Iron in tap water - Chemistry and Chemists № 2 2024

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Observation of ferrous iron oxidation - part 1
Железо в водопроводной воде
Наблюдение за окислением двухвалентного железа - часть 1

A colleague has told me many times what the tap water at the institute is like. It flows from the tap almost colourless, but it becomes cloudy and brown when standing. The tap water seems to contain ferrous iron salts, which are oxidized by atmospheric oxygen when the water is stored in bottles. As a result, brown particles of iron (III) hydroxide are formed. The colleague uses this water to brew tea, but before doing this, he lets it stay for several days so that the iron (III) hydroxide precipitate settles to the bottom. Over time, the brown particles precipitate to the bottom (or stick to the walls), and the water becomes cleaner.

Another feature of this water appears if my colleague washes cups with tea residues. Occasionally, a violet colour appears when the tea comes into contact with tap water. Tea tannins react with iron ions, forming a violet-coloured complex.

In my laboratory, I used to brew tea using distilled water for a long time. Now, this is impossible, so I decided to do the same as my colleague: put tap water in a 6-litre bottle and let it sit for several days so that the dissolved iron oxidizes and precipitates to the bottom as Fe(OH)₃.

At first, the water was almost colourless, but the next day I was unpleasantly surprised: the contents of the bottle turned brown and cloudy (suspension of iron (III) hydroxide). Over time, this suspension settled, but very slowly.

On the same day, I observed the aforementioned reaction of iron cations with the tea. When I washed the cup, I also noticed a violet colouration of the tannin-iron complex.

The next day, the water in the bottle remained brown and cloudy. I poured tap water into another 6-litre bottle hoping to photograph the iron oxidation process in full detail.

As a result, I was in for another disappointment. After a day, the water in the second bottle became greenish-brownish and slightly cloudy; however, it was very different from the brown and extremely cloudy water from the first bottle.

A day later, the colour of the water in the second bottle intensified, and a little brown precipitate fell out.

As a result, I poured the water from the first bottle into the sink and began to use the water from the second one to brew tea. I filled several more bottles with tap water on different days and left them standing. The result was about the same as with the second bottle: slightly brown (or green-brown) cloudy water. The tap water (before settling) no longer gave an intense violet colour being mixed with tea.

What can be concluded? On some days, the iron concentration in my lab's tap water reaches unacceptably high levels, but this is rare. To film the "purple tea" experiment, I need to wait until the iron content in the water increases sharply.

Of course, I can add a few drops of iron (II) chloride or sulfate solution to a bottle of water and then pour the tea into the water, but that would be dishonest.

Железо в водопроводной воде
Наблюдение за окислением двухвалентного железа - часть 1

Коллега не раз мне рассказывал, какая в институте водопроводная вода. Из крана она течет почти бесцветная, но при стоянии становится мутной и коричневой. Похоже, что в исходной воде присутствуют соли двухвалентного железа, которые окисляются кислородом воздуха при хранении воды в бутылках. В результате образуются коричневые частицы гидроксида железа (III). Коллега использует такую воду для заваривания чая, но перед этим он ее отстаивает несколько дней, чтобы осадок гидроксида железа (III) осел на дно. Со временем коричневый осадок опускается на дно (или прилипает к стенкам), и вода становится чище.

Еще одна особенность этой воды проявляется, если мой коллега моет чашки с остатками чая. Время от времени появляется фиолетовая окраска, когда чай контактирует с водопроводной водой. Танины чая реагируют с ионами железа, образуя комплекс, окрашенный в фиолетовый цвет.

В своей лаборатории я долгое время заваривал чай на дистилляте. Сейчас такой возможности нет, поэтому решил поступить аналогично коллеге: набрать водопроводную воду в 6-л бутылку и выдержать ее несколько дней, чтобы растворенное железо окислилось и осело на дно в виде Fe(OH)₃.

Сначала вода была почти бесцветной, но на следующий день я был неприятно удивлен: содержимое бутылки стало коричневым и мутным (суспензия гидроксида железа (III)). Со временем эта суспензия оседала, но очень медленно.

