Исследовательская работа «Содержание углекислого газа в школьных помещениях»

Муниципальное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа с углубленным

изучением английского языка №1 г. Будённовска

Экология

Автор работы: Азарян Джульетта

Место выполнения:

г. Будённовск МОУ СОШ №1

Руководитель:

Бескровная М. Н.

Буденновск

Оглавление

Введение .............................................................................................................................3

Роль углекислого газа, как составной части атмосферного воздуха ............................. 4

Проблема СО2 в школах ....................................................................................................6.

Что нужно знать об углекислом газе ..................................................................................7

Методика исследования ......................................................................................................8

Измерение содержания углекислого газа в различных помещениях школы ...................9

Заключение...........................................................................................................................11

Список литературы .............................................................................................................12

Введение

Современный человек почти 90% времени находится в помещении. Малышей мамы отправляют в детский сад, где группы часто бывают переполнены, школьники и студенты сидят в классах по 40 человек и больше, а взрослые проводят на рабочих местах гораздо дольше положенных восьми часов в день. Когда вы входите в помещение, где много людей, то практически всегда чувствуете, что там тяжелее дышится, чем снаружи. Хочется сказать «не хватает кислорода». Это неверно — кислорода все еще более чем достаточно, но в помещении повысилась концентрация углекислого газа. Что происходит при этом с нашим организмом? Насколько это вредно? Очень важно то, каким воздухом дышит ребенок во время своего развития, ведь организм ребенка более подвержен негативному влиянию отравляющих веществ. За последние два десятилетия в развитых европейских странах количество аллергических и астматических заболеваний удвоилось. Была высказана гипотеза о том, что основной причиной увеличения заболеваний является негативное воздействие загрязненного воздуха и повышенного уровня углекислого газа во внутренних помещениях. Исследования, проведенные в рамках ЕЭС, подтвердили эту гипотезу. Углекислый газ в школьном классе повышает заболеваемость и снижает успеваемость учащихся.

Без углекислого газа, как и без кислорода, жизнь человека невозможна. Углекислота стимулирует защитные системы нашего организма, помогая справляться с физическими и интеллектуальными нагрузками. Но только в определенных дозах. Когда же наступает момент, при котором углекислый газ начинает нас медленно убивать? Выяснено, что даже в низких концентрациях углекислый газ в помещении становится токсичным, поскольку воздействует на клеточную мембрану и в крови человека происходят биохимические изменения, такие, как ацидоз (изменение кислотно-щелочного равновесия в организме). Длительный ацидоз в свою очередь приводит к заболеванию сердечнососудистой системы, прибавлению в весе, снижению иммунитета, заболеванию почек, появление суставных и головных болей, к общей слабости. Высокое содержание углекислого газа в помещении может являться причиной головной боли, воспаления глаз, проблем с носоглоткой, негативно влиять на респираторную систему и вызывать общее чувство усталости.

Цель работы: определить содержание углекислого газа в школьных помещениях.

Задачи:

1. Проанализировать химический состав воздуха.

2. Измерить содержание углекислого газа в помещениях школы.

3. Проанализировать количественные показатели содержания углекислого газа в урочное и неурочное время.

Методы, которые использовались при выполнении данная работа, были следующие: научно – исследовательский (изучение литературы по данной теме, подсчёт, сравнение, анализ и т.д.); визуальное наблюдение; фотографирование.

Роль углекислого газа, как составной части атмосферного воздуха

Воздух — естественная смесь газов, главным образом азота и кислорода, составляющая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов: кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы). В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха методом сжижения получают инертные газы.

Состав воздуха. Ничто другое не является столь важным для жизни на Земле и в то же время так редко замечается, как окружающий нас атмосферный воздух. Жизнь человека и большинства других живых существ невозможна без дыхания. Прекращение дыхания даже на несколько минут влечет за собой прекращение жизнедеятельности. Что же такое воздух, которым мы дышим?

Воздух представляет собой смесь разных газов: азота, кислорода, водяного пара, аргона, двуокиси углерода и многих других.

Химический состав. В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество.

