Качественная оценка состава дождевой воды как один из способов определения степени загрязнения атмосферы

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 31 им. В.Я. Клименкова

____________________________________________________

Секция естествознания

Качественная оценка состава дождевой воды как один из способов определения степени  загрязнения атмосферы

/научно-исследовательская работа по химии/

Липецк 2013

Содержание

Введение ……………………………………………………………………. 3

Глава 1. Состав и качественные характеристики природной

дождевой воды ……………………………………………………………… 4

Глава 2. Методика проведения исследования дождевых осадков

в условиях школьного кабинета химии …………………………………… 6

Глава 3. Экспериментальный анализ состава дождевой воды, собранной

в районе ЛТЗ г. Липецка в период с апреля по октябрь 2013 года ……… 9

Заключение …………………………………………………………………. 11

Приложения ………………………………………………………………… 12

Литература и другие информационные источники ……………………… 19

Введение

        Город Липецк является одним из экономически развитых субъектов Российской Федерации, характеризующийся высоким уровнем жизни населения и качеством благоустройства территории.

          Во многом его благосостояние обусловлено достижениями промышленной сферы города, которая составляет основу экономического потенциала всего региона.

         Липецк известен в России и за рубежом, как крупный производитель стали и проката, бытовой техники, соков, детского питания и минеральной воды.

        Однако деятельность промышленных предприятий сопряжена с выбросами  и утечкой несанкционированных веществ в окружающую среду. На сегодняшний день это является главной экологической проблемой города. Проживая в одном из экологически неблагоприятных районов – посёлке ЛТЗ,  мне захотелось изучить химический состав дождей, которые выпадают в районе моего дома, так как известно, что атмосферная влага хорошо улавливает аэрозоли и газообразные примеси в воздухе и может быть использована для изучения степени загрязнения атмосферы.

        Таким образом, объектом моего исследования является дождевая вода, собранная в период с апреля по октябрь 2013 года, а предметом изучения – её качественный состав.

Цель работы: исследование чистоты атмосферного воздуха в определённые периоды времени по состоянию природной дождевой воды.

           Гипотеза: я предположила, что в образцах дождевой воды будут обнаружены механические и химические компоненты, наличие которых может быть обусловлено деятельностью расположенных в непосредственной близости от района ЛТЗ производственных цехов ОАО НЛМК, таких как, коксохимическое и азотнотуковое производства, цех по переработке металлургических шлаков, доменная печь № 6.

          Задачи:

1). Выяснить на основе анализа специальной научной литературы возможный химический состав дождевой воды.

2). Изучить методику качественного анализа дождевых осадков;

3). Провести эксперимент по определению состава дождевых вод в районе ЛТЗ г. Липецка в период с апреля по октябрь 2013 года.

          Методы исследования: эксперимент, наблюдение, сравнение, описание

Глава 1. Состав и качественные характеристики природной дождевой воды

Дождевая вода является одной из форм атмосферных осадков. Источник дождевой воды – влага, которая испаряется с поверхности увлажненной почвы и водоемов. Водная масса, образующаяся в земной атмосфере, огромна. Одно дождевое облако может содержать несколько тонн воды. Облако не стоит на одном месте, а постоянно изменяет расположение относительно поверхности земли. При перемещении в пространстве оно перераспределяет не только тепло и влагу, но и самые разные химические элементы, соли, пыль.

Состав дождевой воды во многом зависит от экологической обстановки места, где образовалось облако. Учёные установили, что капля дождевой воды, имеющая массу всего лишь 50 граммов, за время полета с тучи и до земли омывает примерно 16 литров воздуха! А один литр дождевой воды способен поглотить и разнообразить свой состав примесями, содержащимися в трех тысячах литрах воздушной массы.

В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, азота, хлора, углерода, тяжёлых металлов и других вредных веществ. Соединения серы (H2S, SO2), азота (NO2), хлора (HCl), углерода (CO2), взаимодействуя с атмосферной влагой, превращаются в кислоты, которые являются причиной кислотных дождей.

На данный момент в связи со сложившейся экологической ситуацией практически каждый дождь можно смело назвать кислотным.

