Кислотные дожди

Сернистый газ (SO2) – один из самых распространенных загрязнителей атмосферы. Это продукт металлургической и химической промышленности, полупродукт производства серной кислоты, главный компонент выбросов тепловых электростанций и многочисленных котельных, работающих на угле, содержащем серу. Сернистый газ (SO2) – один из главных компонентов, принимающих участие в образовании кислотных дождей, по своим свойствам бесцветен, имеет острый запах, ядовит, канцерогенен.

Малые концентрации сернистого газа (SO2) при воздействии на организм раздражают слизистые оболочки, более высокие вызывают воспаление слизистых носоглотки, трахеи, бронхов, приводят к носовым кровотечениям. При длительном вдыхании открывается рвота, возможны острые отравления со смертельным исходом. Именно сернистый газ был главным действующим компонентом знаменитого Лондонского смога 1952 года, когда погибло большое количество людей. Предельно допустимая концентрация сернистого газа (SO2) в воздухе – 10 мг на кубический метр, порог запаха: 3 – 6 мг на кубический метр воздуха.

Источники газообразных выбросов (промышленные предприятия, транс-порт, пожары) «благодаря» которым в атмосферу попадает значительное количество вредных веществ (оксидов серы IV и VI, оксидов азота IV и V, серо-водорода, оксидов углерода II и IV) наносят большой вред окружающей среде. Эти вещества поглощаются атмосферными осадками, которые выпадают на землю в виде «кислотных» дождей или снега.

Оксид углерода (IV), диоксид углерода или углекислый газ – этот газ выделяется в воздух всеми живыми существами. Кроме того, огромные количества этого газа выбрасываются в воздух при сгорании топлива, при пожарах и т. п. Содержание диоксида углерода в атмосфере непрерывно повышается в результате деятельности человека, что обусловливает, в числе других факторов, потепление климата (парниковый эффект). Нормальное содержание (CO2) в атмосфере составляет 0,03 – 0,04%. Диоксид углерода не оказывает токсического действия на организм растений, они усваивают его в процессе фотосинтеза. Однако избыточное содержание его в атмосфере приводит к увеличению кислотности выпадающих осадков. Дождевая вода имеет обычно слабокислые свойства. Происходит это, как правило, вследствие рас-творения в ней диоксида углерода (CO2).

Проблемы, связанные с кислотным загрязнением, возникают чаще всего из-за хозяйственной деятельности человека. Причиной кислотных дождей являются выбросы в атмосферу оксидов серы (IV) и оксидов азота. В результате окисления этих веществ кислородом воздуха и взаимодействия с атмосферной влагой происходит образование азотистой (HNO2), азотной (HNO3), сернистой (H2SO3) и серной (H2SO4) кислот. Под воздействием кислотных осадков изменяется химический состав почв, что приводит к гибели почвенных микроорганизмов. Растения легче поражаются вредителями. У деревьев кислотные осадки в первую очередь поражают листья и другие вегетативные органы. У деревьев кислотные осадки в первую очередь поражают листья и другие вегетативные органы. Поражение листьев препятствует нормальному протеканию процессов фотосинтеза.

Кислотные осадки приводят к изменению рН почвы и влияют на содержание в ней различных растворимых минеральных солей. Засоленность поч-вы неблагоприятно сказывается на ее физических и химических свойствах и создает неблагоприятные условия для роста и развития многих растений. У растений, произрастающих на засоленных почвах, задерживаются набухание семян, цветение и рост, нарушается развитие корневой системы. При больших концентрациях солей наступает гибель растений. Наиболее вредное влияние оказывают хлориды и сульфаты натрия и калия.

В условиях городской среды дополнительная засоленность почвы вызвана применением антигололедных реагентов в зимний период. С талой водой они попадают не только в почву, но и смываются в водоемы, где накапливаются, приводя к гибели растений и животных.

Цель исследовательского проекта: определить вклад различных загрязнителей, ухудшающих качество воды и почвы природных комплексов, изучить маханизм воздействия на растения кислотных дождей.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Ознакомиться с операциями подготовки образцов для исследования и получить водную вытяжку солевого компонента почвы раз-личных городских и загородных участков.

2. Изучить экологическое состояние почвы через оценку ее кислотности, исследовать засоленность почвы простейшими качественными методами.

