XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МОНИТОРИНГ КИСЛОТНОСТИ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД В МИКРОРАЙОНАХ ГОРОДА ЧЕХОВ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Давиденко Ф.А. 1

---

1МБОУ гимназия №7 г. Чехова

Бовкунович Е.В. 1Турбина Л.Л. 1

---

1МБОУ гимназия №7 г. Чехов

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Наш экологический проект «Мониторинг кислотности атмосферных осадков в зимний период в микрорайонах города Чехов Московской области» посвящен исследованию кислотности осадков на территории небольшого типичного города Южного Подмосковья – Чехова и определению его экологического состояния после закрытия (уменьшения объемов производства) 4-х градообразующих предприятий - заводов городского округа.

Кислотные осадки и их влияние на окружающую среду - один из актуальных и острых вопросов современных взаимоотношений человека, общества, производства и природы.

Объект исследования: атмосферные осадки в виде снега.

Предмет исследования: кислотность атмосферных осадков в различных микрорайонах города Чехов.

Цель: выяснить какое влияние оказывают кислотные осадки на окружающую среду и определить состояние кислотности снега по исследуемым пробам в зимний период в различных микрорайонах города Чехов.

Задачи:

1. Определить понятие «кислотность», охарактеризовать процесс образования и выпадения кислотных осадков.

2. Выделить основные особенности влияния кислотных дождей на окружающую среду.

3. Исследовать взятые в различных микрорайонах города образцы снега на кислотность через измерение рН.

4. Сравнить полученные измерения с данными школьной химической лаборатории 2012 года.

5. Подготовить публикацию, доклад и видеоролик по кислотным осадкам и их влиянию на окружающую среду для широкой аудитории чеховцев.

Гипотеза: после закрытия - уменьшения объема производства Полиграфического комбината, завода «Гидростальконструкции», «Регенератного завода», завода «Энергомаш» состояние кислотности осадков в виде снега в городе Чехов улучшилось.

Вопрос достаточно широко освещен в литературе и научных трудах по экологии крупных городов, но по экологии малых городов и уровню кислотных осадков в них сложно найти достоверные и подробные материалы.

В работе использовались методы: наблюдение, исследование проб с помощью имеющегося в кабинете химии оборудования, сравнение, анализ данных, литературный, картографический.

Практическое значение проекта в получении достоверных сведений об экологическом состоянии атмосферных осадков в зимнее время в городе Чехов и знакомство с полученными результатами школьников и заинтересованных граждан, в акцентировании внимания к кислотным осадкам в экологическом просвещении населения.

П.1 КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Несколько лет назад выражения «кислотные осадки» и «кислотные дожди» были известны исключительно ученым, работающим в определенных, специализированных областях экологии и химии атмосферы.

За последние же несколько лет эти выражения стали повседневными, вызывающими беспокойство словами во многих странах во всем мире [2].

Впервые понятие «кислотность» было употреблено в 1872 году шотландским химиком Робертом Ангусом Смитом, позже названного «отцом концепции кислотности», изучавшим эффекты смога в Манчестере (Англия), однако тогдашние ученые коллегу не поддержали и к теории отнеслись скептически. Сегодня же в их существовании нет никаких сомнений [7]. Часть процессов окисления является природной, но эти изменения не могут сравниться по скорости с окислением, ставшим результатом деятельности человека в промышленной и энергетической областях, в современном землепользовании.

Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н+ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C(H+) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОН– и характеризуется их концентрацией C(ОН–) [7].

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная, равная C(H+) · C(OH–) = 10^–14, другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязаны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот. Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10^–7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды. Для кислых сред выполняется условие: 10^–7 < C(H+) ≤ 100, а для щелочных сред: 10^–14 ≤ C(H+) < 10^–7.

В 1909 г. датским ученым Сёреном Петером Лауриц Сёренсеном было предложено применять вместо подлинных значений C(H+) и C(ОН–) их отрицательные логарифмы, чтобы избавиться от отрицательных степеней в значениях C(H+) и C(ОН–). Отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов называется водородным показателем и обозначается

pH: pH = – lg C(H+). Шкала кислотности идет от pH = 0 (крайне высокая кислотность) через pH = 7 (нейтральная среда) до pH = 14 (крайне высокая щелочность) [7].

