Исследовательская работа на тему «Азото-фосфорная эвтрофикация местных водоемов»


Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа села Старобурново Муниципального района Бирский район Республики Башкортостан
Азото-фосфорная эвтрофикация местных водоемов
Научно – исследовательская работа
Выполнила: ученицы 11 кл.
МБОУ СОШ с.Старобурново
Бирский район
Республика Башкортостан
Айгузина А., Гайтанова Н., Перевозникова А.
Руководитель:
Асылбаева М.Е., учитель химии
Бирск – 2015
Оглавление
Введение 3
Глава 1. Обзор литературы. 4
1.1. Эвтрофикация водоемов. 4
1.2. Механизм воздействия эвтрофикации на экосистемы водоемов. 4
1.3. Общая характеристика катионов и анионов азота и фосфора, их классификация 5
Глава 2. Экспериментальная часть. Характерные реакции для соединений азота и фосфора. 7
2.1. Реакции на катион аммония 7
2.2. Реакции на третью аналитическую группу анионов (NO3–, NO2). 8
2.2.1. Характерные реакции нитрат-ионов9
2.2.2. Характерные реакции нитрит-ионов10
2.3. Характерные реакции фосфат-ионов12
2.4. Анализ воды из местных водоемов на содержание азот и фосфорсодержащих соединений. 12
2.5. Составление картограммы водоемов по уровню эвтрофикации. 13
2.6. Выявление экологического дисбаланса в результате азото-фосфорного загрязнения водоемов. 14
Заключение 15
Литература 16
Приложение 17
Введение
В последнее время на территориях с высокой плотностью населения или с интенсивно ведущимся сельским хозяйством интенсивность процесса эвтрофикации увеличилась многократно из-за сброса в водоемы коммунально-бытовых стоков, стоков с животноводческих ферм и предприятий пищевой промышленности, а также из-за смыва избыточно внесенных удобрений с полей.
Основываясь на данную проблему, мы провели научно-исследовательскую работу целью, которого стало - изучить азото-фосфорную эвтрофикацию местных водоемов.
Исходя из цели, были поставлены следующие задачи:
- изучить из литературы механизм, причины и последствия эвтрофикации;
- собрать образцы воды близлежащих водоемов;
- изучить влияние химического загрязнения на экосистему;
- проводить анализ воды на содержание «биогенных элементов»
- после анализа полученных результатов, делать соответствующие выводы.
В ходе выполнения научно-исследовательской работы нами поставлена была следующая гипотеза: предполагалось найти наиболее экологически безопасную территорию для развития экосистемы водоема.
Следовательно,объектом исследования стал вода из местных природных водоемов. Предмет исследования: азото- фосфорная эвтрофикация. Для проведения исследовательской работы были использованы следующие методы: литературный обзор, экспериментальные методы, анализ, синтез.
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Эвтрофикация водоемов.
Эвтрофикацией называется процесс ухудшения качества воды из-за избыточного поступления в водоем так называемых «биогенных элементов», в первую очередь соединений азота и фосфора. Эвтрофикация — нормальный природный процесс, связанный с постоянным смывом в водоемы биогенных элементов с территории водосборного бассейна. Однако в последнее время на территориях с высокой плотностью населения или с интенсивно ведущимся сельским хозяйством интенсивность этого процесса увеличилась многократно из-за сброса в водоемы коммунально-бытовых стоков, стоков с животноводческих ферм и предприятий пищевой промышленности, а также из-за смыва избыточно внесенных удобрений с полей.[ 1]
1.2. Механизм воздействия эвтрофикации на экосистемы водоемов.
Механизм воздействия эвтрофикации на экосистемы водоемов следующий.
1. Повышение содержания биогенных элементов в верхних горизонтах воды вызывает бурное развитие растений в этой зоне (в первую очередь фитопланктона, а также водорослей – обрастателей) и увеличение численности питающегося фитопланктоном зоопланктона. В результате прозрачность воды резко снижается, глубина проникновения солнечных лучей уменьшается, и это ведет к гибели донных растений от недостатка света. После отмирания донных водных растений наступает черед гибели прочих организмов, которым эти растения создают места обитания или для которых они являются вышерасположенным звеном пищевой цепи.
2. Сильно размножившиеся в верхних горизонтах воды растения (особенно водоросли) имеют намного большую суммарную поверхность тела и биомассу. В ночные часы фотосинтез в этих растениях не идет, тогда как процесс дыхания продолжается. В результате в предутренние часы теплых дней кислород в верхних горизонтах воды оказывается практически исчерпанным, и наблюдается гибель обитающих в этих горизонтах и требовательных к содержанию кислорода организмов (происходит так называемый «летний замор»).
