KOHDERYHMÄ: Työ on suunniteltu lukiolaisille, mutta työtä voi soveltaa myös yläkouluun. Tällöin kuvaajan piirtäminen ja spektrofotometrin teoria jätetään pois tai sitä supistetaan sopivasti. Lukiossa työ soveltuu esimerkiksi kurssille KE4. KESTO: N. 0,5-1h MOTIVAATIO: Olet harjoittelijana vedenpuhdistuslaitoksella. Juomavedeksi käsiteltävän veden desinfiointivaiheesta vastaava työntekijä uskoo tehneensä inhimillisen virheen vettä desinfioivan klooripitoisen aineen annostelussa. Pomosi pyytää sinua varmistamaan, että puhdistetussa vedessä ei ole liikaa kloorijäämää. Et ole vielä saanut koulutusta hankaliin laadunvalvontajärjestelmiin ja ainoa mahdollisuutesi on selvittää veden klooripitoisuus kokeellisesti vesinäytteestä. TAVOITE: Työn tavoitteena on oppia veden puhdistuksesta ja desinfioinnista. Työssä tutustutaan kloorin desinfioiviin vaikutuksiin. Työn tarkoituksena on myös oppia käyttämään spektrofotometria ja ymmärtää teoria sen toimintaperiaatteesta. AVAINSANAT: Veden desinfiointi Kvantitatiivinen analyysi Spektrofotometri Olet harjoittelijana vedenpuhdistuslaitoksella. Juomavedeksi käsiteltävän veden desinfiointivaiheesta vastaava työntekijä uskoo tehneensä inhimillisen virheen vettä desinfioivan klooripitoisen aineen annostelussa. Pomosi pyytää sinua varmistamaan, että puhdistetussa vedessä ei ole liikaa kloorijäämää. Et ole vielä saanut koulutusta hankaliin laadunvalvontajärjestelmiin ja ainoa mahdollisuutesi on selvittää veden klooripitoisuus kokeellisesti vesinäytteestä. TAUSTAA Raakavesi ei sellaisenaan ole juomakelpoista. Raakavedessä on epäpuhtauksina muun muassa hiekkaa, levää, ihmiselle haitallisia bakteereita ja viruksia. Juomaveden puhdistuksessa on monta eri vaihetta, joista juomaveden desinfiointi on yksi. Desinfioinnilla juomavedestä poistetaan mikrobit. Juomavesi desinfioidaan Suomessa pääosin natriumhypokloriitin vesiliuoksella NaClO. Klooria tulisi aina jäädä hieman puhdistettuun juomaveteen sen desinfioivan vaikutuksensa vuoksi. Jos juomavedessä ei olisi kloorijäämää, veden seisoessa esimerkiksi putkistossa, haitalliset mikrobit voisivat lisääntyä. Klooria ei kuitenkaan saa lisätä liikaa. Lii-
an suuri kloorijäämä reagoi juomaveden epäpuhtauksien kanssa muodostaen ihmiselle haitallisia sivutuotteita. Juomavettä desinfioidaan Suomessa pääosin natriumhypokloriitin vesiliuoksella (10 15 %). Juomaveden desinfiointi kloorin avulla tuhoaa mikrobit hapettamalla muun muassa niiden soluseinän. POHDITTAVAKSI ENNEN TYÖTÄ Miksi klooria lisätään juomaveteen? Klooria lisätään sen desinfioivan vaikutuksen vuoksi. Jos klooria ei lisättäisi juomaveteen, veden seisoessa esimerkiksi putkistoissa, haitalliset mikrobit pääsevät lisääntymään. Kuluttajan saavuttaessaan juomavesi ei enää olisi puhdasta, vaikka se olisikin ollut puhdasta vesilaitokselta lähtiessään. Desinfioinnilla juomavedestä poistetaan mikrobit. Vesijohtoveteen lisätään klooria noin 0,35-0,5 mg/l. Klooria kuluu vesijohtoverkostossa, ja sen pitoisuus alenee vähitellen. Kloori säilyy paremmin kylmässä kuin lämpimässä vedessä. Siksi klooripitoisuus on usein talvella suurempi kuin kesällä. Esimerkiksi pääkaupunkiseudulla vesijohtoveden kokonaiskloorin määrä on noin 0,03-0,5 mg/l. Voiko juomavedessä olla liikaa klooria? Voi. Jos kloorikonsentraatio on liian suuri, ylijäämäkloori reagoi veden sisältämän orgaanisen aineksen kanssa muodostaen haitallisia yhdisteitä (muun muassa kloroformia, joka on karsinogeeni). WHO:n asettama raja-arvo perustuu ylijäämäkloorin aiheuttamiin negatiivisiin terveysvaikutuksiin. REAKTIOT 2 ClO - (aq) 2 Cl - (aq) + O 2 (g) 3 ClO - (aq) 2 Cl - (aq) + ClO 3 - (aq)
REAGENSSIT: 3 kpl DPD (N,N-dietyyli-p-fenyleenidiamiini)-reagenssipusseja 0,04M natriumhypokloriittiliuosta Ionivaihdettua vettä Hanavettä TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEI- DEN KÄSITTELY Kemian opetuksen keskus TARVIKKEET: 3 Koeputkea 3x5ml mittalasi Pasteurpipetti 50 ml dekantterilasi 3 kyvettiä Spektrofotometri Suojalasit, laboratoriotakki ja suojahanskat. Natriumhypokloriitti on syövyttävä aine, joka ärsyttää silmiä. DPD ärsyttää ihoa ja silmiä. Huuhtele roiskeet heti runsaalla vedellä. Tarvittaessa lääkäriin. DPD on myrkyllistä vesieliöille. Kloraatti pelkistetään kloridiksi ja huuhdellaan viemäristä. TYÖOHJE Vertailuliuosten valmistus: Vertailuliuos 1. Mittaa 5ml ionivaihdettua vettä koeputkeen mittalasin tarkkuudella. Lisää reagenssipussin sisältö. Mitä havaitset? Ei värinmuutosta. Vertailuliuos 2. Mittaa 5ml ionivaihdettua vettä koeputkeen mittalasin tarkkuudella. Lisää yksi tippa natriumhypokloriittiliuosta, jonka kloorikonsentraatio on 0,04 mol/l. Lisää koeputkeen reagenssipussin sisältö. Mitä havaitset? Liuos muuttuu välittömästi kirkkaan pinkiksi. Mikä on vertailuliuoksen 1. kloorikonsentraatio? Miksi? Kirjaa vastauksesi seuraavan sivun tulosten analysointitaulukkoon. Näyteliuoksen valmistus: Valuta vettä hanasta ensin vähän aikaa, enne kuin otat näytteen. Ota hanasta vesinäyte 50 ml dekantterilasiin. Mittaa siitä mittalasilla 5ml koeputkeen ja kaada joukkoon reagenssipussin sisältö. Mitä havaitset?
