Ионы водорода и гидроксильные ионы (рН)

Изучение химического состава снега

Выпускная квалификационная (дипломная) работа

План

Введение

I. Обзор литературы

Источники поступления

1.1.1 Кальций

1.1.2 Сульфаты

1.1.3 Хлор

1.1.4 Медь

1.1.5 Хром

1.1.6 Ионы водорода и гидроксильные ионы (рН)

Биологическое действие

2.2.1 Кальций

2.2.2 Сульфаты

2.2.3 Медь

2.2.4 Хром

2.2.5 рН

2.2.6 Хлор

Правила отбора проб

Методы определения

3.1 Кальций

3.2 Сульфаты

3.3 Хлориды

3.4 Медь

3.5 Ионы водорода и гидроксильные ионы (рН)

Обсуждение результатов

Материал для химического кружка

Литература

Введение

В эпоху научно-технической революции антропогенные воздействия на окружающую среду становятся интенсивными и масштабными. Серьезную опасность представляет усиливающиеся загрязнение природных сред – атмосферы, гидросферы, биосферы. В связи с этим наибольшую важность приобретают проблемы контроля качества и регулирования состояния окружающей среды.

Запасы воздуха на земном шаре очень велики, практически безграничны. Химический состав его в различных частях Земли более или менее однороден. Кроме таких важных компонентов, как азот, кислород, углекислый газ, атмосферный воздух в разных количествах содержит множество других веществ. Первые относятся составляющим атмосферы, вторые ее загрязняют. Загрязнение может быть связано с естественными (извержение вулканов, пыльные бури, лесные пожары) и антропогенными (дымовые трубы промышленных предприятий, электростанции, котельные, автомобильный и железнодорожный транспорт, авиация) процессами. Вместе с дымовыми и вентиляционными газами улетают тысячи тонн ценных веществ и материалов. Особенно большие изменения в составе атмосферного воздуха происходят в крупных промышленных центрах, где состав воздуха уже не в состоянии самовозобновиться. В результате этого заводские районы некоторых городов становятся непригодными для проживания.

Наблюдения за состоянием атмосферного воздуха, проводимые в России в 1988-1996 гг., свидетельствовали о снижении средних концентраций взвешенных веществ, растворимых сульфатов, аммиака, сероводорода вследствие спада производства и закрытия предприятий. В последние годы содержание в атмосферном воздухе вредных примесей увеличивается, т.к. наблюдается подъем производства предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности, энергетических предприятий и стройиндустрии и рост парка автомобилей. [1]

Часть взвешенных в воздухе веществ оседает на Землю вместе с осадками, например в виде снега. Источник снежного покрова – снежинки. Они образуются в холодных слоях тропосферы при конденсации влаги на носящихся в воздухе пылинках, частичках солей, спорах и пыльце растений и других компонентах, находящихся в атмосфере, в том числе и вредных. Поэтому анализ снежного покрова является одним из компонентов определения степени загрязнения атмосферы. Система контроля снежного покрова является частью общей системы мониторинга трансграничного и дальнего переноса загрязняющих веществ. Осадки являются эффективным фактором вымывания различных веществ из воздуха. При этом процессы влажного и сухого выпадения могут привести к изменению химического состава почв, вод рек и водоемов. Снежный покров – надежный индикатор в частности такого важного параметра, как атмосферная нагрузка на природные экосистемы. [2]

В более широком плане оценка снежного покрова необходима для понимания:

1. взаимосвязи между изменяющимся составом атмосферы и изменениями климата;

2. влияние изменений климата на химический состав атмосферы;

3. переноса потенциально опасных веществ в атмосфере на большие расстояния и их выпадение;

4. естественного кругооборота химических элементов и антропогенных воздействий на атмосферу.

