Муниципальное образовательное учреждение средняя школа №8
Научно-исследовательская работа по химии
Оценка экологического состояния почвы микрорайона школы
Автор: Лукмазова Евгения
учащаяся 9Бкласса
Руководитель:
Андрейченко Е.И.
учитель химии
Нижегородская область
г.Выкса
2007-2008 учебный год
Содержание
1. Введение ……………………………………………………..3
2. Виды и состав почв………………….……………………….4-5
3. Загрязнение почвы……………………………………………5-6
4. Исследование экологического состояния почвы микрорайона школы
4.1. Исследование механического состава почв……………..6
4.2. Исследование методами химического анализа………….7
4.2.1. Определение кислотности…………………………………8
4.2.2. Определение сульфат ионов……………………………….9
4.2.3. Определение хлорид ионов………………………………..10
4.2.4. Определение ионов железа…………………………………11
4.2.5. Определение ионов меди…………………………………..12
4.2.6. Определение ионов никеля…………………………………..12
4.2.7. Определение ионов свинца…………………………………..13
5. Заключение и выводы по итогам исследовательской работы…….14
6. Список использованной литературы………………………………..15
1. Введение
Почвы – это особые природные тела, такие же особенные, как животные, растения и минералы. Это отдельное «царство природы».
С почвой мы знакомимся еще тогда, когда с совочком и ведерком делаем куличики, когда и себя-то еще не помним. По почве мы всю жизнь ходим и ездим, выращиваем на ней урожай и в конце концов в нее же и превращаемся. С почвой мы встречаемся не реже, чем с растениями, и намного чаще, чем с дикими животными. А что мы о ней знаем? Если мы не почвоведы, не агрономы, не ботаники и не экологи, то почти ничего. Тогда попробуем разобраться.
Почва – это не только то, что прилипает к нашим рукам после работы на огороде и что мы обычно называем землей. Помимо этих твердых частиц минералов, органических остатков и органоминеральных химических соединений почва состоит также из воды (точнее почвенного раствора), газов и живых существ, обитающих в ней. Почва возникает на границе литосферы и атмосферы в результате воздействия климата и живых организмов (растений и животных) на горные породы и покрывает практически всю сушу, образуя почвенный покров. Для того, что бы понять, как образовался и как живет этот объект природы, состоящий из твердой земли, воды, воздуха и живого вещества, нужны знания не только по географии, биологии, химии, но еще по геологии и некоторым разделам физики.
Работа состоит из теоретической и практической части. В теоретической я изучала, систематизировала и обобщала материал по интересующим меня вопросам, а в практической части проводила исследовательский эксперимент.
Цель моей работы:
- показать большую значимость экологического состояния почв
- изучить основные компоненты состава и видов почв и способы очистки
- исследовать экологического состояния почвы микрорайона школы.
2. Виды и состав почвы
Современное почвоведение – это фундаментальная наука. Ее форпост – факультет почвоведения Московского государственного университета. Сегодня почвоведение оснащено мощной приборной базой. Для изучения состояния почвенного покрова используются космические спутники с приборами дистанционного зондирования. В то же время для понимания тончайших процессов, происходящих на поверхности минералов в почве при воздействии на них микроорганизмов и корневых волосков, широко применяются электронные и сканирующие микроскопы. Жизнь почвы изучают на основании периодических автоматических измерений влажности, температуры, состава почвенных растворов. Однако, несмотря на такую техническую оснащенность, главным «прибором» для почвоведа остается лопата. Сейчас почвоведение из науки, которая нужна была, прежде всего, сельскому хозяйству, становится наукой, изучающей природную среду и воздействие на нее человека. И все чаще почвоведы – непременные участники крупных экологических проектов.
Цвет, механический состав, структура, новообразования – основные характеристики почвенных горизонтов.
Почва бывает разного цвета из-за того, что в ней как бы смешиваются цвета ее главных компонентов.
Механический состав почвы – это содержание в ней песчаных и глинистых частиц разного размера.
Наконец, новообразования – это особые выделения в почвенном веществе, образующие в результате выпадения из растворов различных солей и соединений.