Атмосферные осадки из всех природных вод наименее минерализованы, но по химическому составу растворенных в них веществ они не менее разнообразны, чем другие природные воды. Источником их состава являются аэрозоли атмосферы. Ионный состав их довольно разнообразен. Среди анионов большей частью преобладает SO42- или HCO3-, а среди катионов в зависимости от степени удаленности от побережья - Ca2+ или Na+. Непосредственно у побережья при ветре, дующем с моря, в результате ветрового механического выноса солей в осадках бывает повышенной концентрация хлора. По мере удаления от побережья относительная концентрация Cl- падает, а SO42-, Ca2+ и Mg2+, наоборот, повышается. Причиной повышения содержания SO42- и Ca2+ является обогащение атмосферы аэрозолями континентального происхождения. По мере продвижения вглубь континента часть морских аэрозолей вымывается. Наибольшие изменения испытывает концентрация SO42-. Если увеличение содержания Ca2+ и Na+ связано, скорее всего, с минеральной пылью почв и пород, на поверхности которых всегда присутствуют эти соли, то увеличение содержания SO42- обусловлено, с одной стороны, окислением SO2 и H2S, с другой - поднятием сернокислых солей с засоленных поверхностей.

         Не поддаются даже приблизительной оценке громадные количества солевых частиц, поднимаемых с почв, соленых озер, поверхности льда, удобрений и, наконец, выбрасываемых химическими и металлургическими производствами.

Выводы:

1). Дождевая вода не имеет постоянного состава. Состав дождевой воды зависит от того, где и когда прошел дождь, откуда дул ветер, от режима работы городских предприятий, от количества машин, застрявших в пробках и от многих других факторов.

2). В состав дождевой воды могут входить окислы азота и серы, угарного газа, соединения ртути, мышьяка, свинца, ядохимикатов, пестицидов и многих других опасных веществ, попадающих в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека.

3). По составу дождевой воды можно судить о чистоте атмосферного воздуха в определённый период времени.

Глава 2. Методика проведения исследования дождевых осадков в условиях школьного кабинета химии

          Для сбора дождевой воды используют стеклянные приемники с воронками или обычные стеклянные банки емкостью 0,5 л или 1л. Они устанавливаются на открытой площадке (в них не должна попадать вода с крыши или деревьев) на высоте 1 м от земли.

          Качество воды характеризует её прозрачность, мутность, цвет, запах, вкус, реакция среды, содержание растворенных солей, степень химического, бактериологического и другого загрязнения.

          1). Определение прозрачности: 

          В химический стакан наливают воду и рассматривают ее на свет. Вода может быть: прозрачная; слабо мутная; сильно мутная.

          2). Определение цвета:

          В стакан  с водой опускают белую пластинку или лист белой бумаги. Цвет воды может быть: бурый; светло-коричневый; желтый; светло-желтый; зеленоватый; бесцветный.

          3). Определение запаха и его интенсивности:

          Естественный запах может быть болотным, гнилистым, древесным, плесневым, травянистым, сероводородным. В случае попадания в воду инородных веществ она может пахнуть бензином, мазутом, хлором, навозом и т.д. По интенсивности запах может быть: слабый (он обнаруживается, если обратить на него внимание); заметный (легко обнаруживается); отчетливый (обращает на себя внимание); сильный (делает воду негодной для питья).

           4) Определение вкуса:

          Пробовать загрязненную природную (если она не родниковая) воду не рекомендуется! Вода может быть: соленая; горькая; кислая; с хлорным, металлическим или иным привкусом.

          5). Определение наличия осадка после суточного отстаивания:

          Если осадок образуется, он может быть: хлопьевидным слизистым; хлопьевидным желтовато-коричневым; плотным белым (желтоватым); плотным бурым (коричневым);сероватым; в виде песка, глины или растительных остатков.

          6). Определение реакции водной среды:

          Определяют реакцию водной среды с помощью универсального индикатора. Для этого капают исследуемой водой на кусочек универсальной индикаторной бумаги. Полученный цвет воды сравнивают со шкалой рН и определяют реакцию среды.

          7). Определение наличия растворенных солей.

          Для проведения исследования используют два чистых обезжиренных или часовых стекла. На одно наносят несколько капель исследуемой воды, на другое - дистиллированной. Дистиллированная вода не содержит растворенных солей. Выпаривают воду со стекол и сравнивают их. Белый налет указывает на наличие солей в воде.

Определение (качественное) содержания в воде катионов и анионов.

          Каждое определение проводится с тремя различными образцами:

раствор сравнения (в нем должен присутствовать интересующий ион);

исследуемая вода (может содержать или не содержать тот или иной ион);

контроль (дистиллированная вода, не содержащая ионы).

          а).  Реакция на ион  Fe³+:

          К 4-5 каплям раствора раствора соли  Fe³+

добавляют несколько капель раствора роданида (тиоцианита) калия KSCN.

Признак  реакции – образование кроваво-красного раствора.

          б). Реакция на ион Ca²+ .

        К 4-5 каплям раствора добавляют 5-6 капель раствора карбоната калия или натрия. Наблюдается помутнение, затем – белый осадок.

          в). Обнаружение иона Clˉ .

