кислотные осадки. Лабораторная работа 2 Определение рН кислотных осадков
 Скачать 173.5 Kb.
|
|
Лабораторная работа №2 Определение рН кислотных осадков Для охраны окружающей среды имеет большое значение решение проблемы кислотных осадков. Кислотными называются любые осадки - дожди, туманы, снег, -кислотность которых выше нормальной. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, более узко называемых кислотными отложениями. Кислотные осадки обусловлены присутствием серной (Н2SО4) и азотной (НNОз) кислот. Обычно кислотность на две трети состоит из первой и на одну треть из второй, но во многом их соотношение определяется особенностями антропогенного загрязнения атмосферы в конкретном регионе. Присутствие в этих формулах серы и азота указывает на то, что проблема связана с выбросами данных элементов в воздух. Загрязнение атмосферы соединениями серы. Соединения серы попадают в атмосферу, как естественным путем, так и в результате антропогенной деятельности (табл.1). При отсутствии источников загрязнения диоксид серы (SO2) встречается в атмосфере в виде ничтожных следов. Единственным крупным естественным источником диоксида серы является вулканическая деятельность. В основном SO2 поступает в атмосферу в результате человеческой деятельности. Главная причина загрязнения им атмосферы - сжигание ископаемого топлива, которое содержит серу. В процессе горения часть серы окисляется до SO2. Среди используемых видов топлива первое место по поставке диоксида серы занимает каменный уголь, второе - нефть, а природный газ находится на третьем месте. Наиболее распространенными соединениями серы, поступающими в атмосферу, являются диоксид серы (SO2),сульфиты (S04), сероуглерод (CS2) и сероводород (Н2S). Таблица 1 Природные и антропогенные источники загрязнений атмосферы соединениями серы
В результате антропогенной деятельности в атмосферу попадают значительные количества серы, главным образом в виде ее диоксида. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Содержание серы в угле достаточно велико. В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии. Содержание серы в различных видах ископаемого топлива приведены в табл.2. Таблица 2. Содержание серы вразличных видах топлива
Основными источниками образования SO2 является также металлургическая промышленность (переработка сульфидных руд меди, свинца и цинка), а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. Основной вред окружающей среде наносит не столько сам диоксид серы, сколько продукт его окисления - S03. Процесс окисления осуществляется под действием кислорода на пылеобразных частицах оксидов металлов в качестве катализаторов, в атмосферной влаге или под действием солнечного света. Газообразный SОз растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты: SОз(газ) +Н20(ж) = Н2S04(водн) Загрязнение атмосферы соединениями азота. Оксиды азота образуются в атмосфере как естественным, так и антропогенным путем при горении ископаемого топлива. Загрязнение атмосферы оксидами азота в целом сравнительно невелико. Однако в районах с развитой химической промышленностью имеются локальные зоны повышенного содержания N0, N02 в воздухе (табл.3) Таблица 3. Соединения азота и их концентрации в приземном слое атмосферы
Основными антропогенными источниками поступления оксидов азота в атмосферу является сжигание всех видов природного топлива (12 млн.т./год), транспорт (8 млн.т./год) и промышленность (1 млн.т./год). Монооксид азота N0 образуется в малых количествах в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания при прямом взаимодействии кислорода с азотом. В среднем выделение N0 автомобилем составляет 1-2 грамма на 1 км пробега. Одним из важных свойств N0 является его способность реагировать с кислородом с образованием N02: 2NО (г) + О2 = 2 N02 Вследствие этой реакции некоторое количество диоксида азота присутствует в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. Газообразный диоксид азота растворяется в капельках влаги с образованием азотной кислоты: ЗN02 + Н20 = 2НN03 + N0 Вымывая из атмосферы Н2S04 и НNО3, осадки становятся кислотными. Их рН зависит от количества как кислот, так и воды, в которой они растворены. Сильные дожди обычно менее кислотные. У туманов рН может упасть ниже всего, поскольку здесь кислоты растворены в относительно меньшем количестве влаги. В настоящее время известно, что кислоты могут выпадать из атмосферы и без воды, сами по себе или с частицами пыли. Такие сухие кислотные отложения могут накапливаться на поверхности растений и при смачивании небольшим количеством влаги, например, при выпадении росы, давать сильные кислоты. Следовательно, к кислотным осадкам надо отнести и кислотную росу. Мерой кислотности воды является концентрация ионов водорода [Н+], выраженная в моль/л. Молекула воды слабо диссоциирует с образованием ионов водорода Н+ и гидроксид- ионов ОН- Н2О Н+ + ОН- . В пробе чистой воды концентрации [Н+ ] и [ОН-] равны между собой и эти величины при 25 0 С составляют 10-7 моль/л. Растворы с одинаковыми концентрациями ионов водорода и гидроксид-ионов называются нейтральными: [Н+] = [ОН-] = 10-7 моль/л . Обычно кислотность раствора выражают другим способом. Вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Эта величина называется водородный показатель и обозначается рН рН=-lg[Н+]. Так как -lg 10-7 = 7, значит, рН=7 