III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ НА ПАМЯТНИКИ ПОД ОТКРЫТЫМ НЕБОМ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Харина А.М. 1

---

1Гимназия № 14 г. Глазов УР

Русакова Г.Н. 1

---

1МБОУ Гимназия № 14 г. Глазова

Работа в формате PDF

141.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Исследованием происхождения и состава кислотных осадков ученые стали заниматься сравнительно недавно. Впервые понятие « кислотные дожди» было введено в 1872 г. Английским инженером Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».

В 60-е годы ХХ в. проблема кислотных дождей овладела умами ученых. Были реально оценены размеры экологического бедствия, связанного с нерациональным, безграмотным использованием природных ресурсов. В это время западные художники и экологи устроили выставку под открытым небом. На выставке были представлены статуи из мрамора, стали и других материалов, которые были изъедены атмосферными осадками.

Атмосферные процессы, приводящие к образованию кислотных дождей, можно разделить на следующие стадии:

1. Перенос выбросов ветром к зоне осадков при одновременном смешивании с незагрязненными воздушными массами.

2. Поглощение веществ антропогенного происхождения облаками и каплями дождя.

3. Химические реакции в жидкой фазе и последующее выпадение загрязнений в виде осадков.

Автомобильный транспорт в процессе функционирования оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую воздушную среду: он выделяет с отработанными газами токсичные вещества, способствующие заболеваемости людей.

Работа транспорта и заводов приводит к формированию над городами дымо-пылевого купола, что влияет на изменение количества солнечной радиации, поступающей к поверхности Земли. Загрязненный воздух действует на здания, сооружения, вызывая эрозию и химическую коррозию арматуры, чугунных и бронзовых памятников, разрушение старинных фресок на культовых зданиях.

В нашем городе достаточно антропогенных объектов, провоцирующих появление кислотных осадков. Это заводы: ЧМЗ, « Металлист», Мебельная фабрика, Реммаш, Молокозавод и др. И все же самый главный загрязнитель атмосферы – транспорт.

Цель исследований

Определить водородный показатель осадков, выпадающих в районе главных улиц г. Глазова, и влияние, оказываемое ими на памятники культуры расположенные на этих участках, а также выяснить , какие конструкционные материалы наиболее стойки к коррозии, ускоряемой кислотными дождями.

-1-

Задачи исследований

1. Изучение состояния проблемы, ее актуализация;

2. Исследование скульптур, находящихся на улицах Советской, Короленко, площади Свободы;

3. Отбор проб осадков (снега) у подножий памятников. Качественный анализ осадков на содержание предполагаемых анионов.

4. Выводы о влиянии кислотных осадков на памятники нашего города.

5. Меры по охране памятников от кислотных осадков.

Работу проводили в несколько стадий. На первой стадии выбрали скульптуры, исследование состояния которых было наиболее интересно. В числе объектов исследования оказались 3 памятника, расположенных на разных площадях. Памятники В.И. Ленину, В.Г. Короленко, Героям ВОВ. Подсчитали плотность транспортного потока вблизи памятников. В городском отделе архитектуры узнали компоненты материалов из которых изготовлены памятники.

На второй стадии взяли пробы снега около постаментов, проанализировали в лаборатории, провели качественные реакции на содержание предполагаемых анионов.

Методика исследования

Выбросы автотранспорта складываются из выбросов двигателей и картеров автомобилей, продуктов износа их механических частей, покрышек и дорожного покрытия. В состав этих выбросов входят оксиды углерода, горячий водяной пар, кислород, азот, диоксиды азота и серы, которые становятся исходными веществами для образования атмосферных кислот посредством следующих реакций:

4NO₂ + 2H₂O+ O₂ = 4HNO₃;

3NO₂+ H₂O=2HNO₃+ NO;

SO₂+H₂O=H₂SO₃;

2SO₂+O₂=2SO₃ и SO₃+H₂O =H₂SO₄;

P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄;

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃.

В горячем водяном паре с участием хлора образуются две кислоты (соляная и хлорноватистая):

CI₂+ H₂O = HCI + HCIO.

