — неравномерность распределения источников пресной воды на планете. Поэтому уже сегодня во многих регионах ощущается дефицит пресной воды.

Основные потребители пресной воды — сельское хозяйство (70%), промышленность, включая энергетику (20%’) и коммунальное хозяйство (около 10%).

В промышленном производстве наиболее водоемкими являются химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая промышленность. Расход воды (в м³) на получение 1 т современных материалов составляет:

• синтетическое волокно — 2500—5000;

• пластмасса — 500—1000;

• бумага — 400—800;

• сталь, чугун — 160—200.

Городской житель в доме со всеми удобствами расходует в день 200—300 л воды. Примерная структура расхода воды на бытовые нужды: питье и приготовление пищи — 6%, в смывном бачке туалета — 44, для ванны и душа — 35, мытье посуды — 7, стирка — 5, уборка помещения — 3%.

Вода, централизованно поступающая в водопроводную сеть городов и поселков, должна соответствовать государственному стандарту.

В соответствии со стандартом для приготовления пищи и в качестве питьевой может быть использована природная вода, если она не содержит вредных микроорганизмов, вредных минеральных и органических примесей, прозрачна, бесцветна, не имеет вкуса и запаха.

Содержание минеральных примесей не должно превышать 1 г/л.

Кислотность в пределах 6,5—9,5 pH.

Концентрация нитрат-иона — не более 50 мг/л.

В большинстве природных источников вода не отвечает полностью требованиям стандарта, поэтому ее очищают на специальных водоочистных станциях.

Выполняют демонстрационный опыт: определение качества воды из природного источника.

Оборудование. Термометр, мерный цилиндр высотой 30 см, 0,03%-ный раствор КМnO₄, кольцо из медной проволоки диаметром меньше диаметра цилиндра, электроплитка для нагревания воды, колбы, химические стаканы.

Ход работы

1. Температуру воды измерить сразу же после отбора пробы в течение 5 мин.

2. Запах воды оценивают при 20 и 40 °С, если необходимо, воду подогревают до этих температур. Оценивают запах по шкале (табл. 7).

Различают травянистый, болотный, гнилой, тухлый, затхлый, землистый запахи, могут присутствовать и запахи химических веществ: хлора, горюче-смазочных материалов.

3. Вкус воды испытывают после кипячения (5 мин) и охлаждения до 20 °С. Различают соленый, горький, сладкий и кислый вкус, а также привкусы: солоноватый, горьковатый и т. д. Для оценки вкуса в баллах пользуются шкалой оценки запаха.

4. Прозрачность. На дно цилиндра кладут кольцо из медной проволоки и доливают постепенно воду, пока кольцо еще видно. Высота столба воды, при которой кольцо становится невидимым, и является мерой прозрачности.

5. Окисляемость. В пробирку наливают 10 мл воды и добавляют 3 капли 0,03%-ного раствора КМnO₄, оставляют на 20 мин. Бели малиновая окраска сохранилась, вода удовлетворительная, при красноватой окраске — подозрительная, при желто-бурой — недоброкачественная.

Требования к воде для питья и поения животных: запах и привкус при 20 °С в баллах — не более 2, прозрачность — не менее 30 см.

Оценка запаха воды

Интенсивность запаха	Описательное определение	Балл
Нет	Отсутствие ощутимого запаха	0
Очень слабый	Запах ощущается опытным наблюдателем, не ощущается потребителем	1
Слабый	Запах не привлекает внимания потребителя, но обнаруживается наблюдателем	2
Заметный	Ощущается легко каждым человеком	3
Отчетливый (сильный)	Запах обращает на себя внимание, делает воду неприятной для питья	4
Очень сильный	Запах настолько сильный, что делает воду непригодной для питья	5

Основными стадиями очистки являются фильтрование (через слой песка) и обработка окислителями (хлором или озоном). Для большинства природных источников приходится дополнительно применять и такой способ очистки, как коагуляция. С помощью коагуляции воду очищают от мелковзвешенных примесей.

Для коагуляции используют сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ · 18Н₂O. В слабощелочной среде, создаваемой карбонатом кальция, под действием воды эта соль гидролизуется, и образуется студенистый осадок гидроксида алюминия Аl(ОН)₃:

Гидроксид алюминия вначале образуется в виде мелких коллоидных частиц, которые со временем объединяются в более крупные. Этот процесс называют коагуляцией. При коагуляции хлопья гидроксида алюминия захватывают взвешенные примеси и сорбируют на своей развитой поверхности органические и минеральные вещества.

Выполняют демонстрационный опыт по приблизительной оценке жесткости различных образцов воды.

Материалы и оборудование. Образцы воды различной степени жесткости: колодезная, водопроводная, родниковая (в зависимости от условий местности); образцы той же воды, но прокипяченной, дистиллированной или дождевой, снеговой, кусочки хозяйственного мыла размером около 1 x 1 х 1 см, пробирки.

Ход работы

В три пробирки наливают три образца воды по 10 мл:

1 — водопроводная или колодезная,

2 — та же вода, но прокипяченная,

3 — дистиллированная вода или дождевая, снеговая.

В каждую пробирку бросают кусочек мыла и сильно встряхивают пробирки, добиваясь как можно более полного растворения мыла (в течение 5 мин периодически встряхивают). Дают отстояться и описывают внешний вид полученных растворов: есть ли осадок в виде хлопьев, много осадка или мало, раствор почти прозрачный и т. д.

