Химическое исследование снежного покрова в г. Рязани

 

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄

При длительном воздействии наблюдаются заболевания  слизистой рта, разрушение зубов, атрофические изменения слизистых верхних  дыхательных путей, бронхиты, пневмосклерозы и в ряде случаев бронхиальная астма, гастриты, язвенная болезнь, дерматиты, изъязвления. Указывают так же на функциональные изменения центральной нервной системы и сердечнососудистой системы, заболевания печени [1].

Ионы  водорода и гидроксильные ионы (рН).  Содержание в воде водородных ионов в основном определяется количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов. В воде угольная кислота диссоциирует:

H₂CO₃  →  H  +  HCO₃

 

поэтому талые воды, содержащие большое количество растворенной двуокиси углерода, имеют, кислую реакцию. При  диссоциации гидрокарбонатов Са(НСО3) также образуются ионы НСО3. Увеличение их концентрации ведет к увеличению рН вследствие гидролиза:

НСО₃  +  Н₂О  →  Н₂СО₃  +  ОН¯

     Источниками  ионов водорода являются также  и другие кислоты, находящиеся в талой воде (серная, ортофосфорная). Гидролиз солей тяжелых металлов имеет значение в тех случаях, когда в атмосферу попадает значительное количество сульфатов железа, алюминия, меди, и других металлов. В результате гидролиза выделяются ионы водорода:

Fe   +   2H₂O  →  Fe(OH)₂  +  2H⁺

     Величина концентрации  ионов водорода (рН) обычно колеблется в атмосферных осадках от 4,6 до 6,1 [6].

Являясь важным показателем  качества воды и почвы, ионы водорода имеют большое значение для химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. От количества протонов зависит развитие и жизнедеятельность водных растений, агрессивное действие растворов на металл, токсичность загрязняющих веществ.

Ионы водорода входят в  состав почвенно-поглощающего комплекса, обуславливая кислотность почвы, участвуют  в конкуренции растений за почвенную влагу. Некоторые группы растений могут существовать лишь на почвах с повышенной кислотностью. Поэтому этот показатель – важный фактор в сельском хозяйстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методы определения.

Химический  состав проб осадков трансформируется как со временем, так и при смешивании отдельных проб для получения  суммарной (недельной, месячной), поэтому  рекомендуется производить измерение  неустойчивых параметров в пункте отбора проб сразу после выпадения осадков, например водородного показателя pH, кислотности (щелочности) атмосферной воды.

Определение ионов водорода проводится потенциометрическим методом, который предназначен для определения содержания ионов водорода в широком диапазоне pH (от 0 до 14) и температур (от 0 до 100).

Стеклянный  электрод представляет собой трубку с полым шариком на конце из специального электродного стекла с водородной функцией. В качестве внутреннего вспомогательного электрода используют хлорсеребряный электрод в стандартном растворе соляной кислоты или в хлоридном буферном растворе.

Гальванический  элемент составлен из стеклянного  электрода и хлорсеребряного электрода сравнения:

 

Внутренний ¦   Внутренний  ¦  Стеклянна      ¦ Исследуемый ¦    Электрод

вспомогате   ¦    раствор         ¦ мембрана        ¦   раствор         ¦   сравнения

льный   ¦        ¦     ¦   ¦

электрод ¦        ¦     ¦   ¦

             ˿ ˍ ˍ ˍ ˍ ˍ ˍ ˍ ˍ ˍ ˍ _Š

φ₁        φ₂  φ_д  φ₃    φ₄

Электродвижущая сила (ЭДС) этого элемента может быть выражена как сумма межфазных скачков потенциала (φ₁, φ₂, φ₃, φ₄) и диффузного потенциала (φ_д) внутристеклянной мембраны:

 

E = φ₁ – φ₂ + φ₃ – φ₄ +  φ_д

Потенциал φ₁, т. е. потенциал внутреннего хлорсеребряного электрода, является постоянной величиной. Состав стандартного раствора, заполняющего стеклянный электрод, во время его работы не меняется. Поэтому φ₂ не вносит своего вклада в водородную функцию стеклянного электрода. Следовательно, зависимость ЭДС гальванического элемента от активности водородных ионов в исследуемом растворе характеризуют потенциалы φ₃ и φ_д.

Ход определения. Электроды и термометр тщательно ополаскивают дистиллированной водой. Исследуемую воду наливают в стакан и измеряют pH. Через 3 и 5 минут повторяют измерения. Последние два показания прибора должны быть одинаковыми, так как время установления потенциала чистого электрода 2 – 3 минуты.

Определение иона аммония.  Метод основан на взаимодействии аммонийных солей и аммиака со щелочным раствором ртутноиодистоводородного калия (реактивом Несслера)

2K₂HgI₄ + 2NH₃ → NH₂Hg2I₃ + NH₄I + 4KI.

