XAXANINA

УДК 504.064(076)

Рецензент докт. техн. наук, проф. С.А. Гаврилов

Хаханина Т.И., Борисов А.Г., Никитина Н.Г., Суханова Л.С.,

Осипенкова Н.Г., Ильяшева Е.В.

Лабораторный практикум по курсу "Экология" / Под ред. В.М. Рощина. - М.:

МИЭТ, 2014. - 116 с.: ил.

Практикум содержит лабораторные работы по курсу "Экология", призванные нау-

чить студентов качественному и количественному определению примесей в объектах ок-

ружающей среды - воде, почве, а также пищевых продуктах.

Рассмотрены как классические химические методы объемного анализа, так и инст-

рументальные (фотометрия, спектрофотометрия, электрохимические методы анализа).

Приведены примеры контрольных тестов по всем темам лабораторных работ.

Предназначен для студентов I - IV курсов всех факультетов МИЭТ. Может быть полезен дипломникам, аспирантам и всем, кто в той или иной степени связан с вопросами экологии и анализа.

МИЭТ, 2014

2

Хаханина Татьяна Ивановна Борисов Александр Григорьевич Никитина Нина Георгиевна Суханова Лилия Семеновна Осипенкова Наталья Геннадиевна Ильяшева Екатерина Владимировна

Лабораторный практикум по курсу "Экология".

Редактор Е.Г. Кузнецова. Технический редактор Е.Н. Романова. Верстка авторов.

Подписано в печать с оригинал-макета 24.06.2014. Формат 60 84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 6,73. Уч.-изд. л. 5,8. Тираж 750 экз. Заказ 34.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

3

Введение

Курс "Экология" весьма многопланов и включает множество различных аспектов экологической науки. Одним из важнейших таких аспектов является оценка влияния деятельности человека на окружающую среду. Суть происходящих на планете катастрофических процессов (изменение климата, состава атмосферы, состояние озоносферы, уменьшение биоразнообразия и продуктивности морской и континентальной биоты и др.) определяется нарушением эволюционно сформировавшихся химических равновесий. Огромные территории промышленных городов являются неблагоприятными зонами для экологической безопасности людей.

Из физических и химических факторов большую долю нагрузки, влияющей на здоровье населения, составляют загрязнения:

-питьевой воды;

-воздуха;

-почвы;

-продуктов питания.

Практикум включает лабораторные работы, посвященные химическому мониторингу перечисленных объектов окружающей среды. Аналитический контроль осуществляется на основе наиболее чувствительных и надежных методов анализа, как классических химических, так и современных инструментальных. Особое внимание уделено контролю качества воды (родниковой, дождевой, снеговой, водопроводной), в том числе контролю очистки воды фильтрами (бытовыми и производственными большой мощности). Для количественного определения токсичных примесей рассмотрены методики спектро- и фотометрии, электрохимические методы (ионометрия, потенциометрия, вольтамперометрия).

Дисциплина "Экология" относится к циклу естественных дисциплин. Студент после изучения дисциплины должен:

знать:

-основные законы и принципы экологии;

уметь:

-применять законы и принципы экологии для решения практических задач;

-прогнозировать возможное негативное воздействие современных технологий на экосистемы;

владеть:

-методами химического и экологического мониторинга

Лабораторный практикум предназначен для студентов вузов, занимающихся экологией и анализом.

4

КАЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДНОЙ ВОДЕ

Работа № 1

Качественное определение ионов токсичных металлов в воде

Вода относится к тем веществам, без которых существование жизни, в частности человека, на Земле невозможно. Качество употребляемой человеком воды непосредствен-

но сказывается на его здоровье и, как следствие, на продолжительности жизни. Так, ис-

пользование в быту воды без должной очистки может стать причиной возникновения эпи-

демий холеры и ряда других не менее опасных заболеваний.

