Содержание нитратов в поверхностных водах города Архангельска и Архангельской области

Содержание нитратов в поверхностных водах города Архангельска и Архангельской области

Содержание

Введение

Глава 1. Обзор литературы

.1       Вода питьевая, ее качество

.2       Общая характеристика нитратов

.3       Нахождение нитратов в природе, их место в круговороте азота

.4       Использование нитратов в народном хозяйстве. Природные и антропогенные источники их поступления в окружающую среду

.5       Метаболизм нитратов в организме человека

Глава 2. Методика определения NO3 -

.1       Потенциометрия

.2       Электроды

.2.1    Классификация электродов

.2.2    Электроды сравнения

.2.3    Ионоселективные электроды

.3       Проблема выбора электродов

Глава 3. Экспериментальная часть

.1 Цели и задачи эксперимента

.2       Объекты исследования

.3       Отбор и хранение проб

.4       Определение нитратов ионометрическим методом

.4.1 Аппаратура, материалы и реактивы

.4.2 Приготовление растворов

.4.3 Подготовка электродов к работе

.4.4 Проведение анализа

.4.5 Построение градуировочного графика

.5 Результаты исследования и их обсуждения

.6 Выводы

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

Загрязнение окружающей среды в настоящее время является общемировой проблемой. Качество среды жизни и состояние здоровья человека, его трудоспособность и продолжительность жизни определяются в первую очередь качеством атмосферного воздуха, питьевой воды и потребляемой пищи. Охрана здоровья человека становится актуальной задачей современности. В результате антропогенной деятельности человечество все больше отдаляет себя от природы и условий, которые способствовали формированию в процессе эволюции адаптационных механизмов организма. Человек становится заложником технического прогресса, испытывая давление иных, созданных им самим условий. Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессахобмена веществ, составляющих основу жизни. На сегодняшний день необходима оценка качества водывследствие возросшейза последние десятилетия деятельности промышленных предприятий, которые направляют свои сбросы в реки и океаны, интенсивного развития сельского хозяйства и др. Существует много показателей оценки качества воды. К одним из основных и наиболее опасных загрязнителей водных источников относятся нитраты, определение которых имеет немаловажную роль в предупреждении неблагоприятного воздействия их на здоровье людей. Поэтому целью настоящего исследования является определение концентрации нитратов в пробах воды поверхностных источников различных районов г. Архангельска и Архангельской области.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

. Проанализировать литературу по данному вопросу

. Подобрать и отработать наиболее оптимальную методику определения содержания NO₃^- в воде

. Отобрать образцы воды из различных источников г. Архангельска и Архангельской области

. Провести химический эксперимент

.Проанализировать полученные результаты

Глава 1. Обзор литературы

.1 Вода питьевая, ее качество

Вода - главное и наиболее распространенное химическое соединение на нашей планете. После воздуха, она второй по значению компонент, необходимый для человеческой жизни. Насколько важна вода свидетельствует тот факт, что ее содержание в различных органах составляет 70 - 90%. С возрастом количество воды в организме меняется. Трехмесячный плод содержит 90% воды, новорожденный 80%, взрослый человек - 70%. Вода присутствует во всех тканях нашего организма, хотя распределена неравномерно:

· Мозг содержит - 75 %

· Сердце - 75%

· Легкие - 85%

· Печень - 86%

· Почки - 83%

· Мышцы - 75%

· Кровь - 83%.

Вода выполняет важнейшие функции в нашем организме. Она необходима для поддержания всех обменных процессов, принимает участие в усвоении питательных веществ клетками, обеспечивает нормальную работу внутренних органов, является теплоносителем и терморегулятором.

Сегодня, как никогда, нашему организму очень важно получать чистую воду со сбалансированным минеральным составом.

Кроме того, вода - это регулятор климатических условий на Земле, стабилизирующий температуру на ее поверхности, и участник практически всех технологических процессов промышленного и сельхозпроизводства.Она покрывает 71% площади земного шара и составляет1/800 часть объема суши или 1370 м³. Основная масса воды сосредоточена в морях и океанах - 94-98%, в полярных льдах содержится около 1,2% воды и совсем малая доля - менее 0,5%, в пресных водах рек, озер и болот. Соотношения эти постоянны, хотя в природе, не переставая, идет круговорот воды. Вода - единственное химическое соединение, которое в природе может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях одновременно. Чистая вода - прозрачная, бесцветная жидкость без запаха и вкуса. Многие ее физические свойства и их изменения имеют аномальный характер. Основными причинами аномальных свойств воды являются полярность ее молекул и образование объемной системы водородносвязанных структур. Они делают воду весьма реакционным соединением с уникально хорошей растворяющей способностью по отношению к полярным и ионогенным веществам, при этом в воде растворяются все природные соединения.