Mittauksen suoritus Kalibroi spektrofotometri kyvetillä, joka on täytetty vedellä (3/4 tilavuudesta). Kemian opetuksen keskus Mittaa vertailuliuosten ja näyteliuoksen absorbanssi. Kirjaa tulokset alla olevaan taulukkoon (Huomaa, että kloorikonsentraatio on millimooleja). Tulosten analysointi Liuos Absorbanssi Kloori konsentraatio c Vertailuliuos 1. 0 Vertailuliuos 2. 0,04 (mmol/l) Näyteliuos 0,026 (voi vaihdella hanavedestä reippaastikin) riippuen Absorbanssin (A) suhde liuoksen konsetraatioon (c) on Lambert-Beerin lain mukaan: A = * b * c on molaarinen absortiviteettikerroin (vakio) ja b on valon kulkema matka kyvetissä (mittauksessa se oletetaan vakioksi). Kaavasta nähdään, että absorbanssi ja tutkittavan liuoksen konsentraatio ovat suoraan verrannollisia. Piirrä yllä olevan päätelmän perusteella vertailusuora millimetripaperille. Lue vertailusuoraa apuna käyttäen näyteliuoksen kloorikonsentraatio. Kirjaa tuloksesi tulosten analysointi taulukkoon.
Absorbanssi (A) 1,2 Spektrof otometrillä havaittu Vertailuliuos 2. näyteliuoksen absorbanssi 0,66 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Vertailusuoran avulla luettu näyteliuoksen kloorikonsentraatio 0,026 mmol/l Vertailuliuos 1. 0,01 0,02 0,03 0,04 Konsentraatio (c) [mmol/l] POHDINTAA Mikä on vertailuliuoksen 1. kloorikonsentraatio? Miksi? Vertailuliuos 1. ei sisällä klooria lainkaan, koska värireaktiota ei syntynyt. Kloorikonsentraatio on siis nolla. Mitä eroa vesijohtoveden ja ionivaihdetun veden värireaktioilla oli? Miksi? Ionivaihdetussa vedessä ei tapahtunut värireaktiota, koska ionivaihdettu vesi ei sisällä lainkaan klooria. Vesijohtovesi aiheutti värireaktion, koska se sisältää klooria. Mistä johtuu, jos vesijohtovedestä ei tule värireaktiota? Tällöin vesijohtovesi ei sisällä klooria lainkaan. Osaatko sanoa, miksi vettä oli hyvä valuttaa hetki ennen näytteenottoa? Jos vesi seisoo putkistossa pitkään, veden sisältämä kloori alkaa tuhoamaan putkistossa olevia epäpuhtauksia ja mikrobeja. Kloori siis kuluu desinfioinnissa. Jos näytteen ottaa esimerkiksi aamulla koko yön seisseestä vedestä, klooria ei välttämättä ole kauheasti. Valuttaminen tuo tuoretta, ei-seisonutta vettä, joka sisältää vielä runsaasti klooria.
Mikä oli hanaveden kloorikonsentraatio? Vertaa tulostasi WHO:n antamaan rajaarvoon. Mitä huomaat? Oliko tapahtunut inhimillistä virhettä? Hanaveden kloorikonsentraatio oli noin 0,026 mmol/. Inhimillistä virhettä ei ollut tapahtunut, koska hanavesi sisälsi klooria ja se oli alle WHO:n raja-arvon (0,141 mmol/l). Voisiko siis kyseistä vettä juoda? Koska hanaveden kloorikonsentraatio on alle WHO:n asettaman raja-arvon, voi vettä juoda. Vertaile tuloksiasi muiden ryhmien kanssa. Saivatko muut ryhmät eroavia tuloksia? Miksi? Minkälaisia tuloksia saisit, jos käyttäisit tutkittavana näytteenä luonnon vettä? Koitko työn mittausautomaatio osuuden (spektrofotometria) mielekkääksi? Miksi?