3. Отмершие организмы рано или поздно опускаются на дно водоема, где происходит их разложение. Однако, донная растительность из-за эвтрофикации погибает, и производство кислорода здесь практически отсутствует. Если же учесть, что общая продукция водоема при эвтрофикации увеличивается между производством и потреблением кислорода в придонных горизонтах наблюдается дисбаланс, кислород здесь стремительно расходуется, и все это ведет к гибели требовательной к кислороду донной и придонной фауны. Аналогичное явление, наблюдающееся во второй половине зимы в замкнутых мелководных водоемах, называется «зимним замором».
4. В донном грунте, лишенном кислорода, идет анаэробный распад отмерших организмов с образованием таких сильных ядов, как фенолы и сероводород, и столь мощного «парникового газа» (по своему эффекту в этом плане превосходящего углекислый газ в 120 раз), как метан. В результате процесс эвтрофикации уничтожает большую часть видов флоры и фауны водоема, практически полностью разрушая или очень сильно трансформируя его экосистемы, и сильно ухудшает санитарно-гигиенические качества его воды, вплоть до ее полной непригодности для купания и питьевого водоснабжения. [ 2,3] (см. приложение 1)
1.3. Общая характеристика катионов и анионов азота и фосфора, их классификация
Анионы, как и катионы, образуются при диссоциации множества соединений биосферы.
Источниками анионов служат прежде всего магматические выбросы из глубин Земли (HC1, HF, H2S, H2SO3, H3BO3 ,H2CO3 и т.д.) и продукты их окисления атмосферным кислородом (сульфаты, сульфиты, карбонаты, нитраты, нитриты и др.). Немало анионов образуется при гидролизе горных пород в ходе их выветривания (силикаты, алюминаты, бораты, сульфаты, карбонаты, фосфаты, сульфиды и т.д.). Удивительное многообразие анионов возникает в живых организмах в ходе сложнейших биохимических процессов (формиаты, ацетаты, цитраты, глюконаты, стеараты и т.д.). Значительное количество анионов производит современная техносфера (сульфаты, нитраты, хлориды, хлораты, перманганаты, хроматы и т.д.).
Таким образом, с анионами мы встречаемся практически везде. Анионы весьма разнообразны по составу и свойствам, они могут вступать в реакции осаждения, гидролиза, комплексообразования, разложения, окисления – восстановления и др. Чтобы упростить анализ анионов, их классифицируют по определенным свойствам. В современной практике наиболее применимы две классификации.
Первая классификация основана на осаждении анионов солями бария и серебра. В зависимости от растворимости полученных при этом соединений анионы делят на 3 аналитических группы.
При анализе смеси анионов очень удобно пользоваться второй классификацией. Она основана на их окислительно-восстановительных свойствах. [ 4]
Глава 2. Экспериментальная часть. Характерные реакции для соединений азота и фосфора.
2.1. Реакции на катион аммония
1) Реакция со щелочами.
К 2-3 каплям раствора соли аммония добавьте несколько капель раствора КОН или NaOH и подогрейте содержимое пробирки. При этом образуется гидроксид аммония, который при нагревании разлагается с выделением NH3:
NH4+ + OH - = NH4OНNH4OH t0= NH3↑ + H2O
Выделяющийся аммиак можно обнаружить по запаху, а также по посинению лакмусовой или универсальной индикаторной бумаги, смоченной дистиллированной водой и внесенной в пары. Выделяющийся NH3 можно обнаружить и по белому дыму, который образуется вокруг стеклянной палочки, смоченной НС1 и внесенной в пары, содержащие аммиак. Для обнаружения NH 3 можно брать и фенолфталеиновую индикаторную бумагу, которая розовеет при поглощении NH3.
Реакция на ионы аммония со щелочью является специфической. Ни один ион не мешает обнаружению аммонийных ионов этой реакцией.
2) Реакция с реактивом Несслера (K2[HgI4] + KOH).
В пробирке или на предметном стекле к капле раствора соли аммония прибавьте 1-2 капли реактива Несслера. Появляется характерный красновато-бурый осадок иодида меркураммония:
Hg
NH4Cl + 2K2[HgI4] + 4KOH = [ONH2]I↓ + KCl + 7KI + 3H2O
Hg
При наличии следов аммонийных ионов раствор окрашивается в желтый цвет.
Условия проведения реакции.
а) Реактив Несслера добавлять в избытке, иначе образующийся осадок может раствориться в избытке аммонийных солей.
б) Открытию мешают все катионы, которые осаждаются щелочами, особенно катионы железа (III), хрома(III), меди(II), никеля(II) и др.
