Определение электропроводности нитрата калия

В наши дни, когда масштаб научно- технического прогресса достигли беспрецедентных размеров, возникли и проблемы, которые стали угрожать самому существованию человечества. Таковы, например, угроза ядерной катастрофы, социально – экономические кризисы, экологические последствия техногенной нагрузки на природу. Все эти глобальные проблемы тесно связаны между собой. Так, быстрый рост населения планеты вызывает потребность в увеличение производства продовольствия, что усиливает нагрузку на энергические ресурсы и приводит к истощению земли, а рост промышленности вызывает загрязнение окружающей среды. Все это сопровождается обнищанием населения, вспышками насилия, войнами.

Феномен глобальных проблем современного мира отражает одно из коренных противоречий его развития – это противоречие в стратегии человеческой преобразовательской деятельности и «стратегии» развития экосистемы.

Таким образом, техническое развитие имеет как бы два лика: лик улыбающийся, обещающий повышение благосостояния, и лик трагический – наступает предел потребления ресурсов, возрастает загрязнение среды, нарушается равновесие между экологией планеты и человеческой деятельностью.

Для восстановления жизненной энергии и сил человеку необходимо питание. Современное перепрофилирование сельского хозяйства на промышленную основу, позволяет, круглогодично, иметь на столе свежую зелень, огурцы, помидоры, редис, клубнику. Но часто, стремясь к устойчивым урожаям и высокой прибыли, производитель нарушает технологию выращивания, и продукция оказывается ядовитой.

Азот – вещество, необходимое для роста всех растений. В основном растения его получают из почвы, которая со временем может истощаться. Поэтому для восстановления ее состава вносят различные удобрения, в том числе и азотные. Неправильное использование азотных удобрений может привести к накоплению нитратов в овощах и фруктах, что очень опасно для здоровья человека. Определение концентрации нитратов в сельхозпродукции является злободневной проблемой. Для решения этой проблемы необходим хороший экспресс – анализ, позволяющий отличить экологически чистую продукцию от некачественной, еще далеко от стола потребителя.

В химии существует способ определения содержания нитратов с помощью дифениламина (C6H5NHC6H5 ). Данный способ основывается на интенсивности окрашивания лакмусовой бумаги, при опускании ее в дифениламин.

Но этот метод не позволяет определить концентрацию нитратов, т. е. судить о безопасности данного продукта.

Азотные удобрения, являясь солями азотной кислоты, в большинстве своем хорошо растворимы в воде, поэтому они могут проводить электрический ток, величина которого зависит от концентрации раствора. Значит, если удастся измерить величину электрического тока, прошедшего через электролит определенной известной концентрации и сравнить с величиной тока, прошедшего через сок овощей и фруктов, возможно, можно будет судить о концентрации нитратов в сельхозпродукции.

Поэтому объектом своего исследования я выбрала азотные удобрения, которые будучи нитратами, являются промежуточным звеном в образовании нитритов, токсичных веществ для человека и животных. А значит, целью моей работы будет измерить содержание нитратов в овощах и фруктах, используя закон Ома для участка цепи.

Данная цель предусматривает следующие задачи:

1) изучить роль нитратов в жизни растений и определить их влияние на здоровье человека

2) рассмотреть принцип электролитической диссоциации растворов данных солей и их электропроводимость в зависимости от концентрации

3) привести измерения силы тока, прошедшего через электролит известной концентрации и сравнить с величиной тока, прошедшего через сок овощей проанализировать полученные результаты и предположить использования данного метода измерения на практике.

Роль соединений азота в жизни растений и его влияние на здоровье человека.

Азот - это один из самых важнейших химических элементов в жизни растений, т. к. он необходим для синтеза аминокислот, из которых образуются белки. Азот получает растение из почвы в виде минеральных азотных солей (нитратных и аммиачных).

