Опыт работы по организации исследовательской деятельности по проведению экологического мониторинга показателя кислотности атмосферных осадков
проект (10 класс)

ОПЫТ РАБОТЫ ПО ОРГАНИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЯ КИСЛОТНОСТИ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

Атмосферный воздух является основной средой жизни многих живых существ, в том числе человека. Сложившееся на протяжении эволюции Земли постоянное соотношение между основными компонентами воздуха (азотом, кислородом и инертными газами) существенно не изменилось в результате развития цивилизации. Однако в период промышленной революции увеличился объём выбросов в атмосферу газов и аэрозолей антропогенного происхождения.

Наиболее остро стоит проблема загрязнения атмосферного воздуха для нашего города, который на протяжении ряда лет входит в пятерку самых загрязненных городов России. Попадая в атмосферу, многие вещества, входящие в состав промышленных выбросов, подвергаются химическим превращениям. Атмосферные осадки, проходя через слои атмосферы, вступают во взаимодействие с веществами, находящимися в ней. В результате этого может измениться кислотность атмосферных осадков.

Цель работы, выполненной в творческом объединении «Экологические исследования в природе и городе» МБУ ДО "Станция юных натуралистов", явилось изучение показателя рН атмосферных осадков в городе Новокузнецке.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить pH атмосферных осадков в период с 1 декабря 2020 года по 31 января 2021 года с трех контрольных точек в Центральном, Новоильинском и Заводском районах города Новокузнецка с помощью прибора рН-метр в лаборатории экологического мониторинга на базе МБУ ДО «Станция юных натуралистов».
2. Проанализировать полученные результаты и сделать соответствующие выводы по результатам исследования.
3. Использовать материалы исследовательской работы на занятиях в объединениях станции, популяризировать экологические знания через публикацию данных исследовательской работы

Объект исследования: атмосфера города Новокузнецка.

Предмет исследования: показатель рН атмосферных осадков.

При организации исследования исходили из гипотезы: атмосфера города может быть загрязнена выбросами промышленных предприятий, химические составляющие которых могут влиять на кислотность атмосферных осадков.

Методы исследования

На территории города Новокузнецка были выбраны контрольные точки для отбора проб атмосферных осадков по следующим адресам.

1. В Заводском районе города по адресу: улица Горьковская, 42 (жилой массив Заводского района города);
2. В Новоильинском районе по адресу: улица Новоселов, 59 (жилой массив Новоильинского района города);
3. В Центральном районе по адресу: улица Кирова, 57 (жилой массив Центрального района города).

Забор проб производился в период с 1 декабря 2020 года по 31 января 2021 года.

Для сбора осадков использовалось следующее оборудование: стеклянные емкости с крышкой, совочек для сбора и емкости для растапливания твердых осадков. Пробы осадков переливали в стеклянную банку с крышкой и доставляли в лабораторию.

Пробы с осадками замеряли на приборе pH-метр с автоматической калибровкой ИВА-ТЕСТ – прибор с цифровым табло и термокомпенсатором. Диапазон измерения от 0-14. Шаг измерений рН составляет 0,01. Точность измерения рН равна 0,01. Температура измеряемого раствора: 0 ̊С – 50 ̊С.

В колбу с пробой атмосферных осадков, опускали электрод. Отсчет pH проводили после того, как показатели приняли установившееся значение. Обычно это время составляло от 2 до 3 минут.

Результаты всех замеров заносили в рабочую тетрадь. Затем все данные тщательно проанализировали в соответствии со шкалой кислотности осадков. За время проведения эксперимента было собрано и проанализировано 60 проб атмосферных осадков в Заводском, Новоильинском и Центральном районах г. Новокузнецка.

ГЛАВА 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

1.1. Общие сведения об атмосферных осадках

   Земля является уникальной планетой нашей Солнечной системы. Но все живое на земле связано с водой. Вода – самое распространенное вещество нашей планеты. Водная оболочка земли содержит 1,4 – 1,5 миллиардов квадратных километров, а атмосфера 13-15 тысяч квадратных километров воды. Но это составляет лишь 0,001% всех водных запасов Земли. Эти цифры показывают, что, хотя общее количество воды на Земле огромно, лишь малая ее доля доступна для использования человеком в сельском хозяйстве, в индустрии, для коммунальных целей и ее значение для жизни каждого огромно. Вода – главный компонент всех клеток живых организмов. Организмы растений и животных состоят на 55-99% из воды. Вода поступает в организм из внешней среды. Она определяет физические свойства клеток – объем, упругость, служит универсальным растворителем, средой для физиологических и биохимических процессов, источником кислорода при фотосинтезе, химическим компонентом, осмо- и терморегулятором [3].