в) Мешающие ионы можно предварительно осадить щелочью и отцентрифугировать, а в центрифугате обнаружить ионы аммония реактивом Несслера. Мешающие ионы можно предварительно замаскировать 50%-ным раствором KNaC4H4O6.
Реакция на аммоний с реактивом Несслера чувствительна. Эту реакцию часто используют для определения аммонийного азота в воде и водных растворах, как продукта разложения.
2.2. Реакции на третью аналитическую группу анионов (NO3–, NO2).
К третьей группе анионов относятся: хлорат- , перманганат- , нитрат-, нитрит- и ацетат-ионы. Наибольшую практическую значимость имеют соединения, содержащие три последних иона. Особенность анионов данной группы в том, что они с большинством катионов образуют соединения, растворимые в воде. Следовательно, группового реактива, осаждающего анионы этой группы, нет.
Нитраты и нитриты встречаются почти во всех видах вод. В речных, родниковых и прочих поверхностных водах их мало, но сточные и канализационные воды содержат значительные их количества. Нитриты в воде образуются в результате биохимического окисления продуктов разложения белков или восстановления нитратов. Их присутствие свидетельствует о сильном загрязнении вод органическими отходами. В поверхностных водах, насыщенных кислородом, нитриты окисляются до нитратов. Обнаружение последних не составляет особого труда, т.к. в настоящее время разработаны надежные и простые методы их анализа. Наиболее удобным и быстрым является потенциометрический метод, когда в исследуемую среду погружают электроды. Возникающий при этом потенциал сразу указывает на концентрацию нитрат-ионов в исследуемом объекте (вода, фрукты, овощи и т.д.). Такие анализы делают, например, в лабораториях, обслуживающих рынки, с помощью отечественных нитрат – тестеров марки «Морион ОК» разных модификаций.
Практически все соли азотной и большинство солей азотистой и уксусной кислот хорошо растворимы. Хлорид бария и нитрат серебра не осаждают анионы третьей группы, поэтому для них нет группового реактива. Все анионы бесцветны.
Атом азота в нитрат-ионе имеет высшую степень окисления (+5), потому за счет азота нитрат-ионы проявляют только окислительные свойства. В нитрит-ионе атом азота находится в промежуточной степени окисления (+3), поэтому азотистая кислота и ее соли проявляют и окислительные, и восстановительные свойства. Вот почему для обнаружения нитрат- и нитрит-ионов используют ОВР.
Из сравнения потенциалов: Е0(HNO2/NO↑)=0,99B>Е0(NO3–/NO↑)=0,96В; Е0(NO3–/NO2) = 0,80В; Е0(NO3–/NH4+) = 0,87В; Е0(NO3–/HNO2) = 0,94В видно, что нитрит-ионы в кислой среде более сильные окислители, чем нитрат-ионы, поэтому они мешают обнаружению нитрат-ионов практически всеми реакциями.
Нитраты и нитриты всех металлов при нагревании разлагаются в результате внутримолекулярных ОВР. Это свойство используется для обнаружения этих ионов и для их отделения.
Следует также отметить, что азотистая кислота и ее соли реагируют с ароматическими аминами, образуя диазо- и азосоединения. Последние имеют характерную интенсивную окраску, что используется в анализе.
2.2.1. Характерные реакции нитрат-ионовНитрат-ионы обнаруживают окислительно-восстановительными реакциями и с помощью органических реагентов.
1. Действие сульфата железа (II). FeSO4 восстанавливает нитрат-ионы в сернокислой среде до NO, который с избытком железа (II) образует комплексное соединение бурого цвета.Проведение реакции. На предметное стекло поместите каплю раствора нитрата натрия или калия, внесите кристаллик FeSO4 величиной с пшенное зерно, и добавьте 1 каплю концентрированной серной кислоты. При наличии нитрат-ионов вокруг кристалла появляется бурое кольцо в результате образования комплексного соединения:
6Fe2+ + 2NO3– + 8H+ 6Fe3+ + 2NO + 4H2O
NO + Fe2+ + SO42– [Fe(NO) SO4]
Мешают нитрит-ионы и другие анионы – окислители и восстановители.
2. Действие дифениламина (С6Н5)2NH. Он окисляется азотной кислотой и образует комплексное соединение синего цвета.
