Проект по физике на тему "Озон.Проблемы.Пути решения."(9 класс),для допуска к экзаменам

Омская область

Озон в атмосфере. Экологические проблемы

Выполнил: учащийся в 9 классе

Сынник Степан  Иванович

ОУ « Новоуральская школа»

Руководитель: Карюкина Нина Николаевна

учитель физики высшей категории

ОУ» Новоуральская школа»

2017 год

2016

                                  Содержание

I.        Вступление.

II.     Основная часть.

1.      Характеристика озона.

2.      Место в атмосфере.

3.      Получение озона.

4.      Влияние озона на жизнь Земли.

·         Стратосферный озон. (Озоновые дыры)

·         Тропосферный озон. (Озоновый смог)

III.  Исследование.

Получение озона. Исследование свойств озона.

IV.   Вывод.

V.    Информационные ресурсы.

VI.  Приложение.

I.             Вступление.

Посмотрев интеллектуальную передачу «Что? Где? Когда?»  по телевизору, я услышал незнакомое мне словосочетание – озоновая дыра. Исследуя информационные ресурсы по этой теме, я узнал, что  проблема озоновых дыр широко освещается, а о вреде приземного озона учёные-экологи сегодня информируют не активно. К сожалению, озон образуется не только в стратосфере — он рождается и в воздухе, которым мы дышим. Я поставил перед собой цель:

Определение свойств и характеристик озона, распределение в атмосфере и влияние озона на жизнь нашей планеты.

Задачи:

1.      Определить свойства, характеристики, и местоположение озона в атмосфере.

2.      Изучить влияние озона на жизнь нашей планеты.

3.      Рассмотреть способы получения озона и провести  эксперимент по его получению.

4.      Провести эксперимент по получению и  изучению свойств озона.

Методы работы:

1.      Анализ систематизация материала.

2.      Работа с рисунками и схемами.

3.      Работа с символами.

4.      Эксперимент.

Объект исследования:

Газ озон.

Предмет исследования:

Свойства, получение и влияние на жизнь Земли газа озона.

Описание литературы:

В своей работе я использовал следующие сайты:

1)  http://ecoportal.info - на этом сайте я узнал о самой крупной озоновой дыре.

2) http://www.vseznaika.org -  здесь мной была получена общая информация  об озоновых дырах.

3) https://ru.wikipedia.org - сведения о влиянии на Землю озоновых дыр. Схемы и карты.

4) Экология. Природа - Человек - Техника.  Акимова Т. А, Кузьмин А. П. – в этой книге я получил информацию о предотвращении  образования озоновых дыр.

5) Дайте планете шанс!  Учебное издание Ю. Н. Гладкий.  С. Б. Лавров.   - Формулы химических реакций при разрушении озонового слоя.

II.           Основная часть.

1.      Характеристика озона.

Озон (O₃) — это газ, образующийся путём прибавления к молекуле кислорода (O₂) третьего атома кислорода.

Главной отличительной особенностью озона является его запах. Именно он послужил поводом к открытию этого газа. В 1785 г. на специфический запах, появляющийся при экспериментах с электричеством, впервые обратил внимание голландский учёный Мартин ван Марум. А в 1840 г. французский химик К. Шенбейн установил, что аналогичный запах, появляющийся во время грозы, принадлежит какому-то загадочному газу — который впоследствии так и назвали «пахнущим», т.е. озоном.

Ещё одной характерной чертой O₃ является его способность изменять свой цвет и консистенцию в зависимости от температуры и давления. В естественных условиях озон имеет бледно-фиолетовую окраску. При повышении давления этот газ синеет. При температуре —111,9°C озон сгущается в нестойкую жидкость тёмно-синего оттенка. При —192,5°C O₃ превращается в твёрдые тёмно-фиолетовые, практически чёрные, кристаллы.

2.      Место и количество в атмосфере.

На уроке географии в 6-ом классе и физики в 7-ом мы изучали состав атмосферы Земли (прил. №1):

·         78% азота

·         21% кислорода

·         1%  прочие газы (Озон 0 – 0,01%, аргон, углекислый газ, пары воды)

Несмотря на малое процентное содержание озона его роль в жизни нашей планеты велика.

