Файл18 - Севастопольская морская академия

Севастопольская морская академия
Кафедра «Судовождения и безопасности мореплавания»
Методические указания
по выполнению практического занятия №5
Основные компоненты и источники техногенного
загрязнения атмосферы.
по дисциплине «Экология»
для студентов очной формы обучения
направления/специальности 26.05.05 «Судовождение»
Севастополь-2014 г.
Методические
указания
разработаны
на
основе
ФГОС
по
специальности 26.05.05 «Судовождение».
Методические указания по проведению практического занятия №5
«Основные компоненты и источники техногенного загрязнения атмосферы»
по учебной дисциплине « Экология» составил профессор, доктор
географических наук, профессор кафедры «Судовождения и безопасности
мореплавания» Холопцев Александр Вадимович.
Севастополь, Севастопольская морская академия, 2014г.,
23
страниц.
Методические
указания
по проведению практических занятий
рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Судовождения и
безопасности мореплавания «14» июля 2014 г., протокол № 1 .
Зав.кафедрой “ Судовождения и безопасности мореплавания”
доктор технических наук
Кулагин В.В.
Рекомендовано к использованию в учебном процессе. Протокол
заседания учебно-методического совета № __________ от «___»___________
2014 года
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель и основные задания практического занятия
2. Список вопросов для входного контроля знаний студентов
3. Правильные ответы на поставленные вопросы
4. Основные положения теории. Основные компоненты
и источники техногенного загрязнения атмосферы.
4
4
4
5. Темы для докладов студентов
22
6. Порядок проведения занятия
Рекомендованная литература
22
23
5
1. Цель и основные задания практического занятия .
Целью данного практического занятия является закрепление знаний,
полученных студентами на лекции по дисциплине «Экология» №5.
Для достижения указанной цели студент должен выполнить следующие
основные задания:
- повторить лекционный материал, посвященный основным компонентам и
источникам техногенного загрязнения атмосферы;
- подготовить и доложить реферат по одной из рекомендованных тем.
2. Список вопросов для входного контроля знаний студентов.
2.1. Какие газы являются основными компонентами химического
техногенного загрязнения атмосферы?
2.2. Какие аэрозоли являются основными компонентами химического
загрязнения атмосферы?
2.3. Может ли образовываться угарный газ при горении органики в
воздухе с нормальным содержанием кислорода?
2.4. Как соотносятся между собой плотности воздуха и СО?
2.5. Почему при дыхании воздухом, в котором много кислорода и
много СО человек погибает?
2.6. Почему при сгорании органического топлива образуется
сернистый ангидрид?
2.7. Почему дыхание воздуха, содержащего много сернистого
ангидрида опасно для здоровья?
2.8. Что такое сульфатация?
2.9. Можно ли есть фрукты непосредственно после сульфатации?
2.10. Как надо обработать такие фрукты, чтобы они стали съедобными?
3. Правильные ответы на поставленные вопросы.
3.1. Угарный газ, оксид и диоксид азота, а также сернистый ангидрид.
3.2. Триоксид серы.
3.3. Может, если температура пламени выше +400оС.
3.4. Угарный газ менее плотен.
3.5. СО в крови связывает гемоглобин и кровь не может переносить
кислород к тканям и органам.
3.6. Потому что сера всегда входит в состав органики.
3.7. Сернистый ангидрид, попав во влажные среды полостей
организма, превращается в сернистую кислоту, которая далее
превращается в серную кислоту и сильно раздражает эпителии.
Кроме того сера в достаточных концентрациях токсична.
3.8. Сульфатация – технология обеспечения сохранности при
длительной перевозке в трюме скоропортящихся фруктов, которая
состоит в искусственном введении и в них сернистого ангидрида,
что убивает микроорганизмы.
3.9. Нет, это опасно для здоровья(можно умереть).
3.10. Их надо подержать 5-6 минут в горячей воде.
4. Основные положения теории об основные компоненты и источники
техногенного загрязнения атмосферы.
Воздух, содержащийся в приземном слое Земной атмосферы, является
важнейшим компонентом среды обитания всех наземных видов живых
существ, обитающих на нашей планете. Он участвует в происходящем в их
организмах обмене веществ и поддерживает дыхание аэробов, обеспечивает
относительно стабильные климатические условия и принимает участие в
формировании и разрушении почв, а также многих других процессах, без
которых жизнь на материках Земли была бы невозможна.
Сведения о содержании в современной атмосфере некоторых, наиболее
распространенных в ней газов приведены в таблице 1.
Таблица 1 Основные ингредиенты, содержащиеся в
воздухе
Газ
Объемная
Газ
Объемная
Газ
концентрация
концентрация
%
%
Азот
78,084
Кислород 20,946
Аргон
Водяной 0.5-4
Диоксид 0,0387
Неон
пар
углерода
−4
Гелий
4,6×10
Метан
1,7×10−4
Криптон
атмосферном
Водород 5×10−5
8,7×10−6
Закись
азота
5×10−5
Ксенон
Объемная
концентрация
%
0.932
1,818×10−3
1,14×10−4
Как видим из таблицы 1, основными газообразными компонентами
современной земной атмосферы являются азот и кислород, образовавшиеся в
процессе жизнедеятельности фото- и хемосинтезирующих организмов,
аргон- продукт радиоактивного распада К40, а также входившие в состав
первичной атмосферы водяной пар и диоксид углерода. Объемные
концентрации прочих газов в ней существенно меньше, тем не менее, и они
играют важную роль в развитии биосферы, участвуя в формировании
парникового эффекта, реакциях, приводящих к образованию кислот и многих
других соединений, а также защищая ее от опасных составляющих
ультрафиолетовой радиации.
Существенно меньше содержание в атмосфере различного рода
аэрозолей, которые, благодаря своему весьма разнообразному составу и
свойствам, также значимо влияют развитие всех видов наземных организмов
и формирование климата и ландшафтов многих регионов нашей планеты.
Содержание в атмосфере региона любого ее компонента определяется
динамикой его баланса, приходную часть которого формируют потоки,
поступающие из различных природных и антропогенных источников, в том
числе с поверхности гидросферы, литосферы и из соседних регионов.
