Научная работа: "Влияние кислотных дождей на памятники под открытым небом".

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение средняя образовательная школа №3 города Аши Ашинского муниципального района Челябинской области

Влияние кислотных дождей на памятники

под открытым небом

Выполниа:

Шманина Елена Юрьевна

Ученица 9«Б» класса

Научный руководитель:

Кашуба Татьяна Викторовна

Учитель химии – биологии

МКОУ СОШ №3 г.Аши

Аша 2012г.

-1-

СОДЕРЖАНИЕ.

Введение 2стр.

Глава 1. Образование кислотных дождей под влиянием факторов.

1. Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов 3-4стр.

2. Механизм образования кислотных осадков 4-5стр.

Глава 2. Влияние кислотных дождей на памятники города Аши и Челябинской области.

2.1 Исследование влияния кислотных дождей на памятники под открытым небом города Аши 6-10стр.

Заключение 11-12стр.

Литература 13стр.

Приложение 14-23стр.

-2-

Введение.

Исследованием происхождения и состава кислотных дождей ученые стали заниматься сравнительно недавно. Впервые понятие «кислотные дожди» было введено в 1872 г. английским инженером Робертом Смитом в книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии».

В 60-е годы 20 века проблема кислотных дождей овладела умами ученых. Были реально оценены размеры экологического бедствия, связанного с нерациональным, безграмотным использованием природных ресурсов. В это время западные художники и экологи устроили выставку под открытым небом. На выставке были представлены статуи из мрамора, стали и других материалов, которые были изъедены атмосферными осадками.

Ошибочное мнение, что при анализе соединений, которые становятся предвестниками кислотных дождей, а так же при определении интенсивности таких осадков следует учитывать только антропогенные источники. К проявлению кислотной среды в осадках приводят и природные источники, такие, как лесные массивы, выделяющие в ходе обменных процессов значительные количества органических и минеральных веществ.[1]

В нашем городе достаточно много антропогенных объектов, провоцирующих проявление кислотных осадков. Это ОАО «АМЗ», ОАО «Светотехнический завод», ОАО «Пиролизно – химический завод». И всё же главный загрязнитель атмосферы – транспорт.

В связи с этим мы поставили перед собой цель нашего исследования: определить рН-показатель осадков и влияние, оказываемое ими на памятники культуры, расположенные в нашем городе.

Основные наши задачи:

- определить водородный показатель осадков, выпадающих в районе площади Ленина и Комсомольской площади, в районе железнодорожной станции и на её протяжении, парке имени Пилютова и сквере Соловкова, и влияние, оказываемое ими на памятники культуры, расположенные на этих участках, а так же выяснить, какие конструкционные материалы наиболее стойки к коррозии, ускоряемой кислотными дождями;

- раскрыть причины и механизм образования кислотных дождей.

Гипотеза нашего исследования: кислотные дожди влияют на памятники нашего города.

Объект исследования: памятники культуры, как конструкционные материалы, устойчивые к коррозии.

-3-

Глава 1. Образование кислотных дождей под влиянием антропогенных факторов.

1. Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов.

Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу – диоксид серы (сернистый ангидрид, сернистый газ) и оксиды азота (монооксид, или оксид азота, диоксид азота и др.)

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация диоксида серы в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территория равна 0,39 мкг/м (Арктика) – 1,28 мкг/м (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно-допустимого значения (ПДК) по диоксиду серы, равного 15 мкг/м.

Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает её естественное поступление и составляет в год около 100 млн. т (для сравнения: природные выбросы диоксида серы в год равны примерно – 20 млн. т). Из них на доля США приходится 20%, на долю России – менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5 – 6%), на электростанциях (40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе машиностроительной отрасли промышленности (50%).[3]

Данные мониторинга воздушной атмосферы свидетельствуют об увеличении в последние годы доли выбросов азотных соединений в закисление атмосферных осадков.

Содержанию оксидов азота в атмосфере стали уделять внимание лишь после обнаружения озоновых дыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона.

Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NO, в последствии – диоксид азота. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т.е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м (Арктика) – 1,23 мкг/м (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м.[1].

-4-

Суммарные мировые антропогенные выбросы двух главных загрязнителей воздуха – виновников подкисления атмосферной влаги - SO₂ и NO_x составляет ежегодно более 255 млн. т (1994).[2]

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000° С. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид и тетраоксид азота. Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид – гораздо более опасное соединение.

