Исследование снега - "Чекуевская СОШ"

Определение возможных искусственных загрязнителей
атмосферы по химическому анализу снега, переносимого
воздушными массами
Исследовательская работа
Выполнена
ученицей
10 класса
муниципального
бюджетного
образовательного учреждения
«Чекуевская средняя
общеобразовательная школа»
Онежского района
Таразановой Софьей Сергеевной
Научный руководитель – учитель
муниципального
бюджетного
образовательного учреждения
«Чекуевская средняя
общеобразовательная школа»
Онежского района
Крысанова Анна Валерьевна
г. Архангельск, 2014
Оглавление
Введение
3
Основная часть:
1. Материал и методика исследования
6
2. Органолептические показатели воды
6
3. Определение качества талой воды методами химического
7
анализа
4. Результаты исследования
Заключение
7
9
Библиографический список
10
Приложение 1
11
Приложение 2
12
Приложение 3
13
Приложение 4
14
Приложение 5
15
Введение
Сегодня большинству людей малодоступны естественные человеческие права:
дышать чистым воздухом, пить чистую воду, потреблять качественную пищу, иметь
здоровых детей. В результате падает продолжительность жизни, растет смертность,
увеличивается число больных детей.
В наши дни проблема охраны окружающей среды чрезвычайно возросла в связи со
значительным
воздействием
хозяйственной
деятельности
человека
на
природу.
Производственная деятельность нанесла биосфере серьезный урон, нарушив сложившееся
за время существования планеты экологическое равновесие.
Атмосфера, являясь одним из основных компонентов биосферы, оказывает
интенсивное и разностороннее воздействие на гидросферу, геологическую среду,
почвенный покров, здания, сооружения, а также на биосферу в целом и на человека в
частности. Поэтому охрана атмосферного воздуха представляет собой приоритетную
экологическую проблему, которой уделяется пристальное внимание во всех развитых
странах. Активное воздействие атмосферы на наземные экосистемы и гидросферу
проявляется через атмосферные осадки в виде дождя и снега. Поверхностные и подземные
воды суши имеют главным образом атмосферное питание и их химический состав в
значительной степени зависит от состояния атмосферы. (5)
Одним из способов изучения чистоты воздуха является исследование снега.
Снеговой покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в
атмосферу. В связи с этим снег можно рассматривать как своеобразный индикатор
чистоты воздуха. Если провести анализ талой воды, то можно определить искусственные
загрязнители, входящие в состав воздуха.
Цель работы:
определение искусственных
загрязнителей атмосферы по
химическому анализу снега.
Задачи: 1. Провести органолептическое и химическое исследование талой воды.
2. Выяснить существует ли взаимосвязь между направлением ветра и химическим
составом выпавшего снега.
3. Обобщить собранный материал, полученный в результате исследования.
Объект исследования: свежевыпавший снег.
Предмет исследования: талая вода.
Методы исследования: изучение и анализ литературы; наблюдение за направлениями
ветров; сбор образцов снега и получение талой воды; химический анализ талой воды;
описание и объяснение результатов исследования.
3
Гипотеза: чем дальше от населенного пункта расположены источники искусственного
загрязнения атмосферы, тем лучше качество выпавшего снега.
Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, содержащую 78,09% азота,
20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа.
В процессе развития жизни на Земле все живые организмы, в том числе и человек,
приспособились именно к такому составу атмосферы и очень чутко реагируют на его
изменения. Любые загрязнения атмосферы вызывают необратимые процессы в живой
природе.
Естественное
загрязнение
атмосферы
можно
рассматривать
как
фактор,
способствующий её регуляторной функции. В атмосферу попадают газы, выделяющиеся в
результате горения лесов, извержения вулканов, биохимических реакций. Особое
значение имеет естественная атмосферная пыль. Она образуется
при выветривании
горных пород, эрозии почв, лесных и торфяных пожаров. В атмосфере она создает ядра
конденсации, без которых было бы невозможно образование осадков: снега и дождя.
