Производство  ->  Химическая промышленность  | Автор: | Добавлено: 2015-05-28

Водородный показатель в нашей жизни

После начала бурного развития промышленности люди начали замечать некоторые неприятные странности, происходящие в природе. В реках и озёрах гибли лосось, форель, хариус. Со временем стали страдать леса. Количество пострадавших в Европе лесов достигло 30, а местами 50%. Листья, хвоя опадали раньше времени, развивалась суховершинность деревьев.

Длительные исследования показали, что всему виной кислотные дожди, которые образуются при взаимодействии содержащихся в атмосфере газообразных кислотных оксидов с дождевой водой. Развитие техники и технологии повлекло за собой изменение химической обстановки окружающей среды. Технологическая деятельность человека увеличила содержание вредных веществ в атмосфере. Это повлекло за собой увеличение рН природных растворов, что незамедлило сказаться на состоянии растений и животных.

Понятие водородного показателя

Вода, являясь слабым электролитом, в незначительной степени диссоциирует на ионы:

H2O → H+ + OH-

Опытом установлено, что при 22°С в 1 л чистой воды содержится 10-7 моль катионов H+ и 10-7 моль анионов OH-.

Произведение концентрации ионов H+ и OH- называется ионным произведением воды (Кв):

Кв = [H+] [OH-] = 10-7 ∙ 10-7 = 10-14

При определённой температуре Кв – величина постоянная. Это означает, что при увеличении одного из ионов воды соответственно уменьшается концентрация другого иона. В кислых растворах преобладают ионы H+ :

[H+] > 10-7 моль/л, в щелочных – ионы OH-

[OH-] < 10-7 моль/л.

По предложению датского химика Серенсена вместо значений [H+] пользуются значениями водородного показателя рН.

Водородный показатель рН – это показатель степени концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком.

При концентрации ионов водорода равной концентрации гидроксид-ионов среда будет нейтральной. При этом водородный показатель рН = 7.

При концентрации ионов водорода превышающей концентрацию гидроксид-ионов среда будет кислой. При этом водородный показатель рН будет меньше 7.

При концентрации ионов водорода меньшей концентрации гидроксид-ионов среда будет щелочной. При этом водородный показатель рН будет больше 7.

Водородный показатель в нашей жизни

Водородный показатель имеет большое значение в химических и биологических процессах, так как в зависимости от реакции среды эти процессы могут протекать с разными скоростями и в разных направлениях. В связи с этим определение рН растворов очень важно в сельском хозяйстве, науке, технике, медицине.

Определённую концентрацию ионов водорода имеют природные растворы: клеточный сок, кровь, желудочный сок, молоко, почвенный раствор и другие природные жидкости. При нормальной кислотности желудочный сок имеет рН = 1,7; рН крови человека равен 7,4. растения могут нормально произрастать лишь при значениях рН почвенного раствора, лежащих в определённом интервале, характерном для данного вида растений. Например, на почвах с водородным показателем рН = 5,0 – 5,5 ростки ячменя гибнут, в то время как картофель именно в этом интервале значений рН даёт особенно богатый урожай. Величина рН играет большую роль в процессах пищевой промышленности (хлебопечение, пивоварение, виноделие и т. д. ).

Эталоном кислотности пресной воды служит водородный показатель той воды, которая получена изо льда гренландских ледников. Он колеблется от 5 до 5,6. значит, природная вода является слабокислой. Причиной этого являются содержащиеся в атмосфере газообразные кислотные оксиды. Процессы горения и гниения органических остатков являются одним из источников углекислого газа СО2 в атмосфере. Вулканическая деятельность сопровождается выделением сернистого газа SO2, оксидов азота NO и NO2. Все эти оксиды в атмосфере взаимодействуют с парами воды. Например, оксид азота (IV) с водой облаков образует азотную и азотистую кислоты:

2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2

Сернистый газ взаимодействует с кислородом и водой облаков. При этом образуется серная кислота. В результате перечисленных процессов вода, которая выпадает на поверхность земли в виде осадков, содержит определённое количество кислот. Дожди подкисляют почвенный раствор, воду различных водоёмов. Однако, в реках и других водоёмах кислотность воды гасится карбонатными породами и их растворимыми компонентами:

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 ↑ + H2O

В итоге вода пресных водоёмов имеет менее кислую среду, чем дождевая вода. Её показатель приближается к 7. вода Мирового океана имеет слабощелочную реакцию.