Чистаядождевая вода имеет слабокислый показатель водорода, практически нет щелочноземельных элементов (Ca⁺², Mg⁺²), поэтому она мягкая.

Широко распространенный термин «кислотные дожди» обозначает осадки с pH меньше 5,7.

Виной таким изменениям — оксиды серы и азота, в промышленных масштабах выбрасываемые в атмосферу автомобилями, электростанциями, металлургическими, полиграфическими заводами. В воздушной среде на частицах сульфатов и нитратов конденсируются молекулы воды, образуются облачные капельки, которые при определенных погодных условиях становятся частью дождевых капель или снежинок. Если концентрация сульфатов и нитратов в атмосфере велика, то дождь или снег получается значительно закисленным [1].

П.2 МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ И ВЫПАДЕНИЯ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ. ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

По ряду показателей, в первую очередь по массе и распространенности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем номер один считают диоксид серы [1]. Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО₃, который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты: 2SО₂ + О₂ = 2SО₃, SО₃ + Н₂О=Н₂SО₄. Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SО₂●nН₂О, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой Н₂SО₃: SО₂ + Н₂О=Н₂SО₃. Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной: 2Н₂S0₃ + 0₂= 2Н₂S0₄.

Аэрозоли серной и сернистой кислот (2/3 кислотных осадков), приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег). При сжигании топлива образуются твердые микрочастицы сульфатов металлов, легкорастворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы.

Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный – рисовые поля, а также результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлоро - водород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

СL● + СН₄ =СH₃● + НС1, СH₃● + С1₂= СН₃С1 + СL●.

Поступление в атмосферу больших количеств SO₂ и окислов азота приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот – серной и азотной. В этих реакциях участвуют кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализаторов:

2SO₂ + О₂ + 2Н₂О  2H₂SO₄; 4NO₂ + 2Н₂O + О₂ 4HNO₃.

Показатель рН осадков в ряде случаев снижается на 2 – 2,5 единицы, то есть, вместо, нормальных 5,6 – 5,7 до 3,2 – 3,7 [1].

Следует напомнить, что рН – это отрицательный логарифм концентрации водородных ионов, и, следовательно, вода с рН = 3,7 в сто раз «кислее» воды с рН = 5,7. В промышленных районах и в зонах атмосферного заноса окислов серы и азота рН дождевой воды колеблется от 3 до 5 [1].

В России наиболее высокие уровни выпадений окисленной серы и оксидов азота (до 750 кг/км² в год) наблюдаются в густонаселенных и промышленных регионах страны – в Северо-Западном, Центральном, Центрально-Черноземном и Уральском; возле металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также больших городов и промышленных центров (Москва, Санкт-Петербург, Омск, Норильск, Красноярск, Иркутск и др.), насыщенных энергетическими установками и автотранспортом.

В Московской области при преобладании западных ветров, в одних частях (западных, южных, на отдалении от Москвы) кислотные осадки происходят не часто, в других (с\в, восточная часть области, ближнее Подмосковье) – гораздо чаще.

Город Чехов, можно сказать, находится в «экологической нише» - здесь большие территории, много лесов, в последние годы в самом городе практически перестали работать крупные предприятия (осталось до 10-20% объема производства) – заводы Регенератный, Гидростальконструкции, Энергомаш, Полиграфический комбинат.

Выпадение кислотных осадков связано с циркуляцией воздушных масс, их перемешиванием и движениям по законам географии и физики атмосферы. На современном этапе представляет собой общую для стран насущную проблему и оказывает достаточно негативное воздействие на биосферу.

Например, в Скандинавских странах в 70-х годах ХХ века, в реках и озерах стала умирать и исчезать рыба, снег в горах окрасился в серый цвет, листва с деревьев раньше времени устлала землю. Очень скоро те же явления заметили в США, Канаде, Западной Европе. В Германии пострадало 30%, а местами 50% лесов [3]. И все это происходит вдали от городов и промышленных центров. Выяснилось, что причина всех этих бед — кислотные дожди в двигающейся атмосфере.

