Учебно-исследовательская работа «Определение содержания в воздухе углекислого газа с помощью индикаторных трубок» (технология экспресс-анализа окружающего воздуха)

Общая информация
Углекислый газ (оксид углерода (IV), диоксид углерода, СО₂, двуокись углерода, угольный ангидрид) – газ, выделяемый в воздух всеми живыми существами. Углекислый газ тяжелее воздуха приблизительно в 1,5 раза, поэтому он скапливается в низких непроветриваемых местах. Концентрация углекислого газа в воздухе (в атмосфере Земли) составляет в среднем 0,046 % (по массе) и 0,0314 % (по объему).

Углекислый газ относится к классу кислотных оксидов, т.е. при взаимодействии с водой он образует кислоту, которая называется угольная.      
Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие, т.е. реакция взаимодействия углекислого газа с водой носит обратимый характер:

При нагревании углекислый газ распадается на угарный газ и кислород:
Как и для всех кислотных оксидов, для углекислого газа характерны реакции взаимодействия с основными оксидами (образованными только активными металлами) и основаниями:
Углекислый газ не поддерживает горения. Диоксид углерода выделяют в воздух все живые существа. Кроме того, огромные количества этого газа выбрасываются в воздух при гниении органических веществ, в результате вулканической деятельности, сгорании топлива, при пожарах и т.п. Содержание СО₂ в атмосфере непрерывно повышается в результате деятельности человека. 

Углекислый газ легко пропускает излучение в ультрафиолетовой и видимой частях спектра, которое поступает на Землю от Солнца и обогревает её. В то же время он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего участвует в процессе глобального потепления, что обуславливает парниковый эффект.

Диоксид углерода не оказывает токсического действия на живые организмы: растения усваивают его в процессе фотосинтеза. Он нужен растениям точно так же, как людям кислород. Этот газ участвует в фотосинтезе и стимулирует раннее и более активное цветение, повышает устойчивость к болезням и вредителям, увеличивает плодоношение. Без углекислого газа растениям нет жизни. Углерод в его составе — один из важнейших питательных элементов. 

У человека углекислый газ участвует во многих метаболических процессах. Он регулирует работу дыхательного и сосудисто-двигательного центра, возбудимость нервной системы, активность многих ферментов и гормонов, отвечает за электролитный состав крови, тонус центральной нервной системы, сосудов и бронхов, поддерживает обмен веществ. 

Для нормального функционирования организма важен баланс углекислого газа и кислорода. Недостаток и избыток углекислого газа в организме приводит к гипокапнии и гиперкапнии.

Гипокапния — недостаток углекислого газа в крови. Чаще всего проявляется в виде головокружения, в худшем случае приводит к потере сознания. Возникает в состоянии паники или стресса при частом и глубоком дыхании. Гипокапния также развивается с возрастом, когда содержание СО₂ в крови падает ниже 3,5 % от нормальных 6-6,5 %.

Гиперкапния — избыток углекислого газа в крови. Интоксикация углекислым газом проявляется в виде головной боли, тошноты, повышенного потоотделения, в крайних случаях — потери сознания. Возникает при длительном нахождении в замкнутом помещении с высоким содержанием CO₂, но чаще всего в экстренных ситуациях, например, задержка дыхания под водой.

Находясь в избыточном количестве диоксида углерода в воздухе классной комнаты, он вызывает у учащихся снижение активности на уроке, повышенную утомляемость. А при концентрации СО₂ на уровне 5% уже нельзя нормально работать и появляются признаки удушья (повышение концентрации углекислого газа в данной ситуации сопровождается соответствующим снижением концентрации кислорода, израсходованного при дыхании).

Цель работы
Оценка качества воздуха через количественное определение содержания углекислого газа с помощью индикаторных трубок. Приобретение навыков и умений работы с простейшими средствами экологического контроля качества воздуха – индикаторными трубками.

Индикаторные трубки являются удобным инструментарием для экспресс-контроля вредных химических веществ в газовых средах (воздухе, промышленных выбросах). Несмотря на то, что индикаторные трубки начали активно применяться еще в середине прошлого века, их использование в настоящее время приобретает все большую актуальность благодаря простоте, дешевизне, способности к количественному измерению, возможности осуществлять многокомпонентный анализ ограниченными средствами непосредственно на месте.

Конструкционно индикаторная трубка представляет собой специальным образом подготовленную, запаянную с двух концов герметичную стеклянную трубку определенного диаметра и длины, заполненную твёрдым носителем, который перед его внесением в трубку подвергается ряду предварительных технологических операций, в результате которых на него наносится индикаторная рецептура.
Непосредственно перед использованием трубки вскрывают путём отламывания их кончиков с двух сторон, и с помощью специального насоса-пробоотборника пропускают через них определенную пробу воздуха.
Концентрацию вредного вещества определяют по изменению интенсивности окраски (колориметрические индикаторные трубки) или по глубине образовавшегося при взаимодействии определяемого компонента с индикаторным порошком окрашенного слоя (линейно-колористические индикаторные трубки).

