Физико-химические процессы в атмосфере

Цель

Формирование знаний о основных приемах анализа параметров атмосферы

2.Систематизация знаний о физико-химических методах анализа

3.Формирование знаний по оценке современного состояния атмосферы, прогноза изменения её состояния в условиях антропогенного воздействия, разработки мероприятий по снижению уровня воздействия.

Содержание

Структура атмосферы

Физико-химические процессы в атмосфере

Методы анализа, мониторинга атмосферы

Прогноз влияния антропогенного загрязнения на эволюцию атмосферы

Работа с вопросами и расчетными задачами

Формулирование выводов

Требования к умениям бакалавров

Знать

Основные методы анализа, мониторинга атмосферы

Еденицы измерения содержания компонентов атмосферы

Термины

Основные методы снижения поступления примесей в атмосферу

Уметь

Решать задачи по соответствующему разделу

Проводить количественный анализ

Использовать нормативно-техническую документацию

Использовать физико-химические методы при анализе проб воздуха

Контрольные вопросы и задачи.

1. Как меняется спектр солнечного излучения при прохождении через атмосферу Земли? Почему происходят изменения спектра? Приведите уравнения основных реакций.

2. Нарисуйте и объясните зависимость температуры атмосферы от высоты над уровнем моря.

3. Как изменяются содержание основных компонентов атмосферы и давление с изменением высоты?

4. Дайте определение понятий: источники, стоки, время жизни примесей в атмосфере.

5. В каких единицах принято выражать содержание основных и примесных газов в атмосфере?

6. Как меняется содержание озона в атмосфере с изменением высоты над уровнем моря, географической широты, времени года?

7. Можно ли сравнить концентрацию озона, выраженную в единицах Добсона (еД) и в ррт?

8. Что такое «нулевой цикл озона»?

9. Какие процессы приводят к нарушению «нулевого» цикла озона?
Приведите уравнения реакций.

10. Какие процессы приводят к прерыванию хлорного, водородного и азотного циклов, нарушающих «нулевой» цикл озона? Приведите
уравнения реакций.

11. Что такое озоновый слой планеты, что такое «озоновая дыра»?

12. Проанализируйте причины образования «озоновых дыр» над Антарктидой.

13. Каковы основные источники и пути поступления хлорфторуглеводородов и оксидов азота в тропосферу и стратосферу?

14. Как кодируют хлорфторуглеводороды в соответствии с системой, предложенной фирмой Дюпон?

15. Как меняются основные пути стока и время жизни хлорфторуглеводородов в зависимости от их состава?

16. Как менялась концентрация озона в атмосфере в конце 20-го века?

17. Приведите примеры международных соглашений в области сохранения озонового слоя планеты.

18. Почему свободные радикалы, озон и другие окислители, концентрация которых значительно ниже, чем у кислорода, играют основную роль в процессах окисления примесей в атмосферном воздухе?

19. Назовите основные источники образования и стоки гидроксидного
и гидропероксидного радикалов в атмосфере. Приведите уравнения
реакций.

20. Какие причины приводят к возникновению температурных инверсий в тропосфере?

21. Как связаны значения температурного градиента в тропосфере с
устойчивостью атмосферы?

22. Дайте характеристику природных и антропогенных источников поступления соединений серы в атмосферу.

23. Какие процессы приводят к стоку диоксида серы из тропосферы? Каковы особенности процесса глобального переноса соединений
серы?

24. Дайте характеристику стратосферной части атмосферного цикла неорганических соединений серы.

25. Охарактеризуйте источники, масштабы поступления и пути стока
соединений азота в его атмосферном цикле.

26. Каковы особенности поведения гемиоксида азота (N₂O) в атмосфере?

27. Назовите основные источники и оцените масштабы поступления ор­ганических соединений в атмосферу.

28. Приведите схему основных направлений процесса фотохимического
окисления метана и его гомологов.

29. Почему в процессе окисления метана и его гомологов в присутствии
оксидов азота возможно образование озона? Приведите уравнения
реакций.

30. Охарактеризуйте основные условия устойчивости дисперсных систем в атмосфере.

31. Назовите источники аэрозольных частиц и охарактеризуйте аэрозольные частицы в атмосфере по их размерам.

32. Приведите основные методы классификации аэрозолей и функции
распределения аэрозольных частиц по размерам.

33. Назовите сходства и различия условий образования смога в Лондоне
и Лос-Анджелесе.

34. Какие процессы могут протекать при окислении выхлопных газов
автомобилей в атмосферном воздухе? Что такое ПАН? Приведите
уравнения реакций.

35. Какую среднюю температуру можно было бы ожидать на планете в соответствии с данными радиационного баланса? Подтвердите это
расчетом. Почему средняя глобальная температура выше рассчитанных значений?

36. Сравните спектры поступающего на Землю от Солнца и испускаемого Землей излучения со спектрами поглощения молекул диоксида углерода и паров воды.

37. Как менялось содержание диоксида углерода в атмосфере в различные периоды истории Земли?

38. Как изменяется концентрация диоксида углерода в атмосфере в последние двести лет?

