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...5,3·10¹⁵ т. 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 Н₂ и 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 Н₂ и 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 металлическая U – образная трубка длиной 32 см и внутренним диаметром 3 мм, цеолит, газовый хроматограф "Хром-4", самописец.

Порядок выполнения работы

U-образную трубку заполняют цеолитом. Заполненную колонку присоединяют к хроматографу "Хром-4". Кран-дозатор заполняют пробой воздуха. Затем включают ток газо-носителя гелия, подаваемого из баллона, продувают всю систему (кроме крана дозатора) и устанавливают самописец на нулевой линии. Вводят пробу, продувая кран-дозатор гелием. До начала анализа самописец вычерчивает нулевую линию. При правильном проведении анализа самописец должен вычерчивать на кривой два пика. Пик кислорода (первый пик) появится приблизительно на четвертой минуте, а пик азота (второй пик) – на седьмой минуте от момента ввода пробы воздуха для анализа. Когда перо самописца возвратится на исходную нулевую линию, анализ считают законченным и прекращают подачу тока газоносителя. По площади пика кислорода и азота определяют относительное содержание составных частей воздуха.

Для количественного определения каждого из компонентов, содержащихся в воздухе, пользуются хроматограммой, полученной при помощи дифференциальных детекторов. Концентрация компонентов в исследуемой пробе пропорциональна площади соответствующих пиков хроматограммы и может быть определена по формуле:

S = h × μ,

где h – высота пика, мм; μ – расстояние от точки ввода пробы до середины основания пика, мм.

Расчет проводят по методу "нормировки", который основан на том, что сумма площадей всех пиков на хроматограмме с учетом соответствующих поправочных коэффициентов принимается за 100%, а площадь каждого составляет определенную часть от суммы площадей всех пиков.

Метод не требует точного знания количества вводимой пробы, но дает возможность определять процентное содержание всех компонентов смеси. При расчете пользуются формулой

%,

где k_i – коэффициент, определяемый чувствительностью данного детектора к данному компоненту; S_i – площадь пика конкретного вещества, мм²; с_i – концентрация компонента, %.

Требования к отчету

В отчете приводят название, цель и сущность работы, хроматограммы атмосферного воздуха, результаты расчетов содержания кислорода и азота. Обосновывают полученные данные.

 

Лабораторная работа № 2