Обезвреживание оксида азота (II) и оксида азота(IV)

Обезвреживание оксида азота (II) и оксида азота(IV)

с  целью предотвращения попадания его в атмосферу

через тягу в кабинете химии во время

демонстрации соответствующих опытов

Секция: «Химия»

Автор:

Кудрявцева Александра

9 класс, МОУ ООШ 7,

Белореченский район,

пос. Заречный

научный руководитель:

Кулий Лариса Александровна,

учитель химии

МОУ ООШ 7

Белореченский район,

пос. Заречный

г. Белореченск

2011 г.

Содержание

Введение ………………………………………………………………………………………4

Глава 1.  Физико-химические свойства и токсичность оксидов азота

1.1 Оксид азота (II)..……………………………………………………………………………5

1.2 Оксид азота (IV)...…………………………………………………………………………..6
Глава 2.  Обезвреживание оксида азота (II) и оксида азота(IV)

2.1 Расчёт необходимого количества поглотителя.…………………………………………..8

2.2 Лабораторный опыт «Поглощение оксидов азота раствором гидроксида натрия»…….9

Заключение……………………………………………………………………………………..9
Список литературы………………………………………………………………………......10

Обезвреживание оксида азота (II) и оксида азота(IV) с  целью предотвращения попадания его в атмосферу через тягу в кабинете химии во время демонстрации соответствующих опытов

Кудрявцева Александра

Россия, Краснодарский край, муниципальное образование Белореченский район,

муниципальное общеобразовательное учреждение

основная общеобразовательная школа №7 посёлка Заречного, 9 класс

Научный руководитель: Кулий Лариса Александровна, учитель химии

муниципального общеобразовательного учреждения

основной общеобразовательной школы №7

Аннотация

          Представленная работа посвящена  теме охраны и улучшения природного окружения. Актуальность настоящей работы обусловлена большим интересом к экологическим проблемам  в современной науке.

Цель исследования: рассмотреть вредное воздействие оксидов азота на окружающую среду и предложить возможные варианты защиты от их воздействия при попадании их в атмосферу  через тягу в кабинете химии во время демонстрации соответствующих опытов.              В рамках достижения данной цели автором были поставлены следующие задачи:                     1. Рассмотреть влияние на организм человека и окружающую среду оксидов азота.                    2. Исходя из химических свойств оксида  азота (II) и оксида азота (IV) провести лабораторные опыты с целью их обезвреживания.                                                                                     3. Опираясь на проведённый анализ предложить методы поглощения оксида  азота (II) и оксида азота (IV) в лаборатории.                                                                                                              В ходе решения вышеуказанных задач, были проведены следующие методы исследования:                                                                                                                                              1. Изучение научной литературы по влиянию оксидов азота на окружающую среду и вредного воздействия их на организм человека.                                                                                           2. Ознакомление с промышленными методами очистки нитрозных газов.                                                3. Проведение лабораторных экспериментов и необходимых расчётов.                                  Гипотеза исследования: предложенные методы поглощения оксидов азота помогут избежать попадания их в атмосферу при проведении соответствующих опытов в школьном кабинете химии.

Обезвреживание оксида азота (II) и оксида азота(IV) с  целью предотвращения попадания его в атмосферу через тягу в кабинете химии во время демонстрации соответствующих опытов

Кудрявцева Александра

Россия, Краснодарский край, муниципальное образование Белореченский район,

муниципальное общеобразовательное учреждение

основная общеобразовательная школа №7 посёлка Заречного, 9 класс

Научный руководитель: Кулий Лариса Александровна, учитель химии

муниципального общеобразовательного учреждения

основной общеобразовательной школы №7

Введение.

     В настоящее время состояние окружающей среды – одна из наиболее остро стоящих перед человечеством проблем. Наибольшую экологическую опасность представляют промышленные и выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу. Основную массу газообразных выбросов составляют: оксиды углерода - СО2, СО; оксиды серы - SO3, SO2 и сероводород - H2S; оксиды азота - NO2, NO, N2O, углеводороды и их производные – CxHy; а также сажа и пыль. Оксиды азота являются одними из наиболее опасных и токсичных загрязнителей воздуха, так как  все оксиды азота физиологически активны и поэтому опасны для человека. Кроме того, оксиды азота способствуют образованию “кислотных дождей” и фотохимического смога. Таким образом, проблема защиты воздуха от оксидов азота является чрезвычайно актуальной.     Химические способы очистки от оксидов азота в промышленности подразделяются на:         - сорбционные методы поглощения оксидов азота с использованием различных адсорбентов (цеолиты, кокс, водные растворы щелочей);                                                       - окислительные методы, основанные на окислении NO в NO2 с последующим поглощением различными поглотителями;                                                                              - - восстановительные методы, основанные на восстановлении оксидов азота до молекулярного N2.                                                                                                                                                                       Наиболее экологически чистым способом очистки отходящих газов от оксидов азота является их разложение на азот и кислород на катализаторах. Применение этого метода на практике в лаборатории весьма проблематично.