Расходную часть его баланса образуют встречные потоки, обусловленные его
химическим и биологическим потреблением, превращением в другие
вещества, а также осаждением на земную поверхность и выносом за пределы
региона. На состав воздуха в приземном слое атмосферы над отдельными ее
участками значимо влияют также различные процессы переноса веществ в
атмосфере (как по горизонтали, так и по вертикали).
Вследствие существенной пространственно-временной изменчивости
факторов, влияющих на состав воздуха у земной поверхности, концентрации
любых его компонентов всюду в той или иной степени зависят от времени.
Эта степень для каждого вещества определяется соотношением между
амплитудами изменений различных составляющих его баланса и его
средним содержанием в воздухе. Она тем меньше, чем меньше данное
соотношение. Именно поэтому в наименьшей мере изменяются концентрации
веществ, содержащихся в атмосфере в наибольших количествах - азота,
кислорода, аргона и диоксида углерода, вследствие чего их принято относить
к компонентам ее постоянного состава.
Наиболее
ощутима
пространственно-временная
изменчивость
компонентов атмосферы, содержания которых в ней невелики. Тем не менее,
в процессе эволюции все существующие на планете наземные виды живой
материи приспособились к ее особенностям. Каждый из них выработал
способность успешно развиваться, если изменения концентраций в воздухе
компонентов его состава не выходят за пределы соответствующих диапазонов
толерантности .
Если концентрации в воздухе некоторого вещества выходят за пределы
диапазона толерантности, соответствующего какого либо виду организмов, на
развитие этого вида начинает оказываться ингибирующее действие. При этом
какие либо ограничения в развитии прочих видов отсутствуют. Более того,
подобная ситуация создает для них ощутимые преимущества в межвидовой
конкуренции, стимулирует развитие и приводит к расширению их ареалов.
Если ингибируемый вид в соответствующей экосистеме не является
доминирующим, значимого экологического ущерба при этом чаще всего не
возникает.
Тяжкие экологические последствия могут иметь место лишь в случаях,
когда изменение концентраций в воздухе каких либо его компонентов
выходит за пределы толерантности доминирующих видов. При этом в
сообществе возникают процессы адаптации большинства образующих его
популяций к новым особенностям окружающей среды, что может порождать
заметные изменения его структуры и характеристик. В том числе в нем
может произойти «революция» - смена доминирующего вида. Значительные
изменения могут произойти в особенностях взаимодействия биотических
компонентов такой экосистемы ее абиотическими компонентами. Благодаря
существованию положительных обратных связей, это может привести к
дальнейшему увеличению экологического ущерба.
Происходящие в современном Мире природные процессы и
человеческая деятельность все чаще приводят к изменениям состава
воздушной среды, выходящим за пределы диапазонов толерантности многих
существующих в нем видов. Это не только ингибирует их развитие и
вызывает смещения границ их ареалов, но приводит к их вымиранию (что
уменьшает биоразнообразие и снижает устойчивость биосферы к
воздействию различного рода внешних факторов). Вследствие подобных
явлений возникают опасные перемены климата большинства регионов
планеты, ухудшаются состояния здоровья их населения и таких важнейших
компонентов их ландшафтов, как водные объекты, а также почвы.
Учитывая опасность упомянутых процессов, необходимость снижения
их темпов, а в перспективе и остановки, является бесспорной. Вследствие
этого исследования, направленные на совершенствование методов оценки
экологического ущерба, возникающего в результате различных изменений
состава воздуха в приземном слое атмосферы, а также разработку
технологий, способствующих
его снижению, ныне относятся к
приоритетным направлениям развития Прикладной Экологии. По той же
причине опасные изменения концентраций в приземном воздухе таких
компонентов, как химически инертные частицы аэрозоля, принято называть
механическим загрязнением воздуха. Аналогичные явления, обусловленные
изменениями концентрации газообразных веществ и химически активных
частиц аэрозолей, обозначают термином химическое загрязнение воздуха.
Наряду с механическим и химическим, принято рассматривать и такие
классы загрязнения воздуха, как физическое, а также биологическое.
Физическим (параметрическим) загрязнением воздушной среды
называется изменение
ее физических характеристик (температуры,
атмосферного давления, скорости и направления ветра и др.). Физическое
загрязнение возникает вследствие изменения параметров воздействующих на
воздух нее потоков излучения – электромагнитного (всех диапазонов),
акустического и др., а также различных веществ (парниковых газов,
радионуклидов и др.).
Различают следующие виды физического (параметрического)
загрязнения воздуха:
- тепловое, проявляющееся в изменениях распределения температур
приземного слоя атмосферы вследствие соответствующей динамики
приходной или расходной составляющих его теплового баланса;
световое - изменение естественной освещенности местности;
акустическое (шумовое) - изменение распределений характеристик
присутствующих в приземном слое атмосферы акустических полей;
электромагнитное
- изменение распределений характеристик
электромагнитных полей в диапазоне радиоволн (от сверхдлинных до
сверхвысокочастотных);
радиоактивное – изменения радиационного фона.
Причинами теплового загрязнения воздушной среды могут являться
изменения:
- радиационного баланса постилающей поверхности;
- характеристик парникового эффекта;
- параметров выбросов в атмосферу нагретых газов;
К причинам светового загрязнения воздушной среды относятся
изменения:
- значений ее коэффициента прозрачности ;
- характеристик поступающих в нее из различных источников световых
потоков;
- свойств подстилающей поверхности, влияющих на величину ее
альбедо ;
Акустическое загрязнение приземного слоя атмосферы может быть
вызвано изменениями:
- поля скорости звука в этом слое, а также расположенных над ним
слоях атмосферы (влияющего на явления рефракции акустических волн) ;
- характеристик источников поступающих в него акустических
колебаний ;
- свойств подстилающей поверхности, влияющих на величины
коэффициентов поглощения и рассеяния ею акустических волн ;
Электромагнитное загрязнение приземного слоя атмосферы может
быть вызвано:
- магнитными бурями ;
- работой радиолокационных и радиопередающих станций, линий
электропередач, электротранспорта, трансформаторных подстанций и других
мощных электроустановок ;
Радиоактивное загрязнение воздуха у земной поверхности может быть
обусловлено изменениями активности содержащихся в нем и на
соответствующей территории
радионуклидов, а также характеристик
влияющих на него источников ионизирующих излучений .
