Лабораторный практикум по теме «Техника определения вредных примесей в составе атмосферного воздуха»

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОЛЛЕДЖ ФГБОУ ВО «ЧЕЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ В СОСТАВЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Лабораторный практикум

Рекомендовано научно-методическим советом колледжа федерального

государственного бюджетного образовательного учреждения высшего

образования «Чеченский государственный университет»

для внутривузовского использования в качестве учебного пособия

для студентов, обучающихся по направлениям подготовки

18.01.02 «Лаборант-эколог»

Разработала:

Мастер производственного обучения

Садилова Айшат Бекхановна

Дисциплина:

Обработка и учет результатов химического анализа

Грозный, 2021

1.                 Наблюдения за составом атмосферных осадков

Большой вред окружающей среде наносят различные источники газообразных выбросов (промышленные предприятия, транспорт, пожары), «благодаря» которым в атмосферу попадает значительное количество вредных веществ (оксидов серы (II) и (III), оксидов азота (II) и (IV), сероводорода, оксидов углерода (II) и (IV) и др.). Эти вещества поглощаются атмосферными осадками, которые выпадают на землю в виде «кислотных» дождей или снега. Наблюдения за состоянием атмосферных осадков следует проводить в зоне промышленных предприятий и в зоне отдыха. В общем случае такие наблюдения могут включать: определение pH дождевой воды, снега, льда; проверку наличия в атмосферных осадках нитрат-ионов, сульфат-ионов. Наблюдения целесообразно проводить в осенне-зимний период (период дождей и снегопадов).

Пробы влажных осадков (дождя и снега) чрезвычайно чувствительны к загрязнениям, которые могут возникнуть в пробе при использовании недостаточно чистой посуды, попадании инородных (не атмосферного происхождения) частиц и др. Считается, что пробы влажных осадков не следует отбирать вблизи источников значительных загрязнений атмосферы, например котельных или ТЭЦ, открытых складов материалов и удобрений, транспортных узлов и др. В подобных случаях проба осадков будет испытывать значительное влияние указанных локальных источников антропогенных загрязнений.

Дождевая вода собирается при помощи воронки (диаметром желательно не менее 10–20 см) в мерный цилиндр либо непосредственно в эмалированное ведро и хранится в них до анализа. Прибор для сбора жидких осадков (дождемер) приведен на рис. 9.

Расчет количества осадков (h) в миллиметрах проводится по формуле: 

4V     d h = ₂ = ₂ × H, π D D

где: V – объем собранной пробы осадков, мл; D – диаметр воронки, см; d – диаметр мерного цилиндра; Н – высота столба собранной жидкости.

Отбор проб снега проводят, вырезая керны^∗ а на всю глубину (до земли), причем делать это целесообразно в конце периода обильных снегопадов в начале марта. На практике учащимся б проще отбирать пробу снега, вырывая с помощью лопаты яму-разрез прямоугольного сечения на всю глубину снега и помещая снег в подходящую емкость для дальнейшего растопления и измерения объема талой воды. 

Расчет количества осадков в виде снега (h) в миллиметрах проводится по формуле:

V

                            h = ×10, S

где: V – объем талой воды, полученной после растапливания снега, мл;

S – площадь сечения ямы-разреза, см²;

10 – коэффициент пересчета сантиметров в миллиметры.

2. Изучение углекислого газа как компонента воздушной среды и показателя дыхания человека

Углекислый газ (оксид углерода (IV), СО₂) – газ, выделяемый в воздух всеми живыми существами. Кроме того, огромные количества этого газа выбрасываются в воздух при сгорании топлива, при пожарах и т.п. Содержание СО₂ в атмосфере непрерывно повышается в результате деятельности человека, что обуславливает потепление климата (парниковый эффект).

Нормальное содержание СО₂ в атмосфере составляет 0,03– 0,04%. Оксид углерода (IV) не оказывает токсического действия на живые организмы.

 Керн – цилиндрический образец снега (твердых осадков, льда), вырезаемый из толщи покрова при отборе пробы. Керны вырезаются глубокими цилиндрическими предметами (банками, трубами) диаметром не менее 100 мм либо специальным инструментом.