Природные воды и почвы от природы способны нейтрализовать определенную часть кислоты и сохранить среду, но их возможности не безграничны. В водоемы, пострадавшие от кислотных дождей, новую жизнь могут вдохнуть небольшие количества фосфатных удобрений; они помогают планктону усваивать нитраты, что ведет к снижению кислотности воды. Использование фосфата дешевле, чем извести, кроме того, фосфат оказывает меньшее воздействие на химию воды.

Земля и растения страдают от кислотных дождей: снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ, меняется состав почвенных микроорганизмов. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются кроны, повреждаются мелкие корни, у лиственных деревьев изменяется окраска листьев, преждевременно опадает листва, гибнет часть кроны, повреждается кора. В воде гибнет фитопланктон.

Все больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяйственным культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется обмен веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность.

Наиболее подвергнутыми вредоносному воздействию оказались листья томатов, сои, фасоли, табака, баклажанов, подсолнечника и хлопчатника. Наименее восприимчивыми — озимая пшеница, кукуруза, салат, люцерна и клевер [3].

Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твердый мрамор, смесь окислов кальция (СаО и СО₂), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО₄). Смена температур, потоки дождя и ветер разрушают этот мягкий материал. Исторические памятники простояв тысячелетия, в последние годы разрушаются прямо на глазах. Более 100 тыс. ценнейших витражей, украшающих соборы Европы, могут быть полностью утрачены в ближайшие 15— 20 лет. Страдают от кислотных дождей и люди, вынужденные потреблять питьевую воду, загрязненную токсическими металлами — ртутью, свинцом, кадмием, возникают болезни дыхательных путей и аллергия.

Спасать природу от закисления необходимо. Для этого придется резко снизить выбросы в атмосферу окислов серы и азота, но в первую очередь сернистого газа, так как именно серная кислота и ее соли на 70—80% обусловливают кислотность дождей, выпадающих на больших расстояниях от места промышленного выброса.

Наблюдения за химическим составом и кислотностью осадков в России ведут 131 станция, отбирающие на химический анализ суммарные пробы, и 108 пунктов, на которых в оперативном по­рядке измеряют только величину рН. Пробы осадков на содержание от 11 до 20 компонентов анализируются в пяти кустовых экологических лабораториях [1].

Система контроля загрязнения снежного покрова на территории России осуществляется на 625 пунктах, обследующих площадь в 15 млн. км². Пробы забирают на наличие ионов сульфата, нитрата аммония, тяжелых металлов, определяют значение рН [1].

П. 3 Исследовательская часть.

МОНИТОРИНГ КИСЛОТНОСТИ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД В МИКРОРАЙОНАХ ГОРОДА ЧЕХОВ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Оценка загрязнения окружающей среды по степени загрязнения снежного покрова является широко используемым приемом для определения экологического состояния воздушной среды, почвенного покрова и растительности. Исследования позволяют определить запыленность воздуха, загрязнение снега солями и органическими веществами, тяжелыми металлами и т. п. вредными соединениями. Полученные материалы представляют собой основу для осуществления рекреационных мер по восстановлению экологического благополучия природы, общества и человека. В связи с этим результаты обследования по степени загрязнения снежного покрова имеют важное практическое значение.

Снег служит индикатором загрязнения окружающей среды. Вредные вещества накапливаются в снегу и с талыми водами поступают в открытые и подземные водоемы, загрязняя их. Снег можно исследовать также как и воду. Для этого пробу снега сначала растапливают, а затем проводят исследование по всем показателям. Если брать пробы снега в разных местах, то можно составить достаточно подробную картину о степени его загрязнения, а также выявить причину и источник загрязнения.

Снежный покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В связи с этим он обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха, а также последующего загрязнения почвы и воды.

Средняя продолжительность снежного покрова в нашей местности составляет около 3-4 месяца (частично ноябрь, декабрь-январь-февраль, частично март). Загрязнение снежного покрова нитратами и сульфатами представляет особый интерес в связи с тем, что эти компоненты могут быть причиной «кислотных выпадений».