В растениях азот подвергается сложным превращениям. Метаболизм азота в растениях - это сложный процесс, и нитраты занимают в нём промежуточное положение:

HNO3 – HNO2 – (HNO)2 – NH2OH + NH3

(нитрат) (нитрит) (гипонитрит) (гидроксиламин) + (аммиак)

Нитраты в растениях восстанавливаются до нитритов. В этом процессе участвуют различные металлы (молибден, железо, медь, марганец), и при этом происходит интенсивная трата углеводов, т. к. на восстановление тратится энергия, источником которой являются углеводы. Нитриты могут накапливаться в растениях и этим подавлять их рост. Но основная часть нитритов, подвергаясь дальнейшим превращениям, даёт аммиак (NH3). Аммиак русский учёный Д. М. Прянишников назвал альфой и омегой в питании растений.

Удобрения _ органические и минеральные вещества , содержащие элементы питания растений /N,Р,К/, - порождают экологическую тревогу там, где их применение не сбалансировано или выполняется с нарушением показаний и регламентов.

Интенсивное применение во многих регионах азотных и калийных удобрений привело к появлению проблемы нитратов, загрязняющих пищевые продукты. В 1988-1989 годах отмечен резкий скачок концентрации их в сельскохозяйственной продукции в нашей стране.

1) Верхняя граница нормы нитратов на одного человека в день, установленная Всемирной организацией здравоохранения /ВОЗ/, равна 325 мг. При употреблении экологически чистых продуктов человек в сутки без ущерба для здоровья потребляет примерно 100-200 мг нитратов, причем 60-70% - с овощами, а 10-20% - с водой. В зерне, ягодах фруктах, мясе, рыбе нитратов мало. Если же продукция выращена на «переудобренных» нитратами почвах, то мы можем получить дозу, превышающую норму в 2-5 раз, причем «залпом», разовым образом. Это наиболее опасно, так как в организме избыточные нитраты не успевают выводиться, или идти на синтез биомолекул /белков, аминокислот/, а превращаются в нитраты. Именно они и представляют угрозу здоровью, так как, всасываясь в кровь, дезактивируют дыхательные ферменты, Нитраты под воздействием фермента нитратредуктазы восстанавливаются до нитратов, которые взаимодействуют с гемоглобином крови и окисляют в нём 2-х валентное железо в 3-х валентное. В результате образуется вещество метгемоглобин, который уже не способен переносить кислород. Поэтому нарушается нормальное дыхание клеток и тканей организма (тканевая гипоксия), в результате чего накапливается молочная кислота, холестерин, и резко падает количество белка. Так же в крови снижается содержание гемоглобина и нарушается транспортная функция крови.

Нитратная проблема усугубляется не только при использовании минеральных удобрений. Органика, содержащая азот, / например, навоз /, будучи в избытке внесенной в почву, также может стать источником нитратов

Справка

Для взрослого человека предельно допустимая норма нитратов 5мг на 1кг массы тела человека, т. е. 0,25г на человека весом в 60кг. Для ребёнка допустимая норма не более 50мг, т. к. их ферментная основа несовершенна и восстановление метгемоглобина в гемоглобин идёт медленно.

Сравнительно легко человек переносит дневную дозу нитратов в 15-200мг; 500мг - это предельно допустимая доза (600мг - уже токсичная доза для взрослого человека). Для отравления грудного малыша достаточно и 10мг нитратов.

В Российской Федерации допустимая среднесуточная доза нитратов - 312мг, но в весенний период реально она может быть 500-800мг/сутки.

Кроме этого

1) Нитраты способствуют развитию патогенной (вредной) кишечной микрофлоры, которая выделяет в организм человека ядовитые вещества токсины, в результате чего идёт токсикация, т. е. отравление организма. Основными признаками нитратных отравлений у человека являются: синюшность ногтей, лица, губ и видимых слизистых оболочек; тошнота, рвота, боли в животе; понос, часто с кровью, увеличение печени, желтизна белков глаз; головные боли, повышенная усталость, сонливость, снижение работоспособности; одышка, усиленное сердцебиение, вплоть до потери сознания; при выраженном отравлении - смерть.

1) Нитраты снижают содержание витаминов в пище, которые входят в состав многих ферментов, стимулируют действие гормонов, а через них влияют на все виды обмена веществ.

2) У беременных женщин возникают выкидыши, а у мужчин - снижение потенции.

2) При длительном поступлении нитратов в организм человека (пусть даже в незначительных дозах) уменьшается количество йода, что приводит к увеличению щитовидной железы.

