III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ПО ОСАДКАМ (ПО НАЛИЧИЮ В НИХ КАТИОНОВ NH4+, CU2+, FE3+, CA2+ И АНИОНОВ CL-, SO42-, CO32-)
Цепа М.Е.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию, и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека значительно важнее, чем чистый воздух и незаконченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизменно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями. Так было вплоть до начала XIX века. Лишь за последние сто пятьдесят лет развитие промышленного производства "одарило" нас такими экологическими проблемами, последствия которых человек прошлого не мог себе даже представить[3].

Актуальность работы:Основными источниками загрязнения атмосферы в городе являются автотранспорт, котельныеи промышленные предприятия. В составе выхлопных газов автомобиля содержится около 300 вредных веществ. Основными загрязняющими атмосферу веществами являются оксиды углерода, углеводороды, оксиды азота, сажа, соединения свинца, диоксид серы, аммиак и др. Кроме того, в воздухе городов находится очень много пылевидных частиц. Во время дождей или снегопада многие вещества поглощаются капельками воды или снежинками и выпадают на землю. Таким образом, изучив состав атмосферных осадков можно выявить степень загрязнения воздуха.

Для определения качественного состава осадков используют качественные реакции на катионы и анионы [2].

Цель исследования:Изучить степень загрязнения атмосферного воздуха, выявить влияние автомагистралей на чистоту воздушной среды города Калуги.

Гипотеза: Предположительно, воздух вблизи автомагистрали и автозаправки содержит большее количество загрязнителей, чем в лесной или дворовой части города.

Методы исследования: качественный анализ (качественные реакции на катионы и анионы).

Практическая значимость: Полученные результаты помогут выяснить степень загрязненности атмосферы в разных частях города.

I. Основная часть

1. Атмосфера и причины ее загрязнения

Атмосфера(от греч. atmos – пар и sphaira – шар) – это газовая оболочка, окружающая Землю и состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое.

Через атмосферу осуществляется обмен веществ Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающий диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Масса атмосферы составляет около 5,15·1015 т или 9·10-5% от массы Земли. Около 90% массы всей атмосферы сосредоточено в слое до 16 км, выше 100 км находится одна миллионная часть всей массы атмосферы.

Атмосфера обеспечивает возможность существования жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества. Её развитие было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, а также с деятельностью живых организмов.

Деятельность живых организмов, оказавшая сильное влияние на развитие атмосферы, сама в очень большой степени зависит от атмосферных условий. Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания животными и растениями, атмосферная углекислота – в процессе питания растений.

Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Масса атмосферного воздуха на нашей планете составляет пять тысяч триллионов тонн. Но это всего лишь тонкий слой папиросной бумаги, обернутый вокруг апельсина, символизирующего Землю. Поэтому загрязнение приземной атмосферы оказывает мощное и постоянное воздействие на человека и окружающую среду. Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты.

Загрязнение окружающей среды – это процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для неё физических, химических, биологических агентов, оказывающих негативное воздействие. Существуют три типа загрязнений: физическое (солнечная радиация, электромагнитное излучение и т.д.), химическое (аэрозоли, соли тяжелых металлов и т.д.), биологическое (бактериологическое, биологическое).

Важнейшим параметром, определяющим масштабы распространения загрязнителя в атмосфере, является время его жизни в ней, исходя из этого, загрязняющие вещества делятся на три типа:

  1. Выбросы, приводящие к загрязнению в глобальном масштабе.Выбросы веществ с большим временем(годы и месяцы) жизни в атмосфере. Вещества способные распространяться в окружающей среде в глобальном масштабе (углекислый газ, фреоны, радионуклиды и пр.)

  2. Выбросы, приводящие к загрязнению в региональном масштабе. Выбросы веществ ограничены (до нескольких суток) временем жизни в атмосфере. Но времени достаточно, чтобы привести к крупному загрязнению региона, за пределами которого концентрация загрязнителя падает (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы).

  3. Выбросы, приводящие к загрязнению в локальном масштабе.Вещества с малым временем жизни в атмосфере (грубодисперсные аэрозоли, сероводород и другие вещества, а также загрязнители регионального типа, если они выбрасываются из низких источников).

Различают природные и антропогенные источники загрязнения[1].

Рисунок 1.

Основными загрязнителями атмосферы техногенного происхождения являются следующие:

  1. Оксид углерода, который попадает в атмосферу в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно в атмосферу поступает до 7 миллиардов тонн оксида углерода, выделяющегося при сгорании углеводородного топлива автомобилей, заводов и т.п.

