В атмосферном воздухе

Определение содержания углекислого газа

Атмосфера – газовая оболочка Земли, простирающаяся более чем на 1500 км от ее поверхности. Суммарная масса воздуха, т.е. смеси газов, составляющих атмосферу, 5,1...5,3 ^. 10¹⁵ т. Молекулярная масса чистого сухого воздуха – 28,966.

Для атмосферы характерен постоянный обмен веществом, энергией с гидросферой, литосферой, живыми организмами, а также с космическим пространством. Атмосферу в порядке удаления от поверхности Земли делят на тропосферу (до высоты 11 км), стратосферу (до высоты 50 км), мезосферу (50-85 км), ионосферу (от 85 до 500 км), экзосферу (свыше 500 км). Состав атмосферы – результат длительных эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности, где решающим фактором была деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов. Данные о составе атмосферы приведены в табл. 1.

Таблица 1

Приближенный состав атмосферы

Элемент и газ	Содержание в нижних слоях атмосферы, %
По объему	По массе
Азот Кислород Аргон Неон Гелий Криптон Водород Углекислый газ (в среднем) Водяной пар: в полярных широтах у экватора Озон: в тропосфере в стратосфере Метан Оксид азота (IV) Оксид углерода » в атмосфере городов	78,08 20,946 0,934 0,0018 0,000524 0,000114 0,00005 0,034 0,2 2,6 1.10–6 10-3...10–4 1,6.10–4 10–6 Следы 0,8.10–5	75,5 23,14 1,28 0,0012 0,00007 0,0003 5.10-6 0,0466 0,9.10–4 0,3.10–6 7,8·10–6

От стратосферы к ионосфере плотность газов уменьшается, в стратосфере находится около 20% массы всех газов, в остальных слоях – всего около 0,5 %. Самый важный компонент стратосферы и ионосферы – озон (O₃), образующийся в результате фотохимических реакций. Максимальная концентрация озона зафиксирована на высоте 25–30 км. Озоновый слой поглощает губительное для жизни УФ-излучение Солнца. В стратосфере и более высоких слоях под воздействием солнечной радиации молекулы газов диссоциируют на атомы (на высоте более 80 км диссоциируют Н₂ и СО₂, выше 150 км – О₂, выше 300 км – N₂). На высоте 100 … 400 км в ионосфере происходит также ионизация газов. На высоте 320 км концентрация заряженных частиц (О₂⁺, О₂^–, N₂⁺) составляет ~1/300 от концентрации нейтральных частиц. В верхних слоях атмосферы появляются свободные радикалы – ОН^–, НО₂^– и др.

До высоты 100 км атмосфера представляет собой хорошо перемешанную смесь газов. Вследствие уменьшения плотности газов температура меняется от 0°С в стратопаузе (на высоте ~ 50 – 55 км) дo –90... –100°С в мезопаузе (~ 80 – 85 км). Выше мезопаузы до высоты 500 км температура монотонно повышается до 1000... 1500°С, выше термопаузы находится экзосфера, для нее характерна относительно постоянная высокая температура. Самые высокие слои состоят из Н₂ и Не, которые медленно рассеиваются в мировое пространство.

Цель работы. Методом химического анализа определить содержание углекислого газа в атмосфере

Оборудование и материалы: колба коническая объемом на 50 мл, шприцы, лист белой бумаги, поглотительный раствор [к 500 мл дистиллированной воды добавляют 0,04 мл 25 %-ного раствора аммиака и 1–2 капли 1 %-ного раствора фенолфталеина (1 г фенолфталеина растворяют в 80 мл этанола и доводят до 100 мл водой)].

Порядок выполнения работы:

1. Определение содержания углекислого газа в атмосфере

На первом этапе необходимо провести исследование воздуха открытой атмосферы (вне помещений). Для этого набрать шприцем 10 мл поглотительного раствора; перемещая поршень, заполнить воздухом свободное пространство. Не отпуская поршня, энергично встряхивать шприц до поглощения углекислого газа из воздуха в объёме шприца поглотительным раствором. С помощью поршня удалить воздух из шприца, стараясь сохранить в нем исходное количество поглотительного раствора. Эту процедуру повторить несколько раз до полного обесцвечивания раствора. Объём воздуха, пошедший на обесцвечивание раствора, можно рассчитать, зная количество ходов поршня шприца при заборе воздуха и объём шприца, занимаемый воздухом. После проведенного исследования освободить шприц от использованного раствора и ополоснуть дистиллированной водой. Вновь, наполнив шприц 10 мл поглотительного раствора, повторить эксперимент с воздухом зоны, где требуется определить концентрацию углекислого газа.

Расчет содержания СО₂ (в процентах) проводят по следующей формуле:

,

где V – объем воздуха открытой атмосферы, пошедший на обесцвечивание поглотительного раствора, м³; V₁ – объем воздуха исследуемой зоны, пошедший на обесцвечивание поглотительного раствора, м³; 0,04 – содержание углекислого газа в воздухе, %.

2. Определение вентиляционного объема воздуха

Расчет необходимого вентиляционного объема воздуха (м³/ч), т.е. объема свежего воздуха, который надо подавать в помещение на одного человека, чтобы содержание СО₂ не превысило допустимого уровня (0,1 %), произвести по следующему соотношению:

,

где К – количество литров СО₂, выдыхаемое одним человеком за один астрономический час при спокойной сидячей работе (для взрослого, в среднем – 22,6 л/ч); р – предельно допустимое содержание СО₂ в воздухе учебного помещения (0,1 %, или 1 л/м³); Х – концентрация СО₂ в исследуемой зоне (проценты или л/м³).

Зная вентиляционный объем воздуха, рассчитать коэффициент вентиляции(W), который показывает, сколько раз в течение 1 часа воздух помещения должен смениться, чтобы содержание СО₂ не превысило допустимого уровня:

.

Воздушный куб рассчитать по формуле

,

где V _в/к – воздушный куб, м³, приходящийся на одного человека (физиологическая норма на человека в час – 15–20 м³, гигиеническая норма – 4,5–5 м³ на одного человека); V – объем исследуемой зоны (учебного помещения), м³; п – количество человек, находящихся в зоне.