Учебно-методический комплекс дисциплины химия окружающей среды Специальность 280201. 65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»
Скачать 1.31 Mb.
|
Лабораторная работа № 2 Определение содержания аэрозоля едких щелочей в атмосферном воздухе Аэрозолями называют дисперсные системы, с газовой дисперсионной средой и твердой (дымы, пыли) или жидкой (туманы) дисперсионной фазой. Превращения примесей сопровождаются постоянным взаимодействием между газовой, жидкой и твердой фазами, присутствующими в тропосфере. Твердая фаза представляет собой продукты конверсии при месей либо частицы золы и минеральной пыли. Жидкая фаза состоит из воды, продуктов превращения примесей и растворимых компонентов. Критерии устойчивости аэрозольных частиц Для существования устойчивого аэрозоля (аэродисперсной системы) необходимо соблюдение следующих условий:
• система характеризуется высокой удельной поверхностью. Физический смысл вышеизложенных критериев сводится к следующему. Обычно внешней силой, воздействующей на аэрозольную частицу, является гравитация. Это означает, что время жизни частицы определяется скоростью ее седиментации. Если радиус частицы больше среднего свободного пробега молекулы, то скорость седиментации Ws описывается уравнением Стокса  где r и ч – соответственно радиус (в сферическом приближении) и плотность частицы; - динамическая вязкость газа; g - ускорение свободного падения. В атмосфере Ws зависит от высоты над уровнем моря. Второй критерий устойчивости формализуется как  где - плотность воздуха; W - скорость движения частицы, обусловленная внешним воздействием; Re - критерий Рейнольдса. Таким образом, в устойчивых аэрозольных системах при нормальных атмосферных условиях скорость движения частицы радиусом 10 мкм не может превысить 30 см · с-1, а если частица имеет радиус 30 мкм, то кри тическая скорость равна 10 см · с-1. Если внешней силой является сила гравитации, то второй критерий эквивалентен первому. Броуновское движение аэрозольных частиц является следствием их случайных соударений с молекулами газов, составляющих атмосферу. Скорость броуновского движения увеличивается с уменьшением размера частиц и обычно принимается во внимание, если r < 0,5 мкм. Четвертый критерий удовлетворяется, если площадь поверхности частицы, м2, превышает ее объем, м3, по крайней мере в 103 раз. Именно поэтому поверхностные явления играют значительную роль в физико-химических превращениях аэрозолей. Вышеперечисленные критерии позволяют установить верхний пре дел размеров частиц аэрозолей. Что же касается нижнего предела, то в его оценке обычно исходят из следующих посылок. Система рассматривается как аэрозольная, если размер частиц больше, чем размер молекул газовой фазы, в которой частицы суспендированы. В то же время тч >> тг, где mч и тг – массы соответственно аэрозольной частицы и молекулы газа. Исходя из среднего размера молекул основных компонентов атмосферы можно принять 1 нм в качестве нижнего предела. Способы выражения концентрации аэрозолей Для выражения содержания аэрозолей в воздухе принято использовать массовые концентрации (мг/м3, г/м3) или количество частиц в единице объема (см-3, м-3). При оценке количества аэрозолей весьма полезной является и поверхность, которую могли бы занять частицы, если бы их удалось расположить на ней в виде монослоя. Едкая щелочь в виде аэрозоля может быть обнаружена в воздухе рабочей зоны таких производств, как получение ацетилена из карбида кальция, изготовление бетонных и железобетонных конструкций, мойка узлов и частей механизмов в горячих щелочных растворах на предприятиях по ремонту транспортных средств, в гальваническом производстве – для обезжиривания стальных и для обезжиривания и травления алюминиевых изделий, а также воронения стали. Гигиенические нормативы. ПДКр.з = 0,5 мг/м3, аэрозоль, 2 класс опасности. При действии паров гидроксида натрия на глаза наблюдается резкий отек и гиперемия конъюнктивы, помутнение роговицы, поражение радужной оболочки, происходит поражение дыхательных путей. Метод определения едких щелочей в воздухе основан на способности кислотно-основных индикаторов изменять окраску в зависимости от рН среды. При использовании смешанного индикатора окраска изменяется от желто-оранжевого цвета нейтрального раствора до зеленого, с переходом в сильнощелочной среде в фиолетовую. Чувствительность метода 0,16 мг/м3 NаОН в 5 мл. Реактивы и аппаратура