Биологическое загрязнение приземного слоя атмосферы это изменение
содержания в нем различных живых существ (микроорганизмов, насекомых,
птиц) . Примером подобного явления может служить появление в воздухе над
некоторой
территорией
мигрирующих
скоплений
бесконтрольно
расплодившейся саранчи.
Несмотря на несомненную актуальность проблемы защиты атмосферы
от физических и биологических загрязнений, наибольший интерес
представляют вопросы ее защиты от механических и химических
загрязнений.
Оксид углерода (II).
Одним из основных компонентов химического загрязнения воздушной
среды является оксид углерода (II) (он же моноксид углерода, угарный газ) –
СО .
Данное вещество в нормальных условиях представляет собой газ,
который не имеет цвета, вкуса и запаха, а также легче воздуха. Молекула CO
характеризуется сильной связью между входящими в ее состав атомами. Ее
строение можно описать формулой :
C≡O:,
причём третья связь образована по донорно-акцепторному механизму,
где углерод является акцептором электронной пары, а кислород — донором.
Данная молекула слабо поляризована, электрический момент её диполя μ =
0,04×10−29Кл·м (направление дипольного момента O− → C+).
Ионизационный потенциал 14,0 в, силовая константа связи k = 18,6..
При концентрациях в воздухе от 12,5 до 74 % угарный газ
взрывоопасен.
Оксид углерода СО образуется, в основном, при процессах горения,
имеющих природное или антропогенное происхождение:
- при горении углерода или соединений на его основе (например,
бензина) в условиях недостатка кислорода:
2C + O2 → 2CO↑
(тепловой эффект этой реакции 220 кДж);
- при восстановлении диоксида углерода раскалённым углём:
CO2 + C ↔ 2CO↑
(ΔH=172 кДж, ΔS=176 Дж/К).
Некоторое количество СО образуется в почвах, как биологическим
путём, так и небиологическим. Днем выброс в атмосферу СО из почв и его
содержание в приземном слое атмосферы увеличивается, а ночью его
содержание в нем уменьшается, поскольку в это время преобладает реакция:
CO  O3  CO2  O2
Основную роль в биологическом образовании СО в почвах играют
микроорганизмы, которые участвуют также в процессах его окисления.
В избыточно увлажненных почвах, с пониженными значениями pH,
преобладает биологическое потребление СО, а в недостаточно увлажненных
почвах, с повышенными значениями pH - его биологическое образование.
Поэтому угарный газ из почв выделяется преимущественно в степных и
полупустынных регионах, создавая над ними локальные максимумы своей
концентрации. Способствует увеличению данной составляющей потока СО в
атмосферу с территорий степной зоны Украины развитие на них водноэрозионных процессов, приводящих к опустыниванию. Участвуют в
биологическом образовании СО также растения в период вегетации .
СО является также компонентом вулканических газов. Так, в составе
газов, выделяющихся при извержении вулкана Килауэа (Гавайи) СО2
составляет от 30 до 74%, а СО- от 3.5 до 5.6%. Поскольку угарный газ не
растворим в воде, некоторое его количество поступает в атмосферу и с
поверхности Мирового океана, при извержениях подводных вулканов. В
составе газов, извергаемых грязевыми вулканами
СО практически
отсутствует.
Некоторое количество СО образуется непосредственно в атмосфере
городов, где это вещество является продуктом цепочек реакций с участием
метана и других углеводородов (в первую очередь, изопрена). Монооксид
углерода здесь находится в быстром круговороте: среднее время его
пребывания составляет около 0,1 года .
Особенности антропогенных источников загрязнения атмосферы СО
рассмотрены в главах 5 и 6 данного учебного пособия. Среди этих
источников наиболее существенными являются:
- двигатели внутреннего сгорания автомобилей;
- металлургические предприятия;
- тепловые электростанции и котельные;
- индивидуальные отопительные системы.
Суммарные потоки CO, поступающие в атмосферу от природных и
антропогенных источников, ныне приблизительно одинаковы.
Наибольшую опасность для человека представляют такие источники
СО, как пожары, неисправные и неправильно эксплуатируемые бытовые
отопительные системы, а также автомобили с двигателями, работающими в
замкнутых помещениях.
Основной процесс в атмосфере, приводящий к удалению из воздуха
CO — окисление его гидроксилом ОН до диоксида углерода :
CO + 2 ОН = CO2+ Н2О.
Основными типами химических реакций, в которых участвует
монооксид углерода, являются реакции присоединения и окислительновосстановительные реакции, в которых он проявляет восстановительные
свойства.
СО активно реагирует с атомарным хлором и радикалами ОН.
Вследствие этого при увеличении его содержания в стратосфере,
уменьшается реакционные потоки данных веществ, участвующих в
каталитических циклах разрушения озона. Как результат, возрастает и ОСО.
Всего на нашей планете в год образуется примерно 1,4 *10 9 т угарного
газа. 0.8 *109 т – в Северном полушарии и 0.6*109 т – в Южном полушарии.
Поэтому в земной атмосфере СО сосредоточено в основном в северном
полушарии. Наиболее изменчиво его среднее содержание в воздухе над
Южным полушарием. Максимальные значения его концентрации в
приземном слое атмосферы отмечаются в зоне между 30-40-ми параллелями
Северного полушария, а минимальные значения в зоне между 50 и 60
параллелями Южного полушария. Причинами этого являются особенности
общей циркуляции тропосферы (преобладание в зоне между 30 и 40параллелями нисходящих, а в зоне между 50 и 60 - ми параллелями –
восходящих движений воздуха), а также распределения по земной
поверхности его источников (наибольший поток СО поступает в атмосферу
из зоны Северного полушария, заключенной между 40-50 параллелями).