3. Провести сравнительный анализ наличия хлоридов и сульфатов как компонентов воды и почвы с использованием метода их качественного обнаружения.

4. Проанализировать механизм негативного влияния кислотного загрязнения воздуха на ткани растений.

Оборудование и реактивы:

Микроскоп школьный «Ломо», лупа, весы учебные, разновесы; плитка электрическая, спиртовка; штатив с кольцом и огнезащитной прокладкой, огнеупорные фарфоровые тигли, пинцет, шпатели, пластиковые кюветы.

Стеклянные воронки и палочки; колбы на 500 мл, цилиндры мерные на 50, 100, 200 и 500 мл, стаканы мерные на 1000, 500, 200 и 50 мл; пипетки мерные и пипетки-капельницы; пробирки, штативы для пробирок; предметные и покровные стекла, планшетки для капельных реакций.

1%-ные растворы хлорида калия и нитрата серебра; раствор нитрата бария (насыщенный), раствор соляной кислоты 10%-ный, дистиллированная вода; фильтры бумажные, рН-индикаторная бумага.

Экспериментальные исследования

Приготовление почвенной вытяжки

Цель эксперимента: ознакомление с операциями приготовления почвенных вытяжек и получение образцов для дальнейшего исследования.

Химическое исследование почвы начинается с подготовки к анализу заблаговременно отобранного образца. Затем получают почвенные вытяжки – экстракты. Дальнейший анализ заключается в определении состава почвенных вытяжек – водной и солевой. От правильности приготовления почвенных вытяжек во многом зависят результаты исследования. В водной вытяжке определяют наличие растворимых в воде солей (хлоридов и сульфатов), а в солевой – кислотность или рН вытяжки.

Исследуемый материал: образцы почвы, взятой у крупной транспорт-ной магистрали города, в городском сквере, на загородном участке.

Предварительная подготовка почвенных образцов к анализу: из почвенной массы отбираются инородные включения и камни, затем почва просушивается на воздухе в течение 48 часов, для этого образец располагают в кювете слоем 2 см.

Взвесив пустой чистый стакан на 200 мл, заполняем его на 2/3 почвой и снова взвешиваем, определив массу почвы в граммах.

Ход работы: высушенный образец почвы в количестве 200 г помещаем в коническую колбу, объемом 500 мл. К исследуемому образцу почвы прили-ваем дистиллированную воду в количестве 200 мл, размешиваем шпателем и оставляем на 30 минут для осаждения крупных частиц. Надосадочную жид-кость (водную вытяжку солей) декантируем и фильтруем через бумажный фильтр.

К образцу почвы аналогичному по массе добавляем раствор хлорида калия в количестве 2 мл на 2 г почвы, его объем отмеряем с помощью цилиндра, и готовим солевую вытяжку. Содержимое стакана с почвой перемешиваем в течение 3 – 5 минут с помощью стеклянной палочки. Затем фильтруем через бумажный фильтр, собирая вытяжку в другой стакан. Фильтрат должен быть однородным и не содержать частиц почвы.

Солевую вытяжку используем для определения кислотности, а водную – для определения засоленности почвы.

Определение засоленности почвы по солевому остатку

Цель эксперимента: исследование общей засоленности почвы простейшим методом.

Исследуемый материал: водная вытяжка образцов почвы, водопроводная вода (для сравнения).

Ход работы: Несколько капель водного раствора почвенной вытяжки, нанесли на предметное стекло с помощью пипетки-капельницы. Поместив стекло на асбестовую сетку, осторожно нагревали его до испарения влаги, не допуская перегрева, во избежание растрескивания. Сухой солевой остаток рассмотрели на предметном стекле с помощью лупы, затем микроскопа.

Следует отметить, что при выпаривании водной вытяжки любого из об-разцов почвы происходила кристаллизация в массе осадка (наблюдаемое явление свидетельствует о высоком содержании солей), в связи с чем отдельные кристаллы солей выявить и сфотографировать не удалось. Для сравнения эксперимент повторили с водопроводной водой, которая при выпаривании почти не давала солевого остатка.

Качественное обнаружение хлоридов и сульфатов

Цель эксперимента: Оценка экологического состояния почвы по солеевому составу водной почвенной вытяжки, изучение засоленности почвы качественным методом, сравнительный анализ наличия хлоридов и сульфатов как компонентов воды и почвы с использованием качественного метода их обнаружения.