Однако химический состав – это далеко не единственная характеристика, которой обладает природный воздух. Очень большое значение имеет ионизация его молекул. Воздушные ионы – аэроионы, «витамины воздуха» – это электрически заряженные молекулы кислорода

Воздух всегда содержит пары воды. Так, при температуре 0 °C 1 м³ воздуха может вмещать максимально 5 граммов воды, а при температуре +10 °C — уже 10 граммов.

Физические свойства воздуха:

Средняя относительная молярная масса –28,98 г/моль

Плотность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении – 101325 Па.

Средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении (cp) – 1,006 кДж/(кг•К)

Средняя удельная теплоемкость при постоянном объёме (cv) –0,717 кДж/(кг•К)

Показатель адиабаты 1,40

Скорость звука (при н.у.) 331 м/с (1193 км/ч)

Средний коэффициент теплового расширения в интервале температур 0 –100°C 3,67×10−3 1./К

Коэффициент динамической вязкости воздуха (при н.у.) 17,2 мкПа•с

Растворимость воздуха в воде 29,18 см3/л

Коэффициент теплопроводности воздуха при нормальном атмосферном давлении (101325 Па)

Показатель преломления (при нормальных условиях) 1,0002926

Коэффициент изменения показателя преломления 2,8×10−9 1/Pa

Средняя поляризуемость молекулы 2×10−30

Углекислый газ (Оксид углерода (IV))СО2

Физические свойства

Бесцветный газ, не имеющий запаха, плохо растворяется в воде, токсичен, немного тяжелее воздуха: М (возд) = 29г/моль, М (СО2)= 12+32=44 г/моль. Он может стать твердым, если немного охладится. Газ сжижается при критической температуре 31оС.

Диоксид углерода образуется при разложении органических углеродсодержащих веществ в процессах брожения, при сжигании топлив, является продуктом обмена веществ в организме и играет важную роль в процессе фотосинтеза. Получают диоксид углерода обжигом известняка или мела.

Количество углекислого газа в атмосфере колеблется. В чистом загородном воздухе 380-400 ppm углекислого газа, т.е. 0,038-0,04%. Эти концентрации оптимальны для дыхания человека. Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе за последние 50 лет увеличилось на 20% и постоянно продолжает расти — особенно в крупных городах за счет выхлопов автомобилей и промышленных выбросов. В воздухе городов концентрация углекислого газа увеличивается до 0,045%, в жилых и общественных зданиях (при плохой вентиляции) – до 0,6–0,8%. В закрытом помещении уровень углекислого газа повышается гораздо быстрее, чем убывает кислород. Замеры показывают, что, даже когда в школьном классе уровень СО₂ достигает 1000 ppm (0,1%), содержание кислорода практически не меняется. Конечно, увеличение углекислого газа зависит от количества людей в этом помещении, от их веса и того, что они при этом делают. Взрослый человек в покое выделяет в среднем 22 л углекислоты в час, а при физической работе — в 2–3 раза больше.

Табл. 2 Количество выдыхаемого углекислого газа в зависимости от вида деятельности человека.

Существует связь между концентрацией СО₂ и ощущением духоты. Человек начинает ощущать симптомы «нехватки свежего воздуха» (а на самом деле повышенной концентрации углекислого газа) уже при его уровне 0,08%, т.е. 800 ppm. Признаки ухудшения самочувствия у человека появляются только при продолжительном вдыхании воздуха, содержащего 1,0–1,5% углекислого газа, выраженные функциональные изменения – при концентрации 2,0–2,5% и резко выраженные симптомы (головная боль, общая слабость, одышка, сердцебиение, понижение работоспособности) – при 3–4%. Гигиеническое значение углекислого газа заключается в том, что он служит косвенным показателем общего загрязнения воздушной среды помещений. Параллельно с увеличением его содержания повышаются температура, относительная влажность, запыленность воздуха, изменяется его ионный состав, главным образом за счет увеличения положительных ионов. Гигиенической нормой содержания углекислого газа в воздухе жилых и служебных помещений, спортивных залов считается концентрация 0,1%. Проблема СО₂ в школах