Концентрация СО с увеличением высоты уменьшается, достигая
минимума на высоте 40 км. Причиной этого является потребление СО в ходе
его реакций с ОН и атомарным хлором в озоновом слое. На высотах более 50
км концентрация угарного газа в воздухе возрастает, поскольку на них все
ощутимее становится фотолиз СО2 .
Несмотря на то, что угарный газ не является парниковым, увеличение
его содержания в тропосфере способствует усилению парникового эффекта.
Происходит это потому, что СО реагирует с атомарным кислородом, что
приводит к его превращению в СО2 и уменьшает интенсивность окисления в
воздухе метана (СН4) .
При комнатных температурах CO малоактивен. Его химическая
активность значительно повышается при нагревании и в растворах (так, в
растворах он восстанавливает соли золота (Au), платины (Pt), и другие, до
металлов даже
при комнатной температуре). При нагревании CO
восстанавливает и другие металлы, например CO + CuO → Cu + CO2↑. Это
широко используется в пирометаллургии .
По своим восстановительным свойствам СО похож на молекулярный
водород. При температурах ниже 830 °C более сильным восстановителем
является CO, — при более высоких — водород. Поэтому равновесие реакции:
H2O + CO ↔ CO2 + H2 + 42 кДж,
до 830 °C смещено вправо, выше 830 °C влево .
Существуют бактерии, способные за счёт окисления СО, получать
необходимую им для жизни энергию [71].
Температура воспламенения угарного газа в воздухе +700 °C:
CO + 1/2O2 → CO2 ;
В результате выделения тепла температура
горения CO может
повышаться и достигать 2100 °C. При достаточно высоких концентрациях
угарного газа в воздухе, реакция его горения является цепной, причём
инициаторами
служат
небольшие
количества
водородсодержащих
соединений (вода, аммиак, сероводород и др.). Благодаря своей теплотворной
способности, моноксид углерода применяется в технике как компонент
топливных газовых смесей.
Оксид углерода (II) применяется, не только в металлургии, но и в
пищевой промышленности - для обработки мяса животных и рыбы. Это
придает мясу ярко красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса.
Допустимая концентрация CO в мясе равна 200 мг/кг мяса .
Угарный газ - вещество, относящееся к IV классу опасности. Для него
установлены значения ПДК максимально разового (ПДКм.р.= 5 мг/м3),
среднесуточного (ПДКс.с. = 3 мг/м3), а также в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.
= 2 мг/м3) [2].
Отравляющее воздействие моноксида углерода зависит от его
количества и продолжительности вдыхания.
Концентрация СО в воздухе <0,005% - опасности для здоровья не
представляет.
При концентрации СО в воздухе от 0,005% до 0,010% - через несколько
часов у человека возникают несильные головные боли.
Концентрация СО в воздухе от 0,010% до 0,050% -вызывает через
несколько часов появление у человека
сильных головных болей,
головокружения, и потерю сознания.
При содержании 0,08 % СО во вдыхаемом воздухе человек практически
сразу чувствует головную боль и удушье.
Дыхание воздухом, в котором концентрация СО 0,1-0,2% - приводит к
смерти человека через 60 - 30 минут.
Концентрация СО в воздухе 0,3-0,5% вызывает уже через несколько
минут смерть вследствие паралича дыхания и сердечной недостаточности.
При концентрации СО выше 1,2 % сознание теряется после 2-3 вдохов,
человек умирает менее чем через 1-3 минуты .
Токсическое действие монооксида углерода основано на том, что он,
поступая через легкие в кровь, связывается с ее гемоглобином прочнее и в
200—300 раз быстрее, чем кислород (при этом образуется
карбоксигемоглобин). Таким образом, угарным газом блокируются процессы
транспортировки кислорода и клеточного дыхания .
Люди особенно подвержены отравлению СО в закрытых помещениях.
Пассивное вдыхание сигаретного дыма способствует отравлению некурящих;
это особенно опасно для детей и беременных женщин.
Отравление людей СО возможно :
при пожарах;
в замкнутых производственных помещениях, где угарный газ
используется для синтеза ряда органических веществ (ацетон, метиловый
спирт, фенол и т. д.);
- в гаражах при плохой вентиляции, в других непроветриваемых или
слабо проветриваемых помещениях, туннелях, так как в выхлопе автомобиля
содержится до 1-3 % СО по нормативам и свыше 10 % при плохой
регулировке карбюраторного мотора;
- при длительном нахождении на оживленной автостраде или рядом с
ней;
- в домашних условиях при утечке светильного газа и при
несвоевременно закрытых печных заслонках в помещениях с печным
отоплением (дома, бани);
- при использовании некачественного воздуха в дыхательных
аппаратах.
Выраженность и характер симптомов отравления СО отличаются в
зависимости от индивидуальных особенностей организма, а также от степени
физической активности человека, интенсивности обменных процессов и
общего состояния здоровья перед отравлением. Дифференциация
клинических симптомов настолько велика, что практически отсутствуют
органические изменения, которые бы нельзя было связать с отравлением
угарным газом. Моментальная смерть при отравлении наступает, как
правило, по причине нарушения функций сердечной деятельности.
Ткань сердечной мышцы наиболее чувствительна к недостаточному
снабжению кислородом, которое провоцирует угарный газ. Нарушениям
работы сердца предшествуют расстройства деятельности головного мозга.
Тяжелые отравления приводят к падению артериального давления, аритмий
сердца, которая может быть причиной быстрой смерти.
Измененные сосуды не способны расшириться, чтобы обеспечить
надлежащий ток крови, поэтому даже при незначительном отравлении
угарным газом могут наступить сердечная астма и инфаркт миокарда.
Неврологические симптомы отравления сочетаются с нарушениями
ориентации, токсической комой, повышением или понижением тонуса мышц.
Компьютерная томография показывает изменения в некоторых подкорковых
процессах. При отравлении СО происходит корковая и подкорковая атрофии
головного мозга.
Как правило, проявляются следующие симптомы:
При лёгком отравлении: - головная боль, стук в висках,
головокружение, боли в груди, сухой кашель, слезотечение, тошнота и рвота.
Возможны также зрительные и слуховые галлюцинации, покраснение
кожных покровов, покраснение слизистых оболочек, тахикардия, повышение
артериального давления.