характеризует нейтральные растворы. В кислой среде концентрация [Н+] больше [ОН-], а в щелочных, наоборот, концентрация гидроксид-ионов больше, чем ионов водорода: [H+] [OH-] , [H+] 10-7 , pH 7 - кислая среда [H+] [OH-] , [H+] 10-7 , pH 7 - щелочная среда. Чистая дождевая вода не является нейтральной. В отсутствие любых загрязнителей у дождевой воды обычно слабокислая реакция (рН=5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ из воздуха с образованием слабой угольной кислоты (содержание углекислого газа в воздухе примерно 0,032% по объему или 0,046% по массе). В результате образуется слабая угольная кислота: СО2 + Н2О = Н2СО3 . Таким образом, кислотными точнее называть осадки с рН 5,5 и ниже. Кислотные осадки выпадают в большинстве промышленных районов мира. Над восточной частью США и Канады, вдоль западного побережья Северной Америки, а также почти над всей Европой рН дождя и снега обычно составляет около 4.5. Многие места в пределах этих регионов регулярно получают осадки с рН 4.0. В отдельных случаях рН дождя может быть гораздо ниже, а туман и роса бывают более кислыми, чем дождь. Влияние кислотных осадков на экосистемы Уже более ста лет кислотные осадки признаются серьезной проблемой в индустриальных и прилегающих к ним районах, но их влияние на экосистемы было отмечено только около 35 лет назад, когда рыбаки заметили резкое сокращение популяций рыбы во многих озерах Швейцарии, провинции Онтарио (Канада) и гор Адирондак (штат Нью-Йорк). Шведские ученые первыми определили, что все дело в повышенной кислотности воды, и связали ее с ненормально низкими значениями рН осадков. С тех пор выяснились различные пути разрушительного влияния кислотных осадков на экосистемы:  Схема возможных направлений влияния кислотных осадков на окружающую среду и человека. Влияние на водные экосистемы. Значение рН среды чрезвычайно важно, т.к. от него зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков в организме, регулирующих метаболизм, рост и развитие. Особенно подвержены влиянию рН яйцеклетка, сперма и молодь. У пресноводных озер, ручьев и прудов рН воды обычно составляет 6-7, и организмы адаптированы именно к этому уровню. При изменении рН воды всего лишь на одну единицу по сравнению с оптимумом они в большинстве случаев испытывают серьезный стресс и часто погибают. Наиболее очевидное влияние кислотные осадки оказывают на водные экосистемы. В пресноводных водоемах рН воды обычно равен 6 - 7. Снижение рН до 5 приводит к постепенному вымиранию рыб. Однако нельзя считать, что взрослая рыба просто погибает в большом числе из-за повышенной кислотности воды в этих озерах. На самом деле сильно закисленные воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способными выметать икру в кислой воде, если же икра все-таки попадает в воду, то она либо погибает, либо из нее вылупляются нежизнеспособные мальки. Во многих районах, где количество рыбы уменьшилось вследствие кислотных дожей, наблюдались очень холодные зимы с обильными снегопадами. При таянии окрестных снегов подкисленная вода стекает в озера, что приводит к резкому увеличению кислотности. Таяние снегов и повышение кислотности по времени совпадают с нерестом рыб. Таким образом, вымеченная икра попадает в максимально кислую воду, которая наблюдается в течение года. Можно предположить, что по мере сокращения численности рыбы будет уменьшаться и численность тех видов животных, которые питаются рыбой, таких, как белоголовый орлан, гагары, скопа, а также выдра, норка и др. Из-за воздействия кислотных дождей может сокращаться численность лягушек, жаб и тритонов. Многие из этих видов размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей; вода в них может быть даже более кислой, чем в озерах, поскольку эти временные водоемы образованы только дождевой водой с повышенной кислотностью. Когда среда водных экосистем подкислена, практически все организмы быстро вымирают, если не из-за прямого воздействия ионов Н+, то из-за невозможности размножения. Влияние кислотных осадков на экосистемы иногда усиливается в период таяния снегов, когда все накопившиеся за зиму кислотные осадки устремляются в ручьи и реки как раз в период размножения большинства организмов. Дополнительный ущерб возникает в связи с тем, что кислотные осадки, просачиваясь сквозь почву, способны выщелачивать алюминий и тяжелые металлы. Обычно присутствие этих элементов в почве не создает проблем, так как они связаны в нерастворимые соединения и, следовательно, не поглощаются растениями. Однако при низком значении рН их соединения растворяются, становятся доступными и оказывают сильное токсическое воздействие, как на растения, так и на животных. Например, алюминий, довольно обильный во многих почвах, попадая в озера и реки, вызывает аномалии развития и гибели эмбрионов рыбы. Влияние на леса. Кислотные дожди отрицательно воздействуют не только на животных, но и на растения. Опыты с моделированием кислотных дождей в теплицах продемонстрировали, что кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных организмов. Анализ воды дренирующих различные природные угодья при неодинаковых условиях показал, что кислотные осадки значительно увеличивают выщелачивание биогенов. Ионы водорода легко вытесняют их ионы с частиц почвы и гумуса. Кроме того, при низких значениях рН понижается активность редуцентов и азотфиксаторов, что еще более обостряет дефицит биогенов. Все эти обстоятельства могут вызвать дефицит биогенов, а значит, замедление роста деревьев и их уязвимость для естественных врагов и засух. Кроме того, при поглощении почвами кислотный дождь выщелачивает соли калия, кальция, магния и, унося их в подпочвенный слой, лишает растения необходимых им питательных веществ. Многие растения очень чувствительны к алюминию. Кислотные осадки влияют на содержание алюминия в почве, а он является элементом, токсичным для растений и животных. Этот элемент широко распространен: он присутствует в значительных количествах во многих горных породах и почвенных минералах. В естественных условиях соединения алюминия практически не растворимы, т.