В природных водоёмах вследствие различно направленных химических процессов устанавливается определённый уровень кислотности. Это имеет большое значение для живых организмов. Например, морские организмы приспособились жить в среде с рН = 8,1-8,3, а речные обитатели живут почти в нейтральной воде. Подкисление или подщелачивание воды губительно для жизни водяных обитателей. Изменение рН на одну единицу означает изменение концентрации ионов водорода в 10 раз.

Технологическая деятельность человека повлекла за собой изменение химической обстановки окружающей среды. Увеличилось содержание в атмосфере углекислого, угарного и сернистого газов, оксидов азота, фреонов и других газов. Содержание углекислого газа увеличилось на 10%, сернистого газа и оксидов азота – на 90%. Источником сернистого и углекислого газов является сжигание топлива (угля, нефти, солярки, мазута, торфа, бензина). Сжигают топливо на ТЭС, в кочегарках, в нефтяных факелах, в двигателях внутреннего сгорания автомобильного и авиационного транспорта. Из всего технического сернистого газа 55% приходится на деятельность ТЭС, 44% - на промышленность, 1% - на транспорт. Оксиды азота поступают в атмосферу главным образом от транспорта (свыше 50%), а также от ТЭС (37%) и промышленности (13%).

Всё это не может не сказаться на изменении кислотности среды обитания живых организмов. Всё чаще дожди становятся не благодатными, а приносящими вред. Их кислотность сильно повышается. В Западной Европе кислотность дождя измеряется очень низкими значениями рН (до 4,1; а в бурю достигает 3). В отдельных районах рН дождя достигает ещё более низких значений. Например, в Киеве рН дождевой воды в среднем равен 4, в Санкт-Петербурге – 3,7-4,8; в Казани – 3,3-3,8.

Содержание в атмосфере повышенных количеств кислотных оксидов привело к большой трагедии в Лондоне. Известно, что для английского климата характерны туманы, представляющие собой мельчайшие капельки воды, взвешенные в воздухе.

Лондон – крупный промышленный центр. В атмосфере Лондона много пыли, дыма, сажи. Мельчайшие твёрдые частицы конденсируют на себе влагу. Тогда образуется не туман, а смог – разновидность тумана. В капельках смога содержатся пылевидные твёрдые частицы. Дышать таким воздухом очень тяжело. К средине XX столетия в атмосфере Лондона появилось много газообразных кислотных оксидов. В 1952 году количество разнообразных выбросов в атмосферу было особенно велико. И вот однажды при очередном тумане образовался смог, который поглотил кислотные оксиды. Капельки тумана превратились в капельки кислоты с твёрдыми пылинками внутри. Водородный показатель достигал 1,9. туман был таким густым, что его впоследствии назвали «гороховым супом»: он унёс несколько тысяч жизней.

Кислотные дожди не редкость и в других местах планеты. Попадая в водоёмы, кислая дождевая вода влияет на рН воды. Изменение концентрации ионов водорода в водоёмах вызывает нарушения в развитии и размножении их обитателей. Когда рН становится 6-6,5, гибнут улитки, моллюски, икра земноводных. При рН = 6-5 погибает планктон и многие рыбы (форель, хариус, лосось, окунь, щука и некоторые другие). Гибнут также многие водные растения. Их замещает кислотолюбивый сфагновый мох. При таких процессах пресные озёра превращаются в болота.

Кислотные дожди приносят вред почвам, а через них и растениям, на них произрастающим. Корневая система растений всасывает питательные вещества вместе с почвенным раствором. В разных почвах почвенный раствор имеет различную кислотность (рН колеблется от 4,4 на подзолах до 9 на солонцах). Лишь немногие культуры могут плодоносить на сильнокислых почвах. При рН ниже 4,6 слабо развиваются рожь, гречиха, картофель. Для пшеницы, капусты, помидоров требуется рН от 5,1 и выше, а для лука, редиса – не ниже 6,1-6,2.

Высокая концентрация ионов водорода затрудняет рост корневой системы и обмен веществ в корнях. Это связано с тем, что изменение кислотности почвенного раствора вызывает изменение химического состава клеточного сока, что нарушает биохимические процессы в клетках. Повышенная кислотность способствует вымыванию из клетки жизненно необходимых катионов кальция. В результате растения испытывают угнетение в росте и развитии, снижается урожай. Для понижения кислотности почв применяют известкование. При этом в почву вносят карбонаты кальция и магния.