В атмосфере озон распределяется следующим образом (прил. №2):

Стратосферный озон: Содержит 90% атмосферного озона. На высоте 25-30 км.

Тропосферный озон: содержит 10% атмосферного озона. 0-10 км.

3.      Получение озона.

В своей работе я рассмотрел методы получения озона искусственным способом и естественным путем в природе.

Способы получения озона искусственным способом:

Озон образуется из кислорода. Существует несколько способов получения озона, среди которых наиболее распространенными являются: электролитический, фотохимический и электросинтез в плазме газового разряда. Чтобы  избежать нежелательных окисей предпочтительнее получать озон из чистого медицинского кислорода используя электросинтез. Концентрацию получаемой озоно - кислородной смеси в таких аппаратах легко варьировать — либо задавая определенную мощность электрического разряда, либо регулируя поток входящего кислорода (чем быстрее кислород проходит через озонатор, тем меньше озона образуется).

Электролитический метод синтеза озона осуществляется в специальных электролитических ячейках. В качестве электролитов используются растворы различных кислот и их соли (H₂SO₄, HClO₄, NaClO₄, KClO₄). Образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода, который присоединяясь к молекуле кислорода образует озон и молекулу водорода. Этот метод позволяет получить концентрированный озон, однако он весьма энергоемкий, и поэтому он не нашел широкого распространения.

Фото-химический метод получения озона представляет из себя наиболее распространенный в природе способ. Образование озона происходит при диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ излучения. Этот метод не позволяет получать озон высокой концентрации. Приборы, основанные на этом методе, получили распространение для лабораторных целей, в медицине и пищевой промышленности.

Электросинтез озона получил наибольшее распространение. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона высоких концентраций с большой производительностью и относительно невысокими энергозатратами.
В результате многочисленных исследований по использованию различных видов газового разряда для электросинтеза озона распространение получили аппараты использующие три формы разряда:

1.      Барьерный разряд - получивший наибольшее распространение, представляет из себя большую совокупность импульсных микроразрядов в газовом промежутке длиной 1-3 мм между двумя электродами, разделенными одним или двумя диэлектрическими барьерами при питании электродов переменным высоким напряжением частотой от 50 Гц до нескольких килогерц. Производительность одной установки может составлять от граммов до 150 кг озона в час.

2.      Поверхностный разряд- близкий по форме к барьерному разряду, получивший распространение в последнее десятилетие благодаря своей простоте и надежности. Так же представляет из себя совокупность микроразрядов, развивающихся вдоль поверхности твердого диэлектрика при питании электродов переменным напряжением частотой от 50 Гц до 15-40 кГц.

3.      Импульсный разряд - как правило стримерный коронный разряд, возникающий в промежутке между двумя электродами при питании электродов импульсным напряжением длительностью от сотен наносекунд до единиц микросекунд.

Образование озона естественным способом

1)      в приземном слое( тропосфере):

Озон образуется в нижних слоях атмосферы в результате химической реакции между солнечным излучением и различными выхлопными дымами и газами (прил. №4). Кислород (О₂) в соединении с летучими органическими соединениями и окислами азота, под действием солнечных лучей, образуют озон (О₃). Обычно он рассеивается по атмосфере, но, если под слоем теплого воздуха образуется замкнутый слой холодного, озон концентрируется и возникает смог. К сожалению, это не может восполнять потери озона в озоновых дырах.

2)      в стратосфере:

Озон образуется из кислорода, на который воздействуют ультрафиолетовые лучи. Благодаря этой реакции, планета оказывается окутанной в слое газа, через который не может попасть радиация. Озоновый «экран»(прил. №5) расположен в стратосфере, на высоте от 7-8 км, на полюсах, 17-18 км на экваторе и примерно до 50 км над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22-24 километров над Землёй. Толщина озона не очень большая, но её вполне достаточно, чтобы всё живое могло существовать на планете.

4.      Влияние озона на жизнь Земли.

Стратосферный озон (озоновые дыры): Стратосферный озоновый слой предохраняет Землю от  ультрафиолетового излучения. Известно, что повышенная доза ультрафиолетового излучения опасна для всей биосферы, для всего живого, так как приводит к заболеваниям кожи, повреждению глаз и ослаблению иммунной системы. Кроме того, ультрафиолетовое излучение опасно для планктона, гибель которого повлечет за собой вымирание питающихся им морских животных.