   Пары воды превращаются в дождь и снег, дающие живительную влагу для полей, заполняющие водохранилища, насыщающие подземные резервуары − водоносные горизонты песка и гравия. Атмосферные осадки питают ручьи и реки, снабжающие водой города и поселки. Прежде чем оросить поля, напоить города и привести в движение турбины электростанций, сконденсированная в облаках влага должна выпасть на землю в виде осадков. Это случается, когда капельки воды или частички льда становятся достаточно большими, с тем чтобы успеть преодолеть свой путь на землю до полного высыхания. Осадки выпадают, когда капли воды или кристаллы льда становятся такими тяжелыми, что скорость их падения превосходит скорость движения воздуха вверх [2].

Во время выпадения осадки промывают слой атмосферы между облаками и поверхностью земли. В это время поглощаются молекулы газа и аэрозольные частицы [1].

1.2. Диссоциация воды. Показатель рН

Вода – бесцветная жидкость, слабый электролит, диссоциирует по схеме: Н2О ↔ Н+ + ОН‾.

Как видно из уравнения диссоциации воды, в воде величины [H+] и [OH-] одинаковы. Из постоянства произведения [H+] × [OH-] следует, что при увеличении концентрации одного из ионов воды соответственно уменьшается концентрация другого (произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов в воде называется ионным произведением воды). Таким образом, кислотность и щелочность раствора можно выразить через концентрацию либо ионов H+, либо ионов OH-. На практике пользуются первым способом.

Понятие «водородный показатель» было введено датским химиком Серенсом в 1909 году. Для определения кислотности растворов используют шкалу рН, в основе которой лежит концентрация в растворах ионов водорода. Амплитуда шкалы рН – от 1 до 14. Концентрация ионов водорода в чистой дистиллированной воде при комнатной температуре равна 7, что соответствует значению нейтральной среды. Если значение рН ниже 7, то среда кислая, а если выше, то среда щелочная.

Величина рН является одним из важнейших показателей, характеризующим состояние кислотно-основного равновесия жидких осадков. Значение рН воды осадков определяют растворенные в ней микроэлементы, в зависимости от их концентрации в растворе создается кислотно-щелочной баланс [6]. От величины рН зависит развитие жизнедеятельности водных экосистем, формы миграции различных элементов, агрессивное действие воды на горные породы, металлы, жилищные и промышленные здания. [5].

1.3. Загрязнение атмосферных осадков

Попадая в атмосферу, многие загрязнения подвергаются химическим или фотохимическим превращениям с учетом компонентов воздуха. Конечные продукты химических превращений удаляются из атмосферы с осадками [1]. Воздух представляет собой легко перемещающуюся среду, во время движения которой происходят быстрые перемещения воздушных масс. Вещества, входящие в состав атмосферы, частично выпадают вдали от места выброса, при этом они смешиваются с другими веществами.

В состав атмосферы входят окислители, а излучение Солнца способствует фотохимическим превращениям, в результате которых исходные и выпадающие в осадок вещества могут отличаться друг от друга. Непрекращающаяся смена агрегатных состояний атмосферной воды (пар, жидкость, лед) в значительной мере влияет на круговорот микроэлементов, растворенных в воде или вступающих в химическую реакцию с ней [8].

         Известно, что источники кислотных дождей – газы: углекислый, сероводород, оксиды азота (NO, NO2) попадают в атмосферу естественным путем и в результате жизнедеятельности человека. Основными источниками загрязнения атмосферы города являются энергетические установки, в которых используются минеральное топливо (уголь, нефть, кокс), предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, авиационный и автомобильный транспорт [7]. В результате жизнедеятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы и азота, накопление в атмосфере которых ведет к образованию сернистой и азотной кислот и их солей. Источниками образования соединений серы и азота в нашем городе главным образом являются предприятия металлургической промышленности, теплоэнергостанции, котельные, транспорт [5].

В воздухе встречается единственное щелочное соединение азота, способное частично нейтрализовать кислоты в атмосфере и таким образом снизить кислотность дождей. Речь идет об аммиаке, концентрация которого в атмосфере нашего города значительна.

Атмосферный аммиак, имеющий в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как нейтрализует серную и азотную кислоты с образованием солей аммония и снижает кислотность дождей [8].

Щелочные осадки образуют ионы аммония. При высоком давлении, не очень высокой температурой и в присутствии катализатора (соединения железа) азот вступает в реакцию с водородом, в результате чего образуется аммиак.

                                        N2 + 3H2 →2NH3

Аммиак легче воздуха. 1 литр газа весит 0,7709 г., а литр воздуха весит 1,293 г. и чрезвычайно хорошо растворим в воде. При взаимодействии молекулы аммиака (NH3) c ионом водорода в молекуле воды, образуется ион аммония (NH4+).

Кислотную среду в атмосфере создает азотная кислота, образующаяся из оксидов азота. Азотная кислота также нейтрализуется аммиаком с образованием солей аммония.

