Полный текст:
Современные методы мониторинга окружающей среды
Задача 1. Найдите границы серии Лаймана (в частотах и длинах волн). Сопоставьте эти данные с интервалами частот и длин волн видимого света. В каком диапазоне частот находятся эти лини?
Решение:
Обобщенная формула Бальмера: .
Для серии Лаймана m=1, n=2, 3, 4…
Тогда формула принимает вид:
(R=1.0974*107 м-1)
Наибольшее значение в серии величина (а следовательно длина волны принимает наименьшее значение) при .
Для этого случая определим :
.
Наименьшая длина волны соответствует наибольшей частоте ( ):
Наименьшее значение в серии величина (а следовательно длина волны принимает наибольшее значение) при n=2.
В этом случае получаем:
.
Наибольшая длина волны соответствует наименьшей частоте:
Таким образом, серия Лаймана лежит в границах от ( ) до ( ).
Диапазон же видимого света составляет от до ( ).
Таким образом, можно заключить, что серия Лаймана не соприкасается с областью видимого света, и лежит в диапазоне более коротких длин волн, то есть в ультрафиолетовом диапазоне (границы которого 10 – 380 нм или 8*1014 – 3*1016 Гц).
Ответ: Границы серии Лаймана: ( ) до ( ). Все линии серии Лаймана находятся в ультрафиолетовом диапазоне.
Задача 2. Известно, что санитарная норма в России воздействия электромагнитного излучения в ближней зоне радиолокационных и телевизионных станций составляет не более 10 мкВт/см2. Определить верхнюю границу напряженности электрического поля в электромагнитной волне.
Дано:
Найти: E
Решение:
S – плотность потока электромагнитной энергии, т.е. вектор Умова-Пойтинга. Он вычисляется по формуле:
,
где E – напряженность электрического, B – магнитного полей.
Связь между E и B определяется по формуле:
.
Подставляя найденное выражение для напряженности магнитного поля в уравнение для определения вектора Умова-Пойтинга, получаем:
.
В нашем случае =1 и =1, а используя уравнение , получаем:
Ответ: Верхняя граница напряженности электрического поля в электромагнитной волне .Задача 3. Препарат фосфора содержит нерадиоактивные примеси. Определите процентное содержание радиоактивного и нерадиоактивного фосфора в 10 мг препарата, если его активность равна 25 мкКи. Период полураспада равен 14.3 сут.
Дано:
A=25 мкКи=(25*10-6)*(3.7*1010)Бк=9.25*105 Бк
m=10мг=1.0*10-2 г
Найти: и - процентное содержание соответственно рад. и нерад. фосфора.
Решение:
Активность радиоактивного нуклида вычисляется по формуле , где - постоянная радиоактивного распада, N – число не распавшихся атомов. Постоянная радиоактивного распада связана с периодом полураспада соотношением: . Из этих уравнений определяем - число атомов радиоактивного фосфора:
.
Молярная масса радиоактивного фосфора , а значит общая масса радиоактивного фосфора вычисляется по формуле:
Процентное содержание радиоактивного фосфора определяется из отношения:
.
Тогда содержание нерадиоактивного фосфора:
Ответ: Процентное содержание радиоактивного фосфора , а нерадиоактивного .
Задача 4. Известно, что человеческое ухо воспринимает упругие волны в интервале частот от до . Каким длинам волн соответствует этот интервал в воздухе? в воде? Скорости звука в воздухе и воде равны соответственно и .
Решение:
Длина волны связана с частотой и скоростью распространения звука соотношением:
.
1) Определим интервал длин волн для воздуха. Минимальная длина волны соответствует максимальной частоте ( ) и определяется:
.
Максимальная длина волны соответствует частоте и составляет:
2) Определим интервал длин волн для воды. Минимальная длина волны соответствует максимальной частоте ( ) и определяется:
.
Максимальная длина волны соответствует частоте и составляет:
Ответ: Интервал длин волн в воздухе: от до . Интервал длин волн в воде: от до .
Задача 5. Описать основные химические, физические и опасные свойства веществ, написать соответствующие уравнения химических реакций (Соединения серы).