синтеза). Однако, находясь в избыточном количестве в воздухе классной комнаты, он вызывает у учащихся снижение активности на уроке, повышенную утомляемость. А при концентрации СО₂ на уровне 5% уже нельзя нормально работать и появляется угроза удушия (при соответствующем снижении концентрации кислорода). Таком образом, после выполнения данной практической работы вы сможете сами определить условия, при которых можно повысить результативность занятий, а также получить представление о естественном (фоновом) содержании СО₂ в атмосфере и возможности его изменения в процессе антропогенной деятельности. 

Эксперименты по анализу в воздухе углекислого газа (оксида углерода (IV)) проводятся в настоящем практикуме в разных темах, по разным методикам и с разными целями. 

Эксперименты с известковой водой. Для учащихся 5–6 классов и старше предлагается лабораторная работа № 1 в теме «Воздух» по определению состава вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Определение углекислого газа проводится по помутнению известковой воды с целью сравнения содержания данного компонента воздуха до и после дыхания учащегося. При этом учителем записывается уравнение химической реакции, которое объясняет помутнение известковой воды от воздействия воздуха, содержащего углекислый газ:

Ca(OH)₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O

Помутнение объясняется образованием взвеси нерастворимого карбоната кальция. При дальнейшем пропускании воздуха либо при пропускании воздуха, содержащего большие концентрации углекислого газа, происходит реакция растворения карбоната кальция с образованием соответствующего гидрокарбоната:

CaCO₃+CO₂+H₂O=Ca(HCO₃)₂

Таким образом, помутнение исчезает быстрее (или исчезает вообще) в той колбе, через которую проходит выдыхаемый воздух. 

Учащиеся 9 класса и старше должны записать вышеприведенные уравнения реакций самостоятельно.

Для старшеклассников рекомендуется провести аналогичный эксперимент путем количественного определения концентрации углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе с помощью индикаторных трубок. 

Эксперименты с индикаторными трубками. Ввиду простоты применения индикаторных трубок для анализа воздуха и возможности получения количественной информации, а также хорошей наглядности экспериментов, в настоящем практикуме проводятся работы с индикаторными трубками в нескольких темах. 

В теме «Воздух» с целью количественного определения концентрации углекислого газа как природного и техногенного компонента в составе воздуха проводятся демонстрационные опыты по анализу воздуха класса (в начале и конце урока), улицы, пришкольного участка и т.п. Поправки на температуру и атмосферное давление при анализах не проводятся как малозначимые.

В теме «Окружающая среда и здоровье», с целью получения и сравнения количественных результатов по определению концентрации углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе с помощью индикаторных трубок, предусмотрена работа, выполняемая в малой группе или в варианте демонстрационного эксперимента.

2.                 Изучение запыленности воздуха

Запыленность воздуха – важнейший экологический фактор, сопровождающий нас повсюду. Пылью считаются любые твердые частицы, взвешенные в воздухе. Безвредных пылей не существует. Экологическая опасность пылей для человека определяется их природой и концентрацией в воздухе. Пыли можно подразделить на две большие группы.

1.                  Мелкодисперсная пыль, состоящая из легких и подвижных частиц размером до нескольких десятков и сотен микрон (1 микрон равен 10^–3 мм). Такая пыль может находиться в воздухе длительное время – «витать». Она попадает с воздухом в легкие при дыхании, может накапливаться в организме.

2.                  Крупнодисперсная пыль, состоящая из тяжелых и малоподвижных частиц. Такая пыль быстро выпадает из воздуха при отсутствии ветра, образуя пылевые отложения (например, на шкафу).

Отложения пыли являются источниками вторичного загрязнения воздуха.

В 1 см³ воздуха в закрытом помещении может содержаться до 106 пылинок различного размера, природы и степени опасности. Пыль может содержать органические вещества (частицы биогенного происхождения – растительного, животного и антропогенного) и неорганические вещества (частицы почвы, строительных материалов, синтетических моющих средств, различных химических веществ и др.). На пылевых частицах могут поселяться вредные микроорганизмы, адсорбироваться еще более мелкие частицы вредных веществ (например, тяжелых металлов, органических соединений).