В 70 мл 96%-го этилового спирта растворяют 0,08 г метилового красного, 0,4 г бромтимолового синего, 0,5 г фенолфталеина и 0,1 г ализаринового желтого. Раствор доливают водой, не содержащей СО2, до 100 мл и хранят в тщательно закрытой темной склянке. Индикатор годен к применению в течение полугода. 3. Стандартный раствор NаОН, содержащий 0,01 мг/мл. 4. Аналитические фильтры АФА-ХА-18. 5. Колориметрические пробирки. 6. Патроны для фильтров. 7. Пипетки на 1 и 5 мл с ценой деления 0,01 и 0,1 мл. 8. Электроаспиратор. Отбор проб 50 л исследуемого воздуха со скоростью 10 л/мин протягивают через закрепленный в патрон аналитический фильтр. Бумажные фильтры не следует употреблять, так как водная вытяжка из них имеет кислую реакцию. Ход определения Фильтр с пробой осторожно складывают, переносят в фарфоровую чашку, расправляют стеклянной палочкой и смачивают двумя-тремя каплями этилового спирта. Затем фильтр промывают дважды горячей водой по 5 мл, смывы сливают в пробирку, охлаждают, доводят объем до10 мл и перемешивают. Отбирают по5 мл пробы и обрабатывают аналогично градуировочным растворам. К исследуемому раствору приливают 2 капли индикатора, тщательно перемешивают и через 20 мин сравнивают окраску со стандартной шкалой, полученной, как указано в таблице. Стандартная шкала для определения содержания едких щелочей.
Расчет производится по формуле:  c – концентрация аэрозоля в воздухе, мг/м3; a – содержание вещества в пробе, мкг; b – общий объем исследуемого раствора, мл, d – объем пробы, взятый для анализа, мл; V0 – объем исследуемого воздуха приведенный к нормальным условиям, л. Приведение объема воздуха к нормальным условиям основано на законах Бойля-Мариотта и Гей-Люссака и производится по следующей формуле:  Vt – объем исследуемого воздуха, л; Р – барометрическое давление во время отбора пробы, мм рт.ст., t – температура воздуха во время отбора пробы, ˚С. Лабораторная работа № 3 Определение содержания оксидов азота в атмосферном воздухе Глобальный цикл азота Одним из главных резервуаров азота на Земле является ее атмосфера. В ней содержится примерно 3,87·106 Гт этого элемента в форме молекул N2. В земной коре общее количество азота разными авторами оценивается в пределах (0,7-1,5)·106 Гт, а в верхней мантии оно находится на уровне 13·106 Гт. Соотношение масс азота в различных геосферах наводит на мысль, что главным источником этого элемента для географической оболочки Земли служит верхняя мантия. Выделение из нее азота происходило и продолжает происходить в процессе вулканизма. Если принять, что гидросфера и атмосфера находятся в равновесии, то масса растворенного в океанах молекулярного азота может быть оценена величиной, равной примерно 2·104 Гт. Это составляет около 0,5 % от общего количества N2 в атмосфере. Кроме того, в гидросфере присутствует еще около 700 Гт азота в виде ионов. Как известно, азот входит в состав аминокислот, нуклеиновых кислот и многих других биомолекул. Поэтому общее его содержание в живых организмах, «мертвой органике» и в дисперсном органическом веществе морей и океанов довольно значительно: оно оценивается примерно в 190 Гт. Глобальный цикл азота до настоящего времени изучен только в общих чертах. Оценки потоков этого элемента между различными резервуарами отягощены большими неопределенностями. Так, приводимые разными исследователями значения, характеризующие массообмен азота в системе атмосфера – педосфера, различаются в пять - десять раз (рис. 1). Рис 1 Основные резервуары (в 1015 т) и потоки (1015 т/год) азота в биосфере В отличие от кислорода, молекулярный азот в силу химической инертности молекул N2 недоступен для прямого усвоения большинством видов организмов. Для разрыва тройной связи в молекуле азота необходима энергия, равная 950 кДж/моль. Однако в природе происходят процессы, приводящие к образованию термодинамически менее устойчивых соединений азота. В атмосферном воздухе всегда есть оксиды азота (N2О, NO, NО2) и аммиак. В почвах и гидросфере присутствуют ионы NО2-, NO3- и NH4+, а также аминокислоты и белки. На рис. 1 приведены главные химические формы, участвующие в цикле азота, а также показаны изменения степени его окисления и относительной устойчивости (шкала свободной энергии образования ДG) генетически связанных соединений азота. На земном шаре одновременно происходит до 1800 гроз, причем число молний при сильных грозах достигает 200-250 за 5 мин. Наиболее часты