3o1ces2ZEc

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2015

УДК 543.3 : 502.5

Экологическая химия: метод. указания к лаб. работам / cост.: В. А. Баянов, О. В. Рахимова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. 32 с.

Содержат основные теоретические и практические сведения, необходимые для выполнения лабораторных работ по курсу «Экологическая химия». Выполнение этих работ помимо закрепления лекционного материала способствует приобретению студентами практических навыков проведения научноисследовательской работы.

Предназначены для подготовки бакалавров по направлению 280700.62 – «Техносферная безопасность» по профилю 280704.62 – « Инженерная защита окружающей среды».

Методические указания разработаны на основе действующих нормативных документов: СанПиН № 4630–88; ГОСТ 3351–46; ГОСТ Р 51642–2000;

ГОСТ Р 52769–2007; ГОСТ Р 52407–2005; ГОСТ 31954–2012; ГОСТ 4595;

ГОСТ 23268.17–78; ГОСТ 26426–85.

Написаны в рамках государственной работы «Проведение научно-иссле- довательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок)» базовой части государственного задания Минобрнауки России. Код проекта: 2548.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

вкачестве методических указаний

©СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015

2

ВВЕДЕНИЕ

Экологическая химия – это наука, изучающая природные и антропогенные химические процессы в окружающей среде, миграции и превращения всех химических соединений, в том числе и загрязнителей. Основной задачей экологической химии является исследование изменений химического состава окружающей среды и прогнозирование возможных экологических последствий таких изменений. Для этого используются различные расчётные и химические методы анализа, регламентированные нормативными документами (ГОСТы, СанПиНы).

Восприятие теоретической части дисциплины «Экологическая химия» в значительной степени облегчается, если она подкреплена соответствующими практическими работами по определению различных характеристик и анализу модельных или реальных объектов. В настоящих методических указаниях представлены два типа работ: расчетные задачи различных процессов и показателей по известным характеристикам и лабораторные работы по анализу природных объектов.

3

РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАЧИ

Расчетная задача № 1

Расчет показателя токсичности (критерия физиологической безвредности) химического соединения

Цель работы: определение острой токсичности и класса опасности химического соединения.

Токсичностью (от греч. toxikon – яд) называют способность вещества вызывать нарушения физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикации (заболевания), а при тяжелых поражениях – его гибель.

Степень токсичности вещества характеризуется токсической дозой – количеством вещества, отнесенным к единице массы, вызывающим определенный токсический эффект. Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность. Токсические дозы (концентрации) характеризуют степень опасности веществ в зависимости от пути поступления его в организм.

Различают среднесмертельные (медианно-смертельные) дозы (ЛД50 или LD50), абсолютно смертельные (ЛД90–100 , LD90–100 ), минимально смертельные (ЛД0–10 , LD0–10 ), среднеэффективные (медианно-эффективные, ED50) – вызывающие определенные токсические эффекты, пороговые (ПД50, РD50). Цифры в индексе показывают вероятность [%] появления определенного токсического эффекта – смерти, порогового действия и др.

Целью доклинических токсикологических исследований веществ является установление характера и выраженности его повреждающего действия на организм экспериментальных животных и оценка его безопасности. Исследование общетоксического действия подразделяется на два этапа:

1. Изучение острой токсичности при однократном или дробном применении через короткие (не более 3…6 ч) интервалы в течение суток.

2. Изучение хронической токсичности при длительном контакте. Острая токсичность является одним из определяющих параметров при

гигиеническом нормировании. Обычно она определяется экспериментальным путем и зависит от состава и структуры вещества.

Для органических соединений, не содержащих атомов металлов, среди электрохимических характеристик определяющую роль играет энергия связи в молекуле, поскольку именно эта величина наиболее полно характеризует тип стерического (неэлектронного) взаимодействия и, соответственно, не-

4

электронной проводимости, наблюдаемых в органических соединениях (полярных и неполярных).

Одним из способов экспресс-определения острой токсичности органических соединений является расчет LD50 [г/кг] в зависимости от суммарной энергии связей в молекулах веществ, составляющих материал:

связи данного вида; ni – количество связей данного вида в молекуле вещества). В результате такого расчета устанавливаются качественная и количественная взаимосвязи между электронно-связевой характеристикой и токсикологическими параметрами веществ. Метод позволяет в минимальные сроки проводить определение важнейшего токсикологического критерия –

острой токсичности химических соединений.