Наиболее токсичны пыли, содержащие сложные белковые молекулы и простейшие организмы (живые и отмершие) – например, пыль белково-витаминного концентрата, пыль хитинового покрова отмерших бытовых насекомых – мух, тараканов, муравьев и т.п. Такие пыли вызывают аллергические заболевания как при вдыхании, так и при попадании на кожу (при контакте). Некоторые виды пылей могут создавать взрывоопасные смеси с воздухом (древесная, хлопковая, мучная и т.п.).

Очень важно уметь оценивать качество воздуха по содержанию в нем пыли, зная ее разнообразие и представляя экологическую опасность.

В настоящем практикуме предлагается две практические работы по изучению запыленности воздуха. При выполнении каждой работы следует предварительно обсудить с учащимися ожидаемую степень запыленности – по площади загрязнения скотча, по характеру пылей и их физическим и химическим свойствам, размеру частиц пылинок и т.д.

Изучение запыленности воздуха по загрязнению листьев актуально потому, что зеленые насаждения в городской среде играют важную роль очистителя воздуха, осаждая на своей поверхности до 60% пыли.

Опыт 1. Действие кислотного загрязнения воздуха на растения

Цель опыта: проиллюстрировать негативное влияние кислотного загрязнения воздуха на растение.

Информация. Большой вред окружающей среде наносят различные источники газообразных выбросов (промышленные предприятия, транспорт, пожары), «благодаря» которым в атмосферу попадает значительное количество вредных веществ (оксидов серы (II) и (III), оксидов азота (II) и (IV), сероводорода, оксидов углерода (II) и (IV) и др.). Эти вещества поглощаются атмосферными осадками, которые выпадают на землю в виде «кислотных» дождей или снега. Под воздействием кислотных осадков деревья легче поражаются вредителями, изменяется химический состав почв и почвенных микроорганизмов. В первую очередь кислотные осадки поражают листья и другие вегетативные части растений. Поражение листьев препятствует нормальному протеканию процессов фотосинтеза.

Оборудование из комплекта: колбы на 500 мл с пробками – 2 шт.

Колбы пронумерованы, заполнены газами и плотно закрыты пробками. Колба № 1 заполнена сернистым газом; колба № 2 – сероводородом. О заполнении колб газами см. в разделе 3.

Оборудование из кабинета: стакан на 250 мл с водой, цилиндр мерный на 250 мл.

Материалы: зеленые листья или побеги растения.

Ход работы

1.      В каждую колбу внесите часть растения.

Операцию проводить следующим образом: поочередно откройте пробки колб, быстро опустите в них побеги или отдельные листья и вновь закройте пробками. Не наклоняйтесь над колбами и не вдыхайте находящиеся в них газы. Наблюдайте, что происходит с растениями.

2.      Так же осторожно (не вдыхая газ!) поочередно влейте в каждую колбу по 100 мл воды. Быстро закройте колбы пробками. Встряхните каждую колбу, чтобы растения были смочены образовавшимися кислотами. Вновь наблюдайте за растениями. Отметьте, через какой промежуток времени с растениями происходят видимые изменения.

Опыт 2. Влияние загрязнения воздуха аммиаком на растения

Цель опыта: проиллюстрировать негативное влияние загрязнения воздуха аммиаком на растение.

Информация. Аммиак (NH3) представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом «нашатырного спирта». Он легче воздуха и очень хорошо растворяется в воде. При высоких концентрациях в воздухе (0,5% объема и более) аммиак сильно раздражает слизистые оболочки, вызывает поражение глаз и дыхательных путей. Негативное влияние загрязненный аммиаком воздух оказывает и на растения, вызывая хорошо заметные изменения в растительных тканях. Тем не менее аммиак, при внесении его в почву в виде водного раствора и в химически связанном виде, является удобрением. 

Оборудование из комплекта: колба на 500 мл с пробкой, флакон на 30 мл∗.