Искусственное загрязнение может быть связанно с
попаданием в атмосферу:
твердых (цементная и бетонная пыль), газообразных (углекислый и угарные газы, оксиды
азота и серы, метан и аммиак), радиоактивных веществ, поступающих в воздух в
результате взрывов атомных и ядерных бомб, аварий на атомных электростанциях. (1)
Искусственное загрязнение оказывает и прямое, и косвенное воздействие на живые
организмы. Прямое токсическое действие на организмы оказывают оксиды серы и азота.
Оксид серы обладает сильным раздражающим действием на глаза, носоглотку, ткань
легких. У растений он разрушает хлоропласты и снижает интенсивность фотосинтеза.
Особенно чувствительны к нему хвойные растения, у них происходит пожелтение и
выпадение хвои. Оксиды азота – токсичные соединения, вызывающие раздражение
дыхательных путей, а в высоких дозах – отёк легких. Кроме этого, оксиды азота и серы
образуют в атмосфере азотную и серную кислоты, которые в виде кислотных дождей
выпадают вместе с осадками и вызывают гибель наземных растений и водных организмов.
Они наносят большой вред архитектурным и скульптурным памятникам из мрамора,
разрушают металлические крыши и конструкции мостов. Накопление углекислого газа и
других веществ – причина парникового эффекта. Оксиды азота, соединения фтора и хлора,
попадающие в атмосферу, разрушают озоновый экран (5). Вещества, содержащиеся в
выхлопных газах автомобилей (взвешенные частицы, диоксиды серы и азота, оксиды
углерода, формальдегид, бензапирен, а также сероводород и метилмеркаптан), под
действием солнечного света вступают в сложные химические реакции. Вместе с
капельками воды, они образуют ядовитый туман-смог. (3)
4
Основными
источниками
загрязнения
атмосферы
Архангельской
области
являются: автотранспорт, промышленность, тепловые электростанции. Экологическая
обстановка формируется под влиянием выбросов в атмосферу загрязняющих веществ
предприятиями
целлюлозно-бумажной
Котласа. На территории
промышленности
городов
Архангельска
и
Плесецкого промышленного узла расположен первый
государственный испытательный космодром Министерства обороны РФ «Плесецк»,
предприятия горнодобывающей промышленности, асфальтобетонный и цементный
заводы. Предприятиями города Онеги Архангельская область подвержена фоновому
загрязнению слабой интенсивности. В целом по Архангельской области отмечается
тенденция сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу Архангельской и
Северодвинской ТЭЦ, что связано с переходом на более экологически чистое топливо –
природный газ. (6) (Прил.1)
Основная масса загрязнений воздуха как природного, так и техногенного
происхождения попадает в приземные слои и распространяется ветрами, дующими над
земной поверхностью. Ветры эти дуют в разных направлениях, но в течение года в каждом
районе
земной
поверхности
эти
направления
закономерно
меняются.
Распределение силы и направления ветров за определенный период отражается розой
ветров.
Некоторые виды загрязнений, особенно транспортных, которые не выбрасываются,
как промышленные, дымовыми трубами на высоту до
10 километров, образуют
максимальные концентрации в зонах своего образования. Поэтому наиболее загрязненным
оказывается воздух в больших промышленных городах и на территории стран, где высокая
плотность населения сочетается с высоким уровнем промышленного производства и
концентрацией автотранспорта. С этим связана и неравномерность распределения
загрязнений в воздушном бассейне разных стран и регионов. (7)
В зимний период замедляются многие процессы в природе, поэтому основным
источником загрязнения в это время является деятельность человека. Снег, как накопитель
примесей позволяет оценить степень загрязнения атмосферы. Он образуется при
замерзании водяного пара, содержащегося в ней.
Вначале появляются крошечные
кристаллики, чистые и прозрачные, которые следуют за воздушными течениями.
Постепенно они «приклеиваются» друг к другу, увеличиваются в размерах и медленно
опускаются к земле. По мере перемещения воздушных масс снежинки адсорбируют
газообразные и твердые вещества, изменяя свой химический состав.