В России около 255 выбросов оксидов азота даёт сжигание топлива на предприятиях Электра - и теплоэнергетики, столько же – на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отрасли промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере – автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%).

Отметим еще два – экономических – аспекта рассматриваемой проблемы, оказывающих большое влияние на общую экологическую ситуацию в России (1991) на предприятиях срок эксплуатации наличного промышленного был запредельным, в базовых отраслях промышленности (среди них те, что дают наибольшие кислотообразующие выбросы) средний возраст оборудования приближается к 30 годам. Изношенное оборудование требует больше ресурсов для эксплуатации, производит больше отходов, отличается повышенной аварийностью. Помимо отсутствия средств на капитальные затраты предприятия не имеют средств на текущие затраты. В этих критических условиях для снижения удельных затрат на производимую продукцию предприятие экономит на всём и в первую очередь на охране окружающей среды, строительстве или модернизации очистных сооружений и других мероприятиях.

Как следует из ежегодных государственных докладов Госкомэкологии «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации», данные мониторинга Росгидромета, во многих регионах даже сократившийся потом загрязнений превосходит ассимиляционный даже сократившийся потенциал соответствующих экосистем, т.е. является для них заведомо чрезмерным.[4]

1.2. Механизм образования кислотных осадков.

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот.

-5-

Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (сернистый ангидрид) SO₃:

2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃,

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO₃ + H₂O→ H₂SO₄.

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SO₂* nH₂O, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой H₂SO₃:

SO₂ + H₂O → H₂SO₃.

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

2 H₂SO₃ + О₂ → 2H₂SO₄.

Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег).

При сжигании топлива образуются твёрдые микрочастицы сульфатов металлов (в основном при сжигании угля), легко растворимые в воде, которые осаждаются на почву и растения, делая кислотными росы.

Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют около 2/3 кислотных осадков, остальное приходится на долю азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы:

2NO₂ + H₂O → HNO₃ + HNO₂.

Существует два вида кислотных дождей, которые пока не отслеживаются мониторингом атмосферы. Находящийся в атмосфере хлор (выбросы химических предприятий; сжигание отходов; фотохимическое разложение фреонов, приводящее к образованию радикалов хлора) при соединении с метаном (источники поступления метана в атмосферу: антропогенный – рисовые поля, а так же результат таяния гидрата метана в вечной мерзлоте вследствие потепления климата) образует хлороводород, хорошо растворяющийся в воде с образованием аэрозолей соляной кислоты:

Cl^. + CH₄ → CH₃^. + HCl,

CH₃^. + Cl₂ → CH₃Cl + Cl^..

Очень опасны выбросы фтороводорода (производство алюминия, стекольное) который растворяется в воде, что приводит к появлению в атмосфере аэрозолей плавиковой кислоты.[1]

-6-

Глава 2. Влияние кислотных дождей на памятники города Аши Челябинской области.

2.1Исследование влияние кислотных дождей на памятники под открытым небом в нашем городе.

Мы выбрали скульптуры, исследование состояния которых нам было наиболее интересно. В числе объектов исследования оказались девять памятников, расположенных в разных частях нашего города.

Краткие сведения о них мы свели в таблицу.

Для составление этой таблицы потребовалось провести достаточно много этапов исследования. Мы взяли у подножия памятников пробы снега зимой и пробы дождя осенью. Все эти пробы мы проанализировали при помощи индикаторов (универсальная лакмусовая бумага) и провели с ними качественные реакции на содержание предполагаемых анионов.

Исследования 2011-2012 гг.

1). «Памятник солдату-освободителю».

Памятник расположен на Комсомольской площади. Установлен в 1968 году. Дополнен в 1976 году. Постановлением Главы города Аши и Ашинского района закреплён за ОАО «Ашасвет».

Для качественного анализа на наличие предполагаемых анионов были проведены следующие реакции.

1. Наличие сульфат-ионов и карбонат-ионов определяли с помощью солей бария:

SO₄^2- +Ba²⁺=BaSO₄↓

Образовался белый осадок, нерастворимый в кислотах, значит, присутствуют сульфат-ионы.

CO₃^2-+Ba²⁺=BaCO₃↓

Образовался белый осадок, растворимый в кислотах:

BaCO₃+2H⁺=Ba²⁺+H₂O+CO₂,

вызывает помутнение воды:

CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O.

