VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение содержания углекислого газа в воздухе школьных помещений и изучение его влияния на состояние организма
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Современный человек почти 90% времени находится в помещении. Когда вы входите в помещение, где много людей, то практически всегда чувствуете, что там тяжелей дышится, чем снаружи. Хочется сказать «не хватает кислорода». Это не верно. На самом деле кислорода все еще более чем достаточно, но в помещении повысилась концентрация углекислого газа. Что происходит при этом с нашим организмом? Насколько это вредно?
Цель нашей работы: определение концентрации углекислого газа во внутренней атмосфере кабинетов школы и его влияние на состояние учащихся. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1.Определить концентрацию углекислого газа в некоторых школьных помещениях
2.Изучить влияние повышенного содержания углекислоты в воздухе на здоровье
3.Посмотреть возможные решения этой проблемы
4.Ознакомить с результатами работы администрацию, учителей, родителей, учащихся
Предполагаем, что содержание углекислого газа в школе повышено и это сказывается на самочувствии школьников.
Предметом исследования является содержание углекислого газа в воздухе школьных помещений.
Метод исследования заключается в использование кислотных свойств углекислоты с применением индикатора.
Практическая значимость данной работы заключается в том, что повышенная концентрация углекислого газа сказывается на состоянии здоровья. А современные окна - стеклопакеты начисто лишают помещение естественной вентиляции. Углекислый газ не обладает цветом, запахом, его негативное влияние постепенное и сказывается проявлением различных заболеваний.
Сроки проведения работы – октябрь - ноябрь 2015 года.
2.Показатели углекислого газа в окружающем воздухе
В чистом воздухе 380-400 ppm углекислого газа, то есть 0,038-0,04%. Эти концентрации оптимальны для дыхания человека.
Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе за последние 50лет увеличилось на 20% и постоянно продолжает расти – особенно в крупных городах за счет выхлопных газов автомобилей и промышленных выбросов. Сегодня уровень СО2 в воздухе большого города может быть 600 ppm (0,06%) и выше. Закрытые помещения - как ловушки углекислого газа . Воздух уже с повышенным или даже нормальным содержанием углекислого газа поступает через окна и вентиляцию, а потом его концентрация начинает быстро расти из-за дыхания людей, которые находятся в здании. К тому же, принудительной вентиляции может вообще не быть или она работает плохо, а естественная не работает, поскольку пластиковые окна не пропускают воздух и они закрыты, чтобы никто не простудился.
Увеличение углекислого газа зависит от количества людей в помещении, от их веса и характера действий (приложение 1, табл.1).
Ощущение симптомов «нехватки свежего воздуха» происходит при повышении углекислого газа до 0,08%, то есть 800 ppm. Цифра может доходить до 2000 и выше промилей углекислого газа.
3.Влияние повышенной концентрации углекислого газа на состояние организма
3.1. Ацидоз
В норме кислотность (рН) крови человека равна примерно 7,4. Наш организм настроен на эту цифру, она необходима для работы всех ферментных и биологических систем организма. Логично предположить, что даже небольшие постоянные изменения кислотности крови могут оказывать очень сильное воздействие на живое существо: увеличивается парциальное давление СО2 в наших альвеолах, его растворимость в крови повышается и образуется слабая угольная кислота, распадающаяся, в свою очередь, на ион водорода и НСО3. Кровь закисляется, что по-научному и называется ацидозом. Чем выше концентрация углекислого газа в воздухе, которым мы дышим, тем ниже рН крови, и тем более кислую реакцию она имеет.
Минимальные физиологические последствия ацидоза – перевозбуждение, учащенное сердцебиение и повышение давления. При более сильно ацидозе человек становится вялым, сонным, ощущает беспокойство. Но все это происходит при концентрации СО2, типичных для современных помещений, где много людей. Впрочем, когда человек надолго выходит на свежий воздух, его состояние самочувствие постепенно приходит в норму.
При ацидозе происходят биохимические изменения в организме, если же он хронический, то, видимо, они в какой-то момент могут стать необратимыми. В какой именно – ученным еще предстоит выяснить.
Когда начинается ацидоз, то сначала организм защищается, повышая концентрацию бикарбоната в плазме крови. Чтобы компенсировать ацидоз, почки усиленно выделяют ионы водорода и задерживают НСО3-. Потом включаются другие буферные системы, и вторичные биохимические реакции организма гораздо сложнее. Поскольку слабые кислоты, в том числе и угольная (Н2СОЗ), могут образовывать с ионами металлов слаборастворимые соединения (СаСО3), то они откладываются в виде камней, прежде всего в почках (кальцификация почек). Появляются изменения в костях – деминерализация, идут структурные изменения в лёгких. Этот процесс носит обратимый характер – через какое-то время после выхода на свежий воздух карбонат, кальция должен раствориться.
Нужны дальнейшие эксперименты, чтобы установить, как повлияют на состояние млекопитающих более низкие концентрации углекислого газа и когда же изменения в их организмах станут необратимыми.