В этот же день я наблюдал упомянутую реакцию катионов железа с чаем. Когда мыл чашку, также заметил фиолетовую окраску комплекса танинов с железом.

На следующий день вода в бутылке оставалась коричневой и мутной. Налил водопроводную воду в еще одну 6-л бутылку в надежде сфотографировать процесс окисления железа со всеми подробностями.

В результате меня ждало еще одно разочарование. Через день вода во второй бутылке стала зеленовато-коричневатой и слегка мутной, однако, она сильно отличалась от коричневой и очень мутной воды из первой бутылки.

Еще через день цвет воды во второй бутылке усилился, выпало немного коричневого осадка.

В результате воду из первой бутылки я вылил в раковину, а воду из второй стал использовать для заваривания чая. В разные дни набрал водопроводную воду в еще несколько бутылок и оставил их стоять. Результат был примерно таким же, как со второй бутылкой: слегка коричневая (или зелено-коричневая) мутноватая вода. Эта вода (до отстаивания) уже не давала интенсивной фиолетовой окраски при смешивании с чаем.

Какой можно сделать вывод? В некоторые дни содержание железа в водопроводной воде в моей лаборатории достигает недопустимо высоких значений, но это бывает редко. Чтобы заснять эксперимент с "фиолетовым чаем" нужно ждать, пока содержание железа в воде резко увеличится.

Разумеется, можно добавить несколько капель раствора хлорида или сульфата железа (II) в бутылку с водой, а затем к этой воде прилить чай, но это было бы нечестно.

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Black tea and tap water containing iron ions - part 2
Черный чай и водопроводная вода, содержащая ионы железа - часть 2

So, it is necessary to make a video of the reaction of tea tannins with iron ions dissolved in tap water. However, for several weeks the iron concentration in the laboratory tap water was insufficient: such water did not produce a violet colour with black tea (perhaps a faint violet colour appeared, but it was invisible against the background of the intense yellow colour of the tea).

I filled the bottles with the water and left them standing. Over time, the water became brownish: divalent iron dissolved in water was oxidized by oxygen to trivalent and gave a brown suspension of iron (III) hydroxide. However, there was little iron in the water.

By the way, the oxidation process of dissolved ferrous iron salts occurs not only in tap water. Its significance is enormous and is not limited to changing the colour of the water in the bottle. The oxidation of ferrous iron by oxygen dramatically impacted the evolution of life on Earth. Ancient oceans were saturated with ferrous iron, which caused the water to have a green colour. Under these conditions, ferrous iron was stable because no oxidising agent could oxidise the huge mass of Fe(II) to Fe(III). The Earth had a reducing atmosphere in those days.

At some point in evolution, microorganisms (ancestors of cyanobacteria) appeared that released a substance fatal to many living organisms: oxygen. For these microorganisms themselves, oxygen was also toxic. However, oxygen reacted with divalent iron dissolved in water, converting it into ferric iron. This process led to the formation of iron ore deposits.

As ferrous iron and numerous other reducing agents were depleted in the ocean, land, and atmosphere, oxygen began to accumulate, killing almost all life on Earth. Photosynthetic organisms that produced oxygen also died en masse from oxygen toxicity. This event was called the Great Oxidation Event (GOE) or the Oxygen Catastrophe, which occurred about 2-2.5 billion years ago. Organisms that adapted to live in an oxygen-rich environment (aerobic organisms) and those that adapted to avoid oxygen (anaerobic organisms) survived and continued their evolution. The former became the ancestors of multicellular organisms, while the latter almost exclusively remained unicellular.

As you can see, rusty water can tell a lot of interesting things.

Let's return to tea and tannins. One day I was washing a cup and noticed that the tea again gave an intense violet colour when mixed with tap water. I filled a five-litre jar with water and added some black tea. Instead of a violet colour, I got a brown colour because I added too much tea (a mixture of the yellow colour of the tea and the purple colour of the complex took place). If viewed from a certain angle, the violet colour of the solution was clearly visible, but the experiment was still not visual enough. For comparison, I placed a glass with distilled water next to the jar and added the same tea to the glass. The water in the glass turned yellow.