Сера (S) - элемент VI группы периодической системы с атомным номером 16. Сера относительно устойчива в свободном состоянии, в обычных условиях находится в виде молекулы S8, имеющей циклическое строение. При образовании химических связей сера может использовать все шесть электронов внешней электронной оболочки и, как правило, проявляет степени окисления: -2, 0, 2, 4 и 6. По своим химическим свойствам сера является типичным металлоидом и соединяется со многими металлами.
К числу наиболее опасных соединений серы как загрязнителей природной среды относятся сероводород, сернистый ангидрид и серная кислота.
1) Сероводород (H2S). Представляет собой бесцветный газ с неприятным запахом. Термически неустойчив (при температурах больше 400 °C разлагается на простые вещества — S и H2), ядовит, тяжелее воздуха. Молекула сероводорода имеет угловую форму, поэтому она полярна (? = 0,34·10-29 Кл·м). Температура плавления tпл=-85,54 °С, температура кипения tкип=-60,35 °С.
Химические свойства. Сероводород взаимодействует с основаниями:
H2S + 2NaOH > Na2S + 2H2O (обычная соль, при избытке NaOH)
H2S + NaOH > NaHS + H2O (кислая соль, при отношении 1:1)
Сероводород — сильный восстановитель. На воздухе он горит синим пламенем:
2H2S + ЗО2 > 2Н2О + 2SO2
Сероводород реагирует также со многими другими окислителями, при его окислении в растворах образуется свободная сера или SO42-, например:
3H2S + 4HClO3 > 3H2SO4 + 4HCl
H2S + I2 > 2HI + S
Опасные свойства. Сероводород очень токсичен. В больших концентрациях сероводород действует как сильный яд нервно-паралитического действия. При его концентрации 1 г/м3 и выше у человека появляются судороги, может остановиться дыхание или наступить паралич сердца. Сероводород блокирует дыхательные ферменты в результате его взаимодействия с железом. Раздражающе действует на слизистую органов дыхания и глаз. Сероводород крайне ядовит: уже при концентрации 0,1% влияет на центральную нервную систему, сердечно-сосудистую систему, вызывает поражение печени, желудочно-кишечного тракта, эндокринного аппарата. При хроническом воздействии малых концентраций сероводорода наступает изменение световой чувствительности глаз и электрической активности мозга, отмечаются изменения в морфологическом составе крови, ухудшается состояние сердечно-сосудистой и нервной систем человека.
2) Сернистый ангидрид (SO2). Представляет собой бесцветный газ с удушливым запахом горящей серы; растворим в воде. Температура кипения составляет – 10 °С, поэтому SO2 является растворителем для многих органических и неорганических веществ. С химической точки зрения этот оксид является амфотерным как окислитель-восстановитель.
SO2 является сильным восстановителем. Растворяется в воде с образованием сернистой кислоты (при обычных условиях реакция обратима):
SO2 + H2O - H2SO3
Взаимодействует с кислородом:
2SO2 + О2 > 2SO3
С азотной кислотой:
SO2 + 2HNO3 > H2SO4 + 2NO2
В присутствии сильных восстановителей SO2 способен проявлять окислительные свойства.
SO2 + 2CO > 2CO2 + Sv.
Опасные свойства. Сернистый ангидрид может нарушать углеводный и белковый обмен, способствует образованию метгемоглобина, снижению имуннозащитных свойств организма. Сернистый ангидрид считается одной из основных действующих составных частей "токсичных туманов" и одним из активных компонентов формирования смога.
Симптомы при отравлении сернистым газом — насморк, кашель, охриплость, першение в горле. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации — удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких.
3) Серная кислота (H2SO4). Серная кислота - бесцветная, тяжёлая (приблизительно в два раза тяжелее воды), маслянистая жидкость (купоросное масло), нелетучая, поэтому не имеет запаха, отлично растворяется в H2O (выделяется большое количество теплоты, т.к. H2SO4 образует с водой соединения – гидраты). Она жадно поглощает водяные пары (то есть гидроскопична).