Смог содержит еще и твердые частицы, на поверхности которых адсорбируются циклические углеводороды, обладающие канцерогенными свойствами. Из этих и других веществ формируется фотохимический смог; в котором под действием света образуются еще более токсичные вещества:

СО+ CI₂= COCI₂ фосген.

В этих реакциях участвуют и образовавшиеся кислоты:

C₆H₆ + HNO_{3 =} H₂O + C₆H₅NO₂.

-2-

Влияние атмосферы, осадков и особенно кислотных дождей на конструкционные материалы стало очевидным в последние 30 лет. За это время памятники культуры, находящиеся под открытым небом пострадали очень сильно.

Особенно подвергаются разрушению памятники изготовленные из мрамора, гипса.

При выполнении проекта использовали учебные пособия:

Федорова А.И., Никольская А.Н., Практикум по экологии и охране окружающей среды;

Астафуров В.И.Основы химического анализа;

Коробейникова Л.А.Методики изучения состава окружающего воздуха.

1.Основные источники загрязнения атмосферного воздуха.

Оксид углерода(IV). Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн.т. Диоксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы, и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Оксид серы(IV). Сернистый ангидрид выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах.

в) Оксид серы(VI). Серный ангидрид образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

-3-

д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.

Кислые атмосферные выпады на сушу.

Одна из острейших глобальных проблем современности и обозримого будущего - это проблема возрастающей кислотности атмосферных осадков и почвенного покрова. Районы кислых почв не знают засух, но их естественное плодородие понижено и неустойчиво; они быстро истощаются и урожаи на них низкие. Кислотные дожди вызывают не только подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв. Кислотность с нисходящими потоками воды распространяется на весь почвенный профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых вод. Кислотные дожди возникают в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождающейся эмиссией колоссальных количеств оксидов серы, азота, углерода. Эти оксиды, поступая в атмосферу переносятся на большие расстояния, взаимодействуют с водой и превращаются в растворы смеси сернистой, серной, азотистой, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде "кислых дождей" на сушу, взаимодействуя с растениями, почвами, водами.

Главными источниками в атмосфере является сжигание сланцев, нефти, углей, газа в индустрии, в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу оксидов серы, азота, сероводорода и оксида углерода. Естественно, что это сказалось на повышении кислотности атмосферных осадков, наземных и грунтовых вод. Для решения этой проблемы необходимо увеличить объём систематических представительных измерений соединений загрязняющих атмосферу веществ на больших территориях.

Влияние атмосферных загрязнений на окружающую среду и здоровье населения.

От загрязнения воздуха страдают животные и растения. Каждый раз, когда в Афинах идет дождь, вместе с водой на город обрушивается серная кислота, под губительным воздействием которой происходит разрушение Акрополя и его бесценных памятников древнегреческого зодчества, сооруженных из мрамора. За последние 30 лет им был нанесен гораздо больший ущерб, чем за предыдущие два тысячелетия.

«Продолжительность жизни» самого сернистого газа в атмосфере сравнительно невелика (от двух-трех недель, если воздух сравнительно сухой и чистый, до нескольких часов, если воздух влажен и в нем присутствует аммиак или некоторые другие примеси).

-4-

Он, растворяясь в каплях атмосферной влаги, в результате каталитических, фотохимических и других реакций окисляется и образует раствор серной кислоты. Агрессивность выбросов еще более возрастает. В конечном счете переносимые воздушными массами сернистые соединения переходят в форму сульфатов. Их перенос в основном происходит на высоте от 750 до 1500 м, где средние скорости близки к 10 м/с, и дальность переноса сернистого газа простирается до 300—400 км. На этом же удалении от источника выбросов в струе переноса отмечается максимум концентрации раствора серной кислоты. Ее обнаруживают и на расстоянии до 1000—1500 км, где в основном завершается ее переход в форму сульфатов. Описанный выше процесс—лишь упрощенная схема, не учитывающая возможности вымывания сернистого газа и серной кислоты по пути переноса каплями дождя, а также абсорбирования их растительностью, почвой, поверхностными и морскими водами, воздействие сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется прежде всего в поражении верхних дыхательных путей. Под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность погибает. Так называемые «кислые» дожди вызывают повышение кислотности почв, что снижает эффективность применяемых минеральных удобрений на пахотных землях, приводит к выпадению наиболее ценной части видового состава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах.