В данной работе на основании химических свойств оксида азота (II) и оксида азота (IV) предложены  методы их обезвреживания в школьной химической лаборатории с целью  защиты от их воздействия при демонстрации соответствующих опытов.

Глава 1. Физико-химические свойства и токсичность оксидов азота

1.1 Оксид азота (II) 

NO — бесцветный газ, плохо растворимый в воде химически с ней не взаимодействующий. Сжижается он с трудом; в жидком виде (tкип=-151,6°С) и в твердом виде (tпл= -163,7°С) имеет голубой цвет. В твердом виде состоит из слабо связанных димеров:     N…….O

                     O…….N

Относится к безразличным оксидам. Обладает как окислительными, так и восстановительными свойствами.  Под действием кислорода воздуха легко окисляется до NO2, реагирует с хлором, фтором, бромом.

Оксид азота (II) можно получить непосредственно из свободных элементов соединением азота с кислородом в пламени электрической дуги (2000-3000°С) или в электрическом разряде. В природе он образуется в атмосфере при грозовых разрядах:
N2+О2↔2NO
и тотчас же реагирует с кислородом воздуха, образуя оксид азота (IV):

2NO + O2 = 2NO2 + 113 кДж

При понижении температуры оксид азота (II) разлагается на азот и кислород, но если температура резко падает, то не успевший разложиться оксид существует достаточно долго: при низкой температуре скорость распада невелика. Такое резкое охлаждение называется «закалкой» и используется при одном из способов получения азотной кислоты.
        В лаборатории оксид азота (II) получают при действии разбавленной азотной кислоты  на медь. Уравнение реакции имеет вид:

                   3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O 

В промышленности — чаще всего каталитическим окислением аммиака при высокой температуре:

4NH3+5О2=4NO+6Н2O
     Молекула NO обладает нечётным числом внешних электронов, следовательно, у неё

есть один избыточный электрон. Ненасыщенный характер   молекулы     NO    проявляется    в  её    способности   к комплексообразованию с ионами некоторых металлов. Так, при

пропускании NO в раствор FeSO4 последний окрашивается в бурый цвет вследствие образования соединения состава [Fe(NO)]SO4. При нагревании это непрочное соединение разлагается.

Оксид азота (II) применяется в производстве азотной кислоты.

Оксид азота NO (II) – нервный яд; он способен присоединяться к гемоглобину крови, образуя соединение, которое не способно обратимо связывать кислород.

1.2. Оксид азота (IV) 

Оксид азота (IV) (диоксид азота, бурый газ)  — красновато-бурый газ со специфическим запахом, тяжелее воздуха, ядовит, раздражает дыхательные пути.

В лабораторных условиях NO2 получают взаимодействием меди с концентрированной азотной кислотой:

Cu+4HNO3=Cu(NO3)2+2NO2+2Н2О
или при разложении кристаллического нитрата свинца:

2Pb(NO3)2=2PbO+4NO2+O2
Оксид азота (IV) также образуется из оксида азота (II) при соединении его с кислородом.
Молекула оксида азота (IV) имеет угловое строение   N

                                                                                    O    1360   O
Наличием одного неспаренного электрона объясняется склонность молекул NO2 к взаимодействию друг с другом. Сочетание двух таких электронов создает связь в молекуле N2O4.

Оксиды NO2 и N2O4 находятся в равновесии друг с другом:

В зависимости от температуры это равновесие смещается в ту или другую сторону: ниже -12°С белые кристаллы состоят только из молекул N2O4; выше -11,2°С (tпл) образуется жидкость светло-желтого цвета (0,01% молекул превращается в NO2); при 21,15°С (tкип) красно-бурая жидкость содержит 0,1% NO2 ; при 100°С содержание NO2 увеличивается до 90%, полное же превращение в NO2 происходит при 140°С, цвет газообразного оксида становится почти черным.

          Оксид азота (IV) характеризуется высокой активностью. Наличие положительного заряда на атоме азота обуславливает окислительные свойства NO2 .  Уголь, фосфор, сера горят в оксиде азота (IV), оксид серы (IV) окисляется до оксида серы (VI).

При взаимодействии оксида азота (IV) с водой образуются азотная и азотистая кислоты:

2NO2+ Н2О ↔ НNO3 + НNO2

При растворении NO2 в теплой воде образуется азотная кислота и оксид азота (II):

3NO2+ Н2О = 2НNO3 + NO

При взаимодействии с щелочами образуются нитраты и нитриты:
2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O
В этих реакциях азот в молекуле NO2 является и окислителем, и восстановителем.
В избытке кислорода при взаимодействии оксида азота (IV) с водой образуется только азотная кислота:

4NO2+ 2Н2О + O2 = 4НNO3 

Эта реакция используется для получения азотной кислоты в промышленных масштабах.
     В лаборатории NO2 обычно получают воздействием концентрированной азотной кислотой на медь:

Cu + 4HNO3 (конц.) = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O.

Также его можно получить термическим разложением нитрата свинца, однако при проведении реакции следует соблюдать осторожность:

2Pb(NO3)2 = 2PbO + 4NO2↑ + O2↑.

         Оксид азота (IV) раздражает легкие и слизистые оболочки, в больших концентрациях вызывает отек легких, понижает кровяное давление.