При отравлении средней тяжести дополнительно проявляются:
сонливость, возможен двигательный паралич при сохраненном сознании.
При тяжёлом отравлении: потеря сознания, коматозное состояние,
судороги, непроизвольное отхождение мочи и кала, нарушение дыхания,
которое становится непрерывным, иногда типа Чейна-Стокса, расширение
зрачков с ослабленной реакцией на свет, резкий цианоз (посинение)
слизистых оболочек и кожи лица.
Смерть обычно наступает на месте происшествия в результате
остановки дыхания и падения сердечной деятельности .
Для того, чтобы в повседневной жизни, чтобы избежать отравления
угарным газом запрещается :
1.Находиться долго в ванной комнате при включенной газовой колонке,
если она находится там, например, наполнять ванну водой, находясь в ней,
читать, курить, засыпать в ванне.
2. Допускать пользование горячей водой в кухне, если кто-нибудь
находится в ванной комнате, а общая колонка также размещена в ванной.
3. Обогревать квартиру с помощью газовой плиты (духовки или всех
включенных конфорок).
4. Варить, жарить и печь при одновременной работе всех 4—5
включенных конфорок газовой плиты.
5. Обогревать помещение с помощью печи, в которой есть щели.
6. Закрывать заслонку печи, пока еще идет процесс горения.
7. Растапливать печь на ночь (без контроля).
8. Заниматься починкой автомобиля в гараже при включенном моторе и
закрытых окнах и двери.
9. Курить, лежа в кровати (можно заснуть, не погасив сигарету, что
станет причиной пожара и отравления угарным газом).
10. Принимать ванну, стирать, готовить в состоянии алкогольного
опьянения (выкипание воды, сгорание пищи, отравление оксидом углерода).
11. Отвлекаться на другие дела во время приготовления пищи.
12. Заниматься самостоятельно (без привлечения профессиональной
помощи) ремонтом газовых и вентиляционных устройств.
Чтобы избежать отравления рекомендуется[81]:
1. Как минимум 1 раз в 3 месяца проверять исправность вентиляции в
кухне и ванной комнате (например, с помощью листа бумаги, свечи).
2. Как минимум раз в году пользоваться услугами профессионального
контроля состояния газовой колонки и плиты.
3. Если вода нагревается при помощи газовой колонки, каждый член
семьи должен сообщать о своем намерении принять ванну.
4. Требовать, чтобы коммунальная служба раз в два года проводила
профилактический осмотр дымохода.
5. Регулярно проветривать квартиру.
При отравлении угарным газом необходимо :
• вывести (вынести) отравленного человека из атмосферы, насыщенной
оксидом углерода;
• проверить у потерявшего сознание человека проходимость
дыхательных путей (очистить ротовую полость от выделений, мокроты,
рвотных масс);
• потерявшего сознание человека уложить на бок в безопасной позе,
следить, чтобы голова не была запрокинута;
• дать пострадавшему кислород (обеспечить доступ свежего воздуха,
открыть окно);
• при отсутствии дыхания произвести искусственное дыхание;
• при отсутствии сердечной ритмической деятельности — непрямой
массаж сердца;
• вызвать скорую медицинскую помощь.
Первая помощь :
Вынести пострадавшего из помещения с высоким содержанием
угарного газа. Если отравление произошло при использовании дыхательного
аппарата, его следует заменить.
При слабом поверхностном дыхании или его остановке начать
искусственное дыхание. Больные с тяжёлым отравлением подлежат
госпитализации, так как возможны осложнения со стороны лёгких и нервной
системы в более поздние сроки.
Способствуют ликвидации последствий отравления: растирание тела,
прикладывание грелки к ногам, кратковременное вдыхание нашатырного
спирта (тампон со спиртом должен находиться не ближе, чем 1 см, тампоном
нужно помахивать перед носом что очень важно, так как при прикосновении
тампона к носу из-за мощного воздействия нашатырного спирта на
дыхательный центр может наступить его паралич) .
СO очень слабо поглощается активированным углём обычных
фильтрующих противогазов, поэтому для защиты от него применяется
специальный фильтрующий элемент (он может также подключаться
дополнительно к основному) — гопкалитовый патрон .
Обычный способ защиты — использование изолирующего
дыхательного аппарата.
Диоксид серы
К числу важнейших химических загрязнителей приземного слоя
атмосферы относится также сернистый ангидрид. Это вещество под
названием "паров горящей серы" известно людям как минимум со времен
Гомера. Оно появлялось в воздухе при религиозных обрядах, в ходе которых
производилось курение со сжиганием серы. При изучении его свойств погиб
знаменитый естествоиспытатель Древнего Рима Плиний Старший. Однако
собрать "пары горящей серы" в сосуд и в чистом виде изучить их свойства
удалось впервые лишь Дж. Пристли .
В нормальных условиях сернистый ангидрид представляет собой
бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички).
Плотность сернистого газа в два с лишним раза выше, чем у воздуха. При
температуре—10°С и нормальном атмосферном давлении он сгущается в
жидкость. Под давлением сернистый ангидрид переходит в жидкое состояние
даже при комнатной температуре. В одном литре воды при 0°С и нормальном
атмосферном давлении растворяется 80 л SO2, а при +20°С — 40 л. ( 100 г
воды способны растворить 11,5 г сернистого ангидрида). Растворимость
данного вещества в воде
снижается с ростом температуры. При
растворении SO2 в воде образуется нестойкая сернистая кислота .
SO2 — один из основных компонентов вулканических газов,
природными источниками которого являются также пожары, в которых
сгорают углеводороды .
Большое количество диоксида серы образуется при сжигании
углеводородного (в основном твердого) топлива. Поскольку количество
подобного топлива, применяемого в городах, неуклонно сокращается, в
последние десятилетия практически всюду проявляются тенденции к
уменьшению его выбросов в воздушную среду. Уменьшается и суммарное
содержание этого вещества в приземном слое земной атмосферы. В этом
нетрудно убедиться из рисунка 1, на котором представлены зависимости
среднегодовых концентраций SO2 в указанном слое, а также его суммарных
выбросов в него, от времени .