1. Присутствие хлорид-ионов и фосфат-ионов доказывали действием нитрата серебра:

Cl¯+Ag⁺=AgCl↓

При отсутствии хлорид-ионов должен был образовываться белый осадок нерастворимый в кислотах, но осадка не обнаружено, значит, хлорид-ионов нет.

-7-

PO₄^3-+3Ag⁺=Ag₃PO₄

При отсутствии фосфат-ионов должен был образовываться жёлтый осадок, отличающийся от предыдущего более крупными частицами, но осадка не обнаружено, значит фосфат-ионов нет.

1. Нитрат-ионы обнаруживали при помощи меди в присутствии концентрированной серной кислоты:

4HNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO₂↑

Образование бурого газа свидетельствует о присутствии нитрат – ионов, но его не обнаружено.

1. Наличие силикат-ионов в снегах устанавливали по рекции с сильной кислотой:

SiO₂^2- + 2H⁺ = H₂SiO₃↓

Наличие желеобразного осадка белого цвета свидетельствует о присутствии в нём силикат-ионов, но его не обнаружено.

1. Наличие сульфид-ионов определяли действием на образец осадков растворимыми солями меди:

S^2- + Cu²⁺ = CuS↓

При присутствии сульфид-ионов должен образовываться осадок чёрного цвета, но его не было.

рН= 5

Исследование остальных памятников мы проводили по тому же плану с помощью тех же химических реакций, поэтому мы решили привести вам только результаты наших дальнейших исследований.

2). «Памятник на братской могиле борцов за Советскую власть»

В 1918 году произошло захоронение героев революции 1917 года. В данный момент Братская могила находится на площади имени В.И.Ленина. Перезахоронение произошло в 1930 году. На Братской могиле в 1947 году была установлена бетонная стела. На восточной стороне стелы установлена могильная мемориальная доска с именами борцов. Захоронение окружено сварной металлической оградой.

При исследовании этого памятника никаких предполагаемых анионов (сульфат-ионы и карбонат-ионы, хлорид-ионы и фосфат-ионы, нитрат-ионы, силикат-ионы, сульфид-ионы) обнаружено не было.

рН=7

3). «Памятник В.И.Ленину»

Памятник установлен недалеко от здания Дома Культуры металлургического завода. Бронзовая фигура вождя в полный рост установлена на высоком квадратном постаменте, совмещённым с трибуной.

Постамент и трибуна выполнены из кирпича, облицованы мраморными плитами.

Памятник открыт в 1967 году к 50-летию Октябрьской революции.

-8-

Архитектор: В.А. Глазырин.

Скульптор: Н.И. Цепенев.

При исследовании этого памятника мы обнаружили присутствие сульфат-ионов и карбонат-ионов, нитрат-ионов, силикат-ионов, но не обнаружили присутствие хлорид - и фосфат-ионов, сульфид-ионов.

рН=6

4). «Обелиск прерванной юности».

Памятник установлен в парке имени Пилютова города Аши в 1991 году. Памятник состоит из бетонного серовато-рыжего блока и фигуры раненого солдата из бронзы.

Памятник посвящён погибшим на войне в Афганистане.

Архитектор: А. Аристов.

Скульптор: Б. Маганов.

При исследовании этого памятника никаких из предполагаемых анионов мы не обнаружили.

рН=7(среда нейтральная).

Исследования 2012-2013 гг.

В этом году мы исследовали не только те памятники, которые брали в прошлом году, но и несколько новых памятников.

1). «Памятник Солдату-освободителю».

При исследовании этого памятника мы обнаружили наличие сульфат-ионов, хлорид-ионов, фосфат-ионов, нитрат-ионов. Не обнаружили карбонат-ионов, силикат-ионов, сульфид-ионов.

рН=4.

2). «Памятник на братской могиле Борцов за Советскую власть».

При исследовании этого памятника мы обнаружили сульфат-ионы, хлорид-ионы, нитрат-ионы. Отсутствуют карбонат-ионы, фосфат-ионы, силикат-ионы, сульфид-ионы.

рН=5.

3). «Памятник В.И.Ленину»

При исследовании этого памятника нами были обнаружены сульфат-ионы, карбонат-ионы, хлорид-ионы, силикат-ионы. Не обнаружены фосфат-ионы, нитрат-ионы, сульфид-ионы.

рН=5.

4). «Обелиск прерванной юности».

При исследовании этого памятника мы не обнаружены никаких предполагаемых анионов.

рН=7.

5). «Мемориал металлургов».