3.2.Прочие эффекты и синдром больного здания
Исследования ученых не ограничиваются ацидозом. Тайбэй (Тайвань) показало, что уже при уровне СО2 выше ррm (0,08%) у них отмечался рост маркеров окислительного стресса, определяемого в моче. Содержание маркеров тем выше, чем дольше человек находится в душном помещении. Так же действуют на организм человека летучие органические соединения, причем они и углекислый газ усиливают негативное влияние друг друга.
Ученые ЕЭС проверили, как чувствуют себя в помещении с концентрацией углекислого газа выше 1000ppm, или 0,1%(оценивали респираторное и аллергическое состояние 547 школьников от 9 до 10лет). Оказалось, что дети, проводящие много времени в помещении с высоким уровнем СО2, в 3,5 раза чаще имеют сухой кашель и в два раза больше болеют ринитом (респираторные заболевания и астма считаются основными заболеваниями школьников).
Во многих учреждениях школы очень плохо работает принудительная вентиляция, пластиковые окна хорошо изолируют не только звук и тепло, но и начисто лишают помещение естественной вентиляции. Уровень углекислого газа очень быстро нарастает. У людей, находящихся там, возникает синдром больного здания (СБЗ). Это раздражение слизистых оболочек, сухой кашель, головная боль, снижение работоспособности, воспаление глаз, заложенность носа, сложности с концентрацией внимания. При снижении концентрации СО2 симптомы СБЗ становятся слабее (Прил.2рис5).
И ещё: чем больше углекислого газа, тем больше в воздухе разных бактерий и грибов.
4.Используемые методы обучения
Использование данного метода основано на использовании кислотных свойств углекислого газа и использовании индикатора. Содержание углекислого газа в воздухе служит косвенным показателем его чистоты. Для выполнения работы требуется: медицинский шприц на 100–150 мл; химический стакан, вместимостью 50–100 мл; 0,005% раствор карбоната натрия, для приготовления которого 1 г химически чистого безводного карбоната натрия растворяют в 200 мл свежеприготовленной дистиллированной воде, а затем добавляют 0,5 мл 1%-го раствора фенолфталеина. Этот раствор хранят в хорошо закупоренном флаконе, непосредственно передисследованием из него готовят рабочий раствор, для чего 1 мл его помещают в мерную колбу на 100 мл, доводят объем дистиллированной водой до метки и перемешивают. При определении двуокиси углерода в шприц набирают 20 мл рабочего раствора карбоната натрия, затем оттягивают поршень и засасывают исследуемый воздух.После этого шприц встряхивают в течение одной минуты. Если раствор остается розовым, то воздух выталкивают из шприца, набирают новую порцию воздуха и опять встряхивают одну минуту. Новые порции воздуха продолжают добавлять до обесцвечивания раствора.
Обычно эту операцию повторяют три–четыре раза, а затем воздух добавляют уже небольшими порциями (10–20 мл), каждый раз встряхивая шприц в течение 1 мин, до обесцвечивания. Если растворобесцвечивается менее чем за 1 мин, то опыт повторяют с меньшим количеством воздуха. Ход реакции: Na2CO3+H2O+CO2→2NaHCO3.
Учитывая объем исследуемого воздуха, потребовавшийся дляобесцвечивания растворакарбоната натрия, определяютпо специальной таблицесодержание двуокисиуглерода ввоздухе.
5. Определение содержания углекислого газа в школьных помещениях
Для исследований выбраны кабинет биологии (2этаж, пониженный температурный режим), кабинет литературы и начальных классов (1этаж, повышенный температурный режим), спортзал (активные физические движения). Замеры проведены в первый день недели, в середине и конце, утром и после занятий. При объяснении результатов учитывалось расписание и численность в классах (от двух до двенадцати). Кроме этого кабинет литературы на треть меньше остальных.
6. Результаты исследований
Минимальное содержание СО2 в кабинете биологии (рис.1 Приложение 2). Предполагаемая причина – огрехи строителей при установлении стеклопакетов. Чтобы не сильно дуло, школьный рабочий «запенивал» щели. В наличии - естественная вентиляция. В середине недели концентрация углекислого газа повышается, а затем несколько падает – в четверг 5 уроков вместо 7.
Самые высокие показатели из кабинетов в литературе. Кабинет на треть меньше, чем остальные, высокий температурный режим (выше +25*). Хотя нагрузка на кабинет небольшая 5-6 уроков (рис.2 Прил.2).
Начальные классы. В понедельник количество углекислоты минимально, затем немного возрастает, хотя кабинет работает в две смены. В классах, которые там занимаются, не более 5 человек (рис.3 Прил.2).
Высокие показатели СО2 в спортивном зале (рис.4 Прил.2). Занятия ведутся в две смены, из-за холода несколько лет назад убрана часть окон. К тому же активные действия предполагают повышенное образование углекислого газа (Прил.1 рис.3 и рис.1).