Вода не бывает абсолютно чистой. Природная вода содержит многочисленные растворенные вещества - соли, кислоты, щелочи, газы (углекислый газ, азот, кислород, сероводород), продукты отходов промышленных предприятий и нерастворимые частицы минерального и органического происхождения.

Наиболее чистой природной водой является дождевая; однако и она содержит до 50 мг/л различных растворенных примесей. Основным потребителем воды является население ( 81 %). Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире - на каждого жителя России приходится свыше 30000м³/год воды. Однако в настоящее время из-за загрязнения и засорения около 70 % рек и озер России утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения, в результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду.

Питьевая вода - это вода, которая используется для питьевых целей и хозяйственно-бытовых нужд населения, а также вода, используемая для нужд пищевой промышленности и ряда производств химической промышленности.

Большое значение имеет удовлетворение потребностей населения в питьевой воде в местах его проживания через централизованные (приоритетно) или нецентрализованные системы питьевого водоснабжения.

Источниками централизованного водоснабжения служат поверхностные воды, доля которых в общем объеме водозабора составляет 68 %, а подземные воды - 32 %. Практически все поверхностные источники водоснабжения в последние годы подвергаются воздействию вредных антропогенных загрязнений. Качество воды в большинстве из них не отвечает нормативным требованиям. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод выявили тенденцию к росту их загрязненности. Поэтому в настоящее время очень важное значение имеет оценка качества воды.

Понятие качества воды включает в себя совокупность показателей состава и свойств воды, определяющих пригодность ее для конкретных видов водопользования и водопотребления.

Вода считается чистой, если ее состав и свойства ни по одному из показателей не выходят за пределы установленных нормативов, а содержание вредных веществ не превышает предельно-допустимых концентраций (ПДК). Особые требования предъявляют к питьевой воде: она должна обладать хорошими органолептическими свойствами, быть безопасной в эпидемиологическом отношении, иметь безвредный химический состав.

Состав воды оценивают с помощью физических, химических, санитарно -бактериологических показателей.

К физическим показателям относят содержание взвешенных частиц, цветность, запах и привкус. Химический состав воды характеризуется ионным составом, жесткостью, щелочностью, окисляемостью, активной концентрацией водородных ионов (рН), сухим остатком, общим солесодержанием, содержанием растворенного кислорода, свободной углекислоты, сероводорода, активного хлора.

Санитарно-бактериологическим показателем качества воды являются коли-титр и коли-индекс, а также общее число содержащихся в воде бактерий.

В соответствии с требованиями глобальной системы мониторинга состояния окружающей среды нитраты и нитриты входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды.

.2 Общая характеристика нитратов

Нитраты - это соли и эфиры азотной кислоты HNO₃. Соли - кристаллы; удобрения, протравы при крашении, компоненты взрывчатых веществ. Нитраты аммония, щелочных и щёлочноземельных металлов часто называют селитрами. При неправильном использовании нитратов в качестве удобрений они накапливаются в сельскохозяйственных продуктах в чрезмерных количествах, что может привести к отравлению людей и животных. Эфиры - бесцветные или светло-жёлтые, приятно пахнущие жидкости; эфиры, содержащие несколько групп ONO₂, например, нитроглицерин, применяются в качестве взрывчатых веществ и лекарственных препаратов.

.3 Нахождение нитратов в природе, их место в круговороте азота

Неорганические соединения азота не встречаются в природе в больших количествах, если не считать натриевую селитру, образующую мощные пласты на побережье Тихого океана и Чили. Почва содержит незначительное количество азота, преимущественно в виде солей азотной кислоты.

Природные нитраты встречаются в виде солеобразных масс, выцветов, корочек, налетов. Все селитры хорошо растворяются в воде, обладают охлаждающим вкусом. Значительные месторождения находятся в Чили (провинция Тарапка и Антофагаста), где природные нитраты ассоциируют с галогенидами, сульфатами, селенатами и некоторыми иодатами. В этих месторождениях калийная и натриевая селитры составляют основную часть запасов.

Щелочные нитраты часто формируются при взаимодействии азотистых органических веществ и щелочных солей. Например, налеты натриевой и калиевой селитры в полостях и трещинах пород или высыпки. На современном этапе природные нитраты добываются в ограниченном количестве; главную массу азотных соединений получают химическим путем.