Образцы для исследования: водопроводная вода, вода городского и загородного водоема, водная вытяжка образцов почвы, свежевыпавший на территории города снег.

Чтобы определить какие соли находятся в растворе, пользуются различными методами. Наиболее простые из них позволяют лишь обнаружить наличие в воде или водной вытяжке тех или иных солей. Такие методы называются методами обнаружения. В зависимости от метода отслеживается изменение окраски или появление нерастворимого осадка. В случае положительного результата можно уверенно сказать о присутствии анализируемого вещества в растворе. Однако отрицательный результат (цвет не меняется или отсутствует осадок) не обязательно означает, что тот или иной ион отсутствует в растворе. Он может присутствовать в таком малом количестве, что изменение цвета или образование осадка останется незамеченным. Для определения веществ в таких малых концентрациях используют более чувствительные методы.

Ход работы: Для сравнительного анализа образцов нами использованы простые методы, которые позволяют лишь проверить наличие в образцах хлоридов и сульфатов. Такие методы называются методами обнаружения.

В качестве реактивов на хлориды и сульфаты мы использовали 1%-ный раствор нитрата серебра (AgNO3) и насыщенный раствор нитрата бария Ba(NO3)2 соответственно. Присутствие хлоридов в растворе отмечается по-явлением нерастворимого осадка хлорида серебра (AgCl) белого цвета. Структура осадка изменяется в зависимости от количества хлоридов в исследуемом образце: от легкого помутнения раствора до выпадения объемного осадка. Присутствие сульфатов можно обнаружить по выпадению осадка сульфата бария (BaSO4), белого цвета.

В качестве контроля использовали модельный раствор хлоридов – 1% KCl, а также воду городского водопровода, дистиллированную воду.

Опытные (вода из городских и загородных водоемов, почвенная вытяжка, вода талого снега) и контрольные образцы наливаем в пробирки по 5 мл в каждую. Затем по каплям прибавляем 1%-ный раствор нитрата серебра AgNO3, наблюдается либо выпадение белого творожистого осадка, либо раз-ной степени помутнение раствора.

Для обнаружения сульфатов в следующую серию пробирок (содержащих контрольные и опытные образцы) добавляем к содержимому каждой пробирки по 2 капли раствора соляной кислоты и 15 капель раствора нитрата бария. Наблюдается выпадение кристаллического осадка: от легкого до интенсивно-го помутнения раствора.

• В водопроводной воде отмечено легкое помутнение за счет присутствия газообразного хлора, растворенного в воде, в процессе ее обеззараживания на насосных станциях.

• После 24-часового отстаивания ионов хлора в водопроводной воде обнаружено не было;

• В водной вытяжке почвы при добавлении реактива на ионы хлора – раствора нитрата серебра наблюдалось существенное помутнение с образованием со временем белого творожистого осадка;

• В 1%-ном растворе отмечено мгновенное образование объемного белого осадка

• В талой воде свежевыпавшего снега хлоридов не обнаружено.

Образцы Содержание солей

Хлориды Сульфаты

Раствор хлорида калия Объемный творожистый осадок (+5) Отсутствует осадок, пробы прозрачны (-).

Водопроводная вода. Слабое помутнение, опалесценция раствора (+-) Отсутствует осадок, пробы прозрачны (-).

Слабое помутнение вследствие образования осадка

Вода пожарного пруда загородного участка (50 Отсутствует осадок, пробы прозрачны (-). (+1).

Слабое помутнение вследствие образования осадкаСлабое помутнение вследствие образования осадка

Вода городского пруда на территории парка. (+1). (+1).

Талый снег Отсутствует осадок, пробы прозрачны (-). Выпадение осадка (+3)

Водная вытяжка почвы городского участка. Выпадение осадка (+3)

Водная вытяжка почвы загородного участка. Выпадение осадка (+3)

Слабое помутнение вследствие образования осадка

(+1). Помутнение вследствие образования осадка (+2).