Рисунок 1 – Изменения среднегодовых концентраций SO2(q) в
приземном слое земной атмосферы и его выбросов (М ) в 1990–2006 гг..
Из рисунка 1 видно, что как суммарные выбросы SO2, так и
среднегодовые концентрации в воздухе приземного слоя атмосферы за
рассматриваемый период устойчиво сокращались. При этом нетрудно
заметить, что соответствующие зависимости от времени коррелированы.
SO2 токсичен. Один из основных путей его поступления в организм –
респираторный. Отравления им могут возникать во время обжига серных руд
(при получении серной кислоты) на медеплавильных заводах, при сжигании
содержащего серу топлива в кузницах, котельных, на суперфосфатных
заводах, тепловых электростанциях и т. п.
В лёгких случаях отравления сернистым ангидридом появляются
кашель, насморк, слезотечение, чувство сухости в горле, осиплость, боль в
груди; при острых отравлениях средней тяжести, кроме того, головная боль,
головокружение, общая слабость, боль в подложечной области; при осмотре
— признаки химического ожога слизистых оболочек дыхательных путей.
Длительное воздействие Сернистого ангидрида может вызвать
хроническое отравление. Оно проявляется атрофическим ринитом,
поражением зубов, часто обостряющимся токсическим бронхитом с
приступами удушья. Возможны поражение печени, системы крови, развитие
пневмосклероза. При вдыхании сернистого газа в более высокой
концентрации может возникнуть удушье, расстройство речи, затруднение
глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких, смерть. Учитывая это,
концентрации в воздухе SO2 нормируются.
Для этого вещества установлены :
ПДК с.с. (среднесуточная) — 0.15 мг/м3.
ПДК м.р.(максимально-разовая) — 0,5 мг/м³.
ПДК р.з. ( в воздухе рабочей зоны) — 1,0 мг/м3.
Люди по-разному реагируют на двуокись серы. Некоторые
безболезненно переносят до 4 г сульфита в день (т.е. примерно 50 мг на 1 кг
массы тела), а другие уже после приема очень малых количеств жалуются на
головные боли, тошноту, понос или ощущение тяжести в желудке .
Присутствие в свежем мясе и мясопродуктах сульфитов – солей
сернистой кислоты тормозит развитие в них бактерий. Сернистая кислота
стабилизирует также окраску мяса. В результате у потребителя может
сложиться обманчивое впечатление о его свежести. Поэтому в настоящее
время во многих странах присутствие сернистой кислоты в мясе
рассматривается как попытка фальсификации и обмана покупателя.
Сернистую кислоту, тем не менее, используют, как антибактериальное
средство, промежуточный консервант, во многих продуктах из фруктов. Её
применяют для сохранения целых и дроблёных фруктов (используемых для
дальнейшей переработки), сухофруктов, фруктовых соков (используемых как
сырьё), концентратов фруктовых соков, фруктовых пульп и фруктовых пюре.
При этом в атмосферу SO2 помещают подобное сырье или полуфабрикаты
(этот процесс называют сульфатацией). Диоксид серы способен оказывать на
них консервирующее действие, также замедляя образование меланоидинов.
Кроме антимикробной роли сернистая кислота при сульфатации
выполняет и другие функции защиты — от окислительных (ферментативных
и неферментативных) реакций побурения, других реакций окрашивания, от
разрушения витаминов. Необходимая в этих случаях концентрация сернистой
кислоты часто выше концентрации, которая требуется для защиты от
микроорганизмов. На практике (в зависимости от вида продукта) добавляют
от 0,01 до 0,2% SO2, а в отдельных случаях и более .
Удаляют из сульфатированных продуктов
SO2 в процессе их
переработки при нагревании или вакуумировании (данная процедура
называется десульфатацией). В конечном продукте после десульфатации
остаточное количество сернистого редко превышает 0,01 %, (чаще оно
значительно ниже).
Сернистую кислоту применяют также при производстве соков. Её
добавляют к свеже-выдавленному соку для замедления роста уксуснокислых
бактерий, диких дрожжей и плесневых грибов. Культурные дрожжи при
правильной обработке сернистым газом не погибают; поэтому добавление его
к соку обеспечивает быстрое и гарантированное брожение. Кроме того,
обработка сернистым ангидридом замедляет развитие кислоторазрушающих
бактерий. Для соков с низким содержанием кислот, получаемых при
нормальной температуре, требуется примерно 40— 50 мг двуокиси серы на 1
л; для соков, богатых кислотами, достаточно 30-40 мг/л. Если сок получают
при более высокой температуре (например, в южных странах), требуется до
200 мг/л сернистого ангидрида. Большее количество S02 (1500-2000 мг/л)
позволяет вообще исключить брожение. Из обработанного таким образом
«немого» сока в специально сконструированных аппаратах нагреванием до
90—110°С при одновременном пропускании инертного газа можно удалить
двуокись серы до остаточного количества примерно 25-150 мг/л. В настоящее
время добавление сернистого газа или сульфитов во время брожения (т.е.
остановка брожения) считается нежелательным, так как приводит к слишком
высокому содержанию сернистой кислоты в конечном продукте.
Основной напиток, в котором применяется диоксид серы, — вино (и
полупродукты для его производства). Присутствие в вине диоксида серы
прежде всего уменьшает его бактериальные изменения («болезни вина») —
уксусное скисание, молочнокислое и маннитное брожение, мышиный
привкус и ожирение. Добавление сернистого газа во время и после
приготовления вина приводит также к связыванию ацетальдегида,
стабилизации окраски, а также получению требуемого окислительновосстановительного потенциала. Часть сернистой кислоты связывается с
различными компонентами вина и побочными продуктами брожения, прежде
всего с ацетальдегидом. После удаления сернистого газа соки можно
использовать для производства вин с остаточным сахаром.
Максимально допустимые количества SO2, содержащегося во многих
продуктах питания, заметно различаются. Для продуктов, непосредственно
употребляемых в пищу, они не превышают в большинстве случаев 100 мг/кг.
