MITÄ PIILEE TALOUSVEDESSÄ? KOHDERYHMÄ: Työ sopii parhaiten tehtäväksi lukiossa kursseilla KE2 ja KE4. KESTO: 30-60min, riippuu käytävän teorian laajuudesta ja ryhmän koosta. MOTIVAATIO: Lahtiset olivatkin yllättäen mökillään, kun Virtaset palasivat ensimmäiseltä muuton jälkeiseltä ulkomaanmatkaltaan. He olivat tulleet mökille, koska kaupungissa oli vesijohtolaitoksen jakamaan veteen päässyt jotain haitallisten pieneliöiden määrää lisäävää ainetta. Ihmiset joutuivat juomaan pelkkää pullovettä. Lahtiset suunnittelivat kaivovetensä laadun tutkimista ja kehottivat myös Virtasia tekemään samoin. Virtasia touhu vain nauratti, olivathan he juoneet vettä jo monta vuotta. Sitten rouva Virtanen huomasi hampaassaan epäesteettisen laikun ja sai saman neuvon kaivoveden tutkimisesta kiireellisenä hammaslääkäriltään TAVOITE: Työn tavoitteena on oppia veden laatuun vaikuttavista ioneista ja miten niiden pitoisuuksia voidaan mitata ionikromatografialla. Työssä myös on tarkoitus oppia myös muista veden laatuun vaikuttavista tekijöistä kuten ph. AVAINSANAT: Ionikromatografia Ioni Pitoisuus Kvantitatiivinen analyysi Veden laatu Arkipäivän kemia Lahtiset olivatkin yllättäen mökillään, kun Virtaset palasivat ensimmäiseltä muuton jälkeiseltä ulkomaanmatkaltaan. He olivat tulleet mökille, koska kaupungissa oli vesijohtolaitoksen jakamaan veteen päässyt jotain haitallisten pieneliöiden määrää lisäävää ainetta. Ihmiset joutuivat juomaan pelkkää pullovettä. Lahtiset suunnittelivat kaivovetensä laadun tutkimista ja kehottivat myös Virtasia tekemään samoin. Virtasia touhu vain nauratti, olivathan he juoneet vettä jo monta vuotta. Sitten rouva Virtanen huomasi hampaassaan epäesteettisen laikun ja sai saman neuvon kaivoveden tutkimisesta kiireellisenä hammaslääkäriltään TAUSTAA Mistä tiedetään, onko vedessä esimerkiksi epäorgaanisia anioneja tai arseenia? Juomaveden laatua voi tutkia erilaisin testein. Epäorgaanisten anionien (negatiivisten ionien) pitoisuuksia tutkitaan ionikromatografialla johtokykyilmaisinta käyttäen. Myös kationeja voi tutkia samalla tavalla.
Kromatografia on analyysimenetelmä aineseoksessa olevien kemiallisesti samankaltaisten aineiden erottamiseen toisistaan ja tunnistamiseen. Erottaminen tapahtuu pääasiassa kahden eri faasin, kiinteän ja liikkuvan faasin, välillä. Ionikromatografia on nestekromatografian sovellus, jossa erotetaan kationeja ja anioneja kolonneilla, joiden erotustapa perustuu ioninvaihtoon, ionipareihin ja ioniekskluusioon. Ionikromatografian tarkoitus on ionien erottaminen. Ionikromatografiassa kiinteä ja liikkuva faasi kilpailevat analysoitavasta ionista. Ioninvaihto tarkoittaa liuoksessa olevien kationien vaihtoa kiinteän faasin sisältämiin kationeihin tai anionien vaihtoa kiinteän faasin sisältämiin anioneihin. Anionien tutkiminen ionikromatografilla Käyttämässämme laitteessa näyte pumpataan liikkuvan faasin kanssa kiinteänä faasina toimivan kolonnin läpi. Anionit ja liikkuva faasi kulkevat kolonnin läpi sitoutuen vuorotellen sen varautuneisiin ryhmiin Anionien erottuminen tapahtuu kolonnissa, kun liikkuva faasi ja näytteen anionit kilpailevat kiinteän faasin varautuneista paikoista. Anioni kulkee kolonnin läpi, kun sen ja kiinteän faasin välille vuoroin muodostuu ja vuoroin hajoaa sidoksia. Eri anionit kulkevat ioninvaihtokolonnin läpi eri ajassa riippuen sidoksen vah-