          Для обнаружения хлорид-иона Clˉ используют раствор нитрата серебра AgNO3 в присутствии разбавленного раствора азотной кислоты HNO3. Выпадает белый творожистый осадок.

          г). Обнаружение иона SO4²ˉ .

          Для обнаружения сульфат-ионов  SO4²ˉ используют раствор хлорида (или нитрата) бария в присутствии разбавленного раствора азотной кислоты. Выпадает белый осадок, нерастворимый в азотной кислоте.

          д). Обнаружение иона CO3²ˉ.

          В случае отсутствия в растворе  SO4²ˉ- ионов, CO3²ˉ-ион можно обнаружить солями бария в нейтральной среде. К 4-5 каплям раствора добавляют 5-6 капель раствора соли бария. Выпадает белый осадок ВаСО3, растворимый в кислотах.

        Если  SO4²ˉ- ион присутствует в растворе, то для обнаружения CO3²ˉ- ионов в пробирку добавляют раствор соляной кислоты HCl. Наблюдается характерное «вскипание».

          Е) обнаружение иона NO3-.

          Можно использовать реакцию восстановления нитратов до аммиака цинком или алюминием. Для этого помещают в пробирку 5 капель раствора, содержащего нитраты, приливают к нему 5—10 капель раствора  КОН и добавляют  цинковую пыль или алюминиевый порошок.  Для ускорения реакции смесь можно подогреть.

        К 4-5 каплям раствора добавляют несколько капель раствора дифениламина (C6H5NHC6H5) в присутствии концентрированной серной кислоты. Раствор приобретает синий цвет.

        Ж) обнаружение иона S²ˉ.

        К 4-5 каплям раствора добавляют 5-6 капель раствора нитрата серебра. Выпадает чёрный осадок.

        К исследуемому раствору добавляют 5-6 капель раствора соляной кислоты, нагревают (под тягой!). Выделяющийся сероводород обнаруживают фильтровальной бумагой, смоченной в растворе ацетата свинца, поднесённой к отверстию пробирки. Признак реакции – почернение на фильтровальной бумаге.

        На фильтровальную бумагу, смоченную раствором ацетата свинца, наносят каплю раствора исследуемой соли – бумага чернеет.

Вывод: качественный анализ дождевой воды включает в себя исследование на прозрачность, мутность, цвет, запах, вкус, реакцию среды, содержание растворенных солей, степень загрязнения катионами Fe³+, Ca²+, и анионами Clˉ, SO4²ˉ, CO3²ˉ, NO3-, S²ˉ.

Глава 3. Экспериментальный анализ состава дождевой воды, собранной в районе ЛТЗ г. Липецка в период с апреля по октябрь 2013 года.

Цель: лабораторными методами провести анализ дождевых осадков для оценки чистоты воздуха в районе ЛТЗ г. Липецка.

Реактивы: универсальная индикаторная бумага, растворы KSCN, Na2CO3, AgNO3, BaCl2, HCl, C6H5NHC6H5, H2SO4(конц.), Pb(CH3COO)2,KOH.

Оборудование: стеклянные банки, химические стаканы, пипетки, стеклянные трубки, фильтровальная бумага, электронные весы.

Ход работы:

          В соответствии с вышеописанной методикой был осуществлён сбор дождевой воды в районе ЛТЗ г. Липецка и её исследование на наличие механических и химических компонентов. Образцы дождевой воды собирались в период с 1 апреля по 1 октября 2013 года два раза в месяц – в начале и в конце месяца. Всего было собрано и исследовано 12 образцов воды.

          Получены следующие результаты (приложения 1):

- исследование на прозрачность: пробы №№6 (июнь/2), 7(июль/1), 9 и 10(август) содержали прозрачную воду, во всех остальных образцах наблюдалось помутнение разной степени.

- исследование цвета: в образцах №№ 3,4(май), №6(июнь/2) и №7(июль/1) наблюдался желтоватый оттенок.

- исследование запаха: во всех образцах ощущался едва уловимый запах, идентифицировать который нам не удалось.

- исследование вкуса: вопреки предостережениям, я (очень осторожно) испытала вкусовые качества воды. Мне показалось, что образцы №№ 1-5 и 9 имели кисловатый вкус.

- исследование на наличие осадка после суточного отстаивания (приложение 2): в образцах №№9,10(август) осадков не наблюдалось, в остальных пробах на дне образовались осадки, отличающиеся по цвету, количеству, консистенции. В пробе № 1 осадка было больше всего. Он имел тёмно-серый цвет и кристаллическую структуру, напоминающую по внешнему виду графитовую пыль.

- исследование реакции среды: в пробах №№1-5 и №9 среда оказалась слабо кислой, в пробах №№ 6, 8, 10-12 – нейтральной, в образце №7 - щелочной.