составу почвенного раствора, почвенного воздуха и живых организмов.
В.В. Докучаев в конце XIX века определил почву как функцию, т.е. величину, которая зависит от климата, рельефа, горных пород, живых организмов и времени. В наши дни это определение немного уточнили: время стали считать особым, может быть, более общим, глобальным фактором, поскольку ведь и все другие силы, формирующие почвы, существуют как во времени, так и в пространстве.
Почвенная фауна, животный мир почв, совокупность животных, обитающих в почве. В почвенную фауну входят представители многих групп наземных и водных животных. Простейшие, коловратки, мельчайшие нематоды (нанофауна) обитают в капиллярной и даже пленочной воде. Мелкие членистоногие – клещи, ногохвостики, симфилы и другие (микрофауна) – населяют не заполненные водой промежутки между твердыми частицами почвы. Более крупные беспозвоночные – дождевые черви, многоножки, личинки насекомых, прокладывающие ходы в почве (мезофауна), - используют всю почву как среду обитания. Роющие позвоночные – крот, слепыш, слепушонка, цокор и другие крупные обитатели почвы - составляют макрофауну, или мегафауну. На 1м2 почвы приходится от десятка до нескольких сотен особей мезофауны, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч – микрофауны; количество простейших в 1г почвы исчисляется тысячами. В составе почвенной фауны различают: постоянных обитателей (геобионты); организмы, проходящие в почве одну из активных (питающихся) стадий (геофилы); виды, использующие почву лишь как убежище (гексены). Почвенную фауну заселяют в основном верхние (глубиной до 20 - 40 см) горизонты почвы; в сухих местностях лишь отдельные виды проникают на глубину нескольких метров. Почвенная фауна – важный фактор почвообразования, влияющий на все свойства почвы, включая ее плодородие. Деятельность почвенной фауны ускоряет гумификацию и минерализацию растительных остатков, изменяет солевой режим и реакцию почвы, повышает ее пористость, воду - и воздухопроницаемость, способствует углублению аккумулятивного горизонта и перемешиванию слоев почвы, создает водопрочную зернистую структуру почвы. Многие обитатели почвы, особенно личинки насекомых ( хрущей, щелкунов, чернотелок и др.) и почвенные фитонематоды, - опасные вредители сельскохозяйственных растений и леса; для уничтожения их применяют агротехнические и химические методы борьбы.
Почва создается в результате взаимодействия во времени и пространстве Климата, живых Организмов (растений, животных и особых организмов – грибов), горных Пород, Рельефа. Однако при этом ни в коем случае нельзя забывать о факторе времени, в которое климат, организмы, горные породы и рельеф образуют почву.
3. Загрязнение почвы.
Хозяйственная деятельность человека влияет на некоторые факторы почвообразования, например на растительность (вырубка леса, замена его травянистыми фитоценозами) и непосредственно на почву путем ее механической обработки, мелиорации, внесения минеральных и органических удобрений. При соответствующем сочетании этих воздействий можно направленно изменять почвообразовательный процесс и свойства почвы. В связи с интенсификацией сельского хозяйства влияние человека на почвенные процессы непрерывно возрастает.
Пока бытует мнение, что основными загрязнителями атмосферы и воды являются с их многочисленными предприятиями. Однако переход сельского хозяйства на промышленную основу производства продуктов и все возрастающая степень его химизации приводит к тому, что и сельские районы становятся источниками отрицательного воздействия на окружающую среду. Там, где сосредоточены животноводческие фермы и откормочные площадки, в воздухе велика концентрация аммиака. Дальность распространения загрязнения от фермы может достигать 12 км. Дождь поглощает загрязнения из воздуха и из верхних слоев почвы. Дождевая вода в районе крупных животноводческих ферм, стекая в ближайшие водоемы, содержит много органических примесей, на гниение которых расходуется кислород, растворенный в воде. Из-за отсутствия кислорода в водоемах погибает все живое. Неслучайно по этому сейчас поднимается вопрос об очистке сточных дождевых вод в районах крупных животноводческих комплексах.
