Химические свойства кислот и кислотные атмосферные осадки

Оптическую плотность растворов измеряют с помощью фотоэлектроколориметра.

Определению мешает диоксид серы. Влияние диоксида серы устраняется кристаллическим оксидом хрома (VI), трубка с которым помещается при отборе газа перед газовой пипеткой, и добавлением в поглотительный раствор 10% ацетона.

Средства измерения, реактивы, материалы. Фотоэлектроколориметр. Весы аналитические. Меры массы. Термометр, цена деления 0,1°С. Барометр. Вакуумметр типа ВТИ. Газозаборная трубка. Фильтровальный патрон. Насос с всасывающими и нагнетающими штуцерами. Насос вакуумный 2НВР-5ДМ. Газовые пипетки, емкостью200 мл. Аппарат для встряхивания колю и пробирок ФВУ-10р, модель Ц-2332. Колбы мерные 1-50-2, 1-250-2, 1-100-2, 1-500-2. Пипетки 1-2-1. Цилиндры 1-250, 1-500. Бюретки 6-2-10-0,05, 5-2-100-0,1.

Уксусная кислота, хч; 1-нафтиламин, чда; п-аминобензолсульфокислота, чда; нитритнатрия, хч; оксид хрома(VI), чда; ацетон, чда; вода дистиллированная; фильтр бумажный (любой).

Подготовка и проведение измерений.

Приготовление растворов. Для приготовления 12 % раствора уксусной кислоты 128 мл концентрированной уксусной кислоты (99,5 %) помещают в мерную колбу емкостью1000 мл и доводят водой до метки.

Для получения раствора п-аминобензолсульфокислоты (сульфаниловой кислоты) 1,5 г ее растворяют в 450 мл 12 % раствора уксусной кислоты. Раствор готовят не менее чем за сутки до использования и хранят в плотно закрытой склянке из темного стекла.

Раствор 1-нафтиламина приготовляется путем растворения 0,3 г его в 60 мл воды. Нагревают на водяной бане до образования на дне колбы лиловых капель, фильтруют через бумажный фильтр, оставляя осадок на дне колбы. К фильтрату приливают 450 мл 12 % раствора уксусной кислоты. Раствор готовят не менее чем за сутки до использования.

Поглотительный раствор готовится непосредственно перед использованием путем смешивания раствора 1-нафтиламина и п-аминобензолсульфокислоты в отношении 1 : 1 и добавления 10 % ацетона к общему объему. Для приготовления исходного стандартного раствора 2-3 г нитрита натрия растирают и сушат при 50-60°С в течение 2 часов. Навеску 0,1497 г высушенного нитрита натрия растворяют в мерной колбе емкостью 100 мл водой. Этот раствор соответствует содержанию диоксида азота 1 мг/мл.

Рабочий стандартный раствор А готовят перед анализом, для чего в мерную колбу ёмкостью 250 мл пипеткой Мора вносят 1 мл исходного стандартного раствора и доводят до метки водой. 1 мл рабочего стандартного раствора А содержит 0,004 мг нитрит иона.

Рабочий стандартный раствор Б готовят перед анализом. В мерную колбу емкостью100 мл пипеткой Мора вносят 1 мл исходного стандартного раствора и доводят до метки водой. 1 мл рабочего стандартного раствора Б содержит0,01 мг/мл нитрит иона.

Построение градуировочных зависимостей. Строят две зависимости оптической плотности от концентрации диоксида азота по 3-5 сериям градировочных растворов. Первую зависимость строят для определения малого количества нитрит иона в 50 мл раствора (0,004-0,028 мг), вторую для большого (0,01-0,06). В мерные колбы емкостью 50 мл с помощью микробюретки емкостью 10 мл вносят рабочий стандартный раствор нитрита натрия А или Б, доводят объем до метки поглотительным раствором содержащим 10 % ацетона (по объему), интенсивно встряхивают и через 30 минут измеряют оптическую плотность растворов на фотоэлектроколориметре при длине волны 540 нм относительно поглотительного раствора, который является раствором сравнения.

Таблица 3. Схема приготовления растворов для построения градуировочной зависимости (по: Чибисова, 1999)

Измерение оптической плотности стандартов на основе рабочего раствора А производят в кюветах с шириной рабочей грани 10 мм, на основе рабочего стандартного раствора Б - в кюветах на 5 мм. Проверку градуировочных зависимостей следует проводить при смене партии реактивов, но не реже одного раза в 3 месяца.

Отбор проб.