Вывод: исследование почвы показало значительную засоленность ее образцов. Присутствие большого количества хлоридов в почве городских участков очевидно связано с использованием антигололедных реагентов бытовыми службами города. Смыв реагентов с поверхности автомобильных до-рог при таянии снега и последующее впитывание раствора соли в почву при-водит к накоплению в ней хлоридов. Наличие сульфатов связано с выпадением кислотных осадков, закислением почвы и накоплением в ней солей серной кислоты. Повышенная засоленность почвы безусловно сказывается на ее физических и химических свойствах, создает неблагоприятные условия для развития и роста многих растений.

Определение рН почвенной вытяжки и оценка кислотности почвы

Цель эксперимента: изучение экологического состояния почвы через оценку ее кислотности.

Кислотность почвы – важный экологический фактор, определяющий условия жизнедеятельности почвенных организмов и высших растений, а также аккумуляцию и подвижность загрязнителей в почве (в первую очередь метал-лов). При высокой кислотности угнетается рост и развитие многих растений, подавляется жизнедеятельность микроорганизмов. Кислотность почвы мы определяли, измеряя величину рН солевой вытяжки. В зависимости от вели-чины рН почва может быть кислой, нейтральной или щелочной:

• рН = 4 и менее – сильнокислая;

• рН = 5 – кислая;

• рН = 6 – слабокислая;

• рН = 7 – нейтральная;

• рН = 8 и более – щелочная

Ход работы: В пробирки прилили по 5 мл образцов вытяжек почвы и/или талого снега, в каждую пробирку опускали пинцетом полоску индикаторной бумаги. Результаты определяли по цветной шкале значений рН для каждого образца почвы или снега.

№ пробы Место отбора пробы Внешний вид солевой вытяжки рН солевой вытяжки Оценка кислотности почвы

1 Газон у автострады прозрачная 5 кислая

2 Городской парк прозрачная 6 слабокислая

3 Загородный участок (50 км) прозрачная 6 слабокислая

Талый снег

4 - 5 кислая

Действие кислотного загрязнения воздуха на растения

Цель эксперимента: проанализировать механизм негативного влияния кислотного загрязнения воздуха на растение в условиях модельного опыта.

В клетках растительных тканей содержатся пластиды с хлорофиллом – зеленым пигментом, с его помощью осуществляется фотосинтез. При взаимодействии с кислотами зеленый пигмент растений разрушается и образует буровато-оливковое вещество – феофитин, внешне это проявляется в виде бурых пятен на листьях. Дальнейшее воздействие кислотных дождей приводит к гибели клеток тканей листьев.

Ход работы: В огнеупорный фарфоровый тигель насыпаем серу, ко дну стакана объемом 1000 мл прикрепляем скотчем лист комнатного растения. Серу в тигле поджигаем и сразу же опрокидываем над тиглем стакан с листьями. Края стакана можно смазать вазелином, во избежание распространения сернистого газа. Опыт проводится под тягой! В течение нескольких минут наблюдаем постепенное обесцвечивание листьев растений.

Если в емкость, заполненную сернистым газом впрыснуть с помощью пульверизатора воду, создается эффект кислотного дождя: Через некоторое время на листьях появляются бурые пятна, наблюдается разрушение тканей – некроз.

6. Хлорофилл и сернистый газ.

Анализ результатов воздействия сернистого газа на хлорофилл в модель-ном опыте проводили, экстрагируя его спиртом из тканей листа, с последующим разделением пигментов методом тонкослойной хроматографии на силикагеле.

Для этого предметные стекла обезжиривали и наносили на поверхность сухого стекла суспензию силикагеля в воде. Слой силикагеля просушивали, наносили с помощью пипетки-капельницы экстракт пигментов на его поверхность в виде капли, отступив 0,5 см от края пластинки. Пластинку помещали в стакан со смесью спирта и воды в соотношении 2 : 1. Поверхность жидкости должна быть ниже точки нанесения экстрактов пигмента на пластинку. Вследствие действия капиллярных сил, смесь спирта и воды (элюент) поднимается, смачивая пластинку. При этом осуществляется разделение пигментов на составные компоненты: зеленую и желтую фракции. Местоположение их на пластинке зависит от степени удерживания молекул пигмента поверхностью силикагеля.

Вывод: Хроматографический анализ показал значительное уменьшение количества зеленого пигмента в клетках листьев, подвергшихся воздействию оксида серы. То есть, кислотное загрязнение атмосферы приводит к разрушению хлорофилла, а следовательно, снижению эффективности фотосинтеза и гибели растений.