Круговорот азота - биогеохимический цикл <#"720077.files/image001.gif">mМ + рP Эта зависимость описывается уравнением Нернста  <#"720077.files/image002.gif">

нитрат азот определение ионометрический

где Т - абсолютная. температура; F - постоянная Фарадея <#"720077.files/image004.gif">

Используется в широком диапазоне рН - от значений, соответствующим концентрированным кислотам, до значений, соответствующим концентрированным щелочам <#"720077.files/image005.gif">,

где р - барометрическое давление <#"720077.files/image006.gif"> Hg₂Cl₂, а соответствующее уравнение Нернста имеет вид:

где E⁰ - стандартный потенциал <#"720077.files/image008.gif">AgHal + е (Hal - галоген <#"720077.files/image009.gif">

Удобны при работе с электрохимическими ячейками без жидкостного мостика, применимы как в водных, так и во многих неводных средах, устойчивы при повышенных температурах. В области температур 0-95 °С потенциал хлорсеребряного электрода <#"720077.files/image010.gif">

Удобен при работе в щелочных растворах, т. к. при этом легко реализовать цепи без жидкостного соединения.

Хингидронный электрод <#"720077.files/image011.gif">

Рис.1. Зависимость электродной функции от температуры: С_х - концентрация ионов X, pX_i = - lg(C_x) - в изопотенциальной точке, E_i - потенциал электрода в изопотенциальной точке.

С увеличением температуры увеличивается наклон (крутизна S_t) электродной характеристики.

Концентрация анализируемых ионов, при которой потенциал электрода не зависит от температуры, называется изопотенциальной точкой. Значения концентрации раствора и потенциала электрода в этой точке называют координатами изопотенциальной точки (pX_i и E_i).

Для стеклянных электродов (рН и pNa) координаты изопотенциальной точки нормируется (указывается изготовителем), а для прочих измерительных электродов обычно нет. Современные измерительные приборы позволяют автоматически учитывать температурные изменения электродной характеристики (термокомпенсация), для этого в прибор должны быть введены координаты изопотенциальной точки и текущая температура. Последняя может вводиться либо вручную, либо посредством термодатчика, подключенного к прибору. Если есть варианты, то рекомендуется выбирать электрод, имеющий изопотенциальную точку, лежащую вблизи средней концентрации анализируемых растворов. Это позволит снизить погрешность измерений, связанную с изменением температуры раствора.

Очень внимательно следует отнестись к вопросу присутствия мешающих ионов и веществ, агрессивных к материалам электрода в анализируем растворе. Если они есть, то их удаление потребует специальной методики, а проведение непрерывных измерений будет, скорее всего, невозможным.

Потенциометрический анализ распространяется только на вещества, находящиеся в ионном состоянии, т.е. основной объект исследований это растворы (обычно водные), однако при этом растворы могут содержать взвеси твердых частиц, эмульсии, быть гелеобразными и т.д. Твердые материалы также могут быть исследованы этим методом при наличии специальной методики (растворение, экстрагирование и т.д.). Для исследования некоторых материалов может потребоваться электрод с определенной формой чувствительной мембраны, например конической для анализа гелей или вязких веществ.

Глава 3. Экспериментальная часть

.1 Цели и задачи эксперимента

Целью настоящего исследования явилось определение концентрации нитратов в пробах воды поверхностных источников различных районов г. Архангельска и Архангельской области.

Основная задача - проведение сравнительной оценки полученных результатов между собой и с ПДК.

.2 Объекты исследования

Объектом исследования явились образцы воды из поверхностных водоемов различных районов г. Архангельска и Архангельской области.

В Центральном и Соломбальском районах г. Архангельска вода отбиралась в Северной Двине , в г. Северодвинске были отобраны пробы морской воды на побережье Белого моря (о. Ягры),в г. Новодвинске взяты образцы воды в области дачных кооперативов (СНТ-Двина).Также была исследована вода в р.Пинега ( Пинежский район) и образец водопроводной воды г. Архангельска. Указанноерайонирование было проведено в связи с высокой техногенной и антропогенной нагрузкой в данных регионах (рис.1).

.3 Отбор и хранение проб

Пробы были отобраны в начале осени (в сентябре). Хранение проб осуществлялось в полиэтиленовой и стеклянной посуде с плотно закрывающейся пробкой. Нитраты являются биохимически нестойким компонентом, поэтому анализ был проведен в день отбора пробы. При охлаждении до 3 - 5 °C допускается хранение проб в течение 3 сут. Более длительное хранение возможно при замораживании пробы.