В 1980-х годах ученые обнаружили, что в результате деятельности человека истощается защитный озоновый слой в атмосфере Земли. Принимая во внимание огромное значение озона для жизни на Земле, его истощение антропогенными газами вызвало тревогу у ученых. Стратосферный озон – то, что ученые называют озоновым слоем – имеет неодинаковую толщину над Землей. Озоновый слой над Антарктидой наиболее тонок из-за уникальных атмосферных условий, которые способствуют увеличению концентрации химических веществ, уничтожающих озон. После публикации в мае 1985 года статьи с выводами Британского антарктического обследования, феномен истощения озонового слоя над Антарктидой был назван «озоновой дырой». Спутниковый снимок озоновой дыры стал глобальным символом этой экологической угрозы, который помог мобилизовать общественную поддержку для осуществления Монреальского протокола.

Озоновые дыры (прил.  №6) - это локальное падение в озоновом слое Земли концентрации озона.

Причины появления озоновых дыр (прил. №7)

1)      Молекулы озона разрушают продукты сгорания: водород, кислород, бром и другие, попадающие в атмосферу из-за выбросов фабрик, заводов, дымовых газовых ТЭЦ.

2)      Ядерные испытания: при взрывах выделяется огромное количество энергии, образуются окислы азота, которые входят в реакцию с озоном и уничтожают его молекулы. Подсчитано, что только с 1952 по 1971 год при ядерных взрывах в атмосферу попало около 3  миллионов тонн этого вещества.

3)      Реактивные самолеты, в двигателях которых также образуются окислы азота. Чем выше мощность турбореактивного двигателя, тем выше температура в камерах его сгорания и тем больше азотных окислов попадает в атмосферу. Согласно исследованиям, ежегодные объемы азота, выбрасываемого в воздух, составляют 1 миллион тонн, из них треть приходится на самолеты.

4)      Минеральные удобрения, которые при внесении в землю вступают в реакцию с почвенными бактериями. В этом случае в атмосферу попадает закись азота, из которой образуются окислы.

Последствия и методы решения проблемы:

В силу ослабления озонового слоя увеличивается поток солнечной радиации, что в свою очередь, может привести к гибели растений и животных. В первую очередь избыток ультрафиолетового излучения поражает роговицу глаз (прил. №9) Влияние озоновых дыр на человека выражается, прежде всего, в увеличении числа раковых заболеваний кожи. Ученые подсчитали, что если концентрация озона в атмосфере упадет хотя бы на 1%, то число больных раком возрастет примерно на 7000 человек в год.

Именно поэтому сейчас экологи бьют тревогу и пытаются предпринять все необходимые меры для защиты озонового слоя, а конструкторы разрабатывают экологически безопасные механизмы (самолеты, ракетные системы, наземный транспорт), выбрасывающие в атмосферу меньшее количество окислов азота.

Поскольку наиболее активный разрушитель озонового щита Земли – хлор, основные меры, разрабатываемые для сдерживания истощения озона, сводятся к снижению выбросов в атмосферу хлора и хлорсодержащих соединений, прежде всего фреонов. Одна из главных технологических задач, решения которой ищут во всех промышленно развитых странах, - замена фреонов на другие хладагенты, не содержащие хлора и вместе с тем не уступающие фреонам по основным физическим свойствам.

В1994 году Генеральная Ассамблея ООН провозгласила 16 сентября Международным днем охраны озонового слоя. День установлен в память о подписании Монреальского протокола  по веществам разрушающим озоновый слой.

Их девиз «Сохрани небо: защити себя – защити озоновый слой».(прил №8)   

Другая задача, уже практически решенная в ракетоносителе «Энергия», заключается в переводе ракетной техники и высотной реактивной авиации на экологически безопасные виды топлива и двигатели.

Тропосферный озон (Озоновый смог) (прил. №10):

Если стратосферный озон поглощает часть биологически вредного ультрафиолетового излучения Солнца (излучения УФ-Б), защищая людей, растения и животных от целого ряда негативных последствий, то тропосферный озон является токсичной примесью атмосферы (относится к веществам первого, наивысшего, класса опасности), которая входит в состав смога и оказывает в высоких концентрациях вредное воздействие на здоровье человека и растительность.