5
Основная часть
1. Материал и методика исследования
Деревня Анциферовский Бор расположена далеко от крупных промышленных
предприятий и автомагистралей. Основными источниками загрязнения атмосферы
являются котельные Чекуевской школы и больницы, а так же жилые дома с печным
отоплением. Но загрязнители воздуха могут перемещаться с воздушными массами с
других территорий, оттуда, где расположены крупные предприятия, железные дороги,
автомагистрали.
Так,
Онежский
район,
находящийся
в
северо-западной
части
Архангельской области, на северо-востоке граничит с Приморским районом, на юге и
юго-востоке с Плесецким районом, на западе с республикой Карелия. В юго-западной
части района находится Водлозерский национальный парк, в южной — Кожозерский
заказник..
Для определения направления ветра на метеорологических станциях используют
флюгер. Таким флюгером для нас стал дым, выходящий из 15 метровой трубы котельной
Чекуевской школы. Определив стороны горизонта по компасу, отмечали направление
ветра в день выпадения и сбора осадков. На этикетке образца снега указывали дату и
направление ветра. В ходе наблюдений выяснили, что за время эксперимента 4 дня дул
юго-восточный ветер, два дня – северо-западный, а так же по одному дню западный, югозападный и северо-восточный ветер. (Прил. 2)
В
течение двух недель на экспериментальной площадке, расположенной за
плотным забором около дома, в двадцати метрах от дороги Онега - Плесецк, собрали
десять образцов выпавшего снега. Сборку снега осуществляли открытым способом, для
этого на
ровную поверхность земли расстилали толстую полиэтиленовую пленку
площадью 1м2, собранный снег пересыпали в стеклянную банку с этикеткой, закрывали
крышкой. Снег таял, полученную талую воду использовали для анализов.
В качестве контрольной пробы взяли дистиллированную воду.
2. Органолептические показатели воды
1. Цвет. Для определения цветности воды нужны стеклянный сосуд и лист белой
бумаги. В сосуд набирают воду и на белом фоне бумаги определяют цвет воды (голубой,
зеленый, серый, желтый, коричневый) – показатель определенного вида загрязнения.
2. Прозрачность воды. Для определения прозрачности воды используют
прозрачный мерный цилиндр с плоским дном, в который наливают воду, подкладывают
под цилиндр на расстоянии 4 см от его дна шрифт, высота букв которого 2 мм, а толщина
линий букв – 0,5 мм, и сливают воду до тех пор, пока сверху через слой воды не будет
виден этот шрифт. Измеряют высоту столба оставшейся воды линейкой и выражают
6
степень прозрачности в сантиметрах. Уменьшение прозрачности осадков свидетельствует
об их загрязнении.
3. Запах. Запах воды обусловлен наличием в нем пахнущих веществ, которые
попадают в него естественным путем. Запах не должен превышать двух баллов по шкале
интенсивности запаха. Определение запаха основано на органолептическом исследовании
характера и интенсивности запахов воды при 20 и 60ºС. Характер и интенсивность запаха
определяют по предлагаемой методике. (Прил. 3)
3. Определение качества талой воды методами химического анализа
1. Водородный показатель (pH). Водородный показатель (pH) определяем с
помощью универсальной индикаторной бумаги, сравнивая ее окраску со стандартной
шкалой. Питьевая вода должна иметь нейтральную реакцию (pH около 7), допустимы
колебания в пределах 6,5 – 8,5.
2. Определение нитратов и нитритов.
На часовое или предметное стекло
помещают три капли раствора дифениламина, приготовленного на концентрированной
серной кислоте, и одну-две капли исследуемой воды. При наличии нитратов выпадает
белый осадок.
3. Определение хлоридов. Качественное обнаружение хлоридов с приближенной
количественной оценкой проводят следующим образом. В пробирку отбирают 5 мл
исследуемой
воды
и
добавляют
3
капли
10%-го
раствора
нитрата
серебра.
Приблизительное содержание хлоридов определяют по осадку или помутнению. (Прил. 4)
4. Качественное определение сульфатов. В пробирку вносят 10 мл исследуемой
воды, 0,5 мл соляной кислоты (1:5) и 2 мл 5%-го раствора хлорида бария, перемешивают.