Проведение реакции. На предметное стекло или фарфоровую пластинку нанесите 1-2 капли раствора нитрата натрия или калия и 1 каплю раствора дифениламина в концентрированной серной кислоте. Образующаяся при этом концентрированная азотная кислота окисляет дифениламин, в результате появляется темно-синее окрашивание. Реакция весьма чувствительная. Предел обнаружения 0,4-0,5 мкг. Обнаружению нитратов дифениламином мешают окислители: NO2–, MnO4–, CrO42– и Fe3+, а также сильные восстановители, например, иодид-ионы, способные окисляться концентрированной серной кислотой до иода, бурый цвет которого маскирует синюю окраску.
Кстати, раствор дифениламина в концентрированной серной кислоте нередко используют агрономы для экспресс-диагностики потребности растений в азоте. Для этого проводится анализ сока растений по методу В.В. Церлинга. Этот метод прост, нагляден и очень удобен для школьников. [8, 9]
2.2.2. Характерные реакции нитрит-ионовНитрит-ионы, содержащие атомы азота в промежуточной степени окисления, могут быть и восстановителями, и окислителями. Для NO2– характерны также все реакции, которыми обнаруживают NO3– (с Сu, с дифениламином и антипирином). Отличить нитриты от нитратов позволяют лишь восстановительные свойства нитритов, не характерные для нитратов.
1. Действие окислителей. Нитриты легко окисляются из-за своих восстановительных свойств.
Проведение реакций. Возьмите две пробирки, поместите в одну 2 капли раствора KMnO4, в другую 2 капли раствора K2Cr2O7. Добавьте в обе по 2-3 капли 2 н. раствора серной кислоты. Затем внесите в обе пробирки по несколько капель нитрита калия. В первой пробирке раствор обесцветится, во второй позеленеет. Уравнения реакций:
2MnO4– + 5NO2– + 6H+ = 2Mn2+ + 5NO3–+ 3H2O
Cr2O72– + 3NO2– + 8H+ = 2Cr3+ + 3NO3–+ 4H2O
Мешают многие восстановители, но их можно отделить солями бария и серебра.
2. Действие иодистого калия. KJ восстанавливает нитрит-ионы до оксида азота (II). Это наиболее простая и наглядная реакция, но ее надо выполнять под тягой.
Проведение реакции. К 2-3 каплям раствора нитрита добавьте несколько капель раствора иодида калия. Видимых изменений нет. Добавьте 1-2 капли 2 н. раствора серной кислоты. Начинается бурная реакция с выделением бесцветного газа NO, который тут же переходит в рыжеватый NO2. На стенках пробирки появляются серовато-черные кристаллы иода. Поставьте пробирку в горячую водяную баню. Вскоре появляются фиолетовые пары, которые при охлаждении на верхних краях стенок пробирки образуют кристаллы иода:
2NO2– + 2J– + 2H+ = J2 + 2NO↑ + 2H2O
Мешают более сильные, чем NO2–, окислители. Например: MnO4–, Cr2O72–.2.3. Характерные реакции фосфат-ионовДля фосфат-ионов, имеющих устойчивое тетраэдрическое строение, окислительно-восстановительные свойства в водных растворах не характерны. Фосфаты щелочных металлов растворимы в воде, легко гидролизуются и образуют при этом щелочную среду. Двух- и трехзамещенные фосфаты всех других металлов нерастворимы в воде. Потому для фосфат-ионов характерны реакции осаждения.
1. Действие хлорида бария. BaC12 дает с фосфатами осадок, растворимый в кислотах (кроме H2SO4):
3Ba2+ + 2PO43– = Ba3(PO4)2
Ba2+ + HPO42– = BaHPO4
2. Действие нитрата серебра. AgNO3 образует с PO43–- ионами желтый осадок, растворимый в азотной кислоте:
3Ag+ + PO43– = Ag3PO4
Кстати, этой реакцией легко отличают все фосфорные удобрения от других удобрений. Полученный желтый осадок Ag3PO4 проверяют на растворимость в азотной кислоте.