3) Установлено, что нитраты сильно влияют на возникновение раковых опухолей в желудочно-кишечном тракте у человека.

4) Нитраты способны вызывать резкое расширение сосудов, в результате чего понижается кровяное давление.

7 ) Следует учесть и внешние признаки наличия остаточных нитратов вфруктах, овощах ипищевой зелени?

Одним изпризнаков присутствия остаточных количеств нитратов можно считать отсутствие впартиях фруктов (яблок, груш, слив идр. ) червоточин. При чистке картофеля среди значительного количества плодов сбелой мякотью встречаются плоды сжелтой мякотью, которые неследует употреблять. Всвекле вместо прямого корня— закрученный. Нитратные плоды апельсинов илимонов имеют толстую кожу. Уогурцов, свежей зелени (петрушка, укроп, сельдерей)— темно-зеленый цвет, или они быстро желтеют. Утыквы при наличии нитратов наповерхности плодов— неровные волнистые полоски. Налет (серая дымка) накрасном винограде свидетельствует осодержании внем нитратов. Морковь при наличии нитратов имеет ярко-оранжевый цвет. Для снижения остаточного количества нитратов, например, вкартофеле, необходимо очищенные плоды поместить вводу, вкоторую предварительно добавить 1% поваренной соли или аскорбиновой кислоты иоставить насутки, после чего картофель используется для кулинарной обработки. Если необходимо срочно использовать картофель без предварительного вымачивания, топосле чистки картофель мелко нарезается имногократно промывается проточной водой, затем отваривается, аотвар выливается. Морковь нарезается имногократно промывается проточной водой, затем отваривается, аотвар выливается. Нужно отрезать треть плода, примыкающего кботве. Свеклу следует варить валюминиевой кастрюле, предварительно отрезав хвостик иразрезав клубень вдоль надве половинки.

При всём вышеизложенном следует помнить, вред наносят организму человека не сами нитраты, а нитриты, в которые они превращаются при определённых условиях.

Физический принцип метода исследования

1. Использование закона Ома для участка цепи в электролитической диссоциации раствора.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Степень диссоциации, т. е. доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и электрических свойств растворителя. С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительных и отрицательных заряженных ионов.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединяться в нейтральные молекулы – рекомбинировать. При неизменных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся за секунду на ионы, равно числу пар ионов, которые за то же время вновь объединяются в нейтральные молекулы.

Если сосуд с раствором электролита включить в электрическую цепь, то отрицательные ионы начнут двигаться к положительному электроду – аноду, а положительные – к отрицательному – катоду. В результате установится электрический ток.

. Если состояние электролита (его температура и др. ) стабильно, то между приложенным к электродам напряжением и возникающим при этом током существует однозначная связь. Она называется Закон Ома и записывается так:

I – сила электрического тока, протекающего через раствор электролита, величину которого можно измерить с помощью амперметра или миллиамперметра;

U – напряжение, приложенное к электродам, опущенным в раствор;

R - электрическое сопротивление электролита, зависящее от электрических свойств раствора вещества и от геометрических размеров сосуда.

Определение зависимости силы тока от концентрации раствора

Способность вещества проводить электрический ток можно характеризовать или электрической проводимостью, или сопротивлением. В электрохимии обычно пользуются удельной электрической проводимостью, определяя ее как величину, обратную удельному сопротивлению γ = 1/R ,так как R выражается в Омсм, то единицей измерения γ служит Ом-1 см-1.

В СИ Ом-1 м-1, а удельная электрическая проводимость в Си/м (Симене на метр).

Удельная электропроводимость равна электропроводимости столбика вещества длиной 1 см при поперечном сечении 1 см2. удельная электропроводимость этого столбика вещества равна 1 (γ = 1), если его общее сопротивление равно 1 Ом.

Электрическая проводимость выше, чем больше концентрация ионов и чем больше их абсолютная скорость, так как передача электричества через раствор осуществляется движением ионов.

Однако когда концентрация раствора становится достаточно большой (в случае хорошо растворимых электролитов), то с увеличением ее, степень диссоциации сильно падает, т. к. в растворах сильных электролитов возрастает влияние взаимного притяжения ионов.