- 9 -

« Мемориал металлургов» расположен рядом с железнодорожной станцией на улице Мира. Установлен в 2001 году.

При исследовании этого памятника мы обнаружили наличие сульфат-ионов, хлорид-ионов, нитрат-ионов. Нами не обнаружены карбонат-ионы, фосфат-ионы, силикат-ионы, сульфид-ионы.

рН=5.

6). «Памятник-мемориал воинам-землякам, погибшим в годы Великой Отечественной Войны 1941-1945 гг.».

Памятник расположен на улице 40 лет Победы, сквер Соловкова. Является памятником местного значения. Постановлением Главы города Аши и Ашинского района закреплен за МУП «АКХ».

При исследовании этого памятника мы обнаружили сульфат-ионы, карбонат-ионы, хлорид-ионы, нитрат-ионы, силикат-ионы. Отсутствуют фосфат-ионы, сульфид-ионы.

рН=4.

7). «Памятник Алексею Ивановичу Умову».

Памятник расположен на улице Мира у здания заводоуправления. Фигура управляющего изготовлена из бронзы. Памятник установлен 15 июля 2005 года. Закреплен за ОАО « АМЗ».

При исследовании этого памятника мы обнаружили присутствие сульфат-ионов, карбонат-ионов, хлорид-ионов, нитрат-ионов.

Отсутствуют фотсфат-ионы, силикат-ионы, сульфид-ионы.

рН=5.

8). «Обелиск первым комсомольцам».

Этот памятник установлен в честь слёта первых комсомольцев Южного Урала. Открыт в 1967 года. Сначала был установлен за восточным железнодорожным переездом. В 1992 году был демонтирован и перенесён в конец улицы Толстого. В 1994 памятник был обновлён и установлен в парке имени Пилютова на площадке у входа на стадион «Металлург». На обелиске, рядом с изображением профиля В.И.Ленина изображена надпись «Первым комсомольцам – пламенным борцам, - от молодёжи Южного Урала».

При исследовании этого памятника никаких предполагаемых анионов мы не обнаружили.

рН=7.

9). «Памятник-мемориал труженикам тыла».

Этот памятник расположен на пригорке возле переезда, у дороги, ведущей к проходной металлургического завода. Он посвящён труженикам тыла в годы Великой Отечественной Войны – ашинским металлургам. Монумент был открыт 9 мая 1985 года.

В центре мемориала – стела, на фоне кирпичной кладки, имитирующей красный гранит – три фигуры: старик, женщина и

- 10 -

подросток. На стене расположена надпись: «Всё для фронта, всё для победы».

В руках старика – тяжёлый снаряд, один из многих тысяч снарядов, направленных на фронт. Женщина, засучив рукава, тоже готовится встать к станку, заменить мужчин. И подросток, совсем ещё мальчишка, разделил с взрослыми тяжёлый, но почётный труд.

Все фигуры вылеплены из гипса, стена позади фигур сделана из кирпича. Эскиз мемориала выполнил художник В. Комлев.

При исследовании этого памятника мы обнаружили сульфат-ионы, карбонат-ионы, хлорид-ионы, нитрат-ионы, фосфат-ионы. Не обнаружили силикат-ионы, сульфид-ионы.

рН=5.

-11-

Заключение.

Над работой мы работали два года.

Этапы проведения работы:

а) первый год работы – это теоретическая часть, практическая часть, где были взяты памятники: «Памятник В.И.Ленину», «Памятник на братской могиле Борцов за Советскую власть», «Обелиск прерванной юности», «Памятник солдату-освободителю».

б) второй год работы – расширенна практическая часть (мы добавили памятники: «Мемориал металлургов», «Памятник А.И.Умову», «Памятник - мемориал воинам, погибшим во время Великой Отечественной Войны 1941-1945 гг.», «Памятник – мемориал труженикам тыла», «Обелиск первым комсомольцам»), сделаны выводы по практической части.

По итогам экспериментов были сделаны следующие выводы о влиянии кислотных дождей на памятники под открытым небом нашего города.

«Памятник солдату - освободителю» находится на одной из оживлённых улиц нашего города, на улице Ленина. Здесь находится довольно оживлённая автомобильная трасса. В связи с этим можно было предположить, что в исследуемых образцах окажутся карбонат-ионы и нитрат-ионы. Мы сделали предположение, и оно оказалось верным.

