Введение

Современному специалисту в области охраны окружающей среды и рационального природопользования необходимо уметь предвидеть последствия внедрения новых технологий, знать особенности поведения различных химических соединений при их поступлении в окружающую среду, оценивать их воздействие на биосферные процессы.

Глобальные процессы, происходящие в окружающей среде и обусловленные как природными, так и техногенными факторами, свидетельствуют о тесной взаимосвязи между явлениями, протекающими с участием абиотических компонентов в различных геосферах, и биогеохимическими циклами.

Эту взаимосвязь изучает научное направление – химия окружающей среды, основателем которого по праву является В.И. Вернадский, изложивший основные положения новой науки в книге «Химическое строение биосферы Земли и ее окружение».

Данные методические указания предназначены для студентов специальности 280201 – Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов и включают краткие теоретические сведения по основным разделам дисциплины «Химия окружающей среды», рекомендации к выполнению лабораторных работ, контрольные вопросы для самостоятельной подготовки студентов.

Список пособий, монографий, статей, приведенный в каждом разделе, поможет студентам найти ответы на поставленные вопросы.

Данное издание является дополненным и переработанным лабораторным практикумом, где авторы учли сделанные замечания по совершенствованию методических указаний.

Авторы выражают глубокую благодарность профессору кафедры физической и коллоидной химии Слюсарю А.А. за ценные замечания и предоставленные дополнительные материалы при подготовке методических указаний.

I. Химия атмосферы

Лабораторная работа № 1

Определение содержания азота и кислорода в атмосферном воздухе

Методом газовой хроматографии

Атмосфера – газовая оболочка Земли, простирающаяся более чем на 1500–2000 км от ее поверхности. Она представляет собой механическую смесь различных газов, водяных паров и пылевых частиц. Суммарная масса воздуха, т.е. смеси газов, составляющих атмосферу 5,1...5,3·10¹⁵т. Молекулярная масса чистого сухого воздуха составляет 28,966 г/моль. Атмосфера защищает планету от губительных воздействий космического излучения и является переносчиком тепла и влаги на Земле. Кроме того, она является средой распространения микроорганизмов, семян, плодов, а также средой обитания многих живых организмов.

По сравнению с другими земными оболочками атмосфера имеет ряд присущих только ей свойств: высокую подвижность, изменчивость её компонентов, протекание сложных физико-химических превращений компонентов. Знание механизмов и кинетики образования конечных продуктов этих реакций необходимо для разработки методов защиты окружающей среды от промышленных загрязнений.

Для атмосферы характерен постоянный обмен веществом, энергией с гидросферой, литосферой, живыми организмами, а также с космическим пространством. Параметры, характеризующие атмосферу (температура, давление, химический состав и др.), изменяются, прежде всего, с высотой относительно уровня моря, а параметры, характеризующие нижние слои зависят и от географической широты. Так при нормальном состоянии тропосферы ей присущи снижение температуры воздуха с градиентом 6,5 ºС на 1 км высоты, которое в значительной степени зависит от содержания паров воды и СО₂. Иногда (при температурной инверсии) на отдельных высотах температура либо перестает изменяться с высотой, либо увеличивается, что нарушает нормальную циркуляцию воздуха и способствует накоплению загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Давление, так же как и плотность газов атмосферы, связаны с изменением сил гравитации по мере удаления от поверхности планеты.

По характеру изменения основных параметров в атмосфере можно выделить несколько слоев, разделенных узкими переходными зонами: тропосфера, тропопауза, стратосфера, стратопауза, мезосфера, мезопауза, термосфера (ионосфера), экзосфера (рис. 1).

Высота слоя тропосферы изменяется от 7–10 км над полюсами до 16–18 км над экватором. Тропосфера содержит почти половину всего водяного пара атмосферы, при конденсации которого образуется облачность.

Рис. 1. Строение атмосферы

Химический состав атмосферы – результат длительных эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности, причем решающим фактором была деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов. Данные о составе тропосферы приведены в табл. 1.

В стратосфере и ионосфере плотность газов уменьшается. В стратосфере находится около 20% массы всех газов, в остальных слоях – всего около 0,5%. Самый важный компонент стратосферы и ионосферы – озон (O₃), образующийся в результате фотохимических реакций. Максимум содержания озона наблюдается на высотах около 25 км. Озоновый слой поглощает губительное для жизни жесткое УФ – излучение Солнца. Показано, что снижение концентрации озона на 1% приводит к повышению риска канцерогенных новообразований на 6%.

В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют на атомы (выше 80 км диссоциируют Н₂и СО₂, выше 150 км – О₂, выше 300 км –N₂). На высоте 100...400 км в ионосфере происходит также ионизация газов, на высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О₂⁺, О₂^-,N₂⁺) составляет ~ 1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы присутствуют свободные радикалы – ОН^-, НО₂ – и др.

До высоты 100 км атмосфера представляет собой хорошо перемешанную смесь газов. Вследствие уменьшения плотности газов температура меняется от 0 °С в стратопаузе (на высоте ~ 55 км) дo-90...-100°С в мезопаузе. Выше мезопаузы до высоты 500 км температура монотонно повышается до 1000...1500 °С, выше термопаузы находится экзосфера, для нее характерна относительно постоянная температура. Самые высокие слои состоят из Н₂и Не, которые медленно рассеиваются в космическое пространство. Атмосфера является самым небольшим геологическим резервуаром Земли, поэтому внесение даже незначительных количеств загрязняющих веществ может привести к значительным изменениям протекающих в ней процессов.

Реальный воздух города представляет собой аэродисперсионную газовую среду, в которой присутствуют в переменных количествах водяной пар и различные примеси природного и антропогенного происхождения. Источники антропогенного загрязнения атмосферы – предприятия промышленности, транспорт, энергетический комплекс, коммунальное хозяйство.

При взаимодействии загрязнителей и кислорода воздуха под действием ультрафиолетового излучения образуется токсичный туман, называемый «фотохимическим смогом», особенно опасный для здоровья людей в период температурных инверсий.

Инверсия – явление увеличения температуры с высотой вместо обычного для тропосферы ее убывания на 0,6 ºС каждые 100 м. Инверсии прерывают естественное перемешивание слоев воздуха и приостанавливают естественный процесс рассеяния загрязнителей в атмосфере до относительно безопасной предельно допустимой концентрации.

Инверсии обычно возникают от разности температур в атмосфере и состояния климатических условий. Более продолжительные инверсии возникают в результате «оседания» воздушной массы с высоким давлением (антициклона). В результате возрастает давление и повышается температура воздуха. Таким образом, более теплая воздушная масса наслаивается на лежащий ниже слой холодного воздуха, в свою очередь прилегающего к поверхности более теплого воздуха. В холодном слое воздуха накапливаются атмосферные загрязнители.

Цель работы:с помощью метода газовой хроматографии провести разделение воздуха на азот и кислород на цеолите – молекулярном сите типа 5А.

Оборудование и реактивы: стеклянная или металлическаяU– образная трубка длиной 32 см и внутренним диаметром 3 мм, цеолит, газовый хроматограф "Хром-4", самописец.