Ход определения: в пробирку отбирают 25 мл пробы и  добавляют реактив Несслера, дают постоять 10-15 минут. После этого по интенсивности окраски образующегося соединения определяют фотометрическим методом содержание ионов аммония.

Определение сульфат иона. Метод основан на определении сульфатов в виде BaSO4, образующегося при взаимодействии сульфатных ионов с хлоридом бария:

Ba + SO4 → BaSO4 ↓

Ход определения: 25 мл пробы воды наливают в кювету, добавляют хлорид бария, перемешивают и фотометрируют относительно анализируемого раствора, без добавления реактивов, на спектрофотометре DR-2000 (при длине волны 530нм) [4].

Определение нитрит-ионов. Метод основан на восстановлении нитрит-ионов реактивом Грисса-Илосвая. Нитрит-ион взаимодействует с сульфаниловой кислотой (первичный ароматический амин), образуя соль диазония:

 

HO₃S         NH₂ + NO₃¯ + 2H⁺ →

→    HO₃S    N⁺≡ N + 2H₂O

 

 

Соль диазония реагирует с 1-нафтиламином с образованием сильно окрашенного азосоединения:

 

 

По интенсивности  окраски образующегося азотосоединения  определяют фотометрическим методом  содержание нитрит-ионов [4].

Определение хлорид-ионов. Меркуриметрическое определение. Метод основан на титровании ионов хлора раствором азотнокислой ртути Hg(NO3)2 с индикатором дифенилкарбазон. Ионы ртути при титровании связывают хлориды в малодиссоциированную HgCl2, а избыток их вступает в реакцию с индикатором, образуя комплекс фиолетового цвета.

 

2NaCl + Hg(NO3)2 → HgCl2 + 2NaNO3

 

При высоких  значениях pH окрашенный комплекс образуется, когда в растворе еще остаются хлоридные ионы, а при низких значениях – требуется большой избыток ионов ртути для образования окрашенного комплекса.

Определение Ca²⁺. Наиболее распространен титрометрический метод с трилоном Б в присутствии индикатора – мурексида. При использовании его окраска изменяется из розовой в фиолетовую.

Ход определения.  В колбу для титрования отбирают 100 мл пробы. Добавляют небольшое количество мурексида и NaOH, и титруют трилоном Б. Расчет количества ионов кальция в пробе проводится согласно формуле:

 

,    (I)

 

где Vпр – объём пробы, Vтб – объём трилона Б, Сэ – эквивалент элемента.

Сократив  и подставив объём пробы, получаем формулу:

(II)

 

Определение Mg²⁺. Константы устойчивости комплексонов кальция и магния различаются на 2 порядка (логарифмы констант устойчивости равны 10,7 и 8,7 для кальция и магния соответственно при 20° С и ионной силе 0,1). Поэтому эти ионы нельзя оттитровать раздельно, используя только различие  в константах устойчивости. При pH = 10 в качестве металлиндикаторов используют эриохромовый черный Т. При этих условиях определяют сумму кальция и магния. В другой аликвотной части создают pH > 12, вводя NaOH, при этом магний осаждается в виде гидроксида, его не отфильтровывают, и в растворе определяют кальций в присутствии мурексида, являющегося металлоиндикатором на кальций. Магний определяют по разности. Объём титранта, израсходованный на титрование магния, вычисляют по разности объёмов трилона Б, пошедшего на титрование при pH = 10 и при pH = 12 [3].

Далее вычисление идет по формуле II.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты исследований.

Весной 2011 года в городе Рязани в нескольких районах было проведено исследование снежного покрова. Для анализа были взяты пробы с четырех участков, а именно: территория РГУ им. С. А. Есенина, площадь Ленина, площадь Театральная, микрорайон Кальное. Отбор проб проводился 9 марта 2011 года.

Для проб был взят объём снежного покрова, соответствующий площади в 0,16 м². Глубина снежного покрова одного участка не совпадала с глубиной другого.  После оттаяния растворы были собраны в стеклянные бутылки и этикерованы.

По  сравнению с остальными пробами  проба с площади Ленина отличается по прозрачности, являясь наиболее мытной. Содержит механические примеси, в том числе антропогенного происхождения. После отстаивания на дне образовался осадок. Остальные пробы при первом осмотре достаточно чистые и не содержат видимых загрязнителей.

По  результатам проведенных исследований среди четырех проанализированных проб наибольшую кислотность имеет проба с площади Ленина, где pH = 7. Покров снега на площади Театральной, территории университета и микрорайона Кальное имеют pH соответственно 6, 6.2, 6.3.

Общая минерализация проб находится в  пределах нормы, исключение составляет проба с площади Ленина, где  этот показатель (558 мг/л) более чем  в 18 раз превышает остальные.

