XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование уровня загрязнения атмосферы на основе химического анализа снега

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Набоких Т.А. 1

---

1МАОУ"Лицей77"

Абросимова А.С. 1

---

1МАОУ"Лицей77"

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Человек и природа едины и нельзя отделить одно от другого. Мы изучаем нашу планету, познаём особенности её развития и устройства, ведь на наше благополучие непосредственно влияют атмосфера, почва, вода. При этом с каждым годом загрязнение окружающей среды идёт всё дальше и выходит на все большие масштабы. Одной из главных экологических проблем человечества на сегодняшний день является загрязнение атмосферы. Атмосфера имеет большую ценность, поскольку защищает планету от радиации, определяет климат Земли и ее тепловой фон.

Проблема загрязнения атмосферы и всей окружающей среды особенно актуальна для Челябинской области. В масштабах всей страны область занимает лидирующие позиции во многих отраслях промышленности. Прежде всего в чёрной металлургии, перерабатывающем производстве, машиностроении и других. Сам Челябинск входит в десятку городов России с наиболее высокими показателями по уровню загрязнения. И, конечно, жителям Челябинска не безразлично, каким воздухом они дышат, так как качество воздуха сказывается на здоровье каждого из нас.

Загрязнённость воздуха можно исследовать по состоянию снежного покрова. Снег накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В этом смысле он – один из наиболее информативных и удобных индикаторов загрязнения окружающей среды. В настоящее время разработано много методов выявления загрязнения природной среды. Одними из наиболее перспективных методов экологической оценки окружающей среды является биотестирование и химический анализ.

Цель работы – оценить уровень загрязнения атмосферы в г. Челябинске методами химического анализа и биотестирования снежного покрова.

Были поставлены следующие задачи:

1. Произвести отбор проб снега в разных районах г. Челябинска.

2.Провести химический анализ талой воды, полученной из снега.

3.Определить уровень загрязнения снега и его влияние на рост, и развитие растений.

Объект исследования - атмосферные осадки в виде снега, выпавшие в Челябинске в январе 2024 года.

Предмет исследования – некоторые показатели в составе снега.

Была выдвинута гипотеза: многие районы города являются загрязненными.

В ходе исследования применялись следующие методы: теоретические (анализ литературы и источников в сети Интернет); эмпирические: отбор проб снега, наблюдение, проведение химических анализов и биотестирования снега.

Глава 1. Теоретические аспекты проблемы загрязнения снега

1. 1. Источники и виды загрязнений окружающей среды

Под загрязнением окружающей среды понимается «привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для неё физических, химических или биологических агентов». [1]

Выделают три вида загрязнения окружающей среды:

1.биологическое (бактерии, вирусы, грибки и т.д., появляющиеся при участии человека и причиняющие вред);

2.химическое (газообразные, жидкие и твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу и выступающие во взаимодействие с окружающей средой: тяжёлые металлы, оксиды, аэрозоли, кислоты, щелочи, эмульсии и т.д.);

3.физическое (электромагнитные поля, звуковые волны, тепловое, вибрационное воздействие).

Все виды загрязнений могут присутствовать как отдельно сами по себе, так и перетекать из одного в другой или существовать вместе.

Основные источники загрязнения окружающей среды представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные источники загрязнения окружающей среды

Атмосферный воздух – один из важнейших компонентов среды, окружающей человека. Его состояние оказывает воздействие на качество поверхностных и подземных вод, почв и растительного покрова. Всё это вместе непосредственно влияет на жизнедеятельность человеческого организма, его работоспособность и общее самочувствие.

Главные источники загрязнения атмосферы – это тепловые электростанции и теплоцентрали, сжигающие органическое топливо; транспорт; чёрная и цветная металлургия; машиностроение; химическое производство; добыча и переработка минерального сырья; открытые источники (добыча, сельскохозяйственные пашни, строительство).