Большой вред приносят рекам удобрения, смытые с полей. Может быть, поставить вопрос об уменьшении, применения удобрений и ядохимикатов на сельскохозяйственных угодьях? Ясно, что для обеспечения устойчивых высоких урожаев они необходимы. Но использовать эти сильно действующие вещества необходимо грамотно, строго соблюдая соответствующие нормы, сроки и способы их внесения. Иначе вместо большой пользы от применения химических средств можно получить большой вред.
Сейчас в сельском хозяйстве во всех странах используется 1,5 млрд. га земельных угодий, что составляет 10 – 11% суши.
Защита почв от вымывания осуществляется целой системой агрохимических мероприятий. Но тогда, когда требуется экстренное вмешательство, на помощь приходит химия.
Почва повсеместно загрязняется ядовитыми компонентами выхлопных газов транспортных двигателей, а также нефтью, смазочными материалами, обмывочными водами, металлической и синтетической пылью. Сейчас расширяется содержание установок по улавливанию, нейтрализации и уничтожению нефтезагрязнений. Они включают в себя относительно небольшие подземные емкости-отстойники, в которые стекает загрязненная дождевая вода. Здесь фильтры из древесных стружек и отходов от производства нетканых материалов задерживают нефтепродукты, а очищенная вода сбрасывается в систему канализаций. Один такой агрегат очищает до 20 м3 воды в 1 час.
Загрязнение почв вызывают самые различные вещества - микроэлементы металлов, микродозы органических загрязнителей, продукты ассенизации и дезинфекции, средства защиты растений, углеводороды и радиоактивные вещества. Загрязнение почв губительно сказывается на растениях, приводя к накоплению в них токсичных элементов; эта биоаккумуляция опасна и для человека. Кроме того, попавшие в землю химикаты могут вызвать коррозию подземных коммуникаций. В наибольшей степени загрязнению подвергаются почвы в горнодобывающих районах, в местах интенсивного земледелия, а также почвы прилегающих к автодорогам лугов и пашен, земли, куда сбрасываются стоки агропромышленных предприятий или отстойный ил, образовавшийся после очистки городских стоков. Большая часть загрязненных земель находится в крупных промышленных регионах, в частности в Нор-Па-де-Кале, Иль-де-Франсе и Рона-Альпы. Техногенное загрязнение почвы потребовало разработки особых методов ее регенерации и охраны. Политика Франции в области загрязненных почв и населенных пунктов опирается на три оси: предупреждать, очищать и восстанавливать, и знать. Она в основном направлена на то, чтобы заполнить пробелы в данных о землях, и к 2005г должен был бы быть составлен общенациональный реестр земель.
4. Исследование экологического состояния почвы
микрорайона школы
Первый этап оценки любого зеленого насаждения лучше всего начинать с оценки состояния почвы. Мы знаем, что почва является очень важной средой для растений, т.к. вода и минеральные вещества поступают в растение с помощью корней именно из почвы. Определяются: механический состав, кислотность, увлажненность и количество почвенных обитателей.
4.1. Исследование механического состава почвы
Механический состав играет важную роль в жизни растений. Важная характеристика почвы – ее механический состав, т.к. он определяет видовой состав и жизненность растений. Он позволяет также судить о плодородии почвы. Одно и то же растение сосны будет иметь различный внешний вид на супеси и на тяжелом суглинке.
Механический состав почвы – это относительное (в процентах) содержание в ней частиц различных размеров.
Оборудование: рулетка на 10 м, лопатка, веревка, нож или ножницы.
Проведение исследований почв: необходимо правильно взять почвенный образец. Рекомендуется взять участок площадью 100 м2 (10x10м), т.е. любая сторона этого участка будет равна 10 м. Для удобства можно отметить границы участка с помощью веревок, укрепленных на высоких палках. Длину каждой стороны измерим с помощью рулетки. Рекомендуется составлять средние образцы почвы из 5-8 индивидуальных проб, взятых в различных точках участка. На практике для отбора почвенных образцов часто используют метод “конверта”, т.е. в каждой из пяти точек, как указано на рисунке, необходимо взять образец почвы с помощью лопатки (его называют индивидуальным), а затем смешать эти 5 индивидуальных образцов, и полученный средний образец использовать для проведения исследования.