Недопустимо присутствие в воде солей тяжелых металлов, так как все они в той или иной мере токсичны и могут накапливаться в человеческом организме. С этой точки зрения особую опасность представляют ртуть, свинец, кадмий, медь и хром. Содержание железа в воде обычно достаточно велико, поэтому, хотя оно и не относится к тяжелым металлам, его тоже включают в список элементов, подлежащих контролю. При этом в воде могут нахо-

диться как окрашенные ионы ( Fe2 , Fe3 , Cr3 , CrO24 , Cr2O72 , Cu2 , Co2 , Ni2 и др.), присут-

ствие которых сравнительно легко обнаруживается по характерной окраске воды, так и бес-

цветные ( Zn2 , Cd2 , Pb2 , Hg2 , Hg22 , Bi3 ), присутствие которых устанавливается только с помощью специальных химических реакций.

Бесцветные ионы

Цинк

Цинк относится к элементам с сравнительно низкой токсичностью, однако его из-

быток может привести к острым кишечным заболеваниям и рвоте. Источниками поступ-

ления цинка в природную воду являются отходы металлургической промышленности,

продукты коррозии сплавов и цинковых покрытий, рудные воды.

Предельно допустимая концентрация цинка в природной воде составляет 5 мг/л.

Опыт 1. Определение цинка

а) Определение сульфидом натрия.

При добавлении к раствору, содержащему катионы Zn2 , сульфида натрия образу-

ется белый осадок сульфида цинка

5

Zn2 S2 ZnS .

Это единственный из известных катионов металлов, образующий сульфид белого

цвета.

Добавьте к нескольким каплям исследуемого раствора 2 - 3 капли раствора сульфи-

да натрия. Запишите результаты опыта (опыт проводить под тягой!).

б) Определение щелочами.

При действии сильных гидроксидов (щелочей) KOH или NaOH на раствор, содер-

жащий катионы цинка, образуется белый осадок гидроксида цинка Zn(OH)2 , растворимый благодаря своим амфотерным свойствам и в кислотах, и в щелочах:

Zn2 2OH Zn(OH)2 ;

Zn(OH)2 2H Zn2 2H2O ;

Zn(OH)2 2OH [Zn(OH)4 ]2 .

В отличие от алюминатов, при действии на раствор, содержащий [Zn(OH)4 ]2 , хло-

рида аммония образование осадка гидроксида цинка не происходит, потому что послед-

ний растворим в солях аммония.

Налейте в пробирку раствор, содержащий катионы цинка, несколько капель 2 н

раствора щелочи до появления белого осадка, а затем избыток щелочи до его растворения.

Запишите результаты опыта.

в) Определение гексацианоферратом (II) калия K4[Fe(CN)6 ] .

Указанный реактив образует с катионами цинка белый осадок двойной соли

3Zn2 2K 2[Fe(CN)6 ]4 K2Zn3[Fe(CN)6 ]2 ,

растворимый в щелочах.

Добавьте к раствору соли цинка 2 - 3 капли раствора K4 [Fe(CN)6 ] . Запишите резуль-

таты опыта.

Кадмий

Кадмий относится к наиболее токсичным элементам. Он накапливается в организ-

ме и очень медленно выводится из него. Период, за который концентрация адсорбирован-

ного организмом кадмия уменьшается вдвое, превышает 10 лет.

Накопление в организме кадмия приводит к образованию камней в почках, гипер-

тонии, уменьшению гемоглобина в крови, разрушению нервной системы.

Основными источниками поступления кадмия в окружающую среду являются кад-

миевые покрытия, аккумуляторы, сигаретный дым. Достаточно сказать, что кровь ку-

рильщиков содержит приблизительно в 7 раз больше кадмия, чем кровь некурящих.

6

Предельно допустимая концентрация кадмия в природной воде составляет 0,001

мг/л.

Опыт 2. Определение кадмия

При добавлении к раствору, содержащему ионы кадмия, сульфида натрия образу-

ется сульфид кадмия, окрашенный в характерный желтый цвет

Cd2 S2 CdS .