  2. Сернистый ангидрид, который образуется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд. При окислении сернистого ангидрида в атмосфере образуется аэрозоль или слабый раствор сернистой кислоты. Выпадение кислотных атмосферных осадков способствует вымыванию кальция, гумуса и микроэлементов из почв, нарушению процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению роста и гибели растений, исчезновению лесов. Также (кислотные) осадки способствуют разрушению техногенных объектов, включая памятники культуры, строения, дороги и другие наземные объекты.

  3. Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основным источником их образования являются коксохимические и нефтеперерабатывающие предприятия, предприятия по производству искусственных волокон, а также нефтепромыслы.

  4. Оксиды азота (предприятия, производящие азотные удобрения).

  5. Соединения фтора (производство алюминия, эмалей, стекла).

  6. Соединения хлора (выбросы химических предприятий, производящих соляную кислоту, органические красители и т.д.).

  7. Пыль и сажа.

  8. Техногенные радионуклиды.

  9. Тяжелые металлы (соли тяжелых металлов).

  10. Полициклические ароматические углеводороды [1].

2. Влияние загрязнений атмосферы на здоровье человека

Воздействие загрязнений на организм весьма многообразно и зависит от его вида, концентрации, длительности и периодичности воздействия. В свою очередь реакция организма определяется индивидуальными особенностями, возрастом, полом, состоянием здоровья человека. В целом более уязвимы дети, больные, лица, работающие во вредных производственных условиях, курильщики. Все же многократно зарегистрированные и изученные явления повышенной смертности и заболеваемости в районах с высоким загрязнением атмосферы свидетельствуют об очевидности и массовости такого воздействия от загрязнения окружающей среды.

Загрязнение атмосферного воздуха приводит к увеличению заболеваний, как органов дыхания, так и сердечно-сосудистой системы. Почти 20% всех болезней органов дыхания и 10% болезней системы кровообращения связаны с загрязнением атмосферы. В настоящее время промышленные города, где сосредоточено более 50% населения (в Калужской области более 70%), можно отнести к экологически опасным зонам, так как содержание загрязняющих веществ в их атмосфере значительно превышает предельно допустимые концентрации. Большую роль в этом играет и загрязнение атмосферы выбросами от автотранспорта, в частности выбросами соединений свинца, который обладает значительной токсичностью и способностью накапливаться в организме. Накапливаясь в организме человека, свинец наряду с другими вредными веществами может стать причиной неблагоприятных отдаленных последствий, так как обладает мутагенными, канцерогенными, тератогенными свойствами. К химическим факторам риска для здоровья можно отнести и такой физический фактор, как радиация, избежать воздействия которой невозможно. Излучение поступает как из космоса, так и от радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и в различных объектах окружающей среды.

Вдоль дорог с интенсивным движением концентрация загрязнителей от выхлопных газов может достигать чрезвычайно высокого уровня, а наиболее экстремальные условия наблюдаются на узких улицах с высокими зданиями.

Люди, которые гуляют, играют или живут рядом с главными дорогами, имеют более высокий риск возникновения проблем со здоровьем, особенно во время периодов ежедневных поездок на работу и обратно.Это особенно актуально для развития астмы. Большой объем данных подтвердил, что загрязнители в выбросах автотранспорта способствуют развитию детской астмы, по крайней мере, среди генетически предрасположенных детей.

Сегодня темпы развития мер по охране атмосферного воздуха в городах отстают от темпов развития автотранспорта и промышленности. В связи с этим становится весьма актуальной проблема долгосрочного прогноза рисков заболеваний населения, обусловленных химическим и радиационным загрязнением [1].В связи с этими проблемами 2017 год в России объявлен годом экологии.

3. Химический состав и гидролитический цикл воды

Поскольку вода является хорошим растворителем полярных и ионных соединений, природная вода представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят минеральные вещества, коллоидные и крупнодисперсные частицы, в том числе и многочисленные микроорганизмы.

Макрокомпонентами природных вод в порядке их убывания являются:

катионы – Ca2+>Mg2+>Na+>K+>NH4+>Fe2+(катиогенные вещества)

анионы – HCO-3 >Cl->SO42->NO3->F- >PO43-(аниогенныевещства)

Учитывая, что ионы PO43- , NH4+ ,NO3- присутствуют в природной воде редко, их наличие в воде может служить показателем её загрязнения.

Круговорот воды на Земле называется гидролитическим циклом. Она включает поступление воды в атмосферу при её испарении и возвращении её назад в результате конденсации и выпадения осадков.