Определение механического состава почвы с помощью мокрого метода, или метода раскатывания шнура.
|
№ образца почвы |
Результаты исследования
|
|
№ 1 – район автодороги; |
Большие примеси мелких и крупных камней, стекла, неопределенного вида другие загрязнителей |
|
№2 – территория школьного двора; |
Большие примеси мелких и крупных камней, стекла, неопределенного вида другие загрязнителей |
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
Большие куски битого стекла |
|
№4 – школьный садовый участок; |
Отсутствие механических примесей |
4.2. Исследование почв методами химического анализа.
Отбор проб почвы и подготовка образцов к химическому анализу
1 – в районе автодороги;
2 –территория школьного двора;
3 – лесопарковой зоне школьного микрорайона;
4 – школьный садовый участок.
Инструкция по отбору проб.
Для проведения химического анализа отбираем почву методом конверта с глубины 10см, так как именно в верхнем ее горизонте накапливаются тяжелые металлы.
Затем почву высушивают. Измельченный материал тщательно перемешиваем и рассыпаем тонким ровным слоем в виде квадрата, разделяя его на четыре сектора. Содержимое двух противоположных секторов отбрасывают, а два оставшихся снова смешивают.
После многократных повторений оставшуюся пробу высушивают в хорошо проветриваемом помещении или сушильном шкафу при 30-40C, рассыпав тонким слоем на кальке, а затем измельчают в ступке и просеивают через сито.
Инструкция по приготовлению вытяжки.
Почвенный раствор готовим за два дня до практического занятия следующим образом.
Сухую измельченную почву заливаем 1 М раствором азотной кислоты (10г почвы на 50 мл кислоты) и оставляем на сутки, потом смесь фильтруем и упариваем фильтрат до необходимого объема.
Для определения содержания тяжелых металлов в почвенной вытяжке необходимо знание качественных реакций на ионы данных металлов.
4.2.1. Определение кислотности почвы.
ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ.
Контрольная шкала образцов окраски растворов, раствор универсального индикатора, пипетка- капельница (0, 10 мл), пробирка с меткой «5 мл».
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ.
1. В пробирку налейте 5 мл ( до метки) почвенного раствора.
2. Добавьте в пробирку пипеткой - капельницей 4-5 капель (около 0.10 мл) раствора универсального индикатора.
3. Содержимое пробирки перемешайте, покачивая ее.
4.Окраску раствора сразу же сравните с контрольной школой, выбирая ближайший по характеру окраски образец шкалы.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ.
|
№ образца почвы |
Результаты исследования
|
|
№ 1 – район автодороги; |
рН=7 |
|
№2 – территория школьного двора; |
рН=7 |
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
рН=8 |
|
№4 – школьный садовый участок; |
рН=7 |
4.2.2. Определение СУЛЬФАТ-АНИОНОВ.
Выполнение исследования:
1. Поместите в отверстия мутномера две пробирки с рисунком на дне. В одну из пробирок налейте почвенный раствор до высоты 100 мм(20 -30мл).
2. Добавьте пипетками 2 капли раствора соляной кислоты и 14-15 капель раствора нитрата бария.
3. Герметично закроите пробирку пробкой и встряхните, что бы перемешать содержимое.
4.Пробирку с раствором оставьте на 5 – 7 минут для образования белого осадка (суспензии).
5. Закрытую пробирку снова встряхните, чтобы перемешать содержимое.
6. По таблице определите концентрацию сульфат- аниона в мг/л.
|
Высота столба суспензии(h), мм |
Массовая концентрация сульфат – аниона, мг/л |
Высота столба суспензии (h), мм |
Массовая концентрация сульфат – аниона, мг/л |
|
100 |
33 |
65 |
50 |
|
95 |
35 |
60 |
53 |
|
90 |
38 |
55 |
56 |
|
85 |
40 |
50 |
59 |
|
80 |
42 |
45 |
64 |
|
75 |
45 |
40 |
72 |
|
70 |
47 |
-- |
-- |
|
№ образца почвы |
Результаты исследования
|
|
№ 1 – район автодороги; |
Выпадает белый осадок, 60 мг/л |
|
№2 – территория школьного двора; |
Наблюдается слабое помутнение, 40мг/л |
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
Небольшое помутнение, 35мг/л |
|
№4 – школьный садовый участок; |
Небольшое помутнение, 35 мг/л |
4.2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХЛОРИД – АНИОНА.