CaCO3 + 2H+ = Ca2+ + CO2 ↑ + H2O

Потерю урожая от кислотных дождей испытывают садоводы. Особенно часто на садовых участках гибнут огурцы. Капли чистой дождевой воды вызывают повреждение поверхности огурцов, и плоды становятся непригодными к употреблению. Кислая дождевая вода способствует загниванию корневой шейки у огурцов. В результате после кислого дождя растение очень быстро засыхает. В итоге теряется не только урожай готовых к употреблению плодов, но и будущий урожай, который могли бы принести огуречные растения за лето. Во избежание таких потерь садоводы всё чаще выращивают огурцы под плёнкой.

Повышенная кислотность почв уменьшает растворимость молибдена – необходимого элемента для синтеза некоторых ферментов. Понижение растворимости делает этот элемент недоступным для растений. Вследствие этого в растении прекращается синтез ферментов, что влечёт за собой нарушение обмена веществ и угнетение в росте и развитии.

Кальций в кислых почвах растворяется лучше. Это способствует вымыванию из почвы этого важного для жизни растений элемента. Кальций необходим и самой почве. В его присутствии синтезируется главное богатство почвы – гумус. Именно гумус способствует плодородию почвы. Он обеспечивает оптимальную структуру почвы. Структурированная почва обусловливает необходимые условия произрастания растений, её водный и воздушный режим. Потеря структуры почвы ведёт к потере её плодородия. Из кислых почв легче вымывается и другой чрезвычайно важный для растений элемент – калий.

Кислая среда почвенного раствора способствует растворению соединений алюминия из минералов. Поступление в почву токсичных для многих растений катионов алюминия вызывает отмирание мелких корней. При этом растения засыхают. Особенно сильно страдают от избытка Al3+ деревья: пихта, сосна, ель и другие. При этом растения преждевременно теряют листву или хвою, у них засыхают вершины.

Подкисление почвенного раствора и грунтовых вод вызывает вымывание из подстилающих пород высокотоксичных ионов: Hg2+, Pb2+, Cd2+. Эти ионы, попадая в питьевую воду, вызывают отравление людей.

Много бед приносят кислые дожди. Бороться с ними трудно, но возможно. Нужно не допускать в атмосферу таких выбросов, которые вызывают эти дожди. Горючее необходимо очищать от сернистых и азотистых соединений. Надо удалить серу из нефти и угля, прежде чем приступать к их переработке. На выхлопные трубы автомобилей нужно надевать каталитические насадки, которые предотвращают выбросы вредных выхлопных газов. Очень перспективно перевести транспорт на менее вредное горючее. Необходимо улавливать оксиды серы и азота в дымовых газах, например, пропуская их через известковый раствор, при этом образуется гипс, применяемый в строительстве. Нельзя допускать горения факелов на нефтепромыслах. Нужно предотвращать лесные пожары.

Необходимо, чтобы люди осознали всё это.

Определение водородного показателя

Водородный показатель в больших лабораториях измеряют специальными приборами – рН- метрами. Но его можно также примерно оценить с помощью специальных индикаторов.

Я взял у учителя немного универсальной индикаторной бумаги и исследовал водородные показатели некоторых растворов.

Определение рН почвенного раствора

Я приготовил почвенный раствор, насыпав в колбу немного почвы из цветочного горшка, и прилил к ней воду. Затем я закрыл колбу пробкой и сильно встряхивал на протяжении 10 минут. При этом растворимые вещества должны были перейти в раствор, который почвоведы называют почвенной вытяжкой. Я дал раствору отстояться. Затем с помощью универсального индикатора измерил рН почвенной вытяжки. Он составил 5,0.

В нашем регионе породы почвы расположены не равномерно. Это говорит о том, что результаты будут разными. Я подтвержу это дальнейшими исследованиями.

Определение рН лимона

Для эксперимента понадобилась долька лимона, колба, вода. Чтобы получить лимонный сок, нужно нарезать лимон и сжать его до тех пор, пока не выдавиться сок: его нужно наливать прямо в колбу. Затем в колбу добавить чуть-чуть воды и размешать. Затем я поместил туда листочек индикаторной бумаги, тем самым определил рН лимонного сока, который составил 4,0.