Ученые ЕС проверили самочувствие школьников в помещении с концентрацией углекислоты 1000 ррm, или 0,1% (таких классов на Западе почти две трети, причем во е вполне благополучных странах — в Швеции, Норвегии, Дании и Франции). В медико-биологических тестах оценивали респираторное и аллергическое состояние 547 школьников в возрасте от 9 до 10 лет. Оказалось, что дети, проводящие много времени в помещении с высоким уровнем СO2, в 3,5 раза чаще имеют сухой кашель и в два раза больше болеют ринитом. Корейские ученые также исследовали влияние СO2 на астматиков. Выборка — 181 ребенок моложе 14 лет из 110 домов и квартир Сеула. В помещениях замеряли уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха: СО, NO, аллергены клещей домашней пыли, тараканов, споры грибков плесени и СO2. Ученые сделали вывод, что только повышенные концентрации СO₂ учащали приступы астмы у детей. В 2006 году вышла книга «Климат, качество атмосферного воздуха и здоровье москвичей» в которой приведены данные исследований о росте заболеваемости органов дыхания у детей и взрослых в результате влияния загрязнения атмосферного воздуха. Особый интерес представляет работа «Психофизические показатели как критерий оценки экологической безопасности места проживания», выполненная Институтом биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН под руководством Н.И.Хорсевой. В этой работе, в частности говорится о том, что в России медики давно констатируют факт снижения здоровья детского населения и что сформировались устойчивые негативные тенденции – рост распространенности факторов риска, формирования нарушения здоровья и развития, увеличение заболеваемости детей.

Что нужно знать об углекислом газе

В школьных классах

Особое внимание следует уделить качеству воздуха, которым дышат дети в классах. Концентрация углекислого газа в воздухе классной комнаты может увеличиться в несколько раз к концу занятия. У детей, обучающихся в классах с высокой концентрацией углекислого газа, часто наблюдается тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит, эти дети имеют ослабленную носоглотку. Рост концентрации углекислого газа в помещении приводит к возникновению приступов астмы у детей-астматиков. Из-за повышения концентрации углекислого газа в школах и высших учебных заведениях увеличивается число пропусков уроков учащимися по болезни. Респираторные инфекции и астма являются основными заболеваниями в таких школах. Повышение концентрации углекислого газа в классе негативно влияет на результаты учебы детей, снижает их работоспособность.

Таблица 3 Негативные физиологические проявления при различных уровнях концентрации углекислого газа.

Наиболее подвержены негативному влиянию углекислого газа в помещении дети, страдающие аллергией, астмой и другими заболеваниями дыхательных путей.

Методика исследования

Экспресс-метод определения углекислого газа в воздухе. Содержание углекислого газа в воздухе служит косвенным показателем его чистоты. Для выполнения работы требуется: медицинский шприц на 100–150 мл; химический стакан, вместимостью 50–100 мл; 0,005% раствор карбоната натрия, для приготовления которого 1 г химически чистого безводного карбоната натрия растворяют в 200 мл свежеприготовленной дистиллированной воде, а затем добавляют 0,5 мл 1%-го раствора фенолфталеина. Этот раствор хранят в хорошо закупоренном флаконе, непосредственно перед исследованием из него готовят рабочий раствор, для чего 1 мл его помещают в мерную колбу на 100 мл, доводят объем дистиллированной водой до метки и перемешивают. При определении двуокиси углерода в шприц набирают 20 мл рабочего раствора карбоната натрия, затем оттягивают поршень и засасывают исследуемый воздух. После этого шприц встряхивают в течение одной минуты. Если раствор остается розовым, то воздух выталкивают из шприца, набирают новую порцию воздуха и опять встряхивают одну минуту. Новые порции воздуха продолжают добавлять до обесцвечивания раствора. Обычно эту операцию повторяют три–четыре раза, а затем воздух добавляют уже небольшими порциями (10–20 мл), каждый раз встряхивая шприц в течение 1 мин, до обесцвечивания. Если раствор обесцвечивается менее чем за 1 мин, то опыт повторяют с меньшим количеством воздуха. Ход реакции: Na2CO3+H2O+CO2→2NaHCO3. Учитывая объем исследуемого воздуха, потребовавшийся для обесцвечивания раствора карбоната натрия, определяют по специальной таблице содержание двуокиси углерода в воздухе[3].