39. Что такое «парниковый эффект»? Какие газы вносят заметный
вклад в «парниковый эффект»

40. Какие международные документы направлены на ограничение поступления парниковых газов в атмосферу?

41. Какое влияние оказывает увеличение концентрация аэрозолей в атмосфере на климат планеты?

42. Что такое «ядерная ночь» и «ядерная зима»?

1.Сколько молекул формальдегида присутствует в 1 см³ воздуха если его концентрация достигает значения ПДК 0,035 мг/м³.

2.Во сколько раз скорость связывания атмосферного кислорода в реакции синтеза озона выше чем в реакции разрушения О₃.

3. Во сколько раз ПДК СН₃СООН (0,2 мг/м³) если установилось динамическое равновесие между парами и жидкостью. Парциальное давление СН₃СООН 3 Па. Атмосферное давление 101,3 кПа, температура 25^оС.

Методический инструментарий преподавателя:

-активные формы: фронтальный опрос.

Средства контроля: Тест № (см. фонд оценочных средств)

Содержание внеаудиторной работы бакалавра при подготовке к занятию

1. Владеть содержанием вопросов (по лекции).

2. Законспектировать вопросы Промышленные выбросы в России. Основные биогеохимические циклы в атмосфере и влияние на них деятельности человека

3. Подготовиться к диагностической самостоятельной работе в форме опроса и теста

4. Изучить термины по данной теме

Литература

1. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. - М.: МИР, 2005. - 294 с. (Библиотека УлГПУ)

2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды: учебное пособие для вузов. - Ростов на Дону: Феникс, 2004. - 84 с. (Библиотека УлГПУ)

3. Голицын А.Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды. - М.: ОНИКС, 2010. - 336 с. (Электронный ресурс.- Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/42468)

4. Хентов В.Я. Химия окружающей среды для технических вузов: учеб. пособие. - Ростов на Дону: Феникс, 2005. – 141 с. (Библиотека УлГПУ)

5. Тарасова Н. П. Химия окружающей среды. Атмосфера: учеб. пособие для вузов. - М.: Академ.книга, 2007. - 227 с. (Библиотека УлГПУ).

Лабораторная работа №2 (4 часа)

Определение общей, карбонатной жесткости воды и Рн

Цель

Формирование знаний о основных приемах анализа параметров гидросферы

2. Систематизация знаний о физико-химических методах анализа

3. Формирование знаний по оценке современного состояния отдельных геосфер или их частей, прогноза изменения их состояния в условиях антропогенного воздействия, разработки мероприятий по снижению уровня воздействия на геосферы или их составные части.

Содержание

Проведение анализа воды из раэличных источников

Обработка результатов анализа

Формулирование выводов

Работа с вопросами и расчетными задачами

Требования к умениям бакалавров

Знать

Основы метода комплексонометрии, потенциометрического анализа

Еденицы измерения и факторы жесткости воды

Термины

Основные методы снижения содержания примесей в питьевой воде

Уметь

Решать задачи по соответствующему разделу

Проводить количественный анализ

Использовать физико-химические методы при водоподготовке

1. Приборы и реактивы

Посуда мерная лабораторная стеклянная по ГОСТ 1770 вместимостью: пипетки 10, 25, 50 и 100 см³ без делений; бюретка 25 см³.

Колбы конические по ГОСТ 25336 вместимостью 250-300 см³ , капельница по ГОСТ 25336, трилон Б (комплексон III, двунатриевая соль этилендиамин­тетрауксусной кислоты) по ГОСТ 10652, аммоний хлористый по ГОСТ 3773, аммиак водный по ГОСТ 3760, 25 %-ный раствор, гидроксиламин солянокислый по ГОСТ 5456, кислота лимонная по ГОСТ 3118, натрий сернистый (сульфид натрия) по ГОСТ 2053, натрий хлористый по ГОСТ 4233, спирт этиловый ректификованный по ГОСТ 5962, цинк металлический гранулированный, магний сернокислый – фиксанал, хромоген черный специальный ЕТ-00 (индикатор), хром темно-синий кислотный (индикатор). Все реактивы, используемые для анализа, должны быть квалификации чистые для анализа (ч. д. а.)

Подготовка к анализу

2.1. Дистиллированная вода, перегнанная дважды в стеклянном приборе, используется для разбавления проб воды.

2.2. Приготовление 0,05 н. раствора трилона Б

9,31 г трилона Б растворяют в дистиллированной и доводят до 1 дм3. Если раствор мутный, то его фильтруют. Раствор устойчив в течение нескольких месяцев.

2.3. Приготовление буферного раствора

10 г хлористого аммония (NH₄Cl) растворяют в дистиллированной воде, добавляют 50 см³ 25 %-ного раствора аммиака и доводят до 500 см³ дистиллированной водой. Во избежание потери аммиака раствор следует хранить в плотно закрытой склянке.