е. присутствует в недоступной для растений форме в фазе почвенных минералов и поэтому безвредны. Подкисление переводит алюминий в растворенное состояние, в котором он доступен растениям и может в них накапливаться, оказывая токсическое действие. Этот процесс называется мобилизацией, в данном случае алюминия. Другие токсичные элементы, в том числе ртуть и свинец, также могут мобилизоваться при подкислении среды. Всё это может привести к замедлению роста и гибели деревьев. Снижение буферной ёмкости. Защитить систему от изменения рН при добавлении кислоты может буфер. Так называется вещество, способное поглощать (или высвобождать ионы водорода при данном значении рН. Когда в систему, содержащую буфер, добавляют кислоту, дополнительные ионы водорода им поглощаются и рН остаётся практически неизменным. Многие водоемы и почвы в качестве буфера содержат известняк (СаСОз). Озера, в подстилающих породах которых присутствует известняк (осадочная порода, состоящая из карбоната кальция СаСО3), “сопротивляются” закислению воды в них, поскольку карбонат кальция нейтрализует кислоту: H2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + H2O + CO2 . Фермеры давно используют известь для нейтрализации кислых почв. Садовники охотно применяют для тех же целей яичную скорлупу, раковины устриц, также состоящие из карбоната кальция. Почвы, так же как и водоемы, по-разному реагируют на выпадение кислотных осадков. Чем больше в почве содержится карбоната кальция, тем меньше она подвержена закислению. Однако возможности любого буфера ограничены. Известь, например, просто расходуется, реагируя с кислотой. Поэтому говорят о буферной емкости системы. Когда она исчерпана, дополнительные ионы водорода остаются в растворе, и происходит соответствующее понижение рН среды. При одинаковом количестве кислотных осадков в первую очередь подкисляются и гибнут экосистемы с низкой буферной емкостью, а те, у которых она действительно высока, не страдают. Влияние на людей и изделия. Одно из наиболее ощутимых последствий кислотных осадков - разрушение произведений искусства. Известняк и мрамор - излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Под действием кислотных дождей ускоренно корродируют металлоконструкции, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, разрушаются здания и памятники архитектуры. Памятники и здания, простоявшие сотни и тысячи лет лишь с незначительными изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево. Кислотные осадки разрушают строительные материалы, образованные карбонатом кальция (мрамор, известняк и др.). При взаимодействии с серной кислотой карбонат кальция превращается в гипс (СaSO4. 2Н2О), который легко крошится, нарушая целостность конструкции: Н2О H2SO4 + CaCO3 = СаSO4 .2H2O + CO2 . Более того, мобилизация кислотными осадками алюминия и других токсичных элементов может привести к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод. Как показано недавно, алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера, разновидность преждевременного старения. Однако если выпадение кислотных осадков будет и в дальнейшем продолжаться в прежнем объеме, гораздо большее воздействие на человечество окажут потери озер и лесов, их экономической, экологической и эстетической ценности, а также последствия усиленной почвенной эрозии. Очевидно, что отсутствие приемлемой стратегии борьбы с этими осадками подрывает основы устойчивого развития общества. Для предупреждения опасного воздействия кислотных осадков на экосистемы и антропогенные сооружения необходимо добиваться снижения выбросов в атмосферу оксидов серы и азота. Ход работы Оборудование и реактивы. Бюретка на 25 мл. Мерный цилиндр на 25 мл. Колбы конические на 250 мл – 3 шт. Химический стакан и воронка. Раствор КОН. Индикатор фенолфталеин. Ход выполнения. В коническую колбу мерным цилиндром отбирают 25 мл кислотных осадков определенного образца. В бюретку, закрепленную в штативе, наливают титрант КОН и доводят его объем до нулевой отметки, предварительно заполнив носик бюретки. В каждую колбу добавляют 3–4 капли индикатора фенолфталеина и титруют раствором КОН до перехода окраски от бесцветной к слабо–розовой, неисчезающей в течение 20 сек. Результаты титрования записывают в журнал, находят среднее арифметическое из трех определений и полученный результат подставляют в формулу, рассчитывая значение концентрации [Н+] : СОН- VОН- С[Н+]= --------------- ; где VН+
Вычисляют значение рН по формуле: рН = – lg С[Н+]. Вывод. Полученные результаты рН сравнивают со шкалой и делают вывод о рН исследуемого образца. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||