Методика определения:
1. В склянку налейте 10 мл почвенного раствора.
2. Добавьте в склянку пипеткой – капельницей 3 капли раствора хромата калия.
3. Герметично закройте склянку пробкой и встряхните, чтобы перемешать содержимое.
4. Постепенно титруйте содержимое склянки раствором нитрата серебра при перемешивании до проявления неисчезающей бурой окраски. Определите объем раствора, израсходованный на титрование (Vхл, мл).
|
№ образца почвы |
Результаты исследования
|
|
№ 1 – район автодороги; |
Наблюдается выпадение осадка |
|
№2 – территория школьного двора; |
Выпадает осадок |
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
Наблюдений нет |
|
№4 – школьный садовый участок; |
Наблюдений нет |
4.2.4. Качественное обнаружение ионов железа Fe3+
Методика определения:
1. Раствор, содержащий ионы Fe 3+ , образует с раствором гексацианоферрата (II) калия K4 Fe(CH)6 (желтая кровяная соль) темно-синий осадок берлинской лазури:
4Fe3+ + 3 [Fe(CH)6]4- = Fe4 [Fe(CH)6]3
2. Ионы Fe3+ образуют с растворами роданида калия или аммония окрашенный в кроваво-красный цвет роданид железа (III) Fe(SCH)3. В присутствии избытка роданид-ионов образуется, кроме того, гексацианоферрат (III) –ионы Fe(SCH)6 . В этом случае красная окраска образуется даже при ничтожно малых концентрациях ионов Fe3+ .
|
№ образца почвы |
Результаты исследования |
|
№ 1 – район автодороги; |
Наблюдений нет |
|
№2 – территория школьного двора; |
Наблюдений нет |
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
Небольшое изменение окраски |
|
№4 – школьный садовый участок; |
Небольшое изменение окраски |
4.2.5. Качественное обнаружение ионов меди Cu2+
Методика определения:
1. При добавлении малых количеств аммиака к растворам солей меди (II) выпадает зеленый осадок основной соли, растворимой в избытке аммиака с образованием ионов Cu(NH3)4 , окрашенных в интенсивно-синий цвет.
2. Ионы Cu 2+ образуют с раствором гексацианоферрета (II) калия (желтая кровяная соль) кирпично-красный осадок гексацианоферрата (II)меди.
3. Иодид-ионы образуют с ионами Cu2+ иодид меди (II), который сразу претерпевает внутримолекулярное окисление-восстановление, образуя белый осадок CuI и свободный иод:
2Cu2+ + 4I- = 2CuI + I2.
Иод маскирует белый осадка, потому что он окрашен в желтый цвет.
4. Голубой раствор солей меди (II) обесцвечивается при добавлении к нему раствора тиосульфата натрия Na2S2O3, а образующийся при этом малодиссоциирующий тиосульфат меди (I) разлагается при кипячении раствора, выделяя черный осадок Cu2S:
|
№ образца почвы |
NH3 |
желтая кровяная соль |
KI |
|
№ 1 – район автодороги; |
наблюдений нет |
нет наблюдений |
наблюдений нет |
|
№2 – территория школьного двора; |
наблюдений нет |
нет наблюдений |
наблюдений нет
|
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
наблюдений нет |
Присутствуют следы помутнения
|
Следы помутнения изменения цвета
|
|
№4 – школьный садовый участок; |
наблюдений нет |
Небольшое изменение окраски |
Небольшое помутнение
|
4.2.6. Качественное обнаружение ионов никеля Ni2+
1. Едкие щелочи осаждают из водных растворов солей никеля малорастворимый осадок Ni(OH)2 в виде объемного геля, легкорастворимого в кислотах, а также в растворах аммиака.