Целью данной дипломной работы было исследование химического состава снежного покрова некоторых районов г. Рязани. Данная оценка необходима для определения примесей воздуха и тех веществ, которые снег накапливает за зиму.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

·  освоить методики отбора проб;

· взять пробы;

· провести анализ проб;

· обобщить полученные данные.

ГЛАВА 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

 

По своему химическому составу вода является соединением двух атомов водорода и одного атома кислорода. Однако, в естественных условиях в воде постоянно содержаться самые различные вещества и элементы. Это объясняется тем, что в процессе круговорота она, соприкасаясь с загрязненным воздухом, различными горными и осадочными породами и почвами, растворяет то или иное количество содержащихся в них химических соединений и превращается в раствор, часто весьма сложного состава. При этом формирование метеорных осадков начинается еще в процессе их выпадения, когда капельно-жидкая вода и кристаллы снега поглощают и как бы вымывают из атмосферы молекулы солей, взвешенные вещества и бактерии. Следовательно, качественный состав осадков зависит от степени загрязнения тех слоев воздуха, через которые они проходят. В дальнейшем, по мере стекания дождевых и талых вод к искусственным и естественным водосбросам, отмечается еще более значительное изменение их химических и бактериальных показателей.

Среди неорганических соединений, находящихся в воде, необходимо указать на соли кальция и магния, количество которых определяет ее жесткость, а также на возможность содержания других минеральных соединений, что, прежде всего, относится к хлоридам и сульфатам. Одним из постоянных ингредиентов водной среды является железо, а так же некоторые микроэлементы, в том числе бериллий, марганец, медь, молибден, мышьяк, свинец, селен, стронций, фтор, цинк и др. В воде также могут обнаруживаться соли аммиака, азотной и азотистой кислот, наличие которых служит одним из показателей загрязнения воды белковыми веществами. В открытых водоисточниках содержится примись органических соединений, являющиеся водных организмов или попадающих вместе с различными стоками. Наконец, для газового состава воды характерно наличие растворенного кислорода, углекислого газа, сероводорода. [3]

Следует отметить улучшение организации работ по защите атмосферы от загрязнения в периоды НМУ. Очень важным является участие подразделений Росгидромета в согласовании томов ПДВ по разделу «План мероприятий по регулированию выбросов в периоды неблагоприятных метеорологических условий». Согласование увязывается с заключением договоров с предприятиями на передачу предупреждений об опасных условиях.

Поскольку проблема прогнозирования загрязнения воздуха является в значительной степени региональной, большое значение для повышения эффективности работ имеют региональные разработчики. Такие разработки проводятся в Уральском УГМС, ЦЧО Республики Татарстан, Верхнее-Волжском, Северо-Кавказком УГМС и др. Сотрудники Башкирского УГМС совместно со специалистами ГГО проводят разработки по вопросу прогнозирования экстремально высоких уровней загрязнения воздуха в городах.

К недостаткам следует отнести то, что далеко не полностью реализуется имеющиеся возможности улучшения состояния воздушного бассейна в городах за счет прогноза и предотвращения высоких уровней загрязнения воздуха в периоды НМУ. В ряде промышленных городов с высоким уровнем загрязнения воздуха, в которых могут возникать опасные эпизоды в периоды НМУ, до сих пор работы не проводятся. Многие предприятия, являющиеся существенными источниками загрязнения воздуха, не проводит мероприятий по регулированию выбросов в периоды НМУ.

В целом, несмотря на значительные трудности, работы по прогнозу загрязнения воздуха и защите атмосферы от загрязнения в периоды НМУ на сети Росгидромета продолжаются. Это является основой для дальнейшего улучшения качества работ и по повышения их эффективности, достижения реального улучшения состояния воздушного бассейна в городах РФ. [32]

Источники поступления

 

В отраслях промышленности – основными загрязнителями окружающей среды являются: электроэнергетика – 0,2%, цветная металлургия – 3%, химические и нефтепромышленные предприятия – 5%, машиностроение и металлообработка – 8,7%, черная металлургия – 99,4%, целлюлозно-бумажная промышленность – 119,8%.

Валовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников составляют до 125,073 тыс. тонн/год.

В наибольшей степени загрязняют атмосферный воздух тепловые электростанции – 44,7 тыс. тонн/год (35,7%), предприятия нефтеперерабатывающей промышленности – 43,3 тыс. тонн/год (34,6%), промышленности строительных материалов – 12,9 тыс. тонн/год (10,3%), пищевой промышленности – 3,3 тыс. тонн/год (2,6%), транспорт – 3 тыс. тонн/год (2,4%), машиностроения и металлообработки – 2,6 тыс. тонн/год (2,1%), сельского хозяйства – 2,2 тыс. тонн/год (1,8%).

Основная доля выбросов диоксида серы приходится на нефтеперерабатывающую промышленность и электроэнергетику, которые в сумме дают более 87% общего выброса этого вещества. Предприятия электроэнергетики также выбрасывают основную массу оксидов азота (78%) и твердых веществ (45%).

Главным загрязнителем атмосферного воздуха выбросами оксида углерода является также электроэнергетика (39% общего выброса). Ведущая роль в загрязнении атмосферы углеводородами и летучими органическими веществами принадлежит предприятиям транспорта и нефтеперерабатывающей промышленности.

Оборудование и технологии, применяемые для улавливания и обезвреживания выбросов вредных веществ в атмосферу, совершенствуется медленно. Так, если присутствующие в выбросах твердые вещества улавливаются на 94,2%, то газообразные и жидкие – лишь на 16,6%, при этом окись углерода на 5,1%, летучие органические вещества – на 30,9%. Из уловленных веществ утилизируется всего 58,3%.

Также, одним из главных источником загрязнения воздуха жилой зоны такими веществами, как оксид углерода, оксид серы и сажа, является автомобильный транспорт.

С каждым годом увеличивается вклад выбросов от передвижных источников в общем балансе выбросов загрязняющих веществ в воздушный бассейн.

В 2002г. выбросы от автотранспорта составили: оксид углерода (II) – 15,190 тыс. тонн/год, оксид серы (IV) – 0,178 тыс. тонн/год, сажа – 0,025 тыс. тонн/год. [7]

 

Кальций

Основные источники поступления кальция в атмосферу – разработки природных соединений, производство цементов, сточные воды производств (бумажного, химического, стекольного, химико-фармацевтического, кожевенного, лакокрасочного); много кальция содержат бытовые стоки прачечных.

Поступление значительных количеств кальция и связанное с этим увеличение щелочности и жесткости питьевой воды имеет место при использовании цементных и бетонированных емкостей, труб и хранилищ. [4]

Сульфаты

Сульфаты находятся в составе атмосферного аэрозоля, воздушной среды производственных помещений, атмосферы городов, в сточных водах промышленных предприятий (металлургических, химических, текстильных, пищевых, кожевенных, стекольных). Чаще встречаются сульфаты натрия, аммония, кальция.

Средняя концентрация сульфатов в атмосфере городской зоны составляет в среднем 1-10 мкг/м³.

Большая часть серы поступает в окружающую среду в виде оксида серы (VI). Период существования SO2 в атмосфере города составляет от 3 до 5 часов.

Оксид серы (VI) благодаря высокой гигроскопичности быстро реагирует с водяным паром атмосферы и превращается в аэрозоль серной кислоты. При низкой относительной влажности он может длительное время находиться в воздухе, а при высокой – оседать подстилающую поверхность.

Неоднократно отмечалось выпадение аэрозоля серной кислоты из домовых факелов химических предприятий, содержащих оксиды серы при низкой облачности и высокой влажности воздуха.

Сульфаты поступают в атмосферу так же в результате выветривания почв, с частицами морской соли, с выхлопами газов автомобилей.