Собирают установку для отбора газов как указано на рис. 4, не подсоединяя вакуумированный сосуд. Вставляют газозаборную трубку в газоход и продувают для прогревания системы анализируемым газом с помощью любого тягодутьевого устройства (аспиратор, насос) в течение 3-5 минут. Отсоединяют тягодутьевое устройство и присоединяют вакуумированный до остаточного давления 2600 Па сосуд с поглотительным раствором. Ставят кран4 в положение« вакуумметр-сосуд», открывают кран на вакуумированном сосуде и измеряют разряжение в нем. Затем кран4 ставят в положение «газозаборная трубка-вакуумметр-сосуд» и производят отбор газа.

Рис. 4. Схема отбора газов в вакуумированный сосуд (по: Чибисова, 1999): 1 - газоход; 2 - газоотборная трубка с фильтровальным патроном; 3 - трубка с окислителем; 4 - трехходовой кран; 5 - вакуумметр; 6 - вакуумированный сосуд.

Объем поглотительного раствора, заливаемого в сосуд, выбирают в зависимости от содержания оксидов азота.

Время, в течение которого производится отбор газа должно составлять 20 минут. Количество отобранных проб для анализа должно быть не менее трех.

Анализ проб.

Отобранные для анализа пробы хранятся не более суток. Определяют оптическую плотность раствора на фотоэлектроколориметре при длине волны 540 нм в кюветах с расстоянием между гранями5 или10 мм в зависимости от концентрации оксидов азота (табл. 4). По измеренной оптической плотности раствора и градуировочной зависимости находят содержание нитрит иона в анализируемой пробе.

Таблица 4. Объем поглотительного раствора в зависимости от концентрации диоксида азота (по: Чибисова, 1999)

Если по истечении30 минут проанализировать пробы не представляется возможным, раствор из пипеток сливают в колбы, плотно закрывают пробками и хранят в темном, прохладном месте, но не более 1 суток.

При анализе газовой пробы замеряют остаточное давление в сосуде с помощью вакуумметра.

Обработка результатов анализа

Объем газовой смеси(V₁), отобранной на анализ рассчитывают следующим образом:

V₁ = V_п- V_ж

гдеV_п - емкость газовой пипетки, мл; V_ж - объем поглотительного раствора в пипетке, мл.

Объем газа при нормальных условиях(V_н) рассчитывают по формуле:

V_о= 273 V₁ (Р - Р' - P”)/101,3 (273 - t)

гдеV₁ - объем отобранного на анализ газа, мл; Р - атмосферное давление, Па; Р' - остаточное давление газа в вакуумированном сосуде после отбора пробы газа из газохода, Па; Р” - остаточное давление в ваукуумированном сосуде после отбора пробы газа из газохода, Па. t - температура окружающего воздуха, °С.

Концентрацию диоксида азота(С мг/м³) рассчитывают по формуле:

С= 2аV_ж10/V_о V_г

где а - количество нитрит иона, найденное по градуировочной зависимости, мг; 2 - коэффициент, учитывающий образование одной молекулы азотистой кислоты из двух молекул диоксида азота; V_ж - объем поглотительного раствора, залитый в газовые пипетки, мл; V_г - объем поглотительного раствора для которого проводилось построение градуировочного графика, мл (50 мл); V_о - объем газа, приведенный к нормальным условиям. По найденным значениям концентраций оксидов азота в пробах рассчитывают среднеарифметическое значение (Чибисова, 1999).

2.5 Методика определения концентрации аммиака фотоколориметрическим методом с реактивом Несслера. Назначение методики

Методика предназначена для определения концентрации аммиака в промышленных выбросах в диапазоне 2 2000 мг/м³. Погрешность не превышает 10% при доверительной вероятности 0,95.

Метод измерения.

Метод основан на измерении оптической плотности окрашенных растворов, образующихся при взаимодействии аммиака с реактивом Несслера по реакции:

2 K₂[HgI₄] + 3 KOH + NH₄OH >[OHgNH₂]I + 7 KI + 3 H₂O.

Оптическая плотность окрашенных растворов измеряется на фотоэлектроколориметре.

Средства измерения, реактивы.

Фотоэлектроколориметр ФЭК или аналогичный; колбы 2-1000-2, 2-25-2; пипетки, 1-10-2, 1-2-2; серная кислота, чда; реактив Несслера, чда; вода дистиллированная; микрокомпрессор МК-Л; цилиндр мерный25 мл; термометр ртутный стеклянный лабораторный; весы лабораторные; поглотители с фильтрами Шотта.

Подготовка и проведение измерений.

Построение градуировочной зависимости. Для приготовления раствора «А» 3,147 г хлорида аммония растворяют в воде в мерной колбе емкостью 1 л и доводят объем раствора до метки, 1 мл раствора содержит 1 мг аммиака.