Круговорот воды в природе включает три основные петли:

  1. поверхностных сток – вода становится частью поверхностных вод;

  2. испарение (транспирация) – впитываемая почвой вода удерживается в качестве капиллярной, а затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности или поглощаясь растениями;

  3. грунтовые воды – вода попадает под землю и движется сквозь неё, питая колодцы и родники, т.е. вновь попадает в систему поверхностных вод.

Круговорот воды в природе постоянно очищает и пополняет пресноводные системы. С осадками выпадет пресная вода, очищенная при испарении. Попадая на поверхность, дождевая вода захватывает частицы почвы, детрит с микроорганизмами, химикаты – образуется поверхностный сток, который загрязнен. При прохождении воды через грунт она очищается. Таким образом, грунтовые воды – это обычная преснаяводахорошего качества, пригодная для употребления в пищу [3].

II. Экспериментальная часть

Оборудование, приборы и материалы

Мерные цилиндры, фильтровальная бумага, пробирки, спиртовка, дождевая или снеговая (талая) вода, растворы щелочи, кислоты, роданида калия или аммония, карбоната натрия, нитрата серебра, нитрата бария.

Порядок выполнения работы

Собираем снег, поставив под открытым небом вымытые и высушенные мерные цилиндры (автомагистраль, автозаправка, лес, школьный двор, двор около дома).

Опыт № 1. Определение массы твердых веществ в дождевой (талой) воде

Дождевую или талую воду в объеме 100 мл профильтруйте через фильтровальную бумагу.

Перед фильтрованием бумагу необходимо взвесить.

После фильтрования бумага высушивается и взвешивается.

Далее определяется масса сухого осадка после сушки по разнице веса фильтровальной бумаги до и после фильтрования.

Опыт №2. Определение качественного состава растворенных веществ в дождевой или талой воде

Дождевую или талую воду объемом 50 мл разливаем поровну в семь пробирок, затем в каждую из них добавляем последовательно реактивы для определения катионов и анионов:

  • Раствор гидроксида натрия, затем нагреваем пробирку в пламени спиртовки. Чувствуется ли запах аммиака?

  • Раствор гидроксида натрия. Появляется ли голубой осадок?

  • Раствор роданида калия. Появилось ли кроваво-красное окрашивание?

  • Раствор карбоната натрия. Выпал ли белый осадок?

  • Раствор нитрата серебра. Выпал ли белый осадок?

  • Раствор нитрата или хлорида бария. Выпал ли белый осадок?

  • Раствор соляной кислоты и нагреваем пробирку. Наблюдается ли выделение пузырьков бесцветного газа? [2]

Таблица 1

Характерные качественные реакции на ионы

Катион

Характерные реакции

Признаки реакций

NH4+

NH4Cl + NaOH = NH3↑ + NaCl + H2O

Ощущается неприятный резкий запах аммиака

Cu2+

CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4

Выпадает осадок голубого цвета

Fe3+

FeCl3 + 3NH4CNS = Fe(CNS)3 + 3NH4Cl

Роданид железа (III) - темно-красного цвета

Ca2+

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaCl

Выпадает осадок белого цвета

Анион

Характерные реакции

Признаки реакций

Сl-

KCl + AgNO3 = AgCl↓ + KNO3

AgCl + 2NH4OH = [Ag(NH3)2]Cl + 2H2O

Выпадает осадок белого цвета

Осадок растворяется в избытке раствора аммиака

SO42-

Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2NaCl

Выпадает осадок белого цвета

CO32-

Na2CO3 + 2HCl = CO2↑ + 2NaCl + H2O

Выделяется газ без цвета и без запаха

Результаты работы

Для выполнения практической части работы мы собрали пять образцов снега:

1) в лесной зоне микрорайона Кубяка города Калуги,

2) во дворе дома по улице Кибальчича города Калуги,

3) у школы № 46 города Калуги,

4) около автомобильной трассы по улице Московской города Калуги,

5) у автозаправки в микрорайоне Кубяка города Калуги.

Собранные образцы мы растопили и отфильтровали через бумажные фильтры. После высушивания фильтров, мы их взвесили (табл. 2).

Таблица 2

mчист

(фильтра), г

mлес

(фильтра), г

mдвор

(фильтра), г

mшкола

(фильтра), г

mдорога

(фильтра), г

mавтозапр.

(фильтра), г

0,05

0,05

0,052

0,052

0,060

0,063

Как видно из таблицы, талая вода, собранная вблизи автотрассы и автозаправки, имеет самое большое количество твердых примесей (пыли). Это свидетельствует о наибольшей запыленности воздуха в этих районах города.