Город является локальным центром интенсивного загрязнения атмосферы и земной поверхности [1].В начале 70-х годов учёные-гигиенисты определили, что доля загрязнений, которую вносят в атмосферу автомобили, в среднем равна 13%. Сейчас, спустя пятьдесят лет, ситуация усугубилась: на долю автомобильного транспорта приходится до 80% от общего загрязнения атмосферного воздуха города. При сгорании топлива в двигателях транспортных средств в атмосферу поступает около 280 различных химических соединений, в том числе окись углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, формальдегид, бензол и другие.

Экологи отмечают, что над крупными городами в воздухе висит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 тонн кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг оксида углерода, около 400 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов [2]

Сотни миллионов тонн вредных веществ, ежегодно поступающиев атмосферу вместе с отработавшими газами, оказывают крайне негативное воздействие на здоровье людей, отравляют почвы и водоёмы, вредят растительному и животному миру.

1. 2. Снежный покров как индикатор загрязнения окружающей среды

Снег – это атмосферные осадки, белые пушинки, хлопья, представляющие собой кристаллики льда, а также сплошная масса этих осадков, покрывающая землю зимой [6]. Снег выпадает из облаков при температуре воздуха ниже 0°С. На Южном Урале устойчивый снежный покров держится до 135-145 дней.

Снег считают одним из наиболее информативных и удобных индикаторов загрязнения природной среды, так как он накапливает в себе практически все вещества и соединения, поступающие в атмосферу с теми или иными выбросами: от автомобильного транспорта, промышленности, топливно-энергетического комплекса, а также антигололедные средства.

В городах снежный покров содержит в себе гораздо больше вредных веществ, чем атмосферный воздух. Но даже свежевыпавший белоснежный снег не является чистым, потому что по пути с неба на землю успевает получить долю загрязнения от веществ, находящихся в атмосфере. Наибольшую долю загрязнения получает снег, выпадающий в районах, где расположены промышленные предприятия, рядом с железными дорогами, оживлёнными магистралями частью и т. д. Исследование снежного покрова позволяет выявлять загрязнение местности за зимний сезон, а также оценивать степень безопасности атмосферного воздуха для проживания людей, произрастания растений, существования животных и птиц.

Глава 2. Исследование загрязнения атмосферы на основе биохимического анализа снега

2.1. Проведение исследования

В первой половине января 2024 года был произведён отбор проб снега в семи районах г. Челябинска по следующим адресам:

1. Калининский: ул. Калинина, 13;

2. Курчатовский: ул. Захаренко, 17;

3. Ленинский: ул. Ереванская, 16;

4. Металлургический: ул. Черкасская, 2;

5. Советский: ул. Доватора, 30В;

6. Тракторозаводский: Артиллерийская, 136;

7. Центральный: сквер на пл. Революции.

Были проведены химический и органолептический анализы полученной в результате таяния снега воды по следующим признакам: кислотность воды, цвет, запах, осадок, мутность, наличие плёнки, хлорид-ионов, сульфат-ионов, ионов тяжелых металлов (свинца, хрома, никеля, ртути, цинка, меди и железа)

Цвет. По определению, вода – это прозрачная бесцветная жидкость [6]. В связи с этим отсутствие цвета – один из показателей состояния воды. Для его определения берут стеклянный цилиндр и лист белой бумаги. В сосуд наливается исследуемая вода и на белом фоне определяется цвет воды. Для его описания используют прилагательные серая, коричневая, зеленоватая, светло-жёлтая и т.д. Нормой является отсутствие цвета. Его наличие показывает, что вода загрязнена какими-либо примесями.