В течение одного дня концентрация углекислого газа изменяется неодинаково. В кабинете биологии сильно увеличивается в понедельник – 6 уроков, но классы самые многочисленные, в четверг – минимально – 5уроков, в субботу – чуть выше – 7 уроков.
Большие скачки в литературе, но в субботу меньше – меньшее число уроков. В начальных классах резко возрастает в четверг – по расписанию у них среда-четверг – максимальное количество уроков, причем требующих большего напряжения. В субботу там занятия только в одну смену – количество углекислоты даже падает.
Общие замеры говорят о том, что даже до занятий в начале недели концентрация СО2 в некоторых школьных помещениях выше благоприятных условий для занятий (Прил.1рис.4).
Возможны погрешности при измерении концентрации СО2 - точного забора воздуха в шприц сделать не получается, и полное исчезновение окраски раствора определяется зритель, то есть субъективно. Но, тем не менее, приходим к определенным результатам.
7.Выводы
Во-первых, в части школьных кабинетов содержание углекислого газа выше необходимых пределов. За учебное время концентрация его значительно возрастает
Во-вторых, в научной литературе отражены отрицательные результаты исследований влияния СО2 на организм, в том числе детский, причем во многих странах
В-третьих, необходимо длительное проветривание помещений, восстановление принудительной вентиляции, использование комнатных цветов (они эффективны только в дневное время – время фотосинтеза), а так же внедрение в широкое пользование бытовых мониторов СО2, измерительных приборов, замеряющих уровень углекислого газа в помещениях. Только так может появиться возможность узнать, насколько вентиляция эффективно удаляет углекислый газ, или же пришла пора проветрить помещение.
В-четвёртых, с результатами исследований познакомим администрацию школы, выступим на школьной научно-практической конференции, областной, проводимой зоопарком, на Лопатинских чтениях в г.Поронайске
В результате проведения этой работе выяснила, что нарушая элементарные правила общественной гигиены, можно повредить здоровью, и многие, к сожалению, об этом не знают.
Литература
И.В.Гурина. Безопасный уровень углекислого газа требует ревизии. Журнал «Экологический Вестник России» (№10, 2008).
И.В.Гурина «Кто ответит за духоту в помещении». Журнал «Химия и жизнь – XXI век», 2, 2010
Е.О.Шилькрот, Ю.Д.Губернский. Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? Журнал «АВОК» (№4, 2008).
http://www.enontek.ru.
Приложение 1
Табл.1
Количество выдыхаемого человеком углекислого газа в зависимости от характера действий.
|
СО2 л/час |
Вид деятельности |
|
18 |
сидит |
|
24 |
Работает в помещении |
|
30 |
ходит |
|
36 |
Выполняет легкую физическую работу |
|
32- 43 |
Выполняет работы по дому |
|
55 – 75 |
Делает тяжелую физическую работу |
|
175 и выше |
Выполняет спортивные упражнения |
Табл.2 Зависимость углекислого газа (%) в воздухе от объема воздуха, обесцвечивающего 20 мл 0,005% раствора соды
|
Объем воздуха, мл. |
Концентр. СО2 (%) |
Объем воздуха, мл. |
Концентр. СО2 (%) |
Объем воздуха, мл. |
Концентр. СО2 (%) |
|
80 |
0,32 |
330 |
0,116 |
410 |
0,084 |
|
160 |
0,208 |
340 |
0,112 |
420 |
0,080 |
|
200 |
0,182 |
350 |
0,108 |
430 |
0,076 |
|
240 |
0,156 |
360 |
0,104 |
440 |
0,070 |
|
260 |
0,144 |
370 |
0,100 |
450 |
0,066 |
|
280 |
0,136 |
380 |
0,096 |
460 |
0,060 |
|
300 |
0,128 |
390 |
0,092 |
470 |
0,056 |
|
320 |
0,120 |
400 |
0,088 |
480 |
0,052 |
Рис.3 Изменение концентрации углекислого газа в течение недели по утрам
Рис.4 Изменение концентрации углекислого газа в течение дня
Примечание:
Длительное пребывание в атмосфере, где диоксида углерода больше 0,1% приводит к изменению ДНК. Это значит, что у человека могут развиться тяжелые заболевания, а у его потомства вероятны мутации.
При 10% углекислого газа невозможно горение. Человек в такой атмосфере не может продержаться долго, а последствия воздействия газа на организм могут стать необратимыми.
30% СО2 в атмосфере – смертельная концентрация, в которой человек не способен пробыть более часа. Симптомы отравления проявляются четко, а смерть может наступить быстро.
Если количество диоксида углерода еще выше, человек мгновенно теряет сознание и умирает от удушья.
Приложение 2
Рис.1 Определение содержания СО2 в кабинете биологии
Рис.2 Определение содержания СО2 в кабинете литературы
Рис.3 Определение содержания СО2 в кабинете начальных классов
Рис.4 Определение содержания СО2 в спортивном зале
Рис.5 Кратковременное и длительное влияние на человека повышенных концентраций СО2