Порядок выполнения расчетов и оформление отчета:

1.Получить у преподавателя расчетную задачу.

2.Определить структурную формулу заданного вещества. Построить формулу в программе ChemDraw.

3.Определить характер связей и их количество. Вычислить Eсв, пользу-

ясь справочными данными из табл. 1.1 и (1.2). Полученные данные занести в табл. 1.2.

5

4.Вычислить значение LD50 по (1.1).

5.Определить класс токсичности вещества по данным, приведенным в табл. 1.3.

Расчетная задача № 2

Идентификация неизвестного вещества

Цель работы: идентифицировать по молекулярной массе вредную примесь (табл. 2.1), если навеску вещества с массой m = 0.5 г при температуре t [ºC] испарили в объем 1 л при давлении p (табл. 2.2). Результаты подтвердить расчетом молекулярной рефракции R и сравнением c опытной величиной, приведенной в табл. 2.2.

Порядок выполнения расчетов и оформление отчета:

1. Перевести параметры состояния пробы газа при рабочих условиях (p, V, T) к нормальным условиям (p0, V0, T0) по схеме:

2. Используя уравнение Менделеева– Клапейрона, вычислить V0 [л]: pV = nRT ,

где n – число молей вещества; R = 8.314 Дж/(моль × К) – газовая постоянная; p, V, T – параметры состояния, выраженные в паскалях, кубических метрах и кельвинах соответственно:

pV ( p0V0 ) = TT0 ,

6

следовательно,

V0 = pVT0 ( p0T ).

Примечание. ПДК – предельно допустимая концентрация.

7

Примечание. d* – плотность жидкости при температуре 20 ºС.

3. Определить молекулярную массу газа через плотность [г/см3] его пара при нормальных условиях:

d = m = p0M . V0 RT0

4.Определить искомое вещество по табл. 2.1. Нарисовать его структурную формулу. Вычислить LD50.

5.Методом аддитивности вычислить молекулярную рефракцию (мера электронной поляризованости вещества) по формуле

R = аRА + bRВ + сRС + ...,

где А, В, С – атомы одного вида. Для расчетов использовать данные табл. 2.3. Полученный результат сравнить с приведенным в табл. 2.3.

6. По формуле C0 = nV вычислить молярно-объемную концентрацию [мг/см3] определенного вещества и с помощью табл. 2.1 определить превышение ПДК при условии, что C0 = pраб ( RT ).

8

7. Дать токсикологическую характеристику вещества согласно данным, приведенным в табл. 1.3, и сделать вывод о необходимости очистки вентиляционных газов.

Расчетная задача № 3 Оценка уровня выбросов вредных веществ в атмосферу

Цель работы: научиться оценивать степень опасности газовых выбросов антропогенного происхождения в атмосферу.

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества Сmax [мг/м3] при выбросе нагретой газовоздушной смеси из одиночного источника при неблагоприятных метеорологических условиях определяется по формуле

где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе (для Московского региона равен 140); F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе (для газообразных вредных веществ F = 1); m, n – безразмерные коэффициенты; η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае ровной местности η = 1); Н – высота трубы, м; Q – объем газовоздушной смеси, выбрасываемый из трубы, м3/с; ∆t – разность между температурой выбрасываемой смеси и температурой окружающего воздуха, ºС.

Для определения Сmax необходимо:

1) вычислить среднюю линейную скорость w0 [м/с] выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса по формуле

9

3) определить значение коэффициента m в зависимости от f по формуле

0.67+ 0.1 f + 0.34 3 f

4)значения коэффициентов n и d для расчета расстояния, на котором наблюдается максимальная приземная концентрация вредных веществ, определить в зависимости от vmax (табл. 3.1).

При неблагоприятных метеорологических условиях максимальная приземная концентрация вредных веществ достигается на расстоянии от источника выброса X max [м] и вычисляется по формуле

Формулы для расчета Сmax и X max справедливы при следующих значениях опасной скорости ветра [м/с]:

umax = 0.5 м/с, если vmax ≤ 0.5; umax = vmax , если 0.5 < vmax ≤ 2;

umax = vmax (1 + 0.12 f ) для нагретых выбросов при vmax > 2. Значения приземных концентраций вредных веществ СХ в атмосфере

по оси факела выброса на различных расстояниях от источника выброса при опасной скорости ветра определяются по формуле

Расчет предельно допустимого выброса (ПДВ) нагретого вредного вещества [г/с] производится по формуле

10