Осадок. Он может быть хлопьевидным, плотным, кристаллическим и т. д. Через фильтр переливают талую воду в пустую емкость. Осадок свидетельствует о наличии взвешенных частиц в воде

Прозрачность. Для определения прозрачности проба талой воды наливается в стеклянный сосуд, взбалтывается и устанавливается на лист бумаги с печатным шрифтом. Через этот сосуд просматривается шрифт. Исследуемая вода может быть прозрачной, слабо мутной, сильно мутной. Прозрачность зависит от количества взвешенных частиц в воде и определяется высотой столба воды в цилиндре в сантиметрах, через которую начинают читаться буквы.

Запах. Чтобы определить запах, воду необходимо налить в коническую колбу, закрыть пробкой ее, встряхнуть, затем быстро открыть и определить характер запаха. Как правило, его интенсивность оценивается по пятибалльной системе: 0 – нет запаха; 1 – очень слабый; 2 – слабый; 3 – заметный; 4 – отчётливый; 5 – очень сильный.

Кислотность. Для определения кислотности использовался универсальный индикатор, полоску которого смочили в пробе и сравнили цвет со стандартной шкалой рН. Методика определения представлена в приложении В.

Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты органолептического и химического анализов проб

Знаки в таблице, означают, что

«–» – показатель отсутствует

«+» – показатель присутствует

«++» – показатель присутствует в большом количестве

Талая вода практически во всех районах бесцветная, за исключением Центрального района, где она имеет сероватый оттенок. При этом выраженный неприятный запах присутствует в пяти случаях из семи: талая вода из Ленинского и Калининского районов практически не пахнет. Углеводородная плёнка присутствовала на воде Металлургического и Тракторозаводского районов.

Было проведено два анализа на обнаружение сульфат-ионов и хлорид-ионов. Методики проведения экспериментов представлены в приложении А.

Хлориды присутствуют в Калининском, Металлургическом и Центральном районах нашего города.

В первом анализе мы проверяли наличие сульфат-ионов в талой воде. Сульфат-ионы найдены во всех районах г. Челябинска. Вода в Советском и Тракторозаводском районе содержит сульфаты-ионы в больших количествах.

2.2. Результаты анализов на ионы металлов

Таблица 3. Результаты химического анализов проб на ионы тяжелых металлов

В ходе работы были проведены химические анализы на ионы, представленные в таблице. С методиками и наглядными результатами можно ознакомиться в приложении Г к проекту. В таблице, приведённой выше, показаны результаты исследования.

Можно предположить на основании экспериментов, что самые загрязненные тяжелыми металлами районы Ленинский и Металлургический. Именно на их территории находится большое количество заводов по производству и переработке металлов.

2.3 Результаты биотестирования

Метод биотестирования позволяет установить степень токсичности среды за счёт реакции живых организмов на загрязняющие вещества.

Семена нута 27 февраля были выложены в семь пронумерованных пластиковых контейнеров на вату. В них же была добавлена талая вода из разных районов города. В каждую ёмкость положили по пять семян. На протяжении десяти дней велось наблюдение за их прорастанием. Мы оценивали качество прорастания и длину проростков. Методика проведения эксперимента представлена в приложении Б.

Таблица 4. Результаты биотестирования

Чем больше семян проросло, тем, предположительно, район чище.

Основываясь на результатах биотестирования, мы можем сделать вывод, что самые не загрязнённые районы – ЧТЗ, Калининский район, Советский район.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы были проведены различные анализы талой воды. На различные характеристики снега, его состав и прорастаемость семян при поливе водой из разных районов.

По проведенным экспериментам можно сделать следующие выводы:

1)Курчатовский и Металлургический районы – самые загрязненные;

2)Не обнаружены ионы ртути (II) и никеля (II)

3)В Советском и Центральном районах обнаружено меньше всего загрязняющих веществ.

В результате исследования выяснилось, что многие районы загрязнены ионами тяжелых металлов. Также в талой воде присутствуют хлорид и сульфат-ионы. В некоторых районах вода имеет осадок и неприятный запах.

Наша гипотеза подтвердилась.

Существуют различные виды загрязнений атмосферы, источники этого и вещества. От состава атмосферного воздуха зависит качество воды, почвы и растительности. Всё это влияет и на работоспособность и самочувствие человека.