Сульфид кадмия растворяется в концентрированной соляной кислоте

CdS 4HCl H2 [CdCl4 ] H2S

и при нагревании подобно сульфиду меди - в азотной кислоте.

Определению кадмия препятствует присутствие в воде катионов металлов, обра-

зующих нерастворимые сульфиды, поэтому их предварительно необходимо удалить из раствора.

Проведите соответствующую реакцию, отметьте цвет осадка сульфида кадмия, на-

пишите уравнение реакции.

Свинец

Свинец также относится к наиболее токсичным элементам. Попадая в организм, он вызывает анемию, почечную недостаточность, заболевания мозга. Свинец способен заме-

щать кальций в костях, что уменьшает их прочность.

Источниками поступления свинца в окружающую среду являются свинцовые тру-

бы, аккумуляторы, краски (свинцовый сурик, белила и т.п.), автомобильные выхлопы,

цветная металлургия.

Предельно допустимая концентрация свинца в природной воде составляет 0,03

мг/л.

Опыт 3. Определение свинца

а) Осаждение хроматом K2CrO4 или бихроматом K2Cr2O7 калия.

При действии на раствор соли свинца хромата или бихромата калия образуется ма-

лорастворимый хромат свинца желтого цвета

Pb2 CrO24 PbCrO4 ;

2Pb2 Cr2O72 H2O 2PbCrO4 2H .

Это одна из наиболее важных реакций на свинец.

7

Добавьте к нескольким каплям раствора, содержащего свинец, 2 - 3 капли раствора

K2CrO4 или K2Cr2O7. Запишите результаты опыта.

б) Взаимодействие с иодидом калия KI .

Иодид калия осаждает свинец из раствора в виде желтого осадка

Pb2 2I PbI2 .

Добавьте к раствору соли свинца иодид калия до образования желтого осадка, за-

тем добавьте несколько капель воды и уксусной кислоты и нагрейте содержимое пробир-

ки до растворения осадка. Погрузив пробирку в холодную воду, наблюдайте образование блестящих золотистых кристаллов. Эта характерная для свинца реакция является одной из наиболее красивых аналитических реакций.

Ртуть

Ртуть может находиться в растворе в виде ионов Hg2 и Hg22 . Последний при оп-

ределенных условиях способен диспропорционировать по реакции

Hg22 Hg2 Hg .

Пары ртути, вдыхаемые человеком, разрушают легкие, а сама ртуть активно накап-

ливается в головном мозге, почках и других жизненно важных органах. Еще более ток-

сичны органические производные ртути, например, хлорид метилртути CH3HgCl , который легко образуется в природе под действием микроорганизмов из неорганических произ-

водных или металлической ртути.

Другой особенностью ртути является способность накапливаться в цепях питания.

Так, ее содержание в рыбе может в 1000 раз превышать ее концентрацию в морских водо-

рослях и планктоне, которыми эта рыба питается. В частности, в Японии в 1956 году про-

изошло массовое отравление ртутью вследствие употребления в пищу рыбы, выловленной в заливе, в который сбрасывались без должной очистки сточные ртутьсодержащие воды химического предприятия. Отравление вызывало общий паралич конечностей, затрудне-

ние дыхания и смерть.

В Ираке в 1971 году снабжение населения в течение двух-трех месяцев хлебом из зерна, обработанного фунгицидами, содержащими монометилртуть, привело к тому,

что с признаками отравления ртутью было госпитализировано 6 тысяч человек, причем

500 из них умерло.

Источниками поступления ртути в окружающую среду являются ртутные батареи и электроды, вышедшие из эксплуатации лампы дневного света, краски, фунгициды и пес-

тициды, отходы химических производств, связанных с ртутью, и др.

Предельно допустимая концентрация ртути в природной воде составляет 0,0005

мг/л.