По характеру выпавшего осадка определяют ориентировочное содержание сульфатов.
5. Качественное обнаружение катионов тяжелых металлов. В пробирку с пробой
воды вносят по 1 мл 50% раствора уксусной кислоты и перемешивают. Добавляют по 0,5
мл 10%-го раствора дихромата калия, при наличии в исследуемой пробе ионов свинца
выпадает желтый осадок хромата свинца. Обнаружение железа проводят так: в пробирку
помещают 10 мл исследуемой воды, прибавляют 1 каплю концентрированной азотной
кислоты, несколько капель раствора пероксида водорода и примерно 0,5 мл раствора
роданида калия. При содержании железа 0,1 мг/л появляется розовое окрашивание, а при
более высоком – красное.(4)
4. Результаты исследования
Применяемые нами визуальные и лабораторные методы анализа талой воды дали
результаты, которые отражены в сводной таблице. (Прил. 5)
7
Анализируя полученные данные, можно сделать выводы, что органолептические
показатели воды: цвет, запах, прозрачность – положительные. Талая вода бесцветная,
прозрачная, не имеет запаха. Две пробы снега при северо-западном ветре показали
присутствие сажи. Это можно объяснить тем, что направление ветра в эти дни было от
школьной котельной
к экспериментальной площадке. Так как котельная топится на
дровах, а не на газе, то дым содержит частицы сажи, золы и пепла. В настоящее время
выбросы загрязняющих веществ в составе дыма незначительные по сравнению с теми
выбросами, которые поступали в атмосферу при использовании каменного угля в качестве
топлива. Белый цвет снега вблизи котельной является доказательством незначительного
загрязнения.
Из исследованных образцов воды слабо-кислую среду (рН = 6) показали 5 проб.
Эти же пробы имеют в своем составе анионы кислот: серной, азотной и азотистой.
Наличие нитратов, хлоридов и нитритов установлено качественными реакциями на
соответствующие ионы. Это является доказательством присутствия в атмосфере
искусственных загрязнителей – диоксида серы и оксидов азота. В пробах воды
концентрация этих ионов разная, об этом можно судить по интенсивности выпадения
осадка и помутнения, но во всех случаях соответствует предельно-допустимой
концентрации. Все пробы снега, имеющие слабо-кислую среду были получены при юговосточном и северо-восточном ветрах.
В трех образцах воды, в незначительных концентрациях, обнаружены хлорид ионы,
наличие которых объясняется присутствием их в выхлопных газах автомобилей. В эти дни
воздушные массы перемещались с юго-восточным и северо-восточным ветром.
Проведенные исследования показали, что ионов свинца и железа в пробах не обнаружено,
так как они чаще встречаются в воздухе населенных пунктов вблизи металлургических
заводов и крупных автомагистралей.
8
Заключение
В своей работе по определению искусственных загрязнителей воздуха мы
использовали доступный и эффективный способ изучения – анализ талой воды.
Органолептические показатели воды положительные, так как частицы пыли и сажи,
оказывающие влияние на цвет, прозрачность и запах являются тяжелыми и выпадают в
зонах своего образования, а не переносятся ветрами.
Прослеживая взаимосвязь между направлением ветра и химическим составом
выпавшего снега можно судить о ее существовании. Так, при юго-восточных и северовосточных ветрах в составе выпавшего снега обнаружены анионы: сульфаты, нитраты,
нитриты и хлориды. Эти ветра несут воздушные массы с Плесецкого и Приморского
районов, где расположены крупные предприятия, ТЭЦ и космодром «Плесецк».
Анализ снега показал, что в воздухе содержится незначительное количество вредных
веществ, что в свою очередь не влияет на здоровье человека. По мере удаленности от
крупных предприятий, автомагистралей и железных дорог качество воздуха улучшается.
Жители сельской местности, проживающие далеко от крупных промышленных
предприятий имеют возможность дышать чистым воздухом, а выпавший снег могут
использовать для полива комнатных растений и в быту, так как он почти не содержит
примесей.