Для приготовления раствора «Б» отбирают пипеткой10 мл раствора «А» и вносят в мерную колбу емкостью 1 л; доводят раствор до метки; 1 мл раствора «Б» содержит 0,01 мг аммиака. Раствор «Б» готовят в день колориметрирования. В 5 мерных колб емкостью по 25 мл вносят 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 мл раствора «Б». Прибавляют воду так, чтобы до метки не хватало 2-5 мл, затем добавляют 1 мл реактива Несслера, доводят водой до метки и перемешивают. Через10 минут замеряют оптические плотности растворов в кювете 50 мм, на светофильтре № 4 (л=450 нм). Раствором сравнения служит дистиллированная вода. По результатам измерений строят градуировочную зависимость оптической плотности раствора (ось ординат) от количества аммиака (мг) в пробе (ось абсцисс).

Отбор и анализ проб. В поглотительную склянку с фильтром Шотта заливают 10 мл 0,01 н раствора серной кислоты и 1 мл реактива Несслера. Исследуемый воздух со скоростью 10 л/мин в течение 2-3 минут протягивают через прибор, содержащий поглотительный раствор. Наблюдают появление желтой окраски поглотительного раствора. Через 15 минут содержимое поглотителя переносят в мерную колбу емкостью 25 мл и доводят водой до метки. Замеряют оптическую плотность раствора при длине волны 450 нм.

Обработка результатов измерений.

Концентрацию аммиака (С мг/м³) рассчитывают по формуле:

С= m Ч1000 V₀,

где m - количество аммиака в пробе (мг) Б соответствующее измеренной оптической плотности раствора; V₀ - объем газовой пробы, приведенный к нормальным условиям, л. (Чибисова, 1999).

Глава 3. Обсуждение различных методов предотвращения кислотных осадков

Кислотные дожди могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на живую и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению ущерба или предотвращению дальнейшего разрушения окружающей среды могут быть различными.

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в атмосферу -- удаление серы из топлива с помощью фильтров, регулирование процессов горения и другие технологические решения.

Снижение содержания серы в различных видах топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содержанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приближенным оценкам из известных в настоящее время мировых запасов нефти только 20% имеют содержание серы менее 0, 5%. Среднее содержание серы в используемой нефти увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами.

Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержанием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей угля. Содержание серы в углях колеблется от 0,5 до 1,0%.

Таким образом, энергоносители с низким содержанием серы у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее удаления.

Во время переработки (дистилляции) нефти остаток (мазут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута -- процесс очень сложный, а в результате удается освободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К тому же процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капитальных вложений.

Сера в угле находится частично в неорганической, а частично в органической форме. Во время очистки, когда удаляют несгораемые части, удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самых благоприятных условиях можно освободиться только от 50% общего содержания серы в угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так и неорганические серосодержащие соединения. Но в связи с тем, что процесс идет при высоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо дороже предыдущего.

Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представляет собой достаточно сложный и малораспространенный процесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остается приблизительно половина первичного содержания серы. Поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.

Применение высоких труб. Это один из наиболее спорных способов.

Сущность его заключается в следующем. Перемешивание загрязняющих веществ в значительной степени зависит от высоты дымовых труб. Если мы используем низкие трубы (здесь в первую очередь необходимо вспомнить трубы электростанции), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб.

Поэтому в ближайшем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы и азота будет высокой и, естественно, эти соединения будут причинять больше вреда. Если труба высокая, то непосредственные воздействия уменьшаются, но возрастает эффективность перемешивания, что означает большую опасность для отдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменение серы в газах, образующихся во время горения топлива химического состава атмосферы, изменение климата). Таким образом, строительство высоких труб, несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязнения воздуха, зато в значительной степени увеличивает "экспорт" кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно, увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воздействия загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однако косвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются.

Технологические изменения. Известно, что в процессе горения топлива азот и кислород воздуха образуют окись азота NO, которая в значительной степени способствует повышению кислотности осадков. Выше было указано, что в целом в мире горение топлива дает две трети всех антропогенных выбросов.

Количество оксида азота NO, который образуется при горении, зависит от температуры горения. Выявлено, что чем меньше температура горения, тем меньше возникает оксида азота, к тому же количество NO зависит от времени нахождения топлива в зоне горения и от избытка воздуха. Таким образом, соответствующим изменением технологии можно сократить количество выбрасываемого загрязняющего вещества.

Сокращения выброса двуокиси серы можно также достичь очисткой конечных газов от серы. Наиболее распространенный метод -- мокрый процесс, когда конечные газы барботируют через раствор известняка, в результате чего образуются сульфит или сульфат кальция. Таким способом удаляется большая часть серы. Этот способ еще не получил широкого распространения.