В дальнейшем планируется провести количественный анализ некоторых тяжелых металлов методом титрования, а также повторить эксперименты с пробами этого года и отследить динамику.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прокачева В.Г. Снежный покров в сфере влияния города / В.Г. Прокачева. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 176 с.

2. Козин В.В. Физико-географические факторы пространственно-временной изменчивости снежного покрова нефтегазопромыслового региона: монография / В.В. Козин, Э.А. Кузнецова. – Нижневартовск: изд-во Нижневарт. гос. ун-та, 2015. – 151 с.

3. Негробов О.П. Снежный покров как индикатор состояния атмосферного воздуха в системе социально-гигиенического мониторинга / О.П. Негробов, И.К. Астанин, В.С. Стародубцев, Н.Н. Астанина: Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация, 2005. – 253 с.

4. Файгл Ф. Капельный анализ неорганических веществ / Ф. Файгл, В. Ангер. - М.: Издательство «Мир», 1976, в 2 томах. - 390 и 320 с.

5. Лурье Ю.Ю. Химический анализ производственных сточных вод, изд.4-е, перераб и доп. / Ю.Ю. Лурье, А.И. Рыбникова. - М.: «Химия», 1974. - 336 с.

6. Ожегов С.И. Толковый словарь русского языка: 100000 слов, терминов и выражений/ под ред. проф. Л. И. Скворцова / С.И. Ожегов. — 28-е изд. перераб. — М.: Мир и образование, 2014. — 1376 с.

Приложения

Приложение А. Определение хлорид- и сульфат-ионов в талой воде

Анализ на сульфат-ионы

Прибавили к 50 мл пробы 2 мл 5% хлорида бария.

SO₄^2- + Ba²⁺ → BaSO₄ ↓

Вода в Центральном, Металлургическом и Калининском районе содержит сульфаты-ионы (рис.1).

Анализ на хлорид-ионы

Прибавили к 50 мл пробы 0,5 мл 1% нитрата серебра.

Cl^- + Ag⁺ → AgCl ↓

Хлориды присутствуют везде, но наибольшее их количество содержится в Советском и Тракторозаводском районах (рис.2).

Приложение Б. Биотестирование

Метод биотестирования основывается на проращивании семян, которые показывают состояние качества воды (семена поливают талой водой). Чем больше семян проросло, тем вода предположительно чище (рис.3).

Приложение В. Определение кислотности талой воды

Для определения кислотности использовался универсальный индикатор, полоску которого смочили в пробе и сравнили цвет со стандартной шкалой рН. В пробирки налили воду и смочили в ней полоски. Затем сравнили со стандартной шкалой (рис.4).

Приложение Г. Качественные анализы на ионы тяжелы металлов

Анализ на ионы железа (II) и (III)

К 50 мл анализируемой воды, добавляется 1 мл раствора сульфосалициловой кислоты. Таблетка гидропирита измельчается ступке и добавляется в анализируемую воду. Содержимое колбы перемешивается, выдерживается 5 минут для окисления двухвалентных соединений железа в трёхвалентные. Затем в колбу добавляется 1 мл 10% раствора соляной кислоты, выдерживается 5 минут для развития розовой окраски. [4]

Ионы железа обнаруживаются в Калининском, Курчатовском, Металлургическоми Тракторозаводском районах (рис.5).