Химические свойства. Проявляет общие с другими кислотами свойства. Взаимодействует с металлами:
Zn0 + H2+1SO4 > Zn+2SO4 + H20
С основаниями:
2NaOH + H2SO4 > Na2SO4 + 2H2O
С солями:
Na2CO3 + H2SO4 > Na2SO4 + H2CO3
Специфическим свойством серной кислоты является взаимодействие с водой:
H2SO4 + nH2O > H2SO4·nH2O + Q
Опасные свойства. Серная кислота - очень едкое вещество. Оно поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этого вещества оно вызывает затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности II. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.
Задача 6. Охарактеризовать абсорбцию, распределение и токсичность иона металла в организме человека и высших животных (Свинец Pb).
Свинец – химический элемент 4-й группы периодической системы с атомным номером 82. Он представляет собой мягкий, ковкий, пластичный металл тускло-серого цвета. На влажном воздухе свинец покрывается оксидной пленкой, однако устойчив к действию кислорода и воды; этот металл растворим в азотной кислоте.
Выбросы свинца в окружающую среду в результате действия человека весьма значительны. Источниками загрязнения биосферы свинцом являются выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, очищенная нефть. Свинец сильно токсичен, оказывает общетоксическое, канцерогенное, мутагенное, тератогенное, гонадотоксическое действие, вызывает поражение центральной и периферической нервной системы (полиневрит, параличи), крови и сосудов, металлический вкус во рту, слюнотечение, рвоту, головные боли, увеличение внутричерепного давления.
Неорганические соли свинца абсорбируются после попадания в желудок или ингаляции. Органические соли свинца могут абсорбироваться через кожу. Абсорбция свинца в желудочно-кишечном тракте увеличивается при дефиците железа, кальция и цинка. Обычно в желудочно-кишечном тракте абсорбируются 10% проглоченной дозы. Абсорбция в легких варьирует в зависимости от дыхательного объема и размера частиц. Частицы размером менее 1 мкм могут абсорбироваться в альвеолах.
В стабильных условиях 5—10% свинца, поступившего в желудок, обнаруживаются в крови; 95% этой фракции связано с эритроцитами. До 80—90% проглоченного свинца попадает в кости и откладывается там в кристаллах гидроксиаппатита, где свинец относительно неактивен. Оставшееся количество свинца обнаруживается в мягких тканях, главным образом в почках и головном мозге. Основным путем выведения свинца из организма является экскреция с калом (80—90%) и мочой (10%). Период полувыведения свинца из мягких тканей и крови составляет 24—40 дней, из костей — 104 дня.
Токсические эффекты свинца различны у детей и у взрослых. Отравление свинцом у взрослых обычно характеризуется болями в животе, анемией, поражением почек, головной болью, периферической невропатией с демиелинизацией длинных нейронов, атаксией и потерей памяти. Эти симптомы обычно связаны с длительным повышением концентрации свинца в цельной крови свыше 800—1000 мкг/л. У взрослых больных различают субклиническую форму отравления свинцом, при которой в первую очередь поражаются периферическая нервная система и почки.
Отравление свинцом у детей проявляется анемией, болями в животе и, что наиболее важно, поражением центральной нервной системы. Как ферментный яд, свинец в большей степени влияет на чувствительные, развивающиеся ткани, чем на ткани со стабильным метаболизмом. Поэтому субклиническая форма отравления свинцом наиболее опасна для детей, так как в этом случае действие яда не сопровождается появлением симптомов, привлекающих к пострадавшему внимание врачей. При острой клинической форме отравления считают, что признаки и симптомы отражают как прямое действие высоких концентраций свинца (т. е. концентрация свинца в крови свыше 800—1000 мкг/л), так и последствия тяжелых нарушений синтеза порфиринов. В их число входят бледность (анемия), боли в животе, раздражительность, сменяемая летаргией, анорексия, атаксия и невнятная речь. В тяжелых случаях судороги, кома и смерть обычно обусловлены тяжелым генерализованным отеком головного мозга и почечной недостаточностью. Почти всегда этот синдром связан с воздействием высоких доз свинца.
Задача 7. Мониторинг техногенного воздействия на природную среду при транспортировке железнодорожным транспортом опасных грузов (Взрывчатые вещества - ВВ).
Взрывчатые вещества относятся к первому классу опасных грузов и в свою очередь по своим физико-химическим свойствам