Приземный озон при концентрациях выше 0,2 мг/м³ может вызывать головную боль, раздражение слизистых оболочек глаза, носа, горла. При более высоких концентрациях отмечается раздражение дыхательных путей, кашель, головокружение, общая усталость, резкий упадок сердечной деятельности. К чувствительной группе лиц относятся дети и взрослые, страдающие астмой.

Озон не выбрасывается источниками загрязнения. Большая часть тропосферного озона образуется при воздействии солнечных лучей на углеводороды и окислы азота. Основными источниками этих веществ в атмосфере являются автотранспорт, промышленные выбросы, а также некоторые химические растворители. Метан, атмосферная концентрация которого значительно возросла в течение последнего столетия, также способствует образованию озона. Поскольку для образования тропосферного озона требуется солнечный свет, высокие уровни озона наблюдаются обычно в периоды жаркой и солнечной погоды.

Концентрации тропосферного озона отличаются высоким уровнем изменчивости и неравномерности в географическом распределении. Существует система мониторинга уровня тропосферного озона в США, Европе и нашей стране, основанная на спутниках и наземном наблюдении.

Пример наблюдения за содержанием озона в тропосфере в некоторых странах. В соответствии с Законом о гидрометеорологической деятельности

(1536 ХIII от 25.02.98) Государственная Гидрометеорологическая Служба Министерства Окружающей Среды является юридическим лицом на территории Республики Молдова, которая осуществляет мониторинг загрязнения атмосферного воздух и в том числе мониторинг  тропосферного озона.  Наблюдения за содержанием тропосферного озона в приземном слое атмосферы в Республике Молдова начали проводиться с 16 декабря 1988 года, на стационарном посту в мун. Кишинэу. По техническим причинам с сентября 1996 года эти наблюдения были приостановлены. С 2007 года на автоматической станции в с. Матеуць р-на Резина в непрерывном режиме возобновили мониторинг тропосферного озона. В целях достижения условий Конвенции по Трансграничному Атмосферному Загрязнению на большие расстояния (Женева 1979 г) в 2007 г была восстановлена и снабжена оборудованием станция трансграничного загрязнения в г. Леова. На данной станции так же были начаты наблюдения за тропосферным озоном.

По данным наблюдений за тропосферным озоном на автоматической станции в с. Матеуц  превышение предельно допустимой максимально разовой концентрации (ПДКм.р.) в 2011 году не отмечалось, а наибольшее значение максимально разовой концентрации  составляло 0,6 ПДК.  Повторяемость числа дней с превышением среднесуточной санитарной нормы в течение года составила: в 2008 году 52-100%; в 2009 году – 7-100%; в 2010 году – 32-94% за исключением марта месяца, в 2011 году – 7-100% за исключением августа месяца, когда превышения среднесуточной санитарной нормы не отмечались.

За последние 100 лет концентрация озона в приземных слоях атмосферы выросла в 2,5–3 раза. С каждым десятилетием содержание этого газа в воздухе городских улиц увеличивается на 10%.

При нормальных условиях естественная концентрация озона в приземных слоях атмосферы составляет порядка 45–50 мкг/м3. Для человека такая доза озона в воздухе практически неощутима. По стандартам ВОЗ, предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в приземных слоях атмосферы не должна переваливать за черту в 100 мкг/м3. Однако на практике содержание этого газа в воздухе порой превышает 200 мкг/м3.

В частности, во время грозы (прил. №3) концентрация озона в приземных слоях атмосферы увеличивается почти в 10 раз. Человек уже легко может определить наличие этого газа в воздухе по бодрящему запаху свежести.

Ещё более запредельные (1000 мкг/м3) показатели содержания озона в воздухе наблюдаются иногда летом в жару. Под воздействием солнечных лучей окислы азота и несгоревшие углеводороды выхлопных газов автомобилей вступают в сложную реакцию, в результате которой кислород (O2) преобразуется в озон (O3). При этом в 1 м3 образующейся густой дымки (фотохимического смога) содержится до 1 мг озона. От этого явления, в народе именуемого летним смогом, в 1950-м году в Лондоне погибло свыше 4000 человек.