Таблица 4. Зависимость содержания углекислого газа (%) в воздухе от объема воздуха, обесцвечивающего 20 мл 0,005%-ного раствора соды.

Мы измерили концентрацию углекислого газа в следующих помещениях: рекреация коридора (2 этаж, наибольшая проходимость по количеству учащихся), рекреация (3этаж, наименьшая проходимость по количеству учащихся), кабинет биологии, кабинет начальных классов.

Измерения проводились в течение пяти дней с понедельника (29 октября) по пятницу(6 ноября). Временной промежуток был выбран нами не случайно, так как конец недели (с 3 ноября) попадал на каникулярные дни, и хотелось увидеть, как изменяется содержание углекислого газа между длительными промежутками времени учебных и каникулярных дней.

На диаграммах видна динамика изменения содержания углекислого газа в различных школьных помещениях.

Анализ позволяет сделать несколько выводов. Во-первых, концентрация углекислого газа во всех школьных помещениях в течение всей недели, включая и неучебные дни, выше нормы.

Причем в выходные дни она примерно в 1,4 раза меньше, а максимум достигается в середине недели, что в 4,1 раза больше нормы. Во-вторых, наибольшее содержание углекислого газа в учебные дни наблюдается в помещениях, в которых происходит образовательный процесс. В них дети проводят большую часть времени.

В то же время наименьшая концентрация, в течение учебных дней, выявлена в помещениях, где образовательный процесс не ведется – это зоны отдыха на 3 этаже. Связано это конечно с тем, что такие помещения обязаны быть проветриваемыми во время уроков. И немаловажную роль в чистоте воздуха, конечно, играют растения. Но все-таки, концентрация и в рекреациях в 1,8-3 раза выше нормы.

Очевидно, что резкого изменения содержания углекислого газа между учебными и каникулярными днями нет, она плавно увеличивается к середине недели и плавно уменьшается к концу.

Вывод: школьные помещения не проветриваются должным образом, что отрицательно сказывается на самочувствии учеников и учителей.

Заключение

Как же можно решить эту проблему?

Во-первых, это длительное проветривание всех помещений. Кратковременное проветривание слабоэффективно и практически не уменьшает содержание углекислого газа в воздухе.

Во-вторых, с помощью комнатных растений. Но поглощение ими избыточной углекислоты из воздуха происходит только на свету.

В-третьих, углекислый газ можно удалять из воздуха помещения специальными приборами. Эти приборы называются абсорберами (поглотителями) углекислого газа[2]. В основе действия абсорбера углекислого газа заложен принцип захвата молекул СО2 специальным веществом.

В-четвертых, следует избегать установки пластиковых окон, это лишает помещение естественной вентиляции. В этом случае углекислый газ может накапливаться.

В-пятых, уровень углекислого газа необходимо контролировать как в атмосфере, так и в воздухе помещений, особенно это касается детских садов, школ, высших учебных заведений, во всех местах, где подолгу находятся большие группы людей. Когда уровень CO2 в воздухе помещения поднимается выше определенной величины, человек начинает чувствовать себя дискомфортно, может впадать в дремотное состояние, возникают головные боли, тошнота, чувство удушья. Этот предел индивидуален для каждого человека, в зависимости от пола, возраста и состояния здоровья. Углекислый газ не обладает цветом, запахом, его негативное влияние постепенное и сказывается проявлением различных заболеваний. Необходимо внедрение в широкое пользование бытовых мониторов СО2, измерительных приборов, замеряющих уровень углекислого газа в помещениях. Только так может появиться возможность узнать, насколько вентиляция эффективно удаляет углекислый газ, или же пришла пора проветрить помещение.

Список литературы

1. И.В.Гурина. Безопасный уровень углекислого газа требует ревизии. Журнал «Экологический Вестник России» (№10, 2008).

2. Е.О.Шилькрот, Ю.Д.Губернский. Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? Журнал «АВОК» (№4, 2008).

3. Биология. Дополнительные материалы к урокам и внеклассным мероприятиям по биологии и экологии в 10-11 классах / авт.-сост. М.М.Боднарук, Н.В.Ковылина. – 2-е изд., стереотип. – Волгоград: Учитель, 2008 г.

4. http://www.enontek.ru.

10