I took a new portion of tap water into a 5-litre jar, this time adding tea diluted with distilled water (which I just used for comparison). This time the violet colour was clearly visible, especially against a white background. I added more tea and the violet colour deepened.

Photos/Video

Черный чай и водопроводная вода, содержащая ионы железа - часть 2

Итак, необходимо снять видео реакции танинов чая с ионами железа, растворенными в водопроводной воде. Однако, на протяжении нескольких недель содержание железа в водопроводной воде лаборатории было недостаточным: такая вода не давала фиолетовой окраски с черным чаем (возможно, слабый фиолетовый цвет и появлялся, но он был незаметен на фоне интенсивной желтой окраски чая).

Я набирал воду в бутылки и оставлял их стоять. Со временем вода становилась коричневатой: растворенное в воде двухвалентное железо окислялось кислородом до трехвалентного и давало бурую суспензию гидроксида железа (III). Однако, железа в воде было мало.

Кстати, процесс окисления растворенных солей двухвалентного железа происходит не только в водопроводной воде. Его значение огромно и не сводится к изменению цвета воды в бутылке. Окисление двухвалентного железа кислородом имело драматическое влияние на эволюцию жизни на Земле. Древние океаны были насыщены двухвалентным железом, из-за чего вода имела зеленый цвет. В этих условиях двухвалентное железо было стабильным, поскольку не было окислителя, способного окислить огромную массу Fe(II) до Fe(III). Атмосфера Земли в те времена была восстановительной.

В какой-то момент эволюции появились микроорганизмы (предки цианобактерий), которые выделяли вещество, смертельное для всего живого - кислород. Для самих этих микроорганизмов кислород также был токсичен. Однако, кислород реагировал с растворенным в воде двухвалентным железом, переводя его в трехвалентное железо. Так образовались залежи железных руд.

Когда двухвалентное железо и многочисленные другие восстановители израсходовались (в океане, на суше и в атмосфере), кислород стал накапливаться и убил почти все живое на Земле. От кислорода массово гибли и сами фотосинтезирующие организмы, производящие кислород. Событие получило название Кислородная катастрофа (Great Oxidation Event (GOE) or the Oxygen Catastrophe). Произошло это около 2-2.5 млрд. лет назад. Выжили и продолжили род те организмы, которые приспособились жить в среде кислорода (аэробные организмы), а также организмы, которые приспособились избегать кислорода (анаэробные организмы). Первые стали предками многоклеточных организмов, вторые почти исключительно остались одноклеточными.

Как видите, ржавая вода может рассказать много интересного.

Вернемся к чаю и танинам. В один день я мыл чашку и заметил, что чай снова дает интенсивную фиолетовую окраску при смешивании с водопроводной водой. Набрал воду в пятилитровую банку и добавил немного черного чая. Вместо фиолетовой окраски я получил коричневую, поскольку добавил чая слишком много (произошло смешение желтого цвета чая и фиолетового цвета комплекса). Если смотреть под определенным углом, фиолетовый цвет раствора был хорошо заметен, но все равно эксперимент получился недостаточно наглядным. Для сравнения поставил рядом стакан с дистиллированной водой и добавил в ее этот же чай. Вода в стакане стала желтой.

Набрал новую порцию водопроводной воды в 5-л банку, в этот раз добавил к ней чай, разбавленный дистиллированной водой (который я только что использовал для сравнения). В этот раз фиолетовая окраска была заметна четко, особенно на белом фоне. Добавил еще чая, фиолетовая окраска углубилась.

Комментарии

^К1 Железо может попадать в воду из водоёма/скважины водозабора, а может из труб. Трубная сталь ещё содержит немало марганца.

^К1-1 Еще одна опция - станция водоподготовки. Сульфат или хлорид железа (III) или алюминия (или из смеси) - коагулянт. Если дали мало щелочного реагента (известь, реже - сода), добавленное железо будет в питьевой воде.

^К1-1-1 В таком количестве всё же не будет, хотя в Америке вот террорист пытался в воду удалённо добавить много щёлочи.