Влияние это может быть более сильным, чем влияние увеличения общей концентрации электролита в растворе. В таком случае повышение концентрации электролита будет вызывать уменьшение удельной электропроводимости

Ом -1х м-1

Методы исследования

При определении нитратов в овощах и фруктах я вначале использовала теоретический метод исследования, сущность которого заключается в накопление и отборе информации. Но важными методами исследования в науке являются наблюдение и эксперимент. Наблюдение представляет собой преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства и отношения объекта познания. Наблюдение – это активная форма деятельности, направленная на определенные объекты и предполагающая формулировку целей и задач. Но исследовательская работа не может ограничиться только наблюдением. Эксперимент – это метод исследования, с помощью которого объект ставится в определенные условия, Поэтому основным оборудование служило : пластмассовая прозрачная кювета размером 10 х 4 х 5 см, два электрода: один цинковый, другой – медный; источника питания с выходным напряжением 4,5 В ,миллиамперметр, ключ, зажимы, равноплечные рычажные весы, разновесы по 20, 50, 100,200,300,400 мг, вода водопроводная нефильтрованная, вода кипяченая фильтрованная

Ход эксперимента:

1. Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока , ключа, миллиамперметра, кюветы с электродами, расстояние между которыми установим 1см, медный электрод будет являться катодом, а цинковый – анодом. Все соединим последовательно. /использовано оборудование физического кабинета, полученное по федеральному проекту «Образование»/.

2. Нальем 100 мл водопроводной воды в кювету

3. Замкнем ключ и измерим силу тока с помощью миллиамперметра

4. Повторим опыт с профильтрованной и кипяченой водой

5. Приготовим растворы нитрата калия разной концентрации в 100 мл фильтрованной и кипяченой воды.

6. Замкнем ключ цепи и повторим опыт с растворами разной концентрации нитрата калия, измеряя силу тока с помощью амперметра.

7. Занесем все полученные результаты в таблицу №1

8. Замкнем цепь и измерим значения силы тока в различных растворах соков фруктов и овощей. Пользуясь таблицей или предложенной диаграммой, определим концентрацию нитратов в растворах /таблица № 2/.

Анализируя результаты, определили, например, что в соке, полученном из 400 г моркови, содержится около 320 мг нитратов, а свекольном соке, полученном из одного крупного корнеплода массой около 500 г – 500мг.

По данным эксперимента в яблочном соке «Gold», производитель ОАО «Вимм – Билль – Данн », содержится нитратов меньше, чем в соке, приготовленном из свежих яблок, купленных на рынке. По всей вероятности, это связано с тем, что данный сок прошел ряд процессов устраняющих вредные соединения, но из–за пастеризации частично потерял содержащиеся в нем витамины и полезные микроэлементы. Поэтому необходимо доказать, то нитраты в соке все же есть,но определим это другим способом. Например, при взаимодействии с медью концентрированная азотная кислота восстанавливается до оксида азота (IV):

Cu + 4HNO3 (конц)=Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O а разбавленная – до оксида азота(II):

3Cu + 8HNO3 (разб)= 3Cu(NO3)2+ 2NO + 4H2O

При проведении реакции обратили внимание на появление пузырьков газа с запахом, что свидетельствует о наличии нитратов в соках. Аналогично наблюдается и в соках овощей.

Таблица № 1. Сила тока в растворах с разной концентрацией нитратов.

№ Наименование продукта Объем раствора, мл Масса нитрата калия, мг Сила тока, мА

1 Раствор нитрата калия 100 1,25 12

2 100 5 16

3 100 10 18

4 100 20 24

5 100 100 48

6 100 200 58

7 100 400 120

8 100 500 140

9 100 600 160

10 100 800 200

11 100 1000 220

Таблица №2. Сила тока в соке овощей и фруктов

№ Наименование продукта Объем раствора, мл Сила тока, мА Масса нитрата калия, мг п\п