Известкование. Для уменьшения закисления в озера и в почву добавляют щелочные вещества (например, карбонат кальция). Эта операция называется известкованием. Известь, попадая в воду, быстро растворяется, а образующаяся в результате гидролиза щелочь сразу же нейтрализует кислоты.

Известкование применяют для обработки кислых почв с целью их нейтрализации.

Наряду с преимуществами известкование имеет ряд недостатков:

- в проточной и быстро перемешивающейся воде озер нейтрализация проходит недостаточно эффективно;

- происходит грубое нарушение химического и биологического равновесия вод и почв;

- не удается устранить все вредные последствия закисления;

С помощью известкования нельзя удалять тяжелые металлы. Эти металлы во время уменьшения кислотности переходят в труднорастворимые соединения и осаждаются, однако при добавлении новой дозы кислот снова растворяются, представляя таким образом постоянную потенциальную опасность для озер.

Кроме описанных выше известно еще множество способов защиты от загрязнений. Например, погибшие популяции животных и растений заменяют новыми, которые лучше переносят закисление. Памятники культуры с целью предотвращения дальнейшего их разрушения обрабатывают специальной глазурью.

Рассмотренные здесь способы имеют одно общее свойство -- их использование до сих пор не привело к существенному уменьшению выбросов оксидов серы и азота. Не достигнуты заметные успехи и в предотвращении вредных воздействий, вызываемых кислотными дождями (Акимова Т.А., Хаскин В.В., 2000).

Выводы

Подготовлен тематический обзор по факторам, обуславливающим кислотные осадки, их причины и биологическое действие, так же показана актуальность исследования данной проблемы.

Представлены различные методики по определения опасных примесных элементов в воздухе. Эти методики отлично подходят для работ «в поле», так как они не требуют большого количества оборудования, не сложны в исполнении и эффективны.

Показаны различные методы решения проблемы с кислотными осадками. Некоторые из представленных методов имеют и обратную сторону медали, а другие методы очень затратные. Так же, немаловажную роль сыграло то что, ни одно государство не будет сокращать масштабы потребления энергии и тем самым ухудшить уровень жизни, потому как это противоречит человеческой натуре.

Список литературы

1. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В., «Экология, природа, человек, техника, издательство» ЮНИТИ-ДАНА", 2000. С 343.

2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. «Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда»: - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. 566 с.

3. Агаджанян Н.А. «Человек и биосфера», М.: Знание, 1996 г. книга. 96 с.

4. Банников А.Г., Рустамов А.К., Вакулин А.А. «Охрана природы»: - М.: Агропромиздат, 1995. 287 c.

5. Баландин Р.К., Бондарев Л.Г. «Природа и цивилизация». - М, 1998. 391 с.

6. Гроссе Э., Вайсмантель X. «Журнал Химия и Химика», № 6 2011, С. 65-67.

7. Глинка Н.Л., «Общая химия» М.: Интеграл-Пресс, 2003. С. 724.

8. Грандберг И.И. «Органическая химия» М.: Дрофа, 2001. 627 с.

9. Гриневич В.И., Костров В.В. «Экологические проблемы и основы природопользования». - Иваново, ИГХТА.-1994, 170 с.

10. Дрейер О.К., Лось В.А. «Развивающийся мир и экологические проблемы». М.: Знание, 1991. 64 c.

11. Коржуков Н.Г. «Общая и неорганическая химия»: М.: МИСИС: ИНФРА-М, 2004. 512 с.

12. Красилов В.А. «Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты». - М.: Институт охраны природы и заповедного дела, 1992. 173 с.

13. Новиков Ю.В. «Экология, окружающая среда и человек» М.:ФАИР-ПРЕСС, 2005. С. 734.

14. Новиков Ю.В. «Природа и человек». - М.: Просвещение, 1991. 223 с.

15. Никольский А.Б., А.В. Суворов «Химия: учебник для вузов» СПб: Химиздат, 2001. 512 с.

16. Степин Б.Д., Цветкова А.А., «Неорганическая химия» М.: Высш. шк., 1994. С. 608.

17. Соколов Р.С. «Химическая технология: учеб. пособие для вузов». - М.: Владос-пресс. 2000, 516 с.

18. Хорват Л., «Кислотный дождь»: М., Стройиздат, 1990 г., 80 с.

19. Фелленберг Г. «Загрязнение природной среды». М.: Мир, 1997, 232 с.

20. Dr. Robert Amodeo «Asid Rain» http://www.solcomhouse.com/acidrain.htm.