Первичное воздействие оксидов азота на организм человека связано с образованием азотной и азотистой кислот при их контакте со слизистыми оболочками. Вторичное действие оксидов азота проявляется в образовании нитритов в крови, что приводит к нарушению сердечной деятельности. Уже при концентрации диоксида азота в атмосфере более 100 мкг/м3 увеличивается число респираторных заболеваний. Вероятно, подобный эффект связан с тем, что NO2 повышает восприимчивость к патогенным агентам, вызывающим эти заболевания.

«Лисий хвост» — жаргонное название выбросов в атмосферу оксидов азота (IV) на химических предприятиях. Название происходит от оранжево-бурого цвета оксида азота (IV). При низких температурах диоксид азота димеризуется и становится бесцветным. В летний сезон «лисие хвосты» наиболее заметны, так как в выбросах возрастает концентрация мономерной формы. Оксид азота (IV) высокотоксичен. Даже в небольших концентрациях он раздражает дыхательные пути, в больших концентрациях вызывает отёк лёгких, а также вызывает изменения состава крови, в частности, уменьшает содержание в крови гемоглобина. Воздействие на организм человека оксида азота (IV) снижает сопротивляемость к заболеваниям, вызывает кислородное голодание тканей, особенно у детей. Усиливает действие канцерогенных веществ, способствуя возникновению злокачественных новообразований. Образующаяся в результате взаимодействия оксида азота (IV) с водой азотная кислота является сильным коррозионным агентом.

            Поскольку NO уже при комнатной температуре относительно легко окисляется кислородом до NO2, их обезвреживание можно рассматривать совместно.

Глава 2.  Обезвреживание оксида азота (II) и оксида азота(IV)

2.1 Расчёт необходимого количества поглотителя.

Используем для поглощения оксида азота (IV) известковую воду. Уравнение протекающей реакции:

Са(ОН)2 +4NО2 = Са(NО3)2 + Са(NО2)2 +2Н2О         (1)

Уравнение реакции получения NO2 в лаборатории:

Cu + 4HNO3 (конц.) = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O          (2)

Пусть для опыта взят 1 г меди. Тогда:

ν (Cu)= 1\64=0,0156 моль

ν (HNO3)=4∙0,0156=0,0625 моль

m (HNO3)= 0,0625∙63=4 г

В лаборатории используется концентрированная азотная кислота ω=65%, плотностью ρ=1,4 г\см3

m раствора(HNO3)= 4\0,65=6 г,   V раствора(HNO3)=6\1,4=1,5 см3

Количество вещества выделившегося оксида азота (IV):

ν(NO2)= 2∙0,0156=0,0312 моль

По уравнению реакции (1) для поглощения NO2 необходимо 0,0312\4=0,0078 моль

Са(ОН)2

m(Са(ОН)2)=0,078∙74=0,5772 г

Известковая вода содержит ~ 1г Са(ОН)2 в 1л воды. Если принять её плотность равной 1, то для полного поглощения сравнительно небольшого количества выделяющегося газа потребуется 577,2 мл раствора.

Используем для поглощения имеющийся  8%  раствор гидроксида натрия (ρ=1,26 г\см3):

Уравнение протекающей реакции:

 2NO2 + 2NаOH = NаNO3 + NаNO2 + H2O

 ν (NаOH)=0,0312 моль

m(NаOH)=0,0312 ∙40=1,248г

mраствора(NаOH)=1,248\0,08=15,6 г

Vраствора(NаOH)=15,6\1,26=12,4 мл

2.2 Лабораторный опыт «Поглощение оксидов азота раствором гидроксида натрия»

           Установка для получения оксидов азота состоит из штативов, пробирки, пробки с газоотводной трубкой, пробирки-приёмника и спиртовки (Приложение 1). В пробирку помещаем 1 г медных стружек и добавляем концентрированную азотную кислоту. Пробирку закрываем пробкой с газоотводной трубкой и укрепляем в штативе. Конец газоотводной трубки опускаем в пробирку-приёмник с раствором гидроксида натрия. В раствор гидроксида натрия добавляем индикатор – фенолфталеин. При нагревании начинает выделяться бурый газ – оксид азота(IV), который поглощается в пробирке – приёмнике. Раствор обесцвечивается (приложение 2).

Заключение.

              Подведя итоги работы, можно сделать вывод, что для поглощения оксидов азота в школьной лаборатории можно использовать сорбционные методы: абсорбцию оксидов азота водными растворами щелочей, тем самым внести, пусть небольшой, вклад в решение общей проблемы загрязнения окружающей среды.

Список литературы

1. И. И. Новошинский, Н. С. Новошинская. Химия 9 класс. ООО «ТИД «Русское слово- РС», 2010.

2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М., Химия, 1981.

3. Кузнецов И.Е., Троцкая Т.М. Защита воздушного.бассейна от загрязнения вредными веществами химических предприятий. — М.: «Химия», 1979.

4. Практикум по неорганической химии под ред. доц. Рыбкиной Т.И., изд. центр НИ

РХТУ, 2000.