«Мемориал металлургов» также находится на одной из оживлённых и загрязнённых улиц нашего города, рядом с железнодорожной станцией. В связи с этим мы тоже обнаружили некоторые анионы. Но в этом случае их меньше, чем в случае с «Памятником солдату - освободителю». На этом сказался возраст памятника. «Мемориал - металлургов» гораздо моложе, чем «Памятник солдату - освободителю».

«Памятник – мемориал труженикам тыла» находится не только рядом с автомобильной дорогой, но и рядом с железнодорожными путями. Поэтому при исследовании этого памятника мы обнаружили большое количество анионов.

Также недалеко от автомобильной дороги расположен «Памятник мемориал воинам, погибшим во время Великой Отечественной Войны 1941 – 1945 гг.» В пробах снега с этого памятника мы тоже обнаружили некоторые анионы.

Также мы сделали вывод о том, что довольно сильно под влиянием кислотных дождей разрушается бетон.

«Памятник В.И. Ленину» состоит из трибуны и фигуры самого вождя. Трибуна изготовлена из кирпича и мрамора, а оба этих материала сильно подвержены разрушению в кислой среде. Место установки этого памятника экологически безопасное. Таким образом, авторами этого

-12-

памятника и градостроителями было выбрано самое оптимальное место для расположения памятника из данного конструкционного материала.

Недалеко от памятника В.И. Ленину находится «Памятник на братской могиле Борцов за Советскую власть» в связи с возрастом он подвержен более сильному разрушению.

«Обелиск прерванной юности» и «Обелиск первым комсомольцам» находятся в парке, в самой зелёной части города, поэтому они испытывают меньшее влияние со стороны кислотных осадков.

Самый «молодой» памятник – «Памятник А.И. Умову». Он установлен совсем недавно, но, несмотря на это, мы обнаружили некоторые анионы. Всё благодаря тому, что он расположен в загрязнённой части нашего города.

Рассмотрев возможность разрушения атмосферными осадками различных конструкционных материалов, из которых изготовлены памятники, мы пришли к выводу, что стойкость исследованных материалов к воздействию кислотных дождей уменьшается от бронзы к самому хрупкому – мрамору.

В ходя своего исследования мы поняли, что устойчивость памятников к разрушению зависит от:

- материала, из которого они изготовлены;

- месторасположения памятника;

- «возраста» памятников.

При проведении работы все поставленные нами задачи выполнены, цель, которую мы перед собой поставили, достигнута.

На основе проведенной нами работы в течение двух лет можно сделать вывод, что кислотные осадки плохо влияют на состояние окружающей среды. Чтобы предотвратить это, нужно проводить различные природоохранные мероприятия.

На основе нашей практической части мы узнали, что от кислотных осадков страдают скульптурные сооружения и нашего города. Страдают от них не только памятники, но и почва, растительность, различные живые организмы. Мы изучили устойчивость различного рода материалов к кислотным дождям и степень их разрушения. Так же мы узнали, какие районы нашего города наиболее благоприятны для строительства архитектурных сооружений.

-13-

Литература.

1. Загрязнение среды как глобальная проблема//

Мамедов Н.М. Экология: учебное пособие/ Н.М. Мамедов, И.Т. Суравегина – Москва: школа – Пресс, 1996. –с.364-369.

1. Кислотные дожди//

Вронский В.А. Экология: словарь-справочник/ В.А. Вронский. – Ростов – на – Дону: Феникс, 1997. –с.242-244.

1. Коробкин В.И. Экология: учебник/ В.И. Коробкин, Л.В. Перелельский. –Ростов – на – Дону, 2003.-с.65.

2. Невский А. Тайна загадочных дождей/ А. Невский //Техника молодежи.-1999.-с.14-15.

-14-

Приложения.

Таблица №1. Результаты исследований 2011-2012 гг.

-15-

Таблица №2. Результаты исследований 2012-2013 гг.

-16-

-17-

Рисунок 1. Памятник Солдату – освободителю.

-18-

Рисунок 2. Памятник на братской могиле борцов за Советскую власть.

-19-

Рисунок 3. Памятник В.И. Ленину.

-20-

Рисунок 4. Памятник – мемориал труженикам тыла.

Рисунок 5. Обелиск прерванной юности.

-21-

Рисунок 6. Мемориал металлургов.

Рисунок 7. Обелиск первым комсомольцам.

-22-

Рисунок 8. Памятник – мемориал воинам – землякам, погибшим в годы ВОВ 1941-1945 гг.

-23-

Рисунок 9. Памятник А.И. Умову.