Научно-исследовательская работа по биологии «Влияние кислотных дождей на живые организмы» (5–9 классы)
Пояснительная записка к презентации
Автор: З. Ксения.
7гкласс, МБОУ СОШ №180, Заельцовского района.
Руководитель: Поломошнова Неля Владиславовна.
Введение.
Актуальность темы.
Впервые кислотные дожди были отмечены в Западной Европе, в частности Скандинавии, и Северной Америке в 1950-х гг. Сейчас эта проблема существует во всем индустриальном мире, и приобрела особое значение в связи с возросшими техногенными выбросами оксидов серы и азота. 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.
Цель.
Цель данной работы рассмотреть теоретические основы образования кислотных дождей, их влияние на живые организмы и провести исследование, доказывающее отрицательное воздействие.
Задачи.
1.Рассмотреть образование кислотных дождей.
2.Изучить влияние кислотных дождей на живые организмы.
3.Провести исследование, доказывающее отрицательное воздействие
кислотных дождей на растения.
Содержание. Введение. 1. Обзор литературы.
1.1 История термина.
1.2 Шкала кислотности.
1.3 Химические реакции.
1.4 Последствия кислотных дождей.
2. Собственная работа.
2.1Материалы и методы исследования.
3. Выводы.
4. Заключение. Список литературы. Обзор литературы. История термина.
Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того, кислотные дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.
Кислотный дождь — все виды метеорологических осадков — дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при котором наблюдается понижение pH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами (обычно — оксидами серы, оксидами азота).
В 1883 году шведский ученый Сванте Аррениус ввел в обращение два термина — кислота и основание. Он назвал кислотами вещества, которые при растворении в воде образуют свободные, положительно заряженные ионы водорода (Н+). Основаниями он назвал вещества, которые при растворении в воде образуют свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы (ОН-). Термин рН используют в качестве показателя кислотности воды. Термин рН значит в переводе с английского — показатель степени концентрации ионов водорода. Шкала кислотности.Значение рН измеряется на шкале от 0 до 14. В воде и водных растворах присутствуют как ионы водорода (Н+), так и гидроксид-ионы (ОН-). Когда концентрация ионов водорода (Н+) в воде или растворе равна концентрации гидроксид-ионов (ОН-) в том же растворе, то такой раствор является нейтральным. Значение рН нейтрального раствора равняются 7 (на шкале от 0 до 14). При растворении кислот в воде повышается концентрация свободных ионов водорода (Н+). Они-то и повышают кислотность воды. При этом, с повышением концентрации ионов водорода (Н+) понижается концентрация гидроксид-ионов (ОН-). Те растворы, значение рН которых на приведенной шкале находится в пределах от 0 до <7, называются кислыми. Когда в воду попадают щелочи, то в воде повышается концентрация гидроксид-ионов (ОН-). При этом в растворе понижается концентрация ионов водорода (Н+). Растворы, значение рН которых находится в пределах от >7 до 14, называются щелочными. pOH + pH = 14
В 1909 г. Сорензеном было предложено применять вместо подлинных значений C(H+) и C(ОН–) их отрицательные логарифмы, чтобы избавиться от отрицательных степеней в значениях C(H+) и C(ОН–). Отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов называется водородным показателем и обозначается pH:
pH = -lg (концентрация ионов H+ в растворе) где lg - натуральный логарифм. Есть еще величина pOH. pOH = -lg (концентрация ионов OH- в растворе).
Следует обратить внимание ещё на одну особенность шкалы рН. Каждая последующая ступенька на шкале рН говорит о десятикратном уменьшении концентрации ионов водорода (Н+) (и соответственно кислотности) в растворе и увеличении концентрации гидроксид-ионов (ОН-). Например, кислотность вещества со значением рН4 в десять раз выше кислотности вещества со значением рН5, в сто раз выше, чем кислотность вещества со значением рН6 и в сто тысяч раз выше, чем кислотность вещества со значением рН 9.
Рис. 1. Показатели кислотности различных веществ.
Список литературы.
1.Энциклопедия для детей, том 19. Экология / Глав. ред.
Э 68 В.А.Володин. - М.: Аванта + , 2001 .
2. Страны и народы: Науч.-попул. геогр.-этногр. изд.
в 20-ти т. Земля и человечество. Глобальные проблемы / Отв. ред. И.Т.Фролов. – М.: Мысль, 1985.
3.Окружающая среда и мировое сообщество, учебное пособие, сеть фондов Сороса.
4.Кислотные дожди - Википедия.
5.Погода и климат планеты Земля - портал по наукам о Земле.