Наличие в воздухе соединений серы ускоряет процессы коррозии металлов, разрушения зданий, сооружений, памятников истории и культуры, ухудшает качество промышленных изделий и материалов. Установлено, например, что в промышленных районах сталь ржавеет в 20, а алюминий разрушается в 100 раз быстрее, чем в сельской местности.

2. Сведения об исследуемых объектах

На первом этапе работы мы решили рассмотреть расположение памятников, загруженность участка улицы разными видами автотранспорта.

Сравнить в этом отношении улицы Советскую, Короленко и площадь Свободы и изучить окружающую обстановку. Благодаря оказанной помощи из отдела архитектуры получили сведения о материалах из которых изготовлены памятники. Выяснили основные компоненты материалов из которых изготовлены памятники. Провели количественный расчет транспортных загрязнителей воздуха. Для этого выбрали участок улицы вблизи памятников архитектуры и провели отсчет машин в течение 10 минут каждого часа наблюдений (7.00-8.00ч, 13.00-14.00ч и 17.00-18.00ч.). В таблицу вносим среднее значение, полученное в результате отсчета машин.

-5-

Сведения об исследуемых объектах

-6-

Количественный расчет транспортных загрязнителей воздуха - оксидов углерода и азота, а также углеводородов.

Автомобильный транспорт в процессе функционирования оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду; он выделяет с отработанными газами токсичные вещества, способствующие заболеванию людей. Загрязненный воздух действует на здания, сооружения, вызывая эрозию и химическую коррозию арматуры, чугунных и бронзовых памятников.

Количественный расчет транспортных загрязнителей воздуха носит относительный характер. В первую очередь ведется учет интенсивности транспортных потоков.

Для точного определения химического состава загрязняющих воздух транспортных выхлопов нужна специальная аппаратура для отбора, анализа проб и набор реактивов, но можно сделать это проще, получив данные, которые затем использовать для целей сравнительного статистического анализа.

Экспериментальным путем установлено, что масса выбрасываемого загрязняющего вещества зависит от типа автомобиля, марки двигателя, вида топлива, технического состояния машины. Расчет ведется для каждого из основных типов автомобилей и вида загрязнителя по формуле:

M=m∙k∙r,

Где M – масса определенного загрязняющего вещества (например СО), выброшенного одним автомобилем данного типа на протяжении 1 км;

m – удельный выброс(г/км) определенного загрязнителя, установленный экспериментальным путем;

k, r – коэффициенты влияния факторов, определяющих состояние каждого типа автомобилей на выброс определенного вида загрязнителя.

Таблица1.

Удельный выброс вредных веществ(m) с автомобильными выхлопами(г/км)

-7-

Таблица 2.

Коэффициенты влияния среднего возраста автомобиля( r ) и уровня технического состояния( k ).

Таблица 3. Результаты расчетов.

Удельный выброс вредных веществ вблизи памятников (г/км)

П1-ул Советская,

П2-площадь Свободы,

П3-ул.Короленко.

По результатам расчетов выявили следующее:

Наибольшее количество выбросов автомобильного транспорта приходится на площадь Свободы и на расположенный вблизи монумент «Победы»:

М(СО)-17882 г/км- масса угарного газа, выброшенного автомобилями на площади Свобода, на протяжении одного километра, в течение одного часа.

М(СН)-3223 г/км- масса углеводородов, выброшенного автомобилями на площади Свобода, на протяжении одного километра, в течение одного часа.

М(NO)-867 г/км – масса окиси азота, выброшенного автомобилями на площади Свобода, на протяжении одного километра, в течение одного часа.

Меньшее движение автотранспорта приводит к меньшему количеству выбросов угарного газа, углеводородов и окиси азота на улицах Короленко и Советской.

Количество выбросов вредных веществ достаточно велико, если учесть выбросы газов в течении суток, то мы наблюдаем значительное загрязнение воздуха и значит разрушение памятников архитектуры.

-8-

Качественный анализ снега.

Мы взяли пробы снега – зимой. Кроме того, мы сделали смывы с участков

памятников и собрала талую воду около постаментов.

Для качественного анализа на наличие предполагаемых анионов были

проведены следующие реакции.