Используя данный способ определения загрязнителей атмосферы интересно провести
подобное исследование в других районах и городах области, сравнить полученные
результаты, определить степень загрязнения атмосферы.
9
Библиографический список
1. Габриелян, О.С. Химия. 11 класс: учеб. Для общеобразоват. учреждений / О.С
Габриелян, Г.Г.Лысова. – 5-е изд., стереотип.—М.: Дрофа, 2005.
2. Домогацких Е.М., Алексеевский Н.И. География: учебник для 8 класса
общеобразовательных учреждений. – М.:ООО «ТИД «Русское слово»- РС», 2010.
3. Лисниченко
В.В.
«Северодвинска»
Экологическая
разработана
концепция
Архангельской
муниципального
Региональной
образования
Экологической
Общественной Организацией «Радуга»
4.
Речкалова Н. И., Сысоева Л. И. Какую воду мы пьем // Химия в школе: Научнометодический журнал. 2004, № 3. – с. 7 – 14.
5. Сивоглазов, В.И. Биология. Общая биология. Базовый уровень : учеб. Для 10—11
кл. общеобразовательных учреждений — М. : Дрофа, 2008.
6. Официальный сайт Архангельской области : ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ. (Елена
Савинкина)
7. polnaja-jenciklopedija.ru
10
Приложение 1
Промышленность Архангельской области
11
Приложение 2
Роза ветров
(декабрь месяц, Анциферовский Бор)
12
Приложение 3.
Таблица 1.
Характер и род запаха воды естественного происхождения
0
Интенсивность
запаха
–
1
Очень слабая
2
Слабая
3
Заметная
4
Отчетливая
Балл
Качественная характеристика
Отсутствие ощутимого запаха
Запах, не поддающийся обнаружению потребителем
Запах, не привлекающий внимания потребителя, но
обнаруживаемый, если на него обратить внимание
Запах, легко обнаруживаемый и дающий повод относиться к
воде с неодобрением
Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду не
пригодной для питья
13
Приложение 4.
Таблица 2. Определение содержания хлоридов
Осадок или помутнение
Концентрация хлоридов, мг/л
Опалесценция или слабая муть
1–10
Сильная муть
10–50
Образуются хлопья, но осаждаются не сразу
50–100
Белый объемистый осадок
Более 100
14
Приложение 5
Таблица 4
Показатели анализа талой воды
Характеристики
Предельно
допустимая
концентрация
01.12
02.12
3.12
4.12
5.12
6.12
7.12
10.12
11.12
12.12
Ю-З
Белый
Ю-В
Белый
С-В
Белый
штиль
Белый
Ю-В
Белый
Ю-В
Белый
Ю-В
Белый
С-З
С частицами
сажи
З
Белый
С-З
С частицами
сажи
Менее 3 см
водопотребление
ограничивается
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Прозрачная
Не превышает
2 баллов
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
Запаха нет
1
Цвет
2
Прозрачность
3
Запах
4
Водородный
показатель (pH)
pH=7
pH=7
pH=6
pH=6
pH=7
pH=6
pH=6
pH=6
pH=7
pH=7
pH=7
5
Наличие
нитратов и
нитритов
Наличие хлоридиона
Наличие
сульфат-иона
3,3мг/л NO2–
45мг/л NO3–
Нет
Небольшой
белый осадок
Сильный
белый осадок
Нет
Небольшой
белый осадок
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Слабое
помутнение
5мг/л
Нет
Нет
Отсутствие
Слабое
помутнение
5мг/л
Нет
Нет
Наличие ионов
свинца
Наличие ионов
железа
Опалесценция
5мг/л
Слабое
помутнение
5мг/л
Нет
Нет
Нет
Опалесценция
5мг/л
Слабое
помутнение
5мг/л
Нет
Нет
5-10 мг/л
Опалесценция
5мг/л
Слабое
помутнение
5мг/л
Нет
Сильный
белый
осадок
Нет
Нет
До 10 мг/л
Сильный
белый
осадок
Нет
Нет
Нет
Нет
Отсутствие
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
Нет
6
7
8
9
15