Химические реакции. Необходимо отметить, что даже нормальная дождевая вода имеет слабокислую (pH около 6) реакцию из-за наличия в воздухе диоксида углерода. Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2) и различными оксидами азота (NOх). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций. Соединения серы (сульфиды, самородная сера и другие) содержатся в углях и рудах (особенно много сульфидов в бурых углях), при сжигании или обжиге которых образуются летучие соединения — оксид серы (IV) — SO2- сернистый ангидрид, оксид серы (VI) — SO3 — серный ангидрид, сероводород — H2S(в малых количествах, при недостаточном обжиге или неполном сгорании, при низкой температуре). Различные соединения азота содержатся в углях, и особенно в торфе (так как азот, как и сера, входит в состав биологических структур, из которых образовались эти полезные ископаемые). При сжигании таких ископаемых образуются оксиды азота (кислотные оксиды, ангидриды) — например, оксид азота (IV) NO2.Вступая в реакцию с водой атмосферы (часто под воздействием солнечного излучения, так называемые "фотохимические реакции"), они превращаются в растворы кислот — серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.
SO2 + H2O = H2SO3 — образуется сернистая кислота
SO3 + H2O = H2SO4 — образуется серная кислота
2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 — образуются, соответственно, азотная и азотистая кислоты
Эти кислоты и обуславливают понижение pH выпадающих дождей, которые поэтому называют кислотными.
Рассмотрим образование кислотных осадков, связанных с выбросами в атмосферу закиси азота – N2O. Закись азота в атмосфере окисляется до окиси азота NO, а затем NO окисляется до NO2.
Водяной пар, находящийся в атмосфере, диссоцирует на ионы гидроксила OH и протоны водорода H. Диссоциация может происходить под действием солнечного света с длиной волны l<0,2 мкм. Ионы гидроксила могут образовываться также при окислении водяного пара нечетным кислородом. Образовавшиеся таким образом H и OH взаимодействуют с молекулярным кислородом O2 и тропосферным озоном O3. Результатами этих реакций являются образование пероксидного радикала – OH2. Эти реакции эндотермичны, то есть протекают с выделением тепла (192,5 кДж и 160 кДж) и поэтому требуется третья частица M, которая возьмет на себя отвод высвободившейся в процессе реакций тепловой энергии.
В результате взаимодействия OH2 друг с другом образуется перекись водорода H2O2 и молекулярный кислород O2. Перекись водорода может взаимодействовать с NO и NO2, продуктами этих реакций будут азотистая кислота HNO2 и азотная кислота HNO3. Но наиболее существенными процессами являются взаимодействие пероксидного радикала OH2 или гидроксила OH с оксидом NO или диоксидом азота NO2 в присутствии третьей частицы. Продуктом этих реакций является азотная кислота HNO3, а сами реакции идут на несколько порядков быстрее, чем реакции NO и NO2 с перекисью водорода H2O2.
Помимо этих реакций азотная кислота также может образовываться из N2O5 и водяного пара.
Ещё одним способом образования азотистой и азотной кислотой являются реакции NO и NO2 с метилпероксидом – CH3O2. Кроме этого, продуктом этих реакций также является вредный для человека формальдегид. Метилпероксид CH3O2 в атмосфере образуется в процессе окисления метана кислородом воздуха. Метан попадает в атмосферу вследствие деятельности микроорганизмов (бескислородное брожение) в виде так называемого "болотного газа". Конечным продуктом окисления метана в атмосфере является углекислый газ и водяной пар.
Рис. 2. Схема образования кислотных аэрозолей и дождей.
Последствия кислотных дождей.
Широко распространенный термин “кислотные дожди” обозначает осадки с pH меньше 5,7.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. 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.
Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду. В первую очередь отрицательному воздействию подвергаются водные экосистемы, почва и растительность. Самый богатый животный мир присущ водам, pH которых лежит в нейтральной или слабощелочной области. Он во много раз богаче, чем животный мир кислых или щелочных вод. Водоемы с очень кислыми водами необитаемы, жизни в них нет, как нет жизни и в водоемах со значениями pH больше 11.При повышении кислотности воды (еще до критического порога выживания водной биоты, например, для моллюсков таким порогом является pH = 6, для окуней – pH = 4,5) в ней быстро нарастает содержание алюминия за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой. Даже небольшая концентрация ионов алюминия (0,2 мг/л) смертельна для рыб. В то же время фосфаты, обеспечивающие развитие фитопланктона и другой водной растительности, соединяясь с алюминием, становятся малодоступными этим организмам. Повышение кислотности приводит к появлению в воде высокотоксичных ионов тяжелых металлов – кадмия, свинца и других, которые прежде входили в состав нерастворимых в воде соединений и не представляли угрозы живым организмам. Дефицит питательных веществ и интоксикация воды приводят к своеобразной «стерилизации» водоемов. Закисленная и токсичная вода разрушает скелеты рыб и раковины моллюсков, а главное – снижает репродуктивные процессы. В свою очередь, это приводит к сокращению популяций наземных животных и птиц, связанных с водной биотой трофическими цепями (цепи питания). Почвенные организмы более приспособлены к пониженным значениям pH почвенной влаги, но и они угнетаются возрастающей кислотностью, особенно азотфиксирующие бактерии и грибницы. Разрыхляющие почву дождевые черви могут жить в слабокислых почвах, в таких условиях они «нейтрализуют» почвенные кислоты с помощью выделяемой ими извести; в кислой почве дождевые черви погибают. Среди других нарушений, происходящих в почве вследствие ее подкисления, следует отметить нарушение процессов питания растений, разрушение их корневой системы.
