Урок 17 · Вода Не начат

Проект: свободный хлор, моющие средства и эвтрофикация

МакроуровеньСимвольный уровень

Главная идея. Два конца цикла воды в лаборатории: измерить свободный хлор, оставшийся после водоподготовки, и проследить путь фосфата из моющего средства до бурного роста водорослей в озере.

Что нужно принести

Этот урок завершает модуль и посвящён проекту: два конца цикла воды — своими руками. Сначала хлор, который добавляют на станции водоподготовки; потом фосфат, который уходит в раковину у тебя дома.

Объяснение

Читать объяснение

Часть A · Хлор, которого должно быть в избытке

На станции добавляют хлор для обеззараживания. Часть его расходуется на уничтожение микроорганизмов и окисление органических веществ; то, что остаётся неизрасходованным, называется остаточным свободным хлором.

Этот избыток — не небрежность, а цель. Воде нужно пройти километры старых труб, прежде чем она попадёт к тебе домой, и по пути через повреждённый стык может проникнуть загрязнение. Свободный хлор — это охрана, которая путешествует вместе с водой.

Почему для свободного хлора есть диапазон, а не только минимум. Точные значения устанавливает Código Alimentario Argentino (Пищевой кодекс Аргентины); в задании ты будешь работать со значениями, которые измерит твоя группа.
ЕслиЧто происходит
Хлора слишком малоВода может снова загрязниться в сети. Риск для здоровья.
Хлора столько, сколько нужноОбеззараживает и продолжает защищать до самого крана.
Хлора слишком многоНеприятный запах и вкус и больше побочных продуктов хлорирования.

Подсказка: это вопрос дозы, а не «хлор — да или хлор — нет». Одно и то же вещество защищает или мешает в зависимости от количества.

Часть B · Учёный в прачечной

Моющее средство должно делать то, чего не может одна вода: удалять жир. А жир неполярен, поэтому вода его не растворяет.

Молекула моющего средства решает эту задачу тем, что у неё два разных конца:

Конец, который любит воду

полярный

Что делает

Хорошо ладит с водой, как соль: остаётся на стороне воды.

Хвост, который её отталкивает

неполярный

Что делает

Это длинная цепочка из углерода и водорода. Она убегает от воды и внедряется в жир.

Когда ты стираешь, хвосты внедряются в каплю жира, а полярные концы остаются снаружи, обращённые к воде. Капля оказывается упакованной в шарик, который вода уже может унести. Жир не растворился: его упаковали.

И есть побочный эффект, который ты уже видел на уроке 15: внедряясь между молекулами поверхности, моющее средство разрушает поверхностное натяжение. Поэтому мыльная вода лучше смачивает и проникает в ткань одежды.

Фосфат и куда он попадает

Многие моющие средства десятилетиями содержали фосфаты, которые смягчают жёсткую воду и улучшают стирку. Проблема появляется после раковины.

Фосфор — биогенный элемент: в озере его обычно не хватает, и поэтому именно он сдерживает рост водорослей. Если фосфора поступает слишком много, этот тормоз снимается.

  1. Фосфат попадает в озеро со сточными водами.
  2. Водоросли, у которых теперь еды в избытке, размножаются и покрывают поверхность.
  3. Этот слой закрывает свет: растения внизу не могут фотосинтезировать и гибнут.
  4. Бактерии разлагают всё это мёртвое вещество и при этом расходуют растворённый кислород.
  5. Без кислорода рыбы гибнут. Озеро становится зелёным и лишённым животной жизни.

Это эвтрофикация. Обрати внимание на иронию шага 2: проблема начинается с избытка растительной жизни, а не с яда.

Подумай, прежде чем открыть: если водоросли фотосинтезируют, а фотосинтез даёт кислород, как озеро, полное водорослей, может остаться без кислорода?

Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим

Нужно разделить две вещи. Во-первых, водоросли производят кислород только там, куда доходит свет, то есть у поверхности, и значительная часть этого кислорода уходит в воздух. Внизу же нет ни света, ни производства кислорода.

Во-вторых, и это важнее: водоросли отмирают, и тогда их разлагают бактерии. Этот процесс расходует очень много кислорода и идёт на дне. Итоговый баланс отрицательный: кислорода поступает меньше, чем расходуется.

