Исследовательская работа учащихся по химии Исследование влияния кислотных дождей на строительные материалы

Влияние кислотных дождей на строительные материалы

Бондарь Илья, Сергеев Олег (10б класс)

Руководитель работы: учитель химии Синельник И.И.

(ГБОУ СОШ №79 Калининского района Санкт-Петербурга)

«Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Жан Батист Ламарк

Первое упоминание о кислотных дождях относится к середине XIX в. В 1872 году внимание английского исследователя Роберта Ангуса Смита привлек викторианский смог в Манчестере. Он и ввел термин «кислотный дождь» в своей книге «Воздух и дождь: начало химической климатологии», которую опубликовал в 1882 году. Кислотные осадки могут вызвать существенные повреждения зданий и сооружений, вызывая экономические и социальные издержки. Впервые проблема кислотных дождей стала предметом серьезного обсуждения на ХХVIII Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), проходившей в сентябре 1975 В 1983г. вступила в силу "Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха.

Проблема охраны атмосферного воздуха от загрязнений отражена и в Законе России об охране окружающей среды (2002г.).

Кислотный дождь - все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, при которых наблюдается понижение pH дождевых осадков из-за загрязнений воздуха кислотными оксидами, обычно оксидами серы и оксидами азота. Даже обычная дождевая вода имеет слабокислую реакцию из-за наличия в воздухе диоксида углерода, а кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как оксиды серы (SO₂ и SO₃) и различными оксидами азота. Газы со снегом или дождем выпадают на землю. Образование кислотных дождей: диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в оксид серы(VI) (серный ангидрид) SО₃:

2 SO₂ + O₂ ↔ 2 SО_3, который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты: SО₃ + H₂O → H₂ SО₄ и H₂SО₄ ↔ H⁺ + HSО₄^-

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SO₂•nH₂O, который часто называют сернистой кислотой

H₂ SО₃ : SO₂ + H₂O → H₂SО₃ и H₂SО₃ ↔ H⁺ + HSО₃^-

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной: 2H₂SО₃ + O₂ → 2 H₂ SО₄

Аэрозоли серной и сернистой кислот конденсируются в водяном паре атмосферы и становятся причиной кислотных осадков. Они составляют около 2/3 кислотных осадков. Остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы: 2NO₂ + H₂O→ HNO₃ + HNO₂

Для выполнения исследовательской части работы нам потребовались образцы: пенобетон, ракушечник, кирпич, кирпич облицовочный, древесина; растворы азотной и серной кислот. Предмет исследования - влияние кислотных дождей на строительные материалы.

Пенобетон

Вяжущий элемент - портландцемент, в котором содержание силиката кальция до 80%, песок, в котором содержание кварца должно составлять 75%,глинистые и илистые включения не более 3%, вода, пенообразователь, в состав которого входит костный клей, сосновая канифоль, мездровый клей и едкий технический натр.

Ракушечник (известняк ) - осадочная горная порода органического, реже хемогенного происхождения, состоящая преимущественно из карбоната кальция (CaCO₃) в виде кристаллов кальцита различного размера. Химический состав ракушечника имеет известковую природу, имеющую в составе раковины разных форм и отдельные частицы раковин, которые соединяет кальцитовый цемент.

Кирпич классический (керамический) - искусственный камень

правильной формы, произведённый из минеральных материалов, обладающий свойствами камня, прочностью, водостойкостью, морозостойкостью.

Основная часть глины - кремнезем SiO₂ (от 60 до 80% ее массы), глинозем Al₂O₃ - (5 - 20%). До 8% глины могут составлять оксиды калия, магния, натрия и кальция. Характерную красную окраску изделиям придает небольшое содержание окиси железа Fe₂O₃.

Облицовочный кирпич (клинкерный) - используется для облицовки

внешней части зданий, к нему предъявляются повышенные требования к качеству внешнего вида. Оптимальным содержанием глинозема Al₂O₃ для клинкера считается 17 - 25%. Глинозем делает расплав менее пластичным,

что уменьшает деформацию кирпича при обжиге. Максимальное содержание окиси железа Fe₂O₃ в случае клинкера ограничено 6-8%.

Древесиной называют внутреннюю часть дерева,

лежащую под корой под древесиной.

Для определения устойчивости образцов стройматериалов мы создали «дождевую воду», добавив в воду азотную и серную кислоты, для определения кислотности использовали рН-метр, для исследования образцов - электронный микроскоп из набора физического оборудования «Архимед» и растровый электронный микроскоп на кафедре физики РГПУ им. Герцена.

Мы погрузили образцы в кислотную среду («дождевую воду») с pН=4,5 на одни сутки.

после обработки увеличение 10000 раз

увеличение 60 раз

После воздействия в течение суток на пенобетон раствором, он поменял цвет и стал мягким, утратив твердость, необходимую для данного стройматериала.

после обработки увеличение 10000 раз

увеличение в 60 раз

После воздействия на силикатный кирпич раствором, он начал крошиться, утратив твердость и прочность, необходимую для стройматериала.

после обработки увеличение 10000 раз

увеличение в 60 раз

После воздействия на облицовочный кирпич раствором внешних изменений не замечено при увеличении образца в 60 раз и в 10000 раз

Ракушечник после обработки увеличение 10000 раз

у

величение в 60 раз

После обработки ракушечника раствором, он стал хрупким, так как в нем содержится карбонат кальция, вступающий в реакцию с раствором. Взаимодействие раствора кислоты и ракушечника приводит к его быстрому выветриванию и эрозии. CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂ древесина после обработки увеличение в 10000 раз

у

величение 60 в раз

При воздействии раствором кислоты на образец древесины, произошло только изменение ее цвета, а свои свойства материал не утратил.

Таким образом, облицовочный кирпич и дерево оказались самыми устойчивыми к воздействию кислотных осадков материалами.

Защита сооружений от внешних факторов

Исследования европейских ученых показали, что в год известные архитектурные памятники теряют от 20 до 100 г на 1 м³ камня.

Для защиты памятников культуры и ценных архитектурных сооружений используют покрытия из высокомолекулярных соединений - силиконов или производных эфиров кремниевой кислоты.

Более эффективен, с экологической точки зрения, метод предусматривает очистку топлива от потенциальных загрязнителей, использование экологически более чистых источников энергии.

Информационные источники:

1.Интернет-Энциклопедия "Википедия" ru.wikipedia.org/wiki/Кислотный_дождь

2. Информационный медицинский портал "Полисорб" polisorb.ru/ru

3. Он-Лайн Библиотека XServer xserver.ru/user/gprhv/3.shtml

4. Аналитический портал химической промышленности "Новые Химические Технологии" newchemistry.ru/letter.php?n_id=6037