Изучение снежного покрова даёт возможность определить, какие вредные вещества могут попасть в окружающую среду из-за деятельности человека именно в зимний период, так как весной, после таяния снега резко возрастает количество ядовитых веществ в природной среде.

Зная состав загрязнителей снега, можно спрогнозировать и предупредить негативные последствия антропогенного воздействия на природу и здоровье самого человека. А также постараться не допустить большого количества выбросов в атмосферу вредных веществ, снизив таким образом экологическую опасность в данной местности и сохранив в чистоте природную среду для будущих поколений.

Мы взяли пробы снега в нескольких местах (6-ти микрорайонах города), наиболее типичных по состоянию интенсивности деятельности населения, производственных объектов и транспортных линий.

Опыт 1. Определение рН талой воды (по имеющимся в химическом кабинете материалам – сравнения и индикаторам)

рН (кислотность) показывает концентрацию ионов водорода, определяется в пробах талой воды по сравнению со стандартным чистым раствором (дистиллированной водой). В норме рН 6,5-8,5.

Используя индикаторную бумагу, можно определить наличие кислот в осадках и предсказать, к каким последствиям приведет таяние снега. Если в пробе рН меньше 5,6, то это говорит о кислотных выпадениях в изучаемом участке в течение зимы.

Методика выполнения эксперимента

1. Подготовить пробирки для проб фильтратов талой воды (фильтраты из ЛПЗ 1): а) пронумеровать пробирки с указанием места сбора снега.

2. Прилить по 5 мл соответствующе пробы в каждую из пробирок.

3. Приготовить контроль: в чистую пробирку прилить 5 мл дистиллированной воды.

4. В каждую пробирку внести полоску универсального индикатора.

5. Сравнить цвет индикатора в каждой пробирке:

a) с контрольной пробиркой с дистиллированной водой,

б) с эталонной шкалой рН и определить кислотность фильтрата,

6. Полученные результаты внести в таблицу.

Использованы: Прибор- LabQuest, комплектация к нему: датчик pH (pH sensor).

Материалы эксперимента зафиксированы в фотографиях. См. Приложение

Таблица 1. Результаты анализов проб снега в различных микрорайонах города. (по данным автора проекта, декабрь 2022)

Опыт №2

Далее в каждую пробирку я добавил Ag(NO3)- нитрат серебра см. таблица

Таблица №2 Реакция на добавление Ag(NO3) (по данным автора)

ВЫВОД: если кислотный дождь проходит, то он проходит над всем городом. Значит выделение AgCl (хлорида серебра) – это влияние примеси в снеге (реагентов), которыми посыпают дороги.

Опыт 3

Далее я добавил в пробирки с талой водой BaCl (хлорид бария). Изменений не произошло. Из этого можно сделать вывод о том, что в снеге нет сульфат ионов, а значит и кислотных осадков.

Наши данные мы сравнили с данными исследования Макаровой Марии, ученицы нашей гимназии, которая проводила измерения в 2012 году до закрытия основных градообразующих предприятий города (дававших ранее значительное количество выбросов в атмосферу наряду с транспортом города). Места для четырех проб (из 6-ти) нашего исследования – ЖД вокзал, Гимназия №7, Администрация, Симферопольское шоссе совпали.

Таблица №3 «Результаты исследования на содержание ПДК ионов

в пробах снега и удельной электропроводности».

(по данным Макаровой М.)

ВЫВОД: Результаты о кислотности атмосферных осадков в виде снега в микрорайонах города практически совпадают на 2022 и 2012 год (рН выше на одну десятую), значит существенных изменений (в частности уменьшения кислотности) в кислотности осадков после уменьшения объемов производства (закрытия) предприятий города НЕ произошло, Чехов находится в «экологической нише» относительно чистых территорий Подмосковья.