.4 Определение нитратов ионометрическим методом

.4.1 Аппаратура,материалы и реактивы

Оборудование и реактивы:

·        ионометр

·        ионоселективный нитратный электрод

·        хлорсеребряный электрод сравнения

·        весы технические и аналитические

·        конические колбы 250 мл

·        мерный цилиндр 100 мл

·        химические стаканы 50 мл

·        фильтровальная бумага

·        мерная колба 1 л

·        пипетки 5мл и 10 мл

·        нитрат калия

·        водный раствор K₂SO₄c концентрацией (1/2 K₂SO₄) 1 моль/дм³

·        водный раствор NaOH с концентрацией 0,1 моль/дм³

·        водный раствор (NH₄)S₂O₃ массовой долей 8%

·        водный раствор ZnSO₄ массовой долей 8%

.4.2 Приготовление растворов

) Приготовление раствора KNO₃: навеску нитрата калия массой 10,1 г растворяют в дистиллированной воде в мерной колбе вместимостью 1 л , доводят содержимое колбы водой до метки. Получают раствор нитрата калия молярной концентрацией 10^-1 моль/л (pNO₃=1)

) Методом последовательного разбавления из полученного раствора готовят серию стандартных растворов нитрата калия концентрацией 10^-2,10^-3,10^-4 и 10^-5 моль/л (pNO₃ равны соответственно 2, 3, 4 и 5) (Табл.1).

3.4.3 Подготовка электродов к работе

Перед началом работы мембрану ионоселективного электрода вымачивают в течение 24 часов в растворе нитрата калия концентрацией 0,1 моль/л. Вспомогательный хлорсеребряный электрод хранят в воде.

3.4.4 Проведение анализа

Погрузив электроды в стаканы, в каждом растворе регистрируют ЭДС элемента, составленного из нитратселективного и хлорсеребряного электродов. Перед началом измерений электроды промывают несколько раз дистиллированной водой. Измерения выполняют, переходя от разбавленных растворов к концентрированным. Между измерениями электроды достают, ополаскивают дистиллированной водой, высушивают фильтровальной бумагой и снова погружают в следующий исследуемый раствор. Полученные данные представлены в таблице 2.

3.4.5 Построение градуировочного графика

По результатам определения ЭДС серии стандартных растворов строят градуировочный график в линейном масштабе. По оси абсцисс откладывают значения концентрации стандартных растворов, а по оси ординат - соответствующие им показания прибора (мВ) (рис.2). По градуировочному графику определяют значения рNO3 анализируемых растворов (Табл.3). Полученные данные были обработаны статистически методом Стьюдента (Табл.4).Концентрация нитратов в поверхностных водах г. Архангельска и Архангельской области представлена в виде диаграммы (рис.3) и в табл. 5.

3.5 Результаты исследования и их обсуждения

При исследовании образцов воды г. Архангельска и Архангельской области мы установили, что:

) Наибольшую концентрацию нитратов имеет образец морской воды о. Ягры (39,00±2,50*10^-5 моль/л). В морской воде и океанических осадках азот находится в виде органических соединений (белков, пептидов, аминокислот, нуклеиновых кислот), минеральных соединений (NH₃, NO₃^-, NO₂^-), растворенных газов (N₂, N₂O). Органические формы азота преобладают над неорганическими. Трансформация азота осуществляется в результате жизнедеятельности донных бактерий. Количество бактерий, населяющих донные осадки, на три-четыре порядка величин больше, чем в придонном слое воды. В процессе жизнедеятельности бактерии выделяют ферменты, которые ускоряют разложение органических веществ (белков и полисахаридов) до низкомолекулярных соединений, которые служат одним из важных источников питания для многих гетеротрофных бентосных организмов. Также после отмирания организмов и разрушения клеток процессы аммонификации переводят амминный азот в аммиак, а затем в окислительной среде морской воды начинается последовательная реакция окисления аммонийного азота до нитритов и далее до нитратов. Таким образом, нитраты являются необходимыми для морского фитопланктона биогенными соединениями. Их отсутствие приводит к угнетению водорослей, снижению интенсивности процесса фотосинтеза. Содержание нитратов в водах Мирового океана колеблется в широких пределах - от 0 до 500-600 мкг/л и выше. Воды, богатые нитратами, отличаются высокой продуктивностью. Та