Измерил рН самого лимонного сока, неразбавленного. Он был равен 2,0.

Определение рН капустного сока.

Капусту надо накрошить или пропустить через мясорубку или мелкую тёрку. Выжать сок и измерить его рН. Измеренный мною рН был равен 8,0.

Определение рН молочного раствора

Для этого мне понадобилось свежее молоко, вода, колба, листочек индикаторной бумаги. Я ,взял из холодильника свежее молоко и налил его в колбу. Затем нагрел воду до определённой температуры, чтобы вода была и не горячей, и не холодной. После я налил воду в колбу с молоком, получил молочный раствор, рН которого составил 8,0.

Определение рН снега

Для эксперимента я взял пробы снега из четырёх различных мест:

-около молочного комбината,

-около проезжей части машин,

-около поля (на природе),

-около нефтебазы (там хранятся такие вещества, как бензин, соляр и. т. д. ).

Проводя эксперимент, я понял, что не зря взял снег из разных мест, так как во всех случаях рН снега был различным.

Исходя из опытов, я увидел, что не всегда снег имеет белый цвет. Снег, лежавший на дороге, имел темноватую окраску, видимо, это было из-за того, что машины каждый день выбрасывают выхлопные газы и маслянистые вещества, которые пропитывают снег: рН его был равен-6,0.

Следующим я измерил рН у совершенно чистого снега, взятого с поля недалеко от моего дома: рН его был равен-5,0. Самый тёмный цвет имел снег, находившийся рядом с нефтяными бочками: рН его был равен-8,0. Снег же взятый с территории молокозавода имел рН равный 6,0.

Определение рН кофе

Для опыта мне понадобилось пол чайной ложки растворимого кофе (порошкообразный), вода (горячая), колба, листок индикаторной бумаги. Взяв полчайной ложки кофе, я насыпал его в колбу, затем я добавил в колбу тёплую воду. Потом я тщательно перемешал содержимое колбы и поместил туда листочек индикаторной бумаги, тем самым, измерив рН, который был равен-6,0. таким же образом я поступил с чаем. Те же результаты я получил, прокипятив предварительно чай и кофе с двумя таблетками активированного угля.

Результаты моего наблюдения:

№ п/п Исследуемые растворы рН

1 Почвенный раствор 5,0

2 Сок лимона:

а) разбавленный водой 4,0

б) неразбавленный 2,0

3 Капустный сок 8,0

4 Молоко 8,0

5 Чай 6,0

6 Кофе 6,0

7 Питьевая сода 10,0

8 Снег:

а) близ молокозавода 8,0

б) с дороги 6,0

в) с поля 5,0

г) с территории нефтебазы 8,0

При прохождении данной темы учитель химии дал нам задание определить рН некоторых растворов самостоятельно в домашних условиях. Определение кислотности среды сильно заинтересовало меня. Я решил изучить эту тему больше, чем даётся в школьной программе, и обратился к дополнительным источникам информации. Чем больше я узнавал, тем большее количество растворов мне хотелось исследовать. У меня возникало всё больше вопросов, связанных с медициной, химической и пищевой промышленностью, с сельским хозяйством.

В течение определённого времени я проводил опыты по выявлению водородного показателя различных растворов. При этом сам пытался разрабатывать технологию их определения.

Полученные результаты я привёл в таблице. Исходя из них, я сделал некоторые выводы. Например, что вещества одного рода могут иметь разные водородные показатели. В частности, снег, взятый из различных мест, даёт нам отличающиеся друг от друга цифры. Это наталкивает на мысль о том, что показатель снега зависит от его местонахождения. А ещё, чтобы быть здоровыми мало заниматься спортом, надо ещё знать, что есть и в каком количестве, так как кислотность среды имеет большое влияние на наши пищеварительные органы.

Также было интересно определять кислотность почвенного раствора. Почвы в нашем регионе расположены неравномерно, поэтому их водородные показатели также должны отличаться. В самое ближайшее время я намерен заняться их исследованием и связать полученные данные с теми видами растений и животных, которые на них обитают.

Проведение опытов на определение водородного показателя вызвало во мне большой интерес к химии как к науке. Я получил большое удовольствие и много новой информации.

Проведение таких исследовательских работ не только интересно, но и очень полезно.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)