В превышающих ПДК концентрациях озон превосходит по токсичности цианистую кислоту и угарный газ. Становясь ядовитым из-за своей насыщенности, этот газ оказывает крайне негативное влияние на здоровье человека:

• вызывает раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей;
• раздражает слизистую оболочку глаз;
• обостряет астматические и прочие заболевания лёгких;
• обостряет сердечные заболевания;
• усугубляет аллергические реакции;
• воздействуя на организм в течение нескольких часов, озон в повышенных концентрациях способен вызвать необратимый процесс старения органов дыхания;
• при запредельных концентрациях этот газ и вовсе может сжечь лёгкие, как какая-нибудь кислота.

Воздействие повышенного содержания озона в воздухе на организм человек может определить самостоятельно по характерной симптоматике. Если он ни с того ни с сего раскашлялся, расчихался, почувствовал жжение в груди и резь в глазах, его голос охрип — вполне возможно, что произошло отравление озоном.

Если в жаркий летний день, прогуливаясь по городской улице с оживлённым автомобильным движением, Вы вдруг почувствовали головную боль, у Вас начало першить в горле, появился кашель, резь в глазах, чихание, постарайтесь поскорее зайти в какое-нибудь закрытое помещение. Внутри зданий с закрытыми окнами озона практически нет даже в часы интенсивного солнечного излучения.

В жаркий летний день при палящем солнце и отсутствии ветра по возможности лучше вообще не выходить на городскую улицу. Если же есть необходимость пройтись, то лучше сделать это утром. В начале дня концентрация озона в воздухе минимальна, к середине дня она постепенно возрастает, в 17 часов достигает максимальной отметки и спадает лишь после 22.

Утренние и вечерние пробежки на время озоновой атаки лучше отложить, поскольку при физической нагрузке организм поглощает намного больше озона. Отправляться в плаванье по реке в этот период также не стоит: над водной поверхностью концентрация озона намного выше, чем над близлежащей сушей.

На глаз определить снижение содержания озона в воздухе можно по хвойным лесам: они окутываются голубой дымкой, когда озоновые атаки отступают.

Применение озона в медицине:

В 1873 г. Фоке наблюдал уничтожение микроорганизмов под воздействием озона и это уникальное свойство озона привлекло к себе внимание медиков.
История использования озона в медицинских целях берет свое начало в 1885 г., когда Чарли Кенворф впервые опубликовал свой доклад в Медицинской Ассоциации Флориды, США. Краткие сведения о применении озона в медицине обнаружены и до этой даты.
В 1911 г. М. Eberhart использовал озон при лечении туберкулеза, анемии, пневмонии, диабета и др. заболеваний. А. Вольф (1916) в период первой мировой войны применяет кислородно-озоновую смесь у раненых при сложных переломах, флегмонах, абсцессах, гнойных ранах. Н. Kleinmann (1921) применил озон для общего лечения “полостей тела”. В 30-х гг. 20 века Е.А. Фиш, зубной врач, начинает лечение озоном на практике. 
В заявке на изобретение первого лабораторного прибора Фишем был предложен термин "CYTOZON", который и сегодня значится на генераторах озона, используемых в зубоврачебной практике. Йоахим Хэнзлер (1908-1981) создал первый медицинский генератор озона, который позволял точно дозировать озоно-кислородную смесь, и тем самым дал возможность широко применять озонотерапию. 
Р. Auborg (1936) выявил эффект рубцевания язв толстой кишки под действием озона и обратил внимание на характер его общего воздействия на организм. Работы по изучению лечебного действия озона во время второй мировой войны активно продолжались в Германии, немцы успешно применяли озон для местного лечения ран и ожогов. Однако после войны практически на два десятилетия исследования были прерваны, что обусловлено появлением антибиотиков, отсутствием надежных, компактных генераторов озона и озоно-стойких материалов. Обширные и систематические исследования в области озонотерапии начались в середине 70-х гг., когда в повседневной медицинской практике появились стойкие к озону полимерные материалы и удобные для работы озонаторные установки.
Исследования in vitro, то есть в идеальных лабораторных условиях, показали что при взаимодействии с клетками организма озон окисляет жиры и образует пероксиды — вещества, губительные для всех известных вирусов, бактерий и грибков. По действию озон можно сравнить с антибиотиками, с той разницей, что он не “сажает” печень и почки, не имеет побочных явлений. Но, к сожалению, in vivo — в реальных условиях всё обстоит гораздо сложнее. 
Озонотерапия одно время была весьма популярна - многие считали озон чуть ли панацеей от всех недугов. Но детальное изучение воздействия озона показало, что вместе с больными озон поражает и здоровые клетки кожи, легких. В результате в живых клетках начинаются непредвиденные и непрогнозируемые мутации. Озонотерапия так и не прижилась в Европе, а в США и Канаде официальное медицинское применение озона не легализовано, за исключением альтернативной медицины. 
В России, к сожалению, официальная медицина так и не отказалась от столь опасного и недостаточно проверенного способа терапии. В настоящее время воздушные озонаторы и озонаторные установки получили широкое распространение.