Анализ на ионы меди (II)

В коническую колбу отмеривают 50 мл исследуемой воды (при массовой концентрации меди более 0,5 мг/л объем исследуемой воды уменьшают и доводят его дистиллированной водой до 50 мл ). Если вода не была подкислена при отборе пробы, то ее подкисляют 1—2 каплями соляной кислоты, разбавленной 1:1, затем последовательно прибавляют 1 мл раствора сегнетовой соли, 5 мл раствора аммиака, 1 мл раствора крахмала и 5 мл раствора диэтилдитиокарбамата натрия. После добавления каждого реактива производят перемешивание. Интенсивность полученной окраски измеряют визуально или фотометрически, пользуясь шкалой стандартных растворов. [4]

Ионы меди обнаружены во всех районах (рис.6)

Анализ на ионы свинца (II) и цинка

В небольшой пробирке, закрывающийся пробкой, встряхивают каплю анализируемого раствора с каплей раствора дитизона в четырёххлористом углероде. В присутствии цинка окраска меняется от зелёной до пурпурно-красной, а при наличии свинца цвет от зелёного изменяется до кирпично-красного. [4]

Ионы свинца определились в Металлургическом и Центральных районах, цинка – в Курчатовском, Ленинском, Советскоми Тракторозаводском районах(рис.7).

Анализ на ионы марганца (II)

В слабокислых растворах на холоду соли марганца с персульфатами щелочных металлов не реагируют. При нагревании некоторая часть марганца выделяется в виде гидратированной двуокиси марганца. В присутствии небольших количеств растворимых солей серебра окисление протекает до перманганата и появляется фиолетовое окрашивание. [4]

M n²⁺ +5S₂О₈^2-+8H₂О 2MnO₄^-+10SO₄^2- + 16H⁺

Ионы марганца найдены только в Металлургическом районе, что возможно, связано с использованием соединений марганца на Челябинском Металлургическом комбинате в качестве добавки к стали (рис.8).

Анализ на соединения хрома (VI)

Соединения хрома (VI) катализируют окисление индигокармина (индигосульфоновой кислоты) перекисью водорода. Добавление 2,2’-дипиридила повышает чувствительность реакции. Эта реакция лежит в основе чувствительного метода обнаружения хрома (VI).

Каплю анализируемого раствора смешивают с каплей каждого из следующих водных растворов: 0,2 н. соляной кислоты, 0,04%- ного индигокармина в воду, 2%-ной перекиси водорода и 0,03%- ного 2,2’-дипиридила. Следует выполнить и холостой опыт. Разница в скорости обесцвечивания анализируемой пробы и холостого опыта свидетельствует о присутствии хрома(VI) . [4]

Хром (VI) определился исключительно в Ленинском районе (рис.9) .

Анализ на ионы никеля (II)

На капельную пластинку наносят последовательно каплю анализируемого раствора, каплю насыщенного раствор тартрата натрия, две капли насыщенного раствора карбоната натрия и, наконец каплю спиртового раствора диметилглиоксима. Вследствие малого поверхностного натяжения спирта красный осадок диметилглиоксима никеля образуется в по краям и на поверхности жидкости. [4]

Ионы никеля не обнаружены ни в одном из районов (рис.10) .

Анализ на ионы ртути (II)

На капельную пластинку или на фильтровальную бумагу наносят каплю раствора иодида калия и сульфата натрия, затем добавляют каплю раствора сульфата меди (II) и, наконец при помощи капилляра вводят каплю анализируемого раствора. В зависимости от количества присутствующей ртути появляется окрашивание от красного до оранжевого [4] Ионы ртути не обнаружены ни в одном из районов (рис.11).

Hg²⁺ +4Cul→ Cu₂ [Hgl₄] + 2Cu

Рисунки к приложениям

Рисунок 1. Анализ на сульфат-ионы

Рисунок 2. Анализ на хлорид-ионы

Рисунок 3. Биотестирование

Рисунок 4. Определение кислотности талой воды

Рисунок 5. Анализ на ионы железа (II) и (III)

Рисунок 6. Анализ на ионы меди (II)

Рисунок 7. Анализ на ионы цинка и свинца (II)

Рисунок 8. Анализ на ионы марганца (II)

Рисунок 9. Анализ на ионы хрома (VI)

Рисунок 10. Анализ на ионы никеля (II)

Рисунок 11. Анализ на ионы ртути (II)