Для вин максимальная концентрация, в зависимости от страны и сорта вина,
составляет 200-250 мг/л; для некоторых сортов вина она еще выше .
Часто причиной головный болей после употребления вина является
растворенный в нем диоксид серы (сернистая кислота). Повышению
переносимости человека к присутствию в вине этого вещества, способствует
понижение кислотности желудочного сока. При реакции с таким желудочным
соком часть сернистой кислоты связывается. Связанная сернистая кислота
действует на организм, в принципе, так же, как и свободная, но ощутимо
медленнее .
Чувствительность по отношению к SO2 различна, не только у людей,
но и у растений. Из растений наиболее устойчивы по отношению к этому
веществу берёза и дуб, наименее устойчивы сосна и ель. Весьма
чувствительными к присутствию в воздухе SO2 являются розы (в его
присутствии они моментально белеют).
С давних пор сернистая кислота в виде 1—2%-х растворов служит для
дезинфекции аппаратов, сосудов, бутылок, пробок и прочего оборудования и
инвентаря, необходимого в виноделии, производстве напитков и других
отраслях
пищевой
промышленности.
Ёмкость
ополаскивают
микробиологически чистой водой и дают ей стечь, чем сводят до минимума
попадание SO2, в готовый пищевой продукт. Правда, корковые пробки от
длительного воздействия сернистой кислоты портятся. Известен также
способ окуривания сосудов — внутри сосуда сжигают серу и образующийся
сернистый газ оказывает дезинфицирующее действие .
К недостаткам сульфатации продуктов питания следует отнести то, что
внедряемый в них диоксид серы разрушает витамин В1, дисульфидные
мостики в белках, что может вызвать нежелательные последствия. Не менее
существенным недостатком является и то, что при массовой десульфатации,
достичь ее высокого качества для всех обрабатываемых продуктов сложно. В
результате этого часть продуктов поступает к потребителям с избыточным
содержанием серы. Избыточный сернистый газ обладает способностью
вызывать у человека галлюцинации. Хэппи-энд при этом гарантируется не
всем (возможен и смертельный исход).
Присутствие в продуктах или воздухе SO2 может вызывать фатальные
аллергические реакции и у астматиков.
Поэтому диоксид серы
рекомендуется использовать лишь для консервирования продуктов, которые
далее подвергаемых дальнейшей переработке с термообработкой.
Продукт гидратации диоксида серы - сернистая кислота,
взаимодействуя со щелочами и металлами, образует соли – сульфиты.
Сульфиты – белые порошки, которые (за исключением сульфита кальция)
легко растворяются в воде и обладают более или менее сильным запахом
сернистого газа. Гидросульфиты существуют только в растворах; при
выпаривании они превращаются в пиросульфиты (метаби-сульфиты).
При окислении в воздухе сернистого ангидрида образуется серный
ангидрид, взаимодействие которого с каплями водного аэрозоля приводит к
появлению в них серной кислоты.
Природные источники сернистого ангидрида поставляют его в воздух в
количествах много меньших, чем техногенные источники. Среди последних,
к числу основных, поставляющих в воздух ежегодно миллионы тон этого
вещества, являются предприятия цветной и черной металлургии, а также
тепловые электростанции. В Северном полушарии планеты подобных
источников гораздо больше, чем в ее Южном полушарии. Поэтому наиболее
велики концентрации SO2 именно в Северном полушарии (на территориях
США, Западной и Центральной Европы, Китая, России и Украины).
По своим химическим свойствам SO2 относится к кислотным оксидам,
способным взаимодействовать со щелочами :
SO2 + 2NaOH → Na2SO3 + H2O.
Химическая активность SO2 весьма велика. Наиболее ярко выражены
восстановительные свойства SO2. Степень окисления серы в таких реакциях
повышается:
SO2 + Br2 + 2H2O → H2SO4 + 2HBr,
2SO2 + O2 → 2SO3
Для осуществления реакции требуется катализатор V2O5 и температура
не менее +450°С,
5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O → 2H2SO4 + 2MnSO4 + K2SO4.
Последняя реакция является качественной реакцией на сульфит-ион
2−
SO3 и на SO2 (в ходе ее происходит обесцвечивание фиолетового раствора).
В присутствии сильных восстановителей, SO2 способен проявлять
окислительные свойства. Например, для извлечения серы из отходящих газов
металлургической промышленности используют восстановление SO2
оксидом углерода(II):
SO2 + 2CO → 2CO2 + S↓.
Еще один пример использование SO2 при получении фосфорноватистой
кислоты:
PH3 + SO2 → H(PH2O2) + S↓
Сернистый ангидрид участвует также в реакциях, при которых
ликвидируется атомарный кислород:
O+ SO2+ М→SO3+ М,
реакциях, при которых происходит ликвидация озона:
O3+SO2→SO3+ O2;
а также реакциях с диоксидом азота:
NO2+SO2→ SO3+NO.
Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе
образует кислотный полигидрат SО2•nH2O, который часто называют
сернистой кислотой и изображают условной формулой Н2SО3:
SO2 + H2O = H2SO3.
Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до
серной:
2Н2SО3 + О2 = 2Н2SO4.
Наряду с химическими реакциями
SO2 участвует также в
фотохимических реакциях с образованием атомарного кислорода:
SO2+hν+ O2→ SO3+ O
При воздействии на водоемы и почвы основной ущерб возникает за
счет взаимодействия присутствующих там солей, с серной кислотой.
Сульфиты и сульфаты не являются удобрениями, но растения, потребляют из
почвы все то, что находится в растворенном состоянии, в том числе и их. В
результате этого листья и плоды растений страдают от поражения
соединениями серы.
Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу
являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая
концентрация SО2 в атмосфере достаточно стабильна, включена в
биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий
Евразии равна 0,39 мкг/м3 (Арктика) – 1,28 мкг/м3 (умеренные широты, где
расположена и Украина). Эти концентрации значительно ниже ПДКс.с. по
SО2.
При сгорании углеводородов, содержащих серу (при лесных степных и
подземных пожарах), образуются твердые микрочастицы сульфатов
металлов, легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и
растения, делая кислотными аэрозоли и росы.
Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного
пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы,
снег).
В среднем кислотность осадков, выпадающих в основном в виде
дождей в Западной Европе и Северной Америке на площади почти 10 млн
км2, составляет 5–4,5, а туманы здесь нередко имеют рН, равный 3–2,5.
Загрязнение атмосферы сернистым ангидридом и другими
соединениями серы является существенной причиной возникновения
кислотных дождей, выпадающих в радиусе до 500 км от действующих
вулканов,
Общее количество диоксида серы естественного происхождения в
атмосфере сейчас значительно меньше чем количество этого вещества,
поступившее из антропогенных источников. Суммарный годовой объем
природных выбросов SO2 ныне составляет примерно 20 млн. т . В тоже время
поступление данного вещества антропогенного происхождения приближается
уже к 100 млн. т. Из них на долю США приходится 20%, на долю России –
менее 10%.
Особенностям техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы
SO2 посвящены главы 5 и 6 данного пособия. Здесь, тем не менее,
предварительно упомянем о том, что одним из основных техногенных
источников этого вещества является процесс сжигания богатого серой
углеводородного топлива. Подобным топливом может служить уголь и мазут
(содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5–6%). Данный процесс
осуществляется
на
тепловых
электростанциях,
металлургических
предприятиях, при переработке содержащих серу полиметаллических и
других руд, при различных химических технологических процессах на
предприятиях машиностроения.
Выбросы сернистого газа поступают в атмосферу в основном из стран
с высокоразвитой промышленностью. Они ухудшают экологические условия
не только на их собственных территориях, но и на территориях их
ближайших соседей. При этом сернистый ангидрид из атмосферы загрязняет
атмосферные осадки, выпадающие в промышленных районах Азии,
Латинской Америки и Африки. Например, в Восточном Трансваале (ЮАР),
где вырабатывается 4/5 электроэнергии страны, на 1 км2 выпадает около 60 т
серы в год в виде кислотных осадков.
В Украине и России наиболее высокие уровни загрязнения атмосферы
сернистым ангидридом наблюдаются в густонаселенных и промышленных
регионах, в локальных ареалах (площадью до 1 тыс. км2), расположенных в
ближнем следе металлургических предприятий, крупных ГРЭС, а также
больших городов и промышленных центров, насыщенных энергетическими
установками и автотранспортом.
Специфическая особенность кислотных дождей – их трансграничный
характер, обусловленный переносом кислотообразующих выбросов
воздушными течениями на большие расстояния – сотни и даже тысячи
километров. Этому в немалой степени способствует принятая некогда
«политика высоких труб» как эффективное средство против загрязнения
приземного воздуха.
Почти все страны одновременно являются «экспортерами» своих и
«импортерами» чужих выбросов. Наибольший вклад в трансграничное
подкисление природной среды России соединениями серы вносят Украина,
Польша, Германия. В свою очередь, из России больше всего окисленной серы
направляется в страны Скандинавии.
Соотношения здесь такие: с Украиной – 1:17, с Польшей – 1:32, с
Норвегией – 7:. Экспортируется газообразная и «мокрая» часть выбросов
(аэрозоли); сухая часть загрязнений выпадает в непосредственной близости
от источника выброса или на незначительном удалении от него.
Обмен кислотообразующими и другими загрязняющими атмосферу
выбросами характерен для всех стран Западной Европы и Северной
Америки.
Великобритания, Германия, Франция больше направляют окисленной
серы к соседям, чем получают от них.
Норвегия, Швеция, Финляндия больше получают окисленной серы от
своих соседей, чем выпускают через собственные границы (до 70%
кислотных дождей в этих странах – результат «экспорта» из Великобритании
и Германии). Трансграничный перенос кислотных осадков – одна из причин
конфликтных взаимоотношений США и Канады.
За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк,
а отрицательные последствия столь велики, что в 1982 г. в Стокгольме
состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям,
в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных
организаций. До сих пор острота этой проблемы сохраняется, она постоянно
в центре внимания национальных правительств и международных
природоохранных организаций.
5. Темы для докладов студентов.
1. Угарный газ как компонент техногенного загрязнения атмосферы.
2. Природные источники угарного газа.
3. Сернистый ангидрид как компонент техногенного загрязнения
атмосферы.
4. Природные источники сернистого ангидрида.
5. Оксиды азота как компонент техногенного загрязнения атмосферы.
6. Природные источники оксидов азота.
7. Аэрозоли как компонент техногенного загрязнения атмосферы.
8. Природные источники аэрозольного загрязнения воздуха.
6. Порядок проведения занятия.
1. Вводная часть. Проверка наличия студентов и их готовности к
занятию. Оглашение темы занятия, его цели и заданий.
2. Доклады студентов
3. Обсуждение докладов.
4. Заключительная часть. Подведение итогов занятия.
Рекомендованная литература
1. Гусакова Н. В.. Химия окружающей среды. Серия «Высшее
образование». / Гусакова Н. В.// Ростов-на-Дону. Феникс. – 2004. –
280с.
2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. 5-е изд., испр./ Н. С.
Ахметов // М. - Высшая школа. – 2003. – 480с.
3. Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т. I, изд. 3-е, испр. и доп. / Б.
В. Некрасов // М. - Изд-во «Химия». - 1973 г. – С. 495—497, 511—
513.
4. Российская энциклопедия по охране труда — 2-е изд. / Отв. ред. А. Л.
Сафонов// М. — НЦ ЭНАС. — 2007. — Т. 2. — 408 с.
5. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков,
инженеров и врачей. — 7-е изд. / Под ред. Н. В. Лазарева и И. Д.
Гадаскиной.// — Л. — Химия. — 1977. — Т. 3. — С. 240-253.
6. Большая медицинская энциклопедия: В 30-ти Т./Б79 АМН СССР. 3-е
изд. / Гл. ред. Б.В. Петровский.//- М. - Советская энциклопедия. - Т.
17. -С.253.
7. Лужников Е.А. Острые отравления. Руководство для врачей./ Е.А.
Лужников, Л.Г. Костомарова //М. – Медицина. - 2000. - С.354-359.