- исследование на наличие солей (приложение 3): во всех образцах после выпаривания на предметном стекле наблюдалось образование незначительного белого налёта.

Исследование ионного состава (приложение 4):

- ни в одном из опытных образцов дождевой воды не удалось в условиях школьной лаборатории установить наличие ионов Ca²+, Clˉ, SO4²ˉ, CO3²ˉ, NO3-, S²ˉ;

- в образцах №№ 3,4(май), 6(июнь/2) и 7(июль/1) при добавлении раствора роданида калия KSCN наблюдалось слабое изменение окраски, подтверждающее наличие незначительного количества ионов Fe³+ (приложение 5);

- во всех образцах воды экспериментальным путём было установлено наличие НСО3—  - ионов. Для этого я в течение продолжительного времени прокипятила каждый образец дождевой воды. Наблюдалось незначительное образование белого осадка. Растворимые в воде гидрокарбонаты перешли в нерастворимую карбонатную форму. С помощью стеклянной трубочки отделила от осадка воду и подействовала на него раствором HCl. Характерное «вскипание» является признаком качественной реакции, подтверждающей наличие определяемых ионов.

Выводы:  

1). В условиях школьной химической лаборатории не удалось выявить серьёзных изменений по составу природной дождевой воды в нашей местности.

2).Экспериментальным путём в отдельных образцах природной дождевой воды было установлено наличие незначительных механических примесей и некоторых химических загрязнителей.

Заключение.

 Чистая дождевая вода должна быть прозрачной, не иметь цвета, запаха и не образовывать осадки грязного цвета после отстаивания. Изменение данных параметров в отдельных образцах исследуемой воды говорит о её загрязнении механическими примесями. Одним из таких компонентов, на мой взгляд, является графитовая пыль, которая в больших количествах попадает в воздух в результате деятельности коксохимического производства ОАО НЛМК.

Слабокислый характер среды в образцах воды обусловлен, возможно, наличием в атмосфере небольшого количества таких соединений, как SO2 и NO2,  которые могут попадать в воздух в результате деятельности азотнотукового и коксохимического производств. Также в воздухе возможно превышение содержания сероводорода H2S, который выбрасывается в процессе переработки металлургических шлаков. Интенсивный запах сероводорода очень часто ощущается в районе ЛТЗ «невооружённым носом».

Щелочной характер среды в пробе № 7 можно объяснить наличием в воздухе паров аммиака NH3, который при взаимодействии с водой превращается в слабую щёлочь NH4ОН. Источником аммиака может служить азотнотуковое производство ОАО НЛМК.

К сожалению, установить наличие данных соединений в воздухе в условиях школьной лаборатории не представляется возможным.

Наличие ионов железа Fe3+ в некоторых образцах воды может быть связано с нарушениями технологического режима доменного производства на печи №6.

 Низкое содержание НСО3- - ионов в воде говорит о её природной мягкости.

Учитывая, что состав воды может служить показателем чистоты воздуха только в определённое время, можно сделать вывод о том, что в дни, когда отбирались пробы воды, в воздухе не наблюдалось превышения предельно допустимых концентраций опасных химических загрязнителей. Но для достоверности полученных данных необходимо продолжить исследования, и проанализировать дождевые пробы не выборочно, как сделала я в своей работе, а  в течение длительного времени по мере выпадения осадков. Но это будет уже другой эксперимент

Приложение 1. Результаты эксперимента по анализу механических характеристик природной дождевой воды

Приложение 2. Результаты эксперимента по суточному отстаиванию воды

Приложение 3. Результаты эксперимента по обнаружению солей в образцах дождевой воды

Приложение 4. Результаты эксперимента по установлению ионного состава дождевой воды

Приложение 5. Результаты эксперимента по обнаружению ионов железа Fe3+в образцах дождевой воды

Приложение 6. Результаты эксперимента по обнаружению ионов НСО3-

Литература и другие информационные источники

1. Барков С. А., Ронжина Н. М., Качественный анализ. М.: Высшая школа, 1962.

2. Неймарк А.М. Основы химического анализа. М.: Просвещение, 1972.

3. Хорват Л., Кислотный дождь. М.: Стройиздат, 1990.

4. Шапиро С. А., Шапиро М. А., Аналитическая химия. М.: Высшая школа, 1963.

http://schools.keldysh.ru/sch1952/Pages/glukhova04/prakticum.htm

http://referatyk.com/biologia_and_himia/15804-himicheskiy_analiz_dojdevoy_vodyi.html

http://www.watermap.ru/articles/dozhdevaya-voda

http://all-about-water.ru/chemical-composition.php