О результатах исследования через публикации в СМИ, социальных сетях города, видеоролик и доклад о кислотных осадках и их опасности мы сообщим горожанам в ближайшее время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, подводя итог проведенному нами исследованию, мы делаем выводы:

Несмотря на «постиндустриальное» звучание, термину «кислотные дожди» уже более ста лет (с 1872 г.). Сегодня же в их существовании нет никаких сомнений.

Современная химия измеряет кислотность растворов в единицах рН. Значение отдельной такой единицы, равное 7, считается нейтральным, более высокие соответствуют щелочной среде, более низкие — кислой. Изменение значения рН на один пункт соответствует изменению кислотности в десять раз.

Выражение «кислотные дожди» обозначает осадки с показателем рН меньше, чем 5,7.

Виной выпадения кислотных осадков являются в большей степени оксиды серы и азота, выбрасываемые в атмосферу автомобилями, электростанциями, металлургическими заводами. В воздушной среде на частицах сульфатов и нитратов конденсируются молекулы воды, образуются облачные капельки, которые при определенных погодных условиях становятся частью дождевых капель или снежинок. Если концентрация сульфатов и нитратов в атмосфере велика, то дождь или снег получается значительно закисленным.

Косвенным свидетельством кислотности осадков может быть измерение рН в озерах и водоемах — их аномальная кислотность уже устойчиво сказывается на флоре и фауне. Кроме того, «кислая вода» способствует лучшей растворимости в ней таких опасных металлов, как алюминий, кадмий, ртуть, свинец, из почв и донных отложений, а это ведет к болезням людей, пьющих эту воду. Растения на суше также страдают от кислотных дождей.

Проведенные нами анализы проб снега в шести микрорайонах города Чехов показала, что ситуация по кислотности осадков близка к нейтральной среде, что говорит о том, что экологическая обстановка в городе Чехове достаточно благоприятная, по сравнению с другими территориями области, т.к. здесь практически нет крупных промышленных предприятий, или они работают на 20-30% от имеющихся ранее мощностей, много лесов; ситуация по анализам проб на 2012 г (сделанных ученицей нашей гимназии) и на 2022 год (сделанных нами) практически не изменилась. Поэтому мы не можем подтвердить гипотезу, высказанную в начале нашего исследования, что закрытие предприятий (уменьшение объема их производства) сильно сказалось на изменении кислотности выпадаемых в виде снега осадков, и что кислотность сильно уменьшилась, она была практически нейтральной в тот период и настоящий.

По результатам нашей работы мы создали публикацию, видеоролик, доклад (с ними можно будет познакомиться на защите проекта) о кислотных осадках и их опасности для природы и человека, наших исследованиях, в январе представим их в социальных сетях города и на собрании Молодежного парламента и Общественной палаты города Чехов, среди учащихся нашей гимназии. Проект отправлен для участия в XVIII Международном конкурсе работ учащихся РАЕ «Старт в науке» - 2023.

ЛИТЕРАТУРА

Акимова Т. А., Кузьмин А. П., Хаскин В. В. Экология. Природа – Человек – Техника: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2001.- 343с.

Вронский В. А. Кислотные дожди: экологический аспект //Биология в школе. - 2006.- №3.- с. 3-6

Исаев, А. А. Экологическая климатология. - М.: Научный мир, 2013.- 470с.

Найдыш В. М. Концепции современного естествознания. - М.: Альфа –М; Инфра –М, 2020.- 622с.

Николайкин Н. И., Николайкина Н. Е., Мелехова О. П. Экология. - М.: Дрофа, 2019. - 624с.

Новиков, Ю. В. Экология, окружающая среда, человек: Учебное пособие. - М.: Гранд: Фаир - Пресс, 2020. - 316с.

Откуда берутся «кислотные дожди» //Вокруг света.- 2005.- №6.- с. 70.

Экологические карты Подмосковья. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ecofactor.ru/maps/ecopmosk/ Дата обращения 28.12.2022

Приложение №1

Экологическая ситуация в Московской области

Экологические карты МО, данные https://ecofactor.ru/maps/ecopmosk/

Приложение 2

Ход эксперимента (по данным автора)

Приложение 3

Показания приборов и индикаторов в разных средах для сравнения

(по данным автора)