Это ровно то же рассуждение о резервуарах и потоках, что и на уроке 2, применённое к кислороду озера.

Зелёная химия

Ответом стал не запрет моющих средств, а их новая разработка. Это и есть зелёная химия: думать об экологической проблеме на этапе разработки, а не устранять её потом.

  • Заменить фосфаты другими веществами, которые смягчают воду, не удобряя озёра.
  • Использовать биоразлагаемые молекулы, которые бактерии могут быстро разрушить.
  • Уменьшить количество средства на одну стирку: концентрированные моющие средства, меньшие дозы.

Сегодня на этикетках многих моющих средств написано «без фосфатов». Эта надпись — прямое следствие того, что ты только что прочитал.

Анимация

Описание анимации

Эвтрофикация — цепочка из пяти шагов, и каждый объясняет следующий.

Сначала в воду попадает избыток биогенных элементов: фосфаты и нитраты из моющих средств, из удобрений, которые смывает дождь, и из неочищенных сточных вод.

Во-вторых, водоросли размножаются. Еды у них было мало, а теперь в избытке, поэтому они разрастаются, пока не закроют поверхность.

В-третьих, когда поверхность закрыта, свет перестаёт доходить до дна. Растения, живущие внизу, остаются без света и гибнут.

В-четвёртых, бактерии разлагают всё это мёртвое вещество. А чтобы его разложить, они расходуют кислород во всём объёме воды.

В-пятых, в воде не остаётся растворённого кислорода. Рыбы гибнут, и остаётся мутная безжизненная вода.

Здесь возникает вопрос, который звучит странно: если водоросли производят кислород, почему озеро в итоге остаётся без кислорода? Ответ из двух частей. Водоросли производят кислород только наверху, куда доходит свет, и значительная часть этого кислорода уходит в воздух. А их разложение расходует кислород во всём объёме, включая дно. Это баланс притоков и оттоков, как на уроке 2.

И главный вывод такой: никто не бросал в озеро яд. Туда сбросили биогенные элементы, которые в принципе являются пищей. Вред причинило не токсичное вещество, а избыток, и поэтому моющее средство без фосфатов действительно что-то меняет.

Источники анимации: EPA, Nutrient Pollution: The Problem — цепочка эвтрофикации и происхождение биогенных элементов. Схема, не в реальном масштабе.

Листы для скачивания (на испанском)

Задания

Опыт 1 · Измерить свободный хлор

С помощью тест-полосок на свободный хлор, в группах.

  1. Возьми пробы как минимум из трёх разных мест: из крана в лаборатории, из крана в туалете и воду, которая со вчерашнего дня стояла в открытой ёмкости.
  2. Измерь свободный хлор в каждой пробе одной и той же полоской с одинаковым временем ожидания и составь таблицу значений.
  3. Проба, стоявшая открытой со вчерашнего дня, обычно показывает меньше. Предложи объяснение, почему хлор уходит.
  4. Напиши вывод: зачем нужен избыток хлора и почему не стоит, чтобы его было слишком много?

Опыт 2 · Моющее средство разрушает поверхность

  1. Посыпь перцем тарелку с водой: он остаётся плавать на поверхности.
  2. Обмакни кончик зубочистки в моющее средство и коснись центра воды. Запиши, что происходит и за какое время.
  3. Объясни увиденное с помощью поверхностного натяжения и двух концов молекулы моющего средства.

Опыт 3 · Масло, вода и моющее средство

  1. В банку с крышкой налей воду и немного масла. Сильно встряхни и дай отстояться. Запиши, сколько времени нужно, чтобы они снова разделились.
  2. Добавь несколько капель моющего средства, встряхни так же и снова дай отстояться. Запиши разницу.
  3. Объясни, почему результат изменился, нарисовав, как располагаются молекулы моющего средства вокруг капли масла.

4. Кто виноват в зелёном озере?

Напиши ответ, разделённый на три части.

То, что ты пишешь, никуда не отправляется: файл остаётся на твоём устройстве.

Самопроверка

Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.

Загрузка вопросов…