2) Речная вода по сравнению с морской имеет меньшее содержание нитратов (примерно в 10 раз), и их концентрация вверх по течению Северной Двины увеличивается от Соломбальского округа(1,16±0,06*10^-5 моль/л) к Центру(3,84±0,68*10^-5 моль/л) и вновь понижается в водах г. Новодвинска (1,37±0,31*10^-5;1,65±0,42*10^-5 моль/л), то есть наиболее загрязненным является устьевой участок. Устьевая область испытывает особую антропогенную нагрузку от источников загрязнения, расположенных вдоль ее притоков и непосредственно в устьевой части, в том числе это целлюлозно-бумажные комбинаты (Архангельский, Соломбальский ЦБК). Повышенная концентрация NO₃^- в Центре связана с высоким уровнем транспортной нагрузки. Можно предположить, что основными источникамим загрязнения бассейна Северной Двины являются сброс недостаточно очищенных сточных вод предприятиями целлюлозно-бумажной промышленности, коммунального хозяйства, сброс ливневых и дренажных вод и аварийные ситуации.

3) Р. Пинега имеет отдельный водозабор. Пробы воды, отобранные в Пинежском районе, отличаются более высокой концентрацией NO₃^- (4,33±0,17*10^-5 моль/л) по сравнению с пробами воды из Северной Двины (Архангельск), что может быть связано с развитым сельским хозяйством в районах нашей области, и, как следствие, внесением в почву азотных удобрений.

) В водопроводной воде г. Архангельска содержание нитратов сравнимо с содержанием нитратов в Северной Двине.(2,14±0,48*10^-5 моль/л).

) Результаты нашего исследования сравнивались со значениями, полученными методами высокоэффективной жидкостной хроматографии в лаборатории центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика» Северного (Арктического) Федерального Университета имени М.В. Ломоносова при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. Установлено, что содержание нитратов в пробах находится ниже уровня определения прибора.

)Все полученные концентрации не превышают ПДК=72,6*10^-5 моль/л.

3.6 Выводы

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

Ø  Наибольшая концентрация нитратов зарегистрирована в образце морской воды о. Ягры, что, возможно, объясняется жизнедеятельностью донных бактерий и водорослей, содержащихся в большом количестве в море.

Ø  Вниз по течению реки наблюдается тенденция снижения уровня нитратов, что связано с уменьшением промышленной и антропогенной нагрузки.

Ø  Все полученные данные не превышают ПДК по содержанию нитратов.

Заключение

Защите окружающей среды от возрастающей антропогенной нагрузки в настоящее время уделяется все большее внимание во всем мире. Развитие промышленности, в том числе и химической, увеличение добычи ископаемого сырья, расширение использования транспорта сопровождается поступлением в окружающую среду больших количеств различных загрязняющих веществ.

Сильное загрязнение окружающей среды (воды, воздуха, почвы) приводит к возникновению неблагоприятных последствий: нарушению нормальной жизнедеятельности биосферы, изменению климата, исчезновению многих видов растений и животных, ухудшению здоровья населения. Поэтому мы планируем дальнейшие исследования проб воздуха на содержание NO₃^- оксидов азота в центре г. Архангельска.

Список использованной литературы

1. Агроэкология. Черников В. А. М.: Колос, 2000. - 536 с.

. Алексеев В. Н. Курс качественного химического полумикроанализа. М: «Химия», 1973. - 584 с.

. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1981. - 679 с.

. ГОСТ 4192 - 82. Вода питьевая. Методы определения минеральных азотсодержащих веществ.

. Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. Изд. 4-е, доп. и переработ. - Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2003. - 576 с.

. Новиков Ю. В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб.пособие для вузов, а также учащихся средних школ и колледжей. - М.: ФАИР - ПРЕСС, 1999. - 320 с.

. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учеб. для вузов / Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берменд и др.; Под ред. Ю. А. Ершова. - 5-е изд., стер., - М.: Высш. шк., 2005. - 560 с.

. Основы аналитической химии. Практическое руководство: Учеб.пособие для вузов / В. И. Фадеева, Т. Н. Шеховцева, В. М. Иванов и др.; Под ред. Ю. А. Золотова. - М.: Высш. шк. 2001. - 463 с.

10. #"720077.files/image012.jpg">

Рис.2 Калибровочный график

Рис.3 Концентрация нитратов в поверхностных водах г. Архангельска и Архангельской области

Таблица 1. Экспериментальные данные построения калибровочного графика

Таблица 2. Результаты измерения ЭДС отобранных проб.

Таблица 3. Результаты потенциометрического определения содержания нитрат - ионов в отобранных пробах.

Таблица 5. Статистическая обработка результатов исследования (в единицах измерения моль/л).

Табл.5 Концентрация нитратов в поверхностных водах г.Архангельска и Архангельской области