1. Наличие сульфат-ионов и карбонат-ио­нов определяли с помощью солей бария:

SO₄^2-+ Ва²⁺ = BaSO₄ ↓ (белый осадок, нерастворимый в кислотах);

СО ₃^2- + Ва²⁺ = ВаСО₃ ↓ (белый осадок, растворимый в кислотах:

ВаСО₃ +2Н⁺ = Ва²⁺ + Н₂О + СО₂ ↑, вызывает помутнение известковой воды:

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃+ Н₂О.

2. Присутствие хлорид-ионов и фосфат -ионов доказывали действием нитрата се­ребра:

Сl^- + Ag⁺ = AgCl↓ (белый осадок, нерастворимый в кислотах);

PО₄^3- + 3Ag⁺ = Ag₃P0₄ ↓ (желтый осадок, отличающийся от предыду­щего более крупными частицами).

3. Нитрат-ионы обнаруживали при помо­щи меди в присутствии концентрированной серной кислоты:

4HNO₃ + Си = Cu(NO₃₎₂ + 2Н₂О + 2N0₂↑(бурый газ)

4. Наличие силикат-ионов в дождевой воде и смывах устанавливали по реакции с сильной кислотой:

SiO₃^2- + 2Н⁺ = H₂Si0₃ ↓ (желеобразный оса­док белого цвета).

5. Сульфид-ионы определяли дейст­вием на образец осадков растворимыми со­лями меди:

S^2- + Cu²⁺ = CuS↓ (осадок черного цвета).

В результате исследований увидели явное присутствие сульфат-ионов, карбонат-ионов и хлорид –ионов, небольшое количество нитрат ионов.

Другие анионы возможно присутствуют в очень малых количествах, либо отсутствуют, качественных изменений не увидели.

-9-

Результаты исследований

По итогам экспериментов были сделаны следующие выводы о влиянии кислотных дождей на памятники нашего города.

Кислотность анали­зируемых проб невысока, т. е. в равновесном процессе образования угольной кислоты преобладает прямая реакция. Более того, достаточно большая часть карбонат-ионов соединяется с ионами кальция, магния, и других металлов, образуя соли.

Влияние кислот на чугун можно рассмот­реть с точки зрения как основного компо­нента, так и части примесей:

Fe° - 2ё= Fe²⁺; Fe²⁺ - ё= Fe³⁺;

Mn° - 2ё = Mn²⁺; 2H⁺ + 2ё = Н₂.

Я сделала вывод, что чугун на представленной территории разрушается от воздействия атмосферных кислот. Посколь­ку перенести этот памятник невозможно, предлагаем защитить его органическим водо- и газоотталкивающим покрытием.

Монумент Победы расположенный на площади Свободы изготовлен из гранита и находится на одной из самых не­благоприятных с точки зрения чистоты ат­мосферы глазовской площади. Имен­но поэтому кислотность взятых там проб оказалась почти самой высокой в районе. Этот памятник находится в стороне от про­мышленных предприятий, но на пересече­нии основных транспортных магистралей. Это обусловило довольно разнообразный ионный состав исследуемых проб.

Все анионы, обнаруженные в пробах, взя­тых у бюста Короленка, при­сутствовали и в данном случае. Исключение составили только карбонат-ионы. Это мож­но объяснить тем, что кислотность на этом участке выше, поэтому из двух равновесных процессов быстрее идет распад кислоты, и соли не успевают образовываться.

Кислотные осадки весьма активно влия­ют на гранит. Кварц SiO₂ не разрушается под действием кислот, так как это кислотный оксид. Слюда и полевой шпат, входящие в эту породу, подвержены действию кислот, по­скольку содержат оксиды металлов:

2Н⁺ + К₂О = 2К⁺ + Н₂О;

А1₂О₃ + 6Н⁺ = ЗН₂О + 2А1³⁺.

Таким образом, мы доказали, что гранит подвержен влиянию кислотных дождей, но в меньшей степени, чем чугун. Для сокращения ущерба, наносимого этим экологическим бедствием памятнику, можно использовать шлифовку камня, уменьшаю­щую поверхность соприкосновения. Кроме того, следует нанести на него и через опре­деленные промежутки времени обновлять гидрофобное и газонепроницаемое органи­ческое покрытие.