Содержание  ионов хлора так же является завышенным для данной пробы среди остальных и составляет 197,6 мг/л для площади Ленина, 10,323 мг/л для микрорайона Кальное, 8,849 мг/л  для территории университета, 11,79 мг/л для площади Театральной.

По  содержанию сульфат-ионов наибольшую цифру имеет проба с площади Ленина.

Ионы  аммония присутствуют во всех пробах примерно в одинаковых количествах, находится в пределах от 1,11 мг/л  до 1,26 мг/л.

В пробах обнаружены следы нитрит-ионов  и наименьшее их содержание в пробе  с площади Ленина (мг/л), тогда  как наибольшее в пробах с площади  Театральной и м-на Кальное (0.014 мг/л).

По  содержанию ионов магния, так же как и кальция лидирует проба  с площади Ленина.

Все результаты исследования приведены  в таблице 1:

Таблица 1. Результаты химического анализа снежного покрова.

Место взятия пробы Проба мг/л	Площадь  Ленина	Площадь  Театральная	РГУ им. С.А. Есенина	Микрорайон Кальное
pH	7	6	6.2	6.3
Электропроводность	558	24	25	30
Cl¯	197,6	11,79	8,849	10,323
SO42¯	17	9	8	9
NH4+	1,11	1,26	1,13	1,22
NO2¯	0,008	0,014	0,012	0,014
Mg2+	8,512	1,216	1,216	2,432
Ca2+	12,024	1,002	2,004	2,004

 

Исследования  снежного покрова некоторых районов города Рязани проводится периодически, что позволяет нам сравнить результаты данного исследования с предыдущими. Сравнение, возможно, провести только для районов: площадь Ленина, площадь Театральная, микрорайон Кальное  – по четырём  параметрам (pH, электропроводность, содержание ионов Cl¯и SO₄²¯).

По  кислотности свои показатели уменьшили  на 0,5 площадь Театральная, и на 0,2 м-н Кальное. Кислотность в пробе с площади Ленина увеличилась на 0,5 [2].

Электропроводность  в пробе с площади Ленина является завышенной, свое значение она повысила и в пробе с м-на Кальное (на 5 мг/л), а на площади Театральной снизила (на 5,7 мг/л) [2].

Так же завышенным является количество ионов  хлора в пробе с площади Ленина – увеличение на 197,157 мг/л, в пробе с площади Театральной – на 10, 904 мг/л, в пробе с м-на Кальное – на 9,437 мг/л [2].

Количество  сульфат-ионов увеличилось в пробах с площади Ленина и м-на Кальное на 4 и 1 мг/л соответственно, а на площади Театральной увеличилось на 3 мг/л [2].

Для сравнения представлены диаграммы, опирающиеся на полученные данные.

Таблица 2. Сравнительная таблица химического анализа проб с площади Ленина.

 

 

Таблица 3.Сравнительная таблица химического анализа проб с площади Театральной.

 

Таблица 4. Сравнительная таблица химического анализа проб из микрорайона Кальное.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

В ходе работы было решено несколько  задач, а именно:

• проведен отбор проб в тех местах, где ранее уже производились заборы для исследований;
• проведено комплексное исследование химического состава проб;
• изучены результаты предыдущих исследований;
• на основании вышеизложенного проведен сравнительный анализ результатов нескольких лет  исследований.

В целом, исходя из полученных данных и  сравнивая их с предыдущими можно  сделать вывод, что в атмосферных  осадках с каждым годом все  больше увеличивается количество примесей, увеличивается и их концентрация.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы

1. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков/ Н. В. Лазарева, Э. Н. Левина, Т3,  Л., «Химия», 1976 г., 608 стр.
2. Мелешина А. В., «Химическое исследование снежного покрова», выпускная квалификационная (дипломная) работа,  Рязань,  2006 г., 42 стр.
3. Основы аналитической химии. Практическое руководство/ Ю. А. Золотов, М., «Высшая школа» 2001 г., 463 стр.
4. Отто М. Современные методы аналитической химии, (перевод с немецкого под редакцией А. В. Гармаша), Т1, М., «Техносфера», 2003 г., 407 стр.
5. Отто М. Современные методы аналитической химии, (перевод с немецкого под редакцией А. В. Гармаша), Т2, М., «Техносфера», 2003 г., 277 стр.
6. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши/А. Д. Семенов, Гидрометеоиздат, Л., 1977 г.
7. Руководящий документ. Руководство по контролю загрязнения атмосферы, РД 52.04.186-89, Государственный комитет СССР по гидрометеорологии Министерство здравоохранения СССР, М., 1991г., 556 стр.
8. Среднесрочная экологически ориентированная стратегия развития г. Рязани в области, сбора и утилизации твердых бытовых отходов и озеленения населенного пункта/ Фрагменты Местной повестки дня на 21 век для г. Рязани, Рязань, 2003 г., 154 стр.