8

Опыт 4. Определение ртути иодидом калия KI

Катион ртути Hg2 с недостатком иодида калия образует осадок HgI2 оранжевого цвета. При добавлении избытка KI осадок растворяется с образованием комплексного со-

единения

Hg2 2I HgI2 ;

HgI2 2I [HgI4 ]2 .

К 1 - 2 каплям раствора, содержащего Hg2 , добавьте 1 каплю иодида калия KI . На-

блюдайте образование оранжевого осадка. Добавьте к этому осадку избыток иодида калия до его полного растворения.

Катион ртути Hg22 тоже взаимодействует с KI , образуя зеленоватый осадок Hg2I2

Hg22 2I Hg2I2 ,

способный растворяться в избытке иодида калия

Hg2I2 2KI K2 [HgI4 ] Hg .

Выпадает в осадок металлическая ртуть черного цвета.

Висмут

Степень токсичности висмута высокая. При попадании в организм он вызывает расстройства пищеварительного тракта.

Источники поступления висмута в воду - легкоплавкие сплавы и припои, полупро-

водниковые соединения.

Предельно допустимая концентрация висмута в природной воде - 0,1 мг/л.

Опыт 5. Определение висмута (III) тиомочевиной (NH2 )2 CS

Катионы висмута образуют с тиомочевиной комплексные катионы, окрашивающие раствор в характерный желтый цвет

Bi3 3(NH2 )2 CS [Bi(NH2 )2 (CS) 3 ]3 .

Катионы свинца и кадмия также образуют с тиомочевиной комплексные соедине-

ния, но в виде осадков и поэтому обнаружению висмута не мешают.

Добавьте к исследуемому раствору несколько капель раствора тиомочевины. От-

метьте цвет раствора. Напишите необходимые уравнения реакций.

9

Окрашенные ионы

Железо

Степень токсичности железа низкая, но высокое содержание его в питьевой воде может вызывать разрушение центральной нервной системы, повышать восприимчивость организма к инфекциям, приводить к повреждению печени, болезням желудочно-

кишечного тракта. Недостаток железа в организме ведет к анемии.

Источниками поступления железа в воду являются ржавые трубы, металлолом.

Предельно допустимая концентрация железа в воде - 5 мг/л (для FeO ).

Железо образует два ряда устойчивых солей: соли двухвалентного железа (содер-

жат катион Fe2 ) и соли трехвалентного железа (содержат катион Fe3 ). На воздухе катион

Fe2 быстро окисляется до Fe3 , поэтому в природных водах содержатся в основном соли железа (III). Они имеют желтую или красно-бурую окраску. Поэтому такая окраска воды позволяет предположить наличие в ней катионов железа.

Опыт 6. Определение железа (III)

а) Определение роданидом аммония NH4CNS.

При добавлении к раствору соли железа (III) роданида аммония образуется рода-

нид железа кроваво-красного цвета

Fe3 6CNS [Fe(CNS)6 ]3 .

Это одна из важнейших и наиболее чувствительных реакций для обнаружения ка-

тионов железа (III) в воде. Однако она не всегда надежна, так как присутствие фторидов,

фосфатов, оксалатов, цитратов, а также солей винной кислоты препятствует ее протека-

нию.

Добавьте в раствор, содержащий несколько капель соли железа (III), 1 - 2 капли рас-

твора NH4CNS. Отметьте цвет раствора. Напишите уравнение реакции.

б) Определение гексацианоферратом (II) калия K4[Fe(CN)6 ] .

Гексацианоферрат (II) калия образует с катионами железа (III) темно-синий осадок

"берлинской лазури"

4Fe3 3[Fe(CN)6 ]4 Fe4 [Fe(CN)6 ]3 .

Добавьте в раствор, содержащий соль железа (III), 2 - 3 капли раствора гексациа-

ноферрата (II) калия. Отметьте цвет образовавшегося осадка. Напишите уравнение реак-

ции.

10