Содержание сульфатов в осадках составляет от 1 до 10 мг/л. [4]

 

Хлор

Хлор, присутствующий в виде хлорноватистой кислоты или ионов гипохлорита, принято называть свободным хлором. Хлор, существующий в виде хлораминов (моно- и ди-), а также в виде треххлористого азота, называют связанным хлором. Общий хлор – это сумма свободного и связанного хлора.

Свободный хлор достаточно часто применяют для дезинфекции питьевой воды. В промышленности хлор используют при отбеливании в бумажном производстве, производстве ваты, пластмасс, инсектицидов, растворителей, для уничтожения паразитов в холодильных установках, в металлургии для хлорирующего обжига руд цветных металлов.

Основной источник поступления хлора в атмосферу – электролиз хлористых солей, массовые выбросы при очистке воды, сжигание продуктов, содержащих хлор. Средние концентрации хлора в атмосферном воздухе колеблются от 1 до 3,7 мг/куб.м. К промышленным предприятиям, наиболее загрязняющих атмосферу хлором, следует отнести химико-фармацевтические, металлургические, целлюлозно-бумажные. [4]

 

Медь

Основными источниками поступления меди в окружающую среду являются предприятия цветной металлургии (промышленные выбросы, отходы, сточные воды), транспорт, медьсодержащие удобрения и пестициды, процессы сварки, гальванизации, сжигание углеводородных топлив в различных отраслях промышленности. Годовой объем техногенных поступлений меди в атмосферу составляет 56 тыс. т. Средняя концентрация меди в атмосфере города 0,09 мг/куб.м. [4]

 

Хром

Источники поступления хрома в окружающую среду могут быть как антропогенными, так и природными.

Находящийся в природе хром всегда встречается в трехвалентном состоянии, шестивалентный хром в окружающей среде практически полностью является результатом хозяйственной деятельности человека. [29]

Главным антропогенным источником поступления хрома в окружающую среду являются предприятия по производству цемента, стекольное производство, сжигание топлива, черная металлургия, металлообрабатывающая, автомобильная, текстильная, кожевенная, пищевая и химическая промышленность. [1, 29, 26, 31]

Промышленные отходы предприятий в виде золы, пыли, шлака, шлама содержат в своем составе значительное количество хромовых загрязнений. Большое количество поступает в водные объекты с промышленными стоками. [7]

Основными природными источниками загрязнения окружающей среды соединениями хрома являются обширные лесные пожары, продукты вулканической деятельности. Вода в районах, где есть месторождения хрома может содержать повышенные его концентрации в результате выщелачивания из пород (серпентинитов и других хромосодержащих минералов). [31]

Так же некоторые количества хрома поступают в воду в процессе разложения организмов и растений. [26]

Однако не один из этих природных источников, в отличии от антропогенных , не приносит таких количеств хрома, которые представляли бы опасность для здоровья человека и животных. [31]

 

Ионы водорода и гидроксильные ионы (рН)

Содержание в воде водородных ионов в основном определяется количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов. В воде угольная кислота диссоциирует:

 

H2CO3=H+HCO3

 

поэтому талые воды, содержащие большое количество растворенной двуокиси углерода, имеют, кислую реакцию. При диссоциации гидрокарбонатов Са(НСО₃) также образуются ионы НСО₃. Увеличение их концентрации ведет к увеличению рН вследствие гидролиза:

 

НСО3+Н2О=Н2СО3+ОН

 

Источниками ионов водорода являются также и другие кислоты, находящиеся в талой воде (серная, ортофосфорная). Гидролиз солей тяжелых металлов имеет значение в тех случаях, когда в атмосферу попадает значительное количество сульфатов железа, алюминия, меди, и других металлов. В результате гидролиза выделяются ионы водорода:

 

Fe+2H2O=Fe(OH)2+2H

Величина концентрации ионов водорода (рН) обычно колеблется в атмосферных осадках от 4,6 до 6,1. [4]