Фильтрат мы разлили в пробирки равным количеством (по 2 мл) и добавили к ним реактивы для определения содержания в пробах исследуемых катионов и анионов. Результаты мы занесли в таблицу 3.

Таблица 3

Определение загрязнения воздуха по осадкам: по наличию в них катионов NH4+, Cu2+, Fe3+, Ca2+ и анионов Cl-, SO42-, CO32-

Что определяется

Что добавляется

Признаки реакции

Наличие или отсутствие иона

Уравнение реакции

Катионы аммония NH4+

Щелочь (гидроксид калия или натрия) при нагревании

Запах аммиака

лес

двор

школа

дорога

автозаправка

NH4+ + OH- = NH3↑ + H2O

-

-

-

-

+

Катионы меди (II)Cu2+

Щелочь (гидроксид калия или натрия)

Голубой осадок

лес

двор

школа

дорога

автозаправка

Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2

-

-

-

-

-

Катионы железа (III) Fe3+

Роданид калия или аммония

Кроваво-красное окрашивание

лес

двор

школа

дорога

автозаправка

Fe3+ + SCN- = Fe(CNS)3

+

-

+

+

+

Катионы кальция и магния Ca2+, Mg2+

Карбонат калия или натрия

Белый осадок

лес

двор

школа

дорога

автозаправка

Ca2+ + CO32- = CaCO3

Mg2+ + CO32- = MgCO3

-

+

-

+

+

Хлорид анионы Cl-

Нитрат серебра

Белый осадок

лес

двор

школа

дорога

автозаправка

Ag+ + Cl- = AgCl↓

+

+

+

+

+

Сульфат анионы SO42-

Нитрат или хлорид бария

Белый осадок

лес

двор

школа

дорога

автозаправка

Ba2+ + SO42- = BaSO4

-

+

-

+

+

Карбонат анионы CO32-

Соляная кислота (при нагревании)

Выделение углекислого газа

лес

двор

школа

дорога

автозаправка

CO32- + 2H+= CO2↑ + H2O

-

+

+

+

+

Полученные результаты исследования показывают, что в пробе талой воды, взятой из леса содержатся катионы железа (III) Fe3+ и хлорид анионы Cl-. Это самый чистый образец.

В пробе талой воды, взятой из дворовой территории (ул. Кубяка) были обнаружены катионы кальция и магния Ca2+ иMg2+, хлоридCl-, сульфатSO42- и карбонат CO32-анионы.А в пробе талой воды, взятой со школьного двора (школа) выявлены катионы железа (III) Fe3+, хлорид анионы Cl- и карбонат анионы CO32-.

В пробах снеговой воды, взятых с автомобильной дороги и с автозаправки было обнаружено более всего ионов: катионы железа (III) Fe3+, катионы кальция и магния Ca2+ иMg2+, хлоридCl-, сульфатSO42- и карбонат CO32-анионы. А в пробе снега из автозаправки еще и катионы аммония NH4+.

Заключение

Поставленная в работе цель полностью выполнена, и доказана гипотеза данного исследования.

Проведенная нами экспериментальная работа полностью подтверждает гипотезу данного исследования.

В результате проведения анализов снеговой (талой) воды выявлено, что наибольшее загрязнения имеют образцы, взятые около заправки и на автомобильной дороге.

В подтверждение проведенного исследования можно рекомендовать избегать долгого нахождениявблизи автодорог и мест массового скопления автотранспорта. Чаще посещать лесные массивы, больше времени проводить в общении с природой, где чистота воздуха близка к идеальной.

Список литературы и интернет источников
  1. Лыков И.Н., Шестокова Г.А. Техногенные системы и экологический риск: Учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений. - М.: ИПЦ "Глобус", 2005. - 262 с.

  2. Металлы в живых организмах. 10-11 классы. Метапредметный лабораторный практикум (химия, биология, экология, География) / Под редакцией к.п.н. Габриеляна О.С. - М.: Издательство БИНОМ, 2013. - 408 с.

  3. Роева Н.Н., Кривов С.И, Громова Ю.С. Краткий курс экологии. Учебно-практическое пособие для бакалавров. – М.: Издательство «Эйдос», 2011.

  4. http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=7527

  5. http://a-portal.moreprom.ru/pages%2Bview%2B104.html

  6. http://www.matrix.com.ru/vliyanie-zagryazneniya-atmosfernogo-vozdux-na-zdorove-cheloveka