-10-

Памятник Ленину расположенный у Дворца культуры «Россия» по улице Советской был изготовлен из мрамора и бронзы. Его основной компонент – арагонит (карбонат кальция). Как и все другие карбонаты, он подвержен разрушению в кислой среде

СаСО₃ + 2Н⁺ = Са²⁺ + Н₂О + СО₂.

Из приведенного сокращенного ионно­го уравнения можно сделать вывод, что мра­мор более всех из рассматриваемых мате­риалов подвержен воздействию кислотных дождей. Памятник 2 раза в год покрывают защитным органическим соста­вом, а перед этим шлифуют составом, со­держащим измельченный кварц, который противодействует влиянию атмосферных кислот.

Памятник Ленину, находится на наименее озелененной и наиболее загруженной транспортом территории.

Для изготовления этого памятника ис­пользовали и бронзу. Она состоит из сплава двух довольно пассивных металлов. Можно предположить возможность разрушения бронзы под действием окислительно-вос­становительных процессов, однако протека­ние этих процессов представляется малове­роятным, поскольку стандартный электрод­ный потенциал меди и олова больше, чем водорода:

E°(2Н⁺ + 2ё = Н₂) = 0;

E°(Sn°-2e = Sn²⁺) = 015B;

E°(Cu°- e =Cu²⁺) = O,153B.

При этом обработку памятника шлифо­вальным камнем и органическим покрыти­ем проводят 1-2 раза в год. Таким образом, выбор бронзы для изготовления памятника Ленину вполне оправдан.

Рассмотрев возможность разрушения ат­мосферными осадками различных конструкционных материалов, из которых изготовлены памятники, я пришла к вы­воду, что стойкость исследованных материа­лов к воздействию кислотных дождей умень­шается от бронзы к граниту, далее к чугуну, а самым нестойким оказался мрамор. В ходе своего исследования я поняла, что выбор материалов для монументов был пра­вильным.

Закончив эксперимент и выяснив возможные меры по охране памятни­ков от кислотных осадков, я обратилась в Комитет по охране природы при администрации города Глазова, где узнала, что предложенные мной меры по защите памятников от атмосферных осадков совпадают с установленными Комитетом градостроительства.

-11-

Выводы

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо.

Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в атмосферу – удаление серы из топлива с помощью фильтров. Однако таких видов топлива с низким содержанием серы очень мало. Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представляет собой достаточно сложный и малораспространенный процесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остается приблизительно половина первичного содержания серы: поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей. Сокращение выброса двуокиси серы можно также достичь очисткой конечных газов от серы. Наиболее распространенный метод – мокрый процесс, когда конечные газы барботируют через раствор известняка, в результате чего образуются сульфит или сульфат кальция. Таким способом удаляется большая часть серы. Этот способ еще не получил широкого распространения

Применение высоких труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность его заключается в следующем. Если мы используем низкие трубы (здесь в первую очередь необходимо вспомнить трубы электростанций), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб. Если труба высокая, то непосредственные воздействия уменьшаются, но возрастает эффективность перемешивания, что означает большую опасность для отдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменение химического состава атмосферы, изменение климата). Таким образом, строительство высоких труб, не решает проблемы загрязнения воздуха, зато в значительной степени увеличивает «экспорт» кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах.

Охрана природы - задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями. Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого Природе Человеком

-12-

Список литературы

1. Астафуров В.И. Основы химического анализа.-М.: « Просвещение»,1982.-159с.

2. Железнякова Ю.В. Учебно-исследовательские экологические проекты в обучении химии// Журнал Химия в школе. -1999. -№3.-с47-50

3. Железнякова Ю.В. Учебно-исследовательские экологические проекты в обучении химии// Журнал Химия в школе. -2000. -№3.-с52-56.

4. Макотрова Г.В. Из опыта организации исследовательских проектов// Журнал Химия в школе. -1998. -№1.-с76-77.

5. Коробейникова Л.А. Методики изучения состава окружающего воздуха// Журнал Химия в школе. -2000. -№2.-с54-58.

6. Федорова А.И., Никольская Практикум по экологии и охране окружающей среды.-М. Владос,2001.-288с.