1 Вода фильтрованная, кипяченая 100 12 1, 25

2 Вода близлежащего пруда (проба№1) 100 16 5

3 (проба №2) 100 17 17

4 (проба №3) 100 22 19

5 Яблочный сок «Gold» 100 38 50

6 Яблочный сок, натуральный (домашний) 100 40 50

7 Сок капусты (рынок) 100 80 220

8 Сок морковный, натуральный 100 100 300

9 Сок картофельный (приусадебный участок) 100 100 330

10 Сок свекольный 100 140 480

11 Сок капусты (приусадебный участок) 100 150 550

В нашем исследовании мы использовали оборудование физического кабинета, полученное по федеральному проекту «Образование». Естественно, всю установку с собой на рынок не понесем, поэтому можно предложить компактный и удобный прибор для исследования электропроводности растворов электролитов. Примеров таких схем довольно-таки много, одна из таких схем изображена на рисунке. Питание этого устройства осуществляется от двух встроенных «пальчиковых» батареек (ААА). При этом следует отметить его высокую чувствительность- прибор реагирует даже на незначительные количества растворенных веществ. Например, он показывает электропроводность питьевой воды. В качестве датчика используется светодиод (с красным световым потоком) - его можно легко найти в продаже. Принцип действия прибора тот же, что и ранее применявшихся, - электрическая цепь, разомкнутая в месте, где исследуются растворы электролитов.

Для изготовления прибора понадобится пластмассовая трубка диаметром 12-15 мм. (в нее должны свободно входить батарейки). Если использовать трубку из металла, то отпадает необходимость изготовления контактной пластины - корпус трубки будет выполнять ее роль. Также понадобятся светодиод, две «пальчиковые» батарейки, две резиновые пробки, соответствующие диаметру трубки, два металлических стержня (их можно сделать из медной проволоки толщиной 1-1. 5 мм). Для защиты светодиода понадобится корпус одноразового шприца объемом 10 см3

Проблема токсичного накопления нитратного азота в сельскохозяйственной продукции и вредного воздействия его на человека и сельскохозяйственных животных на современном этапе является одной из наиболее острых и актуальных.

Решением этой задачи заняты многие научно-исследовательские учреждения всего мира, но, несмотря на пристальное внимание к этой проблеме до сих пор радикального решения пока не найдено. Существуют лишь некоторые способы снижения вреда нитратов на организм человека, поэтому можно предложить ряд ценных советов:

1) Снижается количество нитратов при термической обработке овощей (13) (мойке, варке, жарке, тушении и бланшировке). Так, при вымачивании - на 20-30%, а при варке на 60-80%.

1. в капусте - на 58%;

2. в столовой свекле - на 20%;

3. в картофеле - на 40%.

При этом следует помнить, что при усиленной мойке и бланшировки (обваривании кипятком) овощей в воду уходят не только нитраты, но и ценные вещества: витамины, минеральные соли и др.

2) Чтобы снизить количество нитратов в старых клубнях картофеля, клубни следует залить 1%-ным раствором поваренной соли.

2) У паттисонов, кабачков и баклажанов необходимо срезать верхнюю часть, которая примыкает к плодоножке.

3) Т. к. нитратов больше в кожуре овощей и плодов, то их (особенно огурцы и кабачки) надо очищать от кожуры, а у пряных трав надо выбрасывать их стебли и использовать только листья.

4) У огурцов, свеклы, редьки к тому же надо срезать оба конца, т. к. здесь самая высокая концентрация нитратов.

5) Хранить овощи и плоды надо в холодильнике, т. к. при температуре +2°С невозможно превращение нитратов в более ядовитые вещества - нитриты.

Предложенный метод позволяет оценивать количество нитратов набранных при приеме пищи человеком за сутки, варьировать и разнообразить свой пищевой рацион в зависимости от сезона, возраста, состояния здоровья и вкуса.

Но данный метод имеет и ряд недостатков:

1. Растворы приготовлены на основе воды уже содержащей небольшое количество нитратов, которое, по всей вероятности, зависит от места проживания, и учесть их для анализа продукции, привезенной из других районов практически невозможно

2. Зафиксированный электрический ток, носителями которого в соках фруктов и овощей, возможно, могут быть и примеси других растворимых солей, которые никакого отношения не имеют к нитратам, не является истинным показателем исследуемых веществ.

3. Предложенная экспериментальная установка не может в таком виде быть мобильной, позволяющей покупателю у прилавка проводить замеры, поэтому мы предлагаем компактный и удобный прибор для исследования электропроводности растворов, содержащих нитраты, непосредственно у прилавка на рынке.