|
№ образца почвы |
Результаты исследований |
|
№ 1 – район автодороги; |
Нет наблюдений |
|
№2 – территория школьного двора; |
Нет наблюдений |
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
Небольшое помутнение |
|
№4 – школьный садовый участок; |
Небольшое помутнение |
4.2.7. Качественное обнаружение ионов свинца Pb2+
1. При взаимодействии ионов Pb2+ c раствором иодида калия KI образуется желтый осадок иодида свинца, растворимый в избытке реактива с образованием иодидного комплекса:
Pb2 + 2I- = PbI4 ,
2. Растворы едких щелочей осаждают из растворов, содержащих ионы Pb2+ , белый осадок гидроксида свинца Pb(OH)2, растворимый в избытке реактива с образованием гидроксокомплекса Pb(OH)4 .
3. Растворы хромата и дихромата калия с раствором соли Pb образуют желтый осадок хромата свинца PbCrO4:
|
№ образца почвы |
KI |
K2CrO4 |
Na2S2o3 |
|
№ 1 – район автодороги; |
нет наблюдений |
нет наблюдений |
нет наблюдений |
|
№2 – территория школьного двора; |
нет наблюдений |
нет наблюдений |
нет наблюдений
|
|
№3 – лесопарковая зона микрорайона школы |
Нет наблюдений |
Нет наблюдений |
Нет наблюдений |
|
№4 – школьный садовый участок; |
нет наблюдений
|
Нет наблюдений |
Нет наблюдений |
В окружающую среду у автомобильных дорог попадают отходы автотранспорта, содержащие ионы Pb2+ , поэтому необходимо вести учет концентрации свинца в почве, сравнивая с ПДК.
5. Заключение и выводы по итогам исследовательской работы
Исследовательская работа «Оценка экологического состояния почвы микрорайона школы» ответила на многие вопросы, а также будет интересна моим одноклассникам.
В своей работе я показала большую значимость и важность экологического состояния почвы, изучила состав и виды почв, основные загрязнения и способы очистки.
Какое экологическое состояние почвы микрорайона школы я постаралась изучить, проводя эксперимент. В школьной химической лаборатории
я исследовала образцы почв: 1 – в районе автодороги;
2 –территория школьного двора;
3 – лесопарковой зоне школьного микрорайона;
4 – школьный садовый участок.
Результаты исследования показали, что все образцы почв, кроме садового пришкольного участка, имеют большие механические примеси камней, стекла и другие неопознанные материалы. Это свидетельствует о плохом экологическом состоянии окружающей нас почве.
|
Характеристика
|
Значения |
|||
|
Образец №1 |
Образец№2 |
Образец№3 |
Обрзец№4 |
|
|
Водородный показатель |
рН=7 |
рН=7 |
рН=8 |
рН=7 |
|
Хлориды
|
отсутствие |
10-50 мг/л |
1-10 мг/л |
1-10 мг/л |
|
Сульфаты
|
60мг/л |
40мг/л |
35мг/л |
35мг/л |
|
Соединения железа |
отсутствие |
отсутствие |
определены |
определены |
|
Соединения меди |
отсутствие |
отсутствие |
определены |
определены |
|
Соединения никеля |
отсутствие |
отсутствие |
определены |
определены |
|
Соединения свинца |
отсутствие |
отсутствие |
отсутствие |
отсутствие |
Выводы: Результаты химического анализа образцов почв показали, что в составе присутствуют соли железа, меди, никеля, сульфаты и хлориды. Важно, что все образцы почв не содержат вредных для человека соединений свинца.
Список использованной литературы
1. Алексеева А.И., Николаева В.В. Население и хозяйство России. - М.: Просвещение, 1999.
2. Бочкарева Н.Ф. Экология России. 8-9 классы. – Калуга: Золотая аллея, 1997.
3. Габриелян О.С. Химия. 9 класс. – М.: Дрофа, 2001.
4. Энциклопедия для детей. – М.: Аванта, 2000.