Мешают этой реакции анионы 2-ой группы, которые можно предварительно окислить. [ 9,10]
2.4. Анализ воды из местных водоемов на содержание азот и фосфорсодержащих соединений. (см. приложения 3,4,5)
Характерные реакции Образцы воды из местных водоемов
№1 №2 №3 №4 №5
На катион NH4+ С NaOHСлабое посинение Слабое посинение Слабое посинение Интенсивное посинение Интенсивное посинение
С реактивом НесслераСлабое желтое Слабое желтое Интенсивно желтое Слабое желтое Слабое желтое
На NO3- ион С FeSO4 __ Буроватое пятно __ __ __
С нитрат-тестером5-6 мг/л 10 мг/л 2-3 мг/л 2-3 мг/л 2-3 мг/л
На NO2- ион С KMnO4 __ __ обесцвечивание __ __
С KI Пожелтел
выделился газ Сильно пожелтела Черные кристаллы __ __
На PO43- ион С BaCI2 __ __ __ Белый осадок Белый осадок
C AgNO3 __ __ __ Белый осадок Белый осадок
Вывод Небольшое наличие аммония, нитритов и нитратов Небольшое наличие аммония, большое содержание нитритов и нитратов Небольшое наличие аммония, большое содержание нитритов и нитратов Наличие аммония, меньшее содержание нитритов и нитратов, но имеются фосфаты Наличие аммония, меньшее содержание нитритов и нитратов, но имеются фосфаты
2.5. Составление картограммы водоемов
Образец №1- озеро Любительское
Образец №2- озеро КандараОбразец №3- Карстовая воронка старая
Образец №4- Карстовая воронка новая
Образец №5- Водонапорная башня
При составлении картограммы местных водоемов использовали спутниковый снимок местности (см. приложение 2).
Озеро Любительское расположено вблизи местного кладбища, окружен сельскохозяйственными полями. Вблизи данного озера имеются старая и новая карстовые воронки.
Озеро Кандара расположено непосредственно в сельской местности и окружено частными постройками.
2.6. Результат эксперимента. Выявление экологического дисбаланса в результате азото-фосфорного загрязнения водоемов.
В результате проделанной исследовательской работы, мы выявили экологический дисбаланс азото- фосфорной эвтрофикации в образцах №2- озеро Кандара. Озеро находится в поселении, окруженный частными хозяйствами. Следовательно, результатом экологического дисбаланса является человеческий фактор: введение сельского хозяйства, слив коммунальных стоков.
В образцах №1, №2- вода из озера Любительское и в Карстовой воронке обнаружены следы присутствия азота и фосфора. Причиной, возможно, является то, что данный объект находится рядом с кладбищем и вокруг озера расположены пахотные поля.
Заключение
В ходе проведения научно-исследовательской работы поставленная цель достигнута, т.е. мы изучили азото-фосфорную эвтрофикацию местных водоемов.
Кроме этого все задачи выполнены:
- изучили из литературы механизм, причины и последствия эвтрофикации;
- собрали образцы воды близлежащих водоемов;
- изучили влияние химического загрязнения на экосистему;
- проводили анализ воды на содержание азото-фосфорных соединений.
После анализа полученных результатов, делали соответствующие выводы:
Попав в природные водоемы, биогенные элементы(например, соединений фосфора и азота) становятся питательной средой для микроорганизмов, в том числе - сине-зеленых водорослей. Продукты жизнедеятельности сине-зеленых - аллергены, токсины, уже на прямую воздействующие на человека. Особенно интенсивно водоросли размножаются в хорошо прогретой воде, то есть летом. Именно поэтому некоторые из нас обнаруживают после купания в заливе на своем теле красные пятна. А если выпить такой воды, даже при условии, что она кипяченая, можно сильно отравиться. Процесс антропогенного эвтрофирования, вызывая быстрые и подчас необратимые нарушения функциональных связей экосистемы, приводит к ухудшению качества воды, подрыву полезной продуктивности, а иногда и к полной утрате природных ресурсов озера.
Литература
1. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учебн. пособие для вузов, средних школ и колледжей.- 3-е изд., испр. и доп.,/ Ю.В.Новиков. - М.: ФАИР-ПРЕСС,2005.-736с.
2. Передельский Л.В., Коробкин В.И., Приходченко О.Е.Экология: Учебник. / Л.В. Передельский., В.И. Коробкин., О.Е. Приходченк.- М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2006.-512с.
3. Сельскохозяйственная экология: Учебн. Пособие / Под общ. Ред. А.В. Голубева, Н А. Моисеенко. - Саратов: Сарат. гос. с.-х акад., 1997.-418с.
4. Об охране окружающей среды: Закон Российской Федерации. - М.: Экзамен, 2002.-48с.
5. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. - М.: Колос,1996. -367 с.
6. Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учебн. Пособие для хим., хим. -технол. и биол. спец.вузов. -М.: Высшая школа, 1998. 287 с.
7. Филиппович Ю.Б., Егорова Т.Д., Севастьянова Г.А. Практикум по общей биохимии. - М.: Просвещение, 1982
8. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов/ под ред. Ю.А.Ершова. М., 2000.
9. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенныхэлементов/ под ред. В.А. Попкова. А.В.Бабкова. – М., 2001.
10. Жебентяев А.И., Жерносек А.К., Талуть И.Е. Аналитическая химия.
Химические методы анализа.– Минск, 2010.
Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5


Приложенные файлы

  • docx azot
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 2