Результаты опыта описывают в виде таблицы.

Образец воды	Характеристика полученного раствора
Водопроводная	Раствор мутный, много осадка в виде хлопьев
Кипяченая	Раствор мутный, осадка почти нет
Дистиллированная	Раствор почти прозрачный, осадка нет

Обсуждение результатов опыта — беседа по вопросам.

1. В какой воде лучше всего растворяется мыло?

2. Какую воду лучше всего использовать для стирки, мытья волос, умывания?

3. Как улучшить растворимость мыла в водопроводной воде?

4. Почему в жесткой воде мыло плохо растворяется?

5. Как можно доказать, что в жесткой воде содержатся растворенные вещества? Как можно уменьшить их количество в воде?

6. Можно ли считать, что мыло является индикатором жесткости воды?

Работу можно усложнить — растворить в образце дистиллированной воды немного солей Са²⁺ или Mg²⁺ и проверить после этого растворимость мыла. Индикатором жесткости воды могут служить также соки некоторых ягод — черной смородины, черноплодной рябины, черники.

После обработки коагулянтом воду на городских станциях водоочистки подвергают действию хлора или озона. Это необходимо для уничтожения болезнетворных бактерий.

Обсуждают достоинства и недостатки этих методов.

Недостатки хлорирования:

• появление в воде новых и нередко еще более вредных примесей — хлорпроизводных органических веществ (учащимся предлагается написать уравнения реакции взаимодействия с хлором какого-либо простого органического соединения, например углеводородов, входящих в состав бензина);

• разрушение водопроводных труб вследствие коррозии;

• отрицательное влияние на здоровье людей со склонностью к аллергии.

Озонирование воды более предпочтительно как с точки зрения охраны здоровья людей, так и с точки зрения охраны окружающей среды, но возможности его применения ограничены. Дело в том, что озон достаточно быстро разлагается, и в городах с протяженностью водопроводных систем в десятки километров вода вновь загрязняется бактериями уже в трубах. Растворенный хлор сохраняется в воде достаточно долго, его запах ощущается даже непосредственными потребителями, в квартирах. Обработка воды хлором более надежна, а озонирование применяют только в относительно небольших и компактно застроенных населенных пунктах.

Следующий этап урока посвящают дополнительной очистке воды с помощью бытовых фильтров. Прежде всего обсуждают необходимость применения таких фильтров. Они незаменимы на дачах, в домах, где используется вода из природных источников, а в городских условиях необходимость применения фильтров обусловлена тем, что надо очищать воду от побочных продуктов хлорирования, кроме того, нередко городские очистные сооружения просто не справляются с объемом и разнообразием загрязнений природной воды. Важная причина применения фильтров — снижение жесткости воды.

Проводят демонстрационный опыт: очистка воды с помощью солей алюминия¹.

Цель. Познакомить на практике со способами очистки воды на водоочистительных станциях.

Оборудование и материалы. Стаканы на 200 мл — 2 шт., на 1 л — 1 шт., глина, Al₂(SO₄)₃ · 18Н₂O, секундомер или часы.

Ход работы

1. Готовят 1%-ный водный раствор сульфата алюминия.

2. В 1 л воды размешивают 6—10 г глины.

3. Полученною взвесь разливают по двум стаканам.

4. Добавляют в один из стаканов 5—6 капель приготовленного раствора сульфата алюминия, в другой стакан не добавляют ничего. По секундомеру или часам засекают время начала осаждения (сразу же после перемешивания).

5. Наблюдают за процессом осаждения глины в двух стаканах.

В стакане, в который добавлен сульфат алюминия, осаждение происходит значительно быстрее (полное осветление достигается за 2—5 мин, в другом стакане — примерно за 20 мин).

Обсуждение результатов

Прежде всего рассматривают процесс гидролиза соли алюминия, в результате которого образуется осадок гидроокиси. Этот объемный студенистый осадок захватывает мелкие частицы глины, ускоряя их осаждение. Именно таким способом очищают воду на очистных сооружениях.

Далее обсуждают возможности различных бытовых фильтров. На этом этапе урока учащиеся, которые выполняли домашние проекты, проводят презентацию различных образцов бытовых фильтров. Желательно обсудить возможности не менее двух различных моделей фильтров и все вопросы, которые приведены в рабочей тетради проекта.

Обсуждают также очень важный аспект применения бытовых фильтров — своевременная замена кассет.

Проводят демонстрационные опыты — пропускают чай, кофе, раствор поваренной соли, сахара через новую кассету и через кассету с полностью исчерпанным ресурсом.

Подчеркивают, что старая кассета не только практически не очищает воду, но и загрязняет ее теми примесями, которые были поглощены сорбентом за период ее использования.

Не менее важный для многих семей аспект применения фильтров — их экономичность.

Рассчитывают стоимость одного литра и одного стакана воды, очищенной бытовым фильтром. Кассета для фильтра кувшинного типа «Барьер» (специально для жесткой воды) рассчитана на очистку 350 л воды.

Стоимость кассеты (на оптовом рынке Москвы) — 105 р.

Стоимость очистки одного литра воды этим фильтром (105 р. : 350 л = 0,3 р., или 30 к.).

---

¹ Методика описана в экспериментальном пособии для учащихся 8 к л.: Химия и здоровье (факультативный курс) / Сост. Е. А. Бабенкова. М.: Изд-во АПН СССР, 1990. С. 54.