III.         Исследование.

«Получение озона методом электросинтеза при импульсном разряде»

Цель:  Получить газ озон и диагностировать его по запаху.

Оборудование: Источник тока ВС-24, соединительные провода , прибор «Разряд-1», электрофорная машина.

Условия: Строгое соблюдение техники безопасности, так как прибор высоковольтный. Цепь собирает ученик, опыт проводит учитель, наблюдает ученик.

Ход опыта: Собираем установку (фото №11, 12 ), учитель включает «Разряд-1», наблюдаем разряд, диагностируем наличие озона по характерному запаху.

Повторим аналогичный опыт с электрофорной машиной (фото №13) получаем разряд, определяем наличие озона по характерному запаху.

Вывод: Газ озон получен при импульсном разряде и имеет характерный запах свежести (аналогично озон образуется в природе при разряде молнии)(прил. №3)

IV.         Заключение.

Я собрал и систематизировал материал по теме узнал много нового для себя:

·        Свойства озона, его место в атмосфере, получение озона.

·        Узнал, как озон влияет на жизнь нашей планеты. В связи с этим подробно рассмотрел экологические проблемы: «Озоновая дыра» и озоновый смог.

С одной стороны озон выполняет роль защитника от в стратосфере от всех видов солнечного излучения.

С другой  стороны озон в определенных дозах токсичен для всего живого на Земле в тропосфере.

·        . в ходе эксперимента научился получать озон и диагностировать его по характерному запаху. К сожалению, изучить его химические свойства как окислителя не удалось из-за малой концентрации. Теоретически, я узнал, что диагностировать озон можно по его воздействию на раствор марганцевокислого калия который должен посветлеть при наличии озона.

·        Трудности при выполнении работы заключались в поиске правдивой информации. Например, про озоновые дыры сказано, что они образованы только в Арктике и Антарктиде. В некоторых источниках приведены другие данные. Истощение озонового слоя наблюдается и над другими материками.

·        Озон в определённых дозах обладает бактерицидным свойством. Его используют в медицине, пищевой промышленности.

Мою работу можно использовать на уроках физики, химии, биологии, элективных курсах, кружках, во внеурочной деятельности.

V.           Информационные ресурсы.

1) http://www.ronl.ru/referaty/ekologiya/232022/

2) https://www.ozonetherapy.ru/ozonoterapiya/obshhie-svedeniya-o-meditsinskom-ozone/

3) http://elhow.ru/ucheba/geografija/geograficheskie-ponjatija/chto-takoe-ozonovaja-dyra?utm_source=users&utm_medium=ct&utm_campaign=ct

4) https://yandex.ru/images/search?text=%D0%BE%D0%B7%D0%BE%D0%BD+%D0%B2+%D0%B0%D1%82%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5+%D0%B7%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B8&parent-reqid=1485876318849802-12668695181928915612141152-sas1-1500

5) «Дайте планете шанс!»  Учебное издание Ю. Н. Гладкий.  С. Б. Лавров

6) http://www.meteo.md/newru/mej_deni_ohr_ozon.htm

7) http://ru-ecology.info/term/12356/

VI.         Приложение.

№1

 

№2

№3

№4

№5

№6

№7

№8

№9

№10

Фото 11

Фото 12

Фото 13

 фото 14