2.4. Приготовление индикаторов

0,5 г индикатора растворяют в 20 см³ буферного раствора и доводят до 100 см³ этиловым спиртом. Раствор индикатора хрома темно-синего может сохраняться длительное время без изменения. Раствор индикатора хромогена черного устойчив в течение 10 сут. Допускается пользоваться сухим индикатором. Для этого 0,25 г индикатора смешивают с 50 г сухого хлористого натрия, предварительно тщательно растертого в ступке.

2.5. Приготовление раствора сернистого натрия

5 г сернистого натрия Na₂S × 9H₂O или 3,7 г Na₂S × 5H₂O растворяют в 100 см³ дистиллированной воды. Раствор хранят в склянке с резиновой пробкой.

2.6. Приготовление раствора солянокислого гидрокси­ламина

1 г солянокислого гидроксиламина NH₂OH × HCl растворяют в дистиллированной воде и доводят до 100 см³.

2.7. Приготовление 0,1 н. раствора хлористого цинка.

Точную навеску гранулированного цинка 3,269 г растворяют в 30 см³ соляной кислоты, разбавленной 1:1. Затем доводят объем в мерной колбе дистиллированной водой до 1 дм³. Получают точный 0,1 н. раствор. Разведением этого раствора вдвое получают 0,05 н. раствор. Если навеска неточная (больше или меньше чем 3,269), то рассчитывают количество кубических сантиметров исходного раствора цинка для приготовления точного 0,05 н. раствора, который должен содержать 1,6345 г цинка в 1 дм³.

2.8. Приготовление 0,05 н. раствора сернокислого магния

Раствор готовят из фиксанала, прилагаемого к набору реактивов для определения жесткости воды и рассчитанного на приготовление 1 дм³ 0,01 н раствора. Для получения 0,05 н. раствора содержимое ампулы растворяют в дистиллированной воде и доводят объем раствора в мерной колбе до 200 см³.

2.9. Установка поправочного коэффициента к нормальности раствора трилона Б

В коническую колбу вносят 10 см³ 0,05 н. раствора хлористого цинка или 10 см3 0,05 н. раствора сернокислого магния и разбавляют дистиллированной водой до 100 см³. раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке. Окраска должна быть синей с фиолетовым оттенком при прибавлении индикатора хрома темно-синего и синей с зеленоватым оттенком при прибавлении индикатора хромогена черного.

Титрование следует проводить на фоне контрольной пробы, которой может быть слегка перетитрованная проба. Поправочный коэффициент (К) к нормальности раствора трилона Б вычисляют по формуле

Прибавляют 5 см³ буферного раствора, 5-7 капель индикатора и титруют при сильном взбалтывании

,

где v - количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, см³.

Проведение анализа

3.1. Определению общей жесткости воды мешают: медь, цинк, марганец и высокое содержание углекислых и двууглекислых солей. Влияние мешающих веществ устраняется в ходе анализа.

Погрешность при титровании 100 см³ пробы составляет 0,05 моль/м³.

В коническую колбу вносят 100 см³ отфильтрованной испытуемой воды или меньший объем, разбавленный до 100 см³ дистиллированной водой. При этом суммарное количество вещества эквивалента ионов кальция и магния во взятом объеме не должно превышать 0,5 моль. Затем прибавляют 5 см³ буферного раствора, 5-7 капель индикатора или приблизительно 0,1 г сухой смеси индикатора хромогена черного с сухим натрием и сразу же титруют при сильном взбалтывании 0,05 н. раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке (окраска должна быть синей с зеленоватым оттенком).

Если на титрование было израсходовано больше 10 см³ 0,05 н. раствора трилона Б, то это указывает что в отмеренном объеме воды суммарное количество вещества эквивалента ионов кальция и магния больше 0,5 моль. В таких случаях следует определение повторить, взяв меньший объем воды и разбавив его до 100 см³ дистиллированной водой.

Нечеткое изменение окраски в эквивалентной точке указывает на присутствие меди и цинка. Для устранения влияния мешающих веществ к отмеренной для титрования пробе воды прибавляют 1-2 см³ раствора сульфида натрия, после чего проводят испытание, как указано выше.

Если после прибавления к отмеренному объему воды буферного раствора и индикатора титруемый раствор постепенно обесцвечивается, приобретая серый цвет, что указывает на присутствие марганца, то в этом случае к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов следует прибавить пять капель 1 %-ного раствора солянокислого гидроксиламина и далее определить жесткость, как указано выше.

Если титрование приобретает крайне затяжной характер с неустойчивой и нечеткой окраской в эквивалентной точке, что наблюдается при высокой щелочности воды, ее влияние устраняется прибавлением к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов 0,1 н. раствора соляной кислоты в количестве, необходимом для нейтрализации щелочности воды, с последующим кипячением или продуванием раствора воздухом в течение 5 мин. После этого прибавляют буферный раствор, индикатор и далее определяют жесткость, как указано выше.

Обработка результатов

4.1. Общую жесткость воды (Х), моль/м³, вычисляют по формуле

,

где v - количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, см³;

К - поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б;

V - объем воды, взятый для определения, см³.

Расхождение между повторными определениями не должно превышать 2 отн. %.