Реактивы и материалы: аммиачная вода, фильтр бумажный, полиэтилен (скотч); листья или побеги традесканции или другого растения. 

Ход работы

1.      На дно колбы положите бумажный фильтр так, чтобы колба не разбилась при последующем опускании в нее флакона.

2.      Лист или побег растения закрепите во флаконе как показано на рисунке. Осторожно по стенке либо на нитке опустите флакон в коническую колбу.

3.      Внесите в колбу 3–4 капли аммиачной воды, быстро и герметично закройте колбу

Опыт проведите в начале урока, результат зафиксируйте в конце урока (происходит почернение листьев и побега растения).

Сделайте вывод о влиянии загрязнения воздуха на растение. Запишите уравнение реакции образования из аммиака «щелочного» дождя.

 Диаметр флакона должен быть таким, чтобы он проходил в горло колбы.

Опыт 3. Определение содержания в воздухе углекислого газа с помощью индикаторных трубок (экспресс-анализ окружающего воздуха)

Цель опыта: оценка качества воздуха через количественное определение содержания углекислого газа с помощью индикаторных трубок.

Информация. Углекислый газ (оксид углерода (IV), диоксид углерода, СО₂) – газ, выделяемый в воздух всеми живыми существами. Кроме того, огромные количества этого газа выбрасываются в воздух при сгорании топлива, при пожарах и т.п. Содержание СО₂ в атмосфере непрерывно повышается в результате деятельности человека, что обуславливает, в числе других факторов, потепление климата (парниковый эффект).

Нормальное содержание СО₂ в атмосфере составляет 0,03– 0,04%. Диоксид углерода не оказывает токсического действия на живые организмы: растения усваивают его в процессе фотосинтеза. Однако, находясь в избыточном количестве в воздухе классной комнаты, он вызывает у учащихся снижение активности на уроке, повышенную утомляемость. А при концентрации СО₂ на уровне 5% уже нельзя нормально работать и появляются признаки удушия (повышение концентрации углекислого газа в данной ситуации сопровождается соответствующим снижением концентрации кислорода, израсходованного при дыхании). 

Индикаторные трубки позволяют точно измерить концентрацию углекислого газа. Они находят применение при количественном санитарно-химическом и экологическом контроле. Измерив концентрацию диоксида углерода при выполнении данной практической работы, вы сможете сами определить условия, при которых можно повысить результативность занятий, а также получить представление о естественном (фоновом) содержании СО2 в атмосфере и возможности его изменения в процессе антропогенной деятельности. 

Опыт выполняется с помощью комплекта-лаборатории серии «Пчелка-У» либо комплекта индикаторных трубок и насосапробоотборника.

Оборудование: индикаторные трубки для определения углекислого газа, мешок полиэтиленовый объемом 3–5 л, насос-пробоотборник, термометр, секундомер.

Перед началом работы внимательно прочитайте инструкцию по применению индикаторных трубок и насоса.

1.      Вскройте индикаторную трубку на СО₂ с обоих концов, используя отверстие в головке насоса. Обратите внимание на первоначальный цвет наполнителя индикаторных трубок. 

Соблюдайте осторожность при вскрытии индикаторной трубки во избежание порезов осколками

2.      Подсоедините индикаторную трубку со стороны выхода воздуха к насосу.

3.      Прокачайте через индикаторную трубку воздух помещения (улицы, парка) в количестве, указанном в инструкции по применению индикаторной трубки, сделав требуемое количество качаний насосом.

Примечание. При 1 полном прокачивании насосом через индикаторную трубку просасывается 100 см3 воздуха. При этом продолжительность каждого цикла прокачивания должна быть около 1 мин. (контролируется секундомером). 

4.      Отметьте изменение окраски наполнителя и длину прореагировавшего столбика наполнителя после прокачивания. Расположите индикаторную трубку рядом со шкалой, изображенной на этикетке, и определите величину концентрации углекислого газа (С2) в мг/м3 по границе столбика, изменившего окраску.

5.      При необходимости пересчитайте концентрацию СО2 из мг/м3 в объемные % по формуле:

C2 ×10–4 ×22,4.