Многообразно косвенное влияние: загрязнения выступают в роли пусковых механизмов биологических и биохимических процессов, ослабляющих растение, нарушающих его рост, повышающих чувствительность к климатическим изменениям, делающих его менее устойчивым к вредителям – грибам, бактериям, жукам и др.
В то же время подкисление почвы азотнокислыми дождями стимулирует развитие лесных вредителей. Наибольший урон кислотные дожди нанесли лесам Центральной Европы, в частности 35% лесов Германии (на площади более 2,5 млн. га) повреждены ими. Ущерб от кислотных дождей для европейских лесов оценивается в 118 млн. м3 древесины в год (из них около 35 млн. м3 на европейской территории России). В меньшей степени от кислотных дождей страдают сельскохозяйственные растения, поскольку подкисление почв здесь можно контролировать агрохимикатами.
Воздействию кислотообразующих газов и кислотных осадков подвергаются органические материалы – кожа, бумага, ткани, резина, красители. Бумага, большинство тканей, кожа образованы гидрофильными веществами, которые накапливают воду между волокнами. Кислоты постепенно гидролизуют макромолекулы (главным образом целлюлозы и белков), в результате чего эти материалы становятся хрупкими и разрушаются. Как восстановитель диоксид серы вызывает обесцвечивание красителей, что приводит к выцветанию тканей. Из бетона и других минеральных строительных материалов, а также стекла под действием кислотных дождей выщелачиваются не только карбонаты, но и силикаты. Если pH осадков достигает значений, равных 4,5...3, то ионы алюминия начинают вымываться из кристаллической решетки. Металлы под действием кислотных дождей, туманов и рос, разрушаются еще быстрее, чем строительные материалы и стекло. Корка образующегося на поверхности железных изделий гигроскопичного сульфата железа (II) окисляется кислородом воздуха, при этом образуется основная соль сульфата железа (III), являющаяся составной частью ржавчины. Такой же ущерб претерпевают изделия из бронзы, на которых образуется так называемая патина, состоящая из карбонатов и сульфатов. Слои пыли и копоти на поверхности создают пленку, которая удерживает влагу и в которой постоянно растворяются кислотообразующие газы. Кислота разъедает металл, переводя его в виде ионов в раствор, что становится заметным при отслаивании корки налета, достигающей миллиметровой толщины. Изделие при этом теряет свою первоначальную форму.
Загрязнение воздуха кислотообразующими выбросами оказывает многообразное вредное влияние и на организм человека. Вдыхание влажного воздуха, содержащего диоксид серы, особенно опасно для пожилых людей, страдающих сердечнососудистыми и легочными заболеваниями, в тяжелых случаях может возникнуть отек легких. Вредно это и для здоровых людей, поскольку SO2 и сульфатные частицы обладают канцерогенным действием. Установлена тесная взаимосвязь между повышением смертности от бронхитов и ростом концентрации диоксида серы в воздухе. Многочисленные исследования показали увеличение числа заболеваний дыхательных путей в районах, воздух которых загрязнен диоксидом азота NО2. Попадая в дыхательные пути, он взаимодействует с гемоглобином крови, затрудняя перенос кислорода к органам и тканям, вызывает респираторные, астматические и сердечные заболевания. В феврале 1972 г. в Японии по этой причине заболело более 70000 человек, для многих из них заболевание имело летальный исход.
Рис.3. Образование кислотных дождей в странах с высокоразвитой энергетикой (Россия).
Собственная работа.
Экологический эксперимент.
Мы провели небольшое экологическое исследование.17 ноября посадили 2 комнатных растения одного вида в разные цветочные горшки, обозначили их цифрами (1) и (2). В течение месяца поливали одно растение(2) водой, другое(1)-10% раствором уксусной кислоты. Наблюдали за растениями, фотографировали их и заметили, что с (2) изменений не было, а у (1) листья сначала начали скручиваться, желтеть, а затем и вовсе отмирали.
Растение(1). 17 ноября. Растение(2). 
Растение(1). 29 ноября. Растение(2).
Растение(1). 23 декабря. Растение(2).
Выводы.
В ходе данного экологического эксперимента мы доказали, насколько пагубно влияние кислотных дождей на живые организмы. Результатом постоянного их воздействия становится гибель организма.
Заключение.
Большинство людей остается безучастными к проблеме кислотных дождей.
Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и ещё во многих странах земного шара.
Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоёмы – озёра, реки, заливы, пруды - повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна.
Эти осадки также уничтожают и растительность на суше. Учёные считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм ещё не изучен, «сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжёлые металлы в совокупности приводят к деградации лесов».
Экономические потери от кислотных дождей огромны во всех странах.
По нашему мнению единственный способ изменить ситуацию к лучшему – это уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу.