Индикаторные трубки позволяют точно измерить концентрацию углекислого газа. Они находят применение при количественном санитарно-химическом и экологическом контроле. Измерив концентрацию диоксида углерода при выполнении данной практической работы, Вы сможете сами определить условия, при которых можно повысить результативность занятий, а также получить представление о естественном (фоновом) содержании СО₂ в атмосфере и возможности его изменения в процессе антропогенной деятельности. 

Данная работа выполняется с помощью производимых ГК «Крисмас» мини-экспресс-лаборатории «Пчёлка-У/м» (далее – МЭЛ «Пчелка-У/м») либо комплекта индикаторных трубок ( ИТ на СО₂), насоса-пробоотборника/аспиратора (НП-3М или НП-4) и емкости полиэтиленовой газовой ЕПГ (все вместе далее – комплект).

Основное оборудование из состава МЭЛ «Пчелка-У/м» или комплекта: 

• индикаторные трубки для определения углекислого газа 0,03-0,1;0,1-2,0% (4,5);
• камера полиэтиленовая (емкость полимерная газовая ЕПГ);
• насос-пробоотборник (аспиратор) НП-3М/НП-4.

Дополнительное  оборудование из кабинета: 

• термометр;
• секундомер.

Ход работы

Перед началом работы внимательно прочитайте инструкцию по применению индикаторных трубок и аспиратора.

1.


Вскройте индикаторную трубку на СО₂ с обоих концов, используя отверстие в головке насоса-пробоотборника/аспиратора. Обратите внимание на первоначальный цвет наполнителя индикаторных трубок. 

 Соблюдайте осторожность при вскрытии индикаторной трубки во избежание порезов осколками стекла!

2.


Вскрытую индикаторную трубку вставьте в уплотнительную втулку насоса-пробоотборника/аспиратора, соблюдая направление прокачивания воздуха (указано стрелкой на поверхности индикаторной трубки).

3.
Прокачайте через индикаторную трубку необходимый по инструкции объём воздуха, сделав требуемое количество качаний насосом-пробоотборником/аспиратором.

Примечание. Корректно определяйте момент окончания прокачивания, пользуясь сигнальным устройством самого насоса-пробоотборника/аспиратора или секундомером. Правила пользования сигнальным устройством насоса-пробоотборника указаны в соответствующей инструкции. 

4.


Отметьте изменение окраски и длину столбика прореагировавшего наполнителя после прокачивания. Считайте концентрацию диоксида углерода по шкале (С, % об.), нанесённой на индикаторную трубку, или приложив её к соответствующей шкале внутри упаковки. При размытости границы раздела окрасок слоёв исходной и прореагировавшей индикаторной массы за результат измерения принимайте среднее значение.

Примечание. Для отбора проб воздуха на улице, в парке и т.п. местах с целью их дальнейшего анализа в условиях класса или лаборатории используйте камеру полиэтиленовую. Для этого достаточно наполнить её воздухом на месте отбора и герметично закрыть. Далее отобранный воздух из этой камеры анализируется с помощью индикаторной трубки как указано выше.  

5.
Пересчитайте концентрацию СО₂ из объёмных % в мг/м³ по формуле:
где: 
С1 – концентрация газа в объёмных %;
С2 – концентрация газа в мг/м³;
M – молярная масса углекислого газа (М = 44);
104 – коэффициент пересчёта из объёмных % в мг/м³.

Обработка результатов и выводы

 Занесите полученные результаты в таблицу по следующей форме:

Место анализа воздуха	Условия анализа		Концентрация углекислого газа
	Температура, °С	Атмосферное давление, мм рт. ст.	мг/м3	% об.
Улица
Парк
Класс

 Проанализируйте полученные результаты и сделайте выводы о качестве воздуха.

Подробная информация:
Общая информация
Оборудование для газового анализа
Мини-экспресс-лаборатория «Пчёлка-У/м»
Индикаторные трубки на диоксид углерода
Насос-пробоотборник НП-4
Емкость полиэтиленовая газовая ЕПГ для отбора проб

Для консультации и по вопросам приобретения просьба обращаться:
lab@christmas-plus.ru
8 (800) 302-92-25 (звонок по РФ бесплатный)
8 (812) 575-54-07, 575-55-43

Подписывайтесь на наш канал в Ютюбе!
Вы всегда будете в курсе наших последних новостей и сможете наглядно познакомиться с нашей продукцией.