        Атмосфера земли обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на его нейтрализацию. Отходы производства выбрасывались в воздух в расчете на то, что будут обезврежены и переработаны самой природой. В настоящее время процесс загрязнения биосферы резко прогрессирует, и становится очевидным, что способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы [4].

ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При проведении анализа полученных данных использовали следующие нормативы кислотности среды:

рН < 6,5 – кислая среда (рН = 0-3 – сильнокислая среда, рН = 4-6 – слабокислая среда)

рН = 7 – нейтральная среда (для атмосферных осадков рН = 6,5-7,5 – нейтральная среда)

рН > 7,5 – щелочная (рН = 8-10 – слабощелочная, рН = 11-14 – сильнощелочная).

Подсчитали отклонение от показателя нейтральной среды (рН=7), при смещении кислотности в щелочную среду отклонение считали положительным, при смещении кислотности в кислую среду отклонение считали отрицательным.

Таблица 1. Результаты экологического мониторинга показателя рН атмосферных осадков в Центральном районе города Новокузнецка

Таблица 2. Результаты экологического мониторинга показателя рН атмосферных осадков в Заводском районе города Новокузнецка

Таблица 3. Результаты экологического мониторинга показателя рН атмосферных осадков в Новоильинском районе города Новокузнецка

Таблица 4. Анализ результатов экологического мониторинга показателя рН атмосферных осадков в городе Новокузнецка

Анализ показателя кислотности атмосферных осадков в городе Новокузнецке показал, что 23 декабря и 10 января кислотность осадков в Центральном и Заводском районах города достигала значений рН = 9,0-9,1. Это максимальные значения показателя кислотности за время ведения наблюдений. Превышение нормы показателя рН на две единицы, в реальности, означает, что атмосферные осадки имели смещение в щелочную среду в 100 раз превышающее норму - показатель нейтральной водной среды.

14 и 16 декабря 2020 года стали самыми экологически чистыми днями, когда показатель кислотности не превышал норму и составил рН = 7,2-7,4. Это можно объяснить тем, что в течение нескольких дней шел обильный снегопад, и осадки предшествующих дней впитали в себя вредные примеси химических соединений.

ВЫВОДЫ

Проведение экологического мониторинга показателя рН атмосферных осадков в трех районах города Новокузнецка позволяют сделать следующие выводы:

1. Атмосферные осадки в городе Новокузнецке имеют смещение показателя кислотности в щелочную среду.
2. Самым загрязненным по этому показателю является Центральный район города, на втором месте Заводской район. Новоильинский район является самым чистым районом города по показателю кислотности.
3. Среднее значение показателя кислотности по городу Новокузнецку составило 8,1. Это означает следующее: атмосферные осадки города Новокузнецка в 10 раз более щелочные, чем водная среда с нейтральным показателем кислотности.
4. Жителям города Новокузнецка рекомендуется беречь кожные покровы от попадания на них атмосферных осадков в черте города, не пробовать снег на вкус, не использовать осадки в качестве источника питьевой воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

         Человечество является частью природы и на настоящем этапе развития оно должно взять ответственность на себя за сохранение жизни на планете и организацию своего существования в согласии с законами биосферы.

Наше экологическое исследование подтверждает выдвинутое экологами всего мира предложение: «Думай глобально, действуй локально». Популяризация идеи экологически чистого города среди населения, в конечном итоге, привет к улучшению экологической ситуации в городе Новокузнецке, развитию экологического мышления жителей и сохранению окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Берлянда М.Е. Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. - М.: Гидрометиздат, 1981.
2. Беттен Л. Погода в нашей жизни. - М.: Мир, 1985.
3. Бокрис О.М. Химия окружающей среды. – М.: «Химия», 1982.
4. Боголюбов С.А. Экологическое право: Учебник для вузов. - М.:  Издательская группа НОРМА – ИНФРА-М, 1999. - 448 с.
5. Виноградова Н.Ф. Глобальная экология. - М.: Просвещение, 2001.
6. Голицын А.Н. Основы промышленной экологии: Учебник для начального профессионального образования. – М.: ИРПО; Издательский центр «Академия»,2002. – 240 с.
7. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды. Серия «Высшее образование». Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. – 192 с.
8. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов-на-Дону: издательство «Феникс», 2001. – 576 с.
9. Как организовать общественный экологический мониторинг: Руководство для общественных организаций. Под редакцией М.В. Хотулевой. – М.: Социально-экологический Союз, 1998. – 364 с.
10. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в вузы: учеб. Пособие. – М.: Высш. шк., 1994. – 447 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ГРАФИКАХ

График 1.

Показатель кислотности в Центральном, Заводском и Новоильинском районах города Новокузнецка в период проведения исследования с 4.12.2020. по 31.01. 2021.

Условные обозначения:

__ − показатель кислотности атмосферных осадков в Центральном районе        

__  − показатель кислотности атмосферных осадков в Заводском районе города

__ − показатель кислотности атмосферных осадков в Новоильинском районе