грозы над континентами в экваториальной области (до 160 дней с грозами в год). Самый типичный вид молнии – искровой разряд с длиной в среднем 2-3 км, но иногда до 20 км и более. Скорость его распространения достигает 1000 м/с. При вспышке молнии менее чем за 0,1 с высвобождается энергия порядка 1010 Дж. Около 75 % ее идет на нагревание воздуха в узком канале диаметром в несколько десятков сантиметров до температуры 25-27 тыс. °С. При этом происходит ионизация и диссоциация молекул и атомов азота и кислорода. Взаимодействие нейтральных или однократно ионизованных атомов этих элементов приводит к образованию различных оксидов азота: NO, NО2 и N2О. Рис. 2 Химические соединения, участвующие в цикле азота, отли чающиеся по степени окисления и относительной устойчи вости (по П. О'Нейл, 1993, с изменениями) Цифрами обозначены процессы азотфиксации (7), нитрификации (2), включения в растительные ткани (3), аммонификации (4), денитрификации (5), стока из атмосферы при сухом и влажном осаждении на поверхность (6) и осадконакопления (7) Можно предположить, что абиотическая фиксация атмосферного азота происходит в природе также в результате фотокаталитических реакций на поверхности некоторых материалов со свойствами полупроводников или широкополосных диэлектриков. К ним относится, например, песок пустынь. Фотоэффект в данном случае обеспечивается различными дефектами кристаллической решетки силикатов (такие дефекты могут быть вызваны примесями атомов железа и других металлов). Вероятно, абиотической фиксацией азота объясняется феномен некоторых пустынь: весной, в течение краткого периода увлажнения на, казалось бы, безжизненном голом песке появляется множество растений-эфемеров, развитие которых должно лимитироваться доступностью окисленных форм азота. В глобальном биогеохимическом цикле азота ведущая роль принадлежит массообмену между педосферой и атмосферой, поскольку протекающие в почвенном покрове процессы обеспечивают образование основных количеств доступных для растений форм азота. Связывание молекулярного азота осуществляется микроорганизмами семейства Azotobacteracea, свободно обитающими или симбиотичными с некоторыми видами растений (в их числе – все представители семейства бобовых, ольха и др.). Эти бактерии, а также синезеленые водоросли, симбиотически связанные с грибами лишайников или с некоторыми видами папоротников, содержат в клетках энзим нитрогеназу, в состав которого входят атомы молибдена и железа. Связывание азота требует источника и переносчика электронов для восстановления азота до состояния -3: N2 + 6e- + 8H+ → 2NH4+ (1) Перенос электронов осуществляется атомами железа и молибдена, способными выступать в двух относительно легко изменяемых степенях окисления: Мо4+ Мо5+ + е- Fe2+ Fe3+ + е- Поглощение молекулой азота одного электрона требует энергии, равной 27 кДж, т.е. осуществление приведенной выше полуреакции (1) должно сопровождаться поглощением значительной энергии (ДG = +162 кДж/моль). Этот энергетически невыгодный процесс идет только потому, что в клетках азотфиксирующих микроорганизмов он сопряжен с экзотермической реакцией окисления углеводов: [СН2О] + Н2О → СО2 + 4Н+ + 4e+ (ДG = -188 кДж/моль) (2) Суммарный процесс может быть представлен в общем виде следующим уравнением реакции: 3[СН2О] + 3Н2О + 2N2 + 4Н+ → 3CО2 + 4NH4+ (3) Согласно современным оценкам, микроорганизмы ежегодно фиксируют примерно 140·106 т азота, что намного превышает поток из атмосферы на подстилающую поверхность образующихся при грозовых разрядах окисленных соединений азота. В почвах и водных экосистемах происходит довольно быстрая нитрификация – окисление ионов аммония с образованием более доступных растениям нитритных и нитратных ионов: 4NH4+ + 6О2 → 4NО2- + 8Н+ + 4Н2О (4а) 4NО2- +2О2 → 4NO3- (4б) Нитраты и нитриты не накапливаются в почвах, несмотря на постоянную деятельность азотфиксирующих микроорганизмов. Это связано с тем, что водорастворимые соединения азота легко вымываются из почв и с континентальным стоком поступают в моря и океаны. Водная миграция ежегодно захватывает от 25 до 80 Мт азота. Таким образом, в природе осуществляется азотфиксация и последующее включение атомов азота в биомолекулы. После гибели растений и животных содержащие азот химические соединения подвергаются микробиологическому разложению и, как это показано на примере аминокислоты глицина, аммонификации: H2NCH2COOH + 1,5О2 → NH3 + 2СО2 + Н2О (5) В невозмущенной человеком биосфере азотфиксация и нитрификация в масштабах планеты почти полностью уравновешиваются противоположным процессом, называемым денитрификациеи. Образование молекулярного азота из органических соединений, нитратов и нитритов происходит в почвах и водных экосистемах в аэробных и анаэробных условиях. Денитрификация не всегда приводит к выделению молекул N2. Она может завершаться также образованием оксидов азота. Например, в анаэробном окружении многие микроорганизмы используют нитраты и нитриты в качестве источника энергии и акцептора электронов при дыхании: [СН2О] + 2NO3- + 6Н+ → N2O + CO2 + H2O (6а) [СН2О] + 4NO2- + 4Н+ → 4NO + CO2 + 3H2O (6б) Экспериментально установлено поступление оксидов азота из почв в атмосферу, однако масштабы этого явления до сих пор оценены недостаточно точно. Уравнения (3) и (6), описывающие в общем виде процессы азотфиксации и денитрификации, демонстрируют тесную связь биотических составляющих циклов азота и углерода: окисление молекул N2 и восстановление окисленных форм азота происходят с поглощением энергии, выделяющейся при окислении органических соединений, вырабатываемых живыми организмами. Если при этом окисление (фиксация) атмосферного азота может происходить и без участия микроорганизмов, то абиотическая денитрификация в современных окислительных условиях на Земле невозможна. Поэтому очевидно, что полное прекращение жизнедеятельности на Земле, если бы оно произошло, привело бы к постепенному обеднению атмосферы не только кислородом, но и азотом. Тройная связь в молекуле N2 очень прочна. Однако в содержащей кислород атмосфере и в условиях постоянного притока солнечной радиации молекулярный азот термодинамически неустойчив, поэтому значительная часть азота была бы выведена из атмосферы на подстилающую поверхность в составе нитритных и нитратных ионов. Следовательно, можно утверждать, что биота поддерживает содержание в атмосфере Земли не только кислорода, но и «безжизненного» (таково буквальное значение греческого слова azoos) азота. Динамика концентраций оксида азота в городском воздухе в течение суток тесно связана с интенсивностью солнечного излучения и движения транспорта. С нарастанием интенсивности автомобильного движения (с 6 до 8 часов утра) концентрация первичного загрязнителя – оксида азота (NO) заметно увеличивается. Восход солнца влечет за собой накопление в атмосфере диоксида азота вследствие фотохимического окисления оксида азота. Оксид азота NO и диоксид азота N2O в атмосфере встречаются вместе, поэтому чаще всего оценивают их совместное воздействие на организм человека. Только вблизи от источника выбросов отмечается высокая концентрация NO. При сгорании топлива в автомобилях и в тепловых электростанциях примерно 90% оксидов азота образуется в форме монооксида азота. Оставшиеся 10% приходятся на диоксид азота. Однако в ходе химических реакций значительная часть NO превращается в N2O - гораздо более опасное соединение. Монооксид азота NO представляет собой бесцветный газ. Он не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не почувствовать. При вдыхании NO, как и CO, связывается с гемоглобином. При этом образуется нестойкое нитрозосоединение, которое быстро переходит в метгемоглобин, при этом Fe2+ переходит в Fe3+. Ион Fe3+ не может обратимо связывать O2 и таким образом выходит из процесса переноса кислорода. Концентрация метгемоглобина в крови 60 – 70% считается летальной. Но такое предельное значение может возникнуть только в закрытых помещениях, а на открытом воздухе это невозможно. Но диоксид азота воздействует не только на обоняние, но и ослабляет ночное зрение – способность глаза адаптироваться к темноте. Этот эффект же наблюдается при концентрации 0,14 мг/м3, что, соответственно, ниже порога обнаружения. Патологические эффекты проявляются в том, что NO2 делает человека более восприимчивым к патогенам, вызывающим болезни дыхательных путей. Попадая в организм человека, NO2 при контакте с влагой образует азотистую и азотную кислоты, которые разъедают стенки альвеол легких. При этом стенки альвеол и кровеносных капилляров становятся настолько проницаемыми, что пропускают сыворотку крови в полость легких. В этой жидкости растворяется вдыхаемый воздух, образуя пену, препятствующую дальнейшему газообмену. Возникает отек легких, который зачастую ведет к летальному исходу. Длительное воздействие оксидов азота вызывает расширение клеток в корешках бронхов (тонких разветвлениях воздушных путей альвеол), ухудшение сопротивляемости легких к бактериям, а также расширение альвеол. Некоторые исследователи считают, что в районах с высоким содержанием в атмосфере диоксида азота наблюдается повышенная смертность от сердечных и раковых заболеваний. Ход определения: Для определения концентрации оксида азота используют метод индикаторных трубок, анализ воздуха производят при помощи переносного универсального газоанализатора УГ-2. При открытой крышке воздухозаборного устройства отводят фиксатор и во втулку вставляют шток так, чтобы наконечник фиксатора скользил по канавке штока, на которой указан объем просасываемого воздуха. Давлением руки на головку штока сильфон сжимают до тех пор, пока наконечник фиксатора не совпадет с верхним углублением (фиксируя сильфон в сжатом состоянии) в той канавке штока, на грани которой обозначено 400 или 200 мл (в зависимости от предполагаемой концентрации оксида азота). Резиновую трубку прибора соединяют с концом подготовленной индикаторной трубки. Надавливая одной рукой на головку штока, другой рукой отводят фиксатор. Как только шток начнет двигаться, фиксатор отключают. Когда наконечник фиксатора входит в нижнее углубление канавки штока, слышен щелчок. Концентрацию оксида азота находят по измерительной шкале. Для получения оксида азота (II) используется следующая реакция:  Разбавленную (1:1) азотную кислоту берут в следующем соотношении с порошкообразной медью 220 мл HNO3 : 50 г Cu. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс дисциплины нанотехнологии Специальность... Специальность – 280201. 65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Геоинформационные системы» Специальность —280201. 65 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" |
 | Учебно-методический комплекс дисциплины «русский язык и культура речи» Специальность —280201. 65 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Оценка воздействия на окружающую... Специальность —280201. 65 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов |
| Учебно-методический комплекс представляет собой комплект учебно-методических... Специальность 280201. 65 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" | | Учебно-методический комплекс дисциплины «Практический курс иностранного языка» «Химия», 020101. 65 (011033) «Отделение медицинской химии», 020101. 65 (011017) «Отделение биоорганической химии и биотехнологии»,... |
| Тесты проверки остаточных знаний По дисциплине опд. Ф. 08 Промышленная... Методы и сооружения утилизации, захоронения и сжигания твердых: бытовых и промышленных отходов | | Тесты по дисциплине опд. Ф. 09 «основы токсикологии» Для специальности... Порядку оказания медицинской помощи по профилю «хирургия (трансплантация органов и (или) тканей человека)», утвержденному приказом... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Методические указания и задания к выполнению контрольных работ по дисциплине «Промышленная экология» для студентов специальности... | | И охраны окружающей среды администрации города ижевска доклад об экологической обстановке Администрация города/Структурные подразделения Администрации города Ижевска/Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды... |
| Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 09 Основы токсикологии Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов и учебного плана мгту | | 280201. 65 – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов Правительства Хабаровского края от 15 ноября 2008 г. N 263-пр "О ходе реализации приоритетного национального проекта "Здоровье" на... |
| Основная образовательная программа по специальности 280201. 65 –... Цель ооп – обеспечение углубленной фундаментальной и профессиональной подготовки в области охраны окружающей среды, которая обеспечит... | | Учебно-методический комплекс по дисциплине специальность 032300.... Аналитическая химия : учебно-методический комплекс по дисциплине : специальность 032300. 00 (050101) – Химия с дополнительной специальностью... |
| Тесты для студентов эти (филиал) сгту специальности 280201 «Охрана... Сга. Пособие знакомит с видами учебных занятий на основе информационной дидактики, с перечнем тем, по которым составлены обучающие... | | Загрязнение окружающей среды и экологические проблемы География мировых природных ресурсов. Загрязнение и охрана окружающей среды |