vuudesta. Läpi kulkemiseen kuluvaa aikaa kutsutaan retentioajaksi. Laite vertaa retentioaikoja standardiliuokseen, jonka pitoisuudet tunnetaan. Ionit tunnistetaan johtokykydetektorissa, joka mittaa liuoksen sähkönjohtokykyä. Sähkönjohtokyky kuvaa vain ionien pitoisuutta. Siitä ei voi päätellä, mikä ioni on kyseessä, vaan se määritetään retentioaikojen avulla. Arseeni As 3+ : Korkea pitoisuus voi lisätä syöpäriskiä. Ei voi tunnistaa hajun tai maun perusteella. Esiintyy pääasiassa kallioporakaivoissa. Raja-arvo <0,01 mg/l Bromidi Br - : Ei sellaisenaan terveydelle haitallista. Vedenpuhdistuksen yhteydessä voi hapettua bromaatiksi. Suolaisessa vedessä on bromidia, joten sitä voi olla juomavedessä esimerkiksi jos merivettä on sekoittunut kaivoveteen. Bromaatti BrO - 3 : Lisää syöpäriskiä. Raja-arvo 0,01 mg/l Fluoridi F - : Liika saanti aiheuttaa laikkuja hampaisiin ja haurastuttaa luita. Liiallinen saanti hampaiden muodostuksen aikana aiheuttaa hammaskiilteen muodostumishäiriön. Ei näy eikä maistu vedessä. Raja-arvo yli 2 mg/l aikuisille, yli 1,5 mg/l lapsille. Fosfaatti PO 3-4 : Voi lisätä pieneliöiden jälkikasvua vesijohtoverkostossa silloin, kun muita ravinteita on riittävästi vedessä. Voi joutua veteen runsaasti lannoitetusta maaperästä liuenneena tai jätevedestä. Raja-arvo 0,1 mg/l Kloridi Cl - : Korkea pitoisuus voi aiheuttaa putkiston syöpymistä, jolloin veteen liukenee kuparia tai rautaa. Kloridipitoista vettä esiintyy vanhoilla merenpohjaalueilla sekä jätevesien ja tiesuolauksen seurauksena. Raja-arvo 100 mg/l ja tavoitearvo <25 mg/l Kupari Cu 2+ : Voi värjätä vaalean pyykin tai hiukset vihreiksi tai aiheuttaa vihreitä tahroja kylpyhuoneen kalusteisiin. Aiheuttaa karvasta makua. Suurina pitoisuuksina kuparisuolat voivat aiheuttaa maha-suolitulehduksen. Liukenee usein vesijohtomateriaaleista. Raja-arvo 1,0 mg/l ja tavoitearvo < 0,3 mg/l
Mangaani Mn 2+ : Voi näkyä vedessä mustana sakkana, joka on usein öljymäistä ja haisee pahalle. Voi myös muodostaa veden pinnalle vaalean tai monivärisen kalvon, joka hajoaa koskettaessa. Liiallisena aiheuttaa pahaa makua. Raja-arvo 0,05 mg/l Nitraatti NO - 3 : Muuttuu nitriiteiksi ja syöpävaarallisiksi nitrosoamiineiksi. Runsaasti nitraattia sisältävää vettä ei saa antaa raskaana oleville, pienille lapsille tai imettäville äideille. Ei näy eikä maistu vedessä. (Jos tulee lannoitteen mukana keväisin, vesi voi maistua imelälle.) Raja-arvo 25 mg/l Nitriitti NO - 2 : Muuttaa veren hemoglobiinia niin, että se ei pysty kuljettamaan happea soluille. Nitriitti on vaarallisinta imeväisikäisille lapsille. Myös nitriitti muuttuu nitroamiineiksi. Ei näy eikä maistu vedessä. Raja-arvo 0,1 mg/l Rauta Fe 2+ /Fe 3+ : Värjää veden ruskeaksi. Voi myös muodostaa veden pinnalle vaalean tai monivärisen kalvon, joka hajoaa koskettaessa. Saattaa jättää ruskeita tahroja. Saa veden maistumaan ruosteelta. Ei ole vaarallista terveydelle. Rajaarvo 0,2 mg/l Sulfaatti SO 2-4 : Suurina annoksina laksatiivinen vaikutus eli stimuloi suolen toimintaa. Jatkuva saanti nostaa ärsytyskynnystä. Voi liittyä rikkivedyn esiintymiseen, jolloin vedessä ilmenee maku- ja hajuhaittoja. Muussa tapauksessa ei. Rannikkoseutuja lukuun ottamatta pitoisuus on yleensä alhainen. Raja-arvo 150 mg/l Happamuus: Aiheuttaa putkien liukenemista, jolloin veteen voi liueta kuparia ja rautaa. Ei terveyshaittoja. Raja-arvot 6,5 ja 9,5, laatutavoite 7,0-8,8. Lisäksi juomavedestä voidaan tutkia mm. bakteereita, radon, uraani, ammonium, sähkönjohtavuus, sameus, väriluku ja muita metalleja, kuten alumiini, elohopea ja lyijy.
TARVIKKEET JA REAGENSSIT Vesinäyte Ionikromatografi ph-paperi bromidi-, fluoridi-, fosfaatti-, kloridi-, nitraatti- ja sulfaattistandardiliuos TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTELY Suojatakki ja lasit. Nestemäiset jätteet hävitetään viemäriin, kiinteä jäte sekajätteisiin. TYÖOHJE Vesinäytteen tiedot Vesinäyte on otettu: Vesi tulee: Veden väri: Veden maku (älä maista, jos epäilet veden olevan juomakelvotonta): Veden haju: Jättääkö vesi tahroja? Ei /Kyllä, millaisia? Erottuuko vedestä sakkaa? Ei /Kyllä, millaista? Onko veden pinnalla kalvoa? Ei /Kyllä, millainen? Onko veden epäilty aiheuttaneen terveyshaittoja? Ei /Kyllä, millaisia? ph-arvo (Mitataan laboratoriossa) Vertaa alkutietolomakkeen tietoja ionilistaan. Mittaa vesinäytteen ph ph-paperin avulla ja merkitse se alkutietolomakkeeseen.
Antoivatko alkutiedot aihetta epäillä oman näytteesi vedestä jotain? Mitä voisi niiden perusteella todennäköisesti sulkea pois? Miksi? Mittaa vesinäytteestäsi ionikromatografilla epäorgaanisten anionien pitoisuus. Noudata ionikromatografin ohjeita. Käyttämällämme standardiliuoksella voi määrittää vesinäytteen bromidi-, fluoridi-, fosfaatti-, kloridi-, nitraatti- ja sulfaattipitoisuuden. Katso pitoisuudet yksiköllä ppm. 1 ppm = 1 mg/l Näytteen pitoisuudet: Bromidi: Fluoridi: Fosfaatti: Kloridi: Nitraatti: Sulfaatti: POHDINTAA Antoivatko alkutiedot aihetta epäillä oman näytteesi vedestä jotain? Mitä voisi niiden perusteella todennäköisesti sulkea pois? Miksi? Mitä neuvoisit Virtasia tutkimaan kaivovedestään? Hampaiden laikut viittaavat fluoridiin, tietysti kannattaa tutkia muutkin vaaratekijät. Millaisia aineita ei voi havaita vedestä aistien varassa? Suurinta osaa anioneista yksinään, arseenia, vakavien terveyshaittojen aiheuttajia (nitraatti, nitriitti, arseeni, kloridi).
Olivatko kaikki pitoisuudet turvallisella tasolla? Uskotko vesinäytteen olevan turvallista juotavaksi? Miksi? Voisiko tekemäsi tutkimuksen perusteella julistaa minkä tahansa vesinäytteen turvalliseksi? Ei, koska ei tutkittu esimerkiksi radonia tai bakteereja. Ionien pitoisuus vesissä vaihtelee suuresti maantieteellisesti. Mistä arvelet sen johtuvan? Pitoisuuksiin vaikuttavat esimerkiksi maatalous, meren läheisyys, teollisuus, maa-aines, happamuus. Miksi kaivovesi kannattaa tutkituttaa erityisesti, jos perheeseen on syntymässä lapsi tai perheessä on pieniä lapsia? Koska nitraatti ja nitriitti sekä fluoridi ovat vaarallisia nimenomaan lapsille Mitä vedestä ainakin kannattaisi tutkia jos veden pinnalla on vaalea kalvo ja vesi maistuu keväällä imelältä? Kalvo viittaa rautaan tai mangaaniin. Jos rauta on irronnut vesiputkesta, syynä voi olla liika kloridi tai happamuus. Imelälle maistuminen keväisin viittaa nitraattiin. Myös erilaiset siitepölyt saattavat jäädä kalvoksi veden pintaan ja värjätä vettä. Mikä sidos on kyseessä kun anioni sitoutuu kolonnin varautuneeseen ryhmään? Mihin se perustuu? Muodostuva sidos on ionisidos. Ionisidos perustuu siihen, että vastakkaismerkkiset ionit vetävät toisiaan puoleensa
TUNNIN JÄLKEISIÄ TEHTÄVIÄ: Mitä erotusmenetelmää kannattaa käyttää jos halutaan a) erottaa vedestä siihen liuennut suola? Haihdutus (tai sakanmuodostus ja kiinteän erottaminen nesteestä) b) tutkia mitä kaasuja kaasuseos sisältää? (Kaasu)kromatografia c) erottaan alkoholi käyneestä marjamehusta? Tislaus d) poistaa sakka nesteestä? Suodatus, mahdollisesti sentrifugointi ja/tai nesteen kaato sakan päältä) e) poistaa neste sakan seasta? Haihdutus/suodatus (+kuivatus), mahdollisesti sentrifugointi ja/tai nesteen kaato sakan päältä (+kuivatus) f) erottaa vedestä Ca 2+ -ionit? Ioni(nvaihto)kromatografia g) poistaa korvasienistä myrkky? Uutto (ryöppäys) Mitä pitää huomioida otettaessa tutkittavaa näytettä luonnosta? Näyte kelpaa harvoin sellaisenaan tutkittavaksi, vaan se pitää esikäsitellä sopivaksi. Tutkimuskohde voidaan joutua erottamaan suuresta määrästä vieraita aineita. Tutkittavaa ainetta voi olla jossain satunnaisesti tavallista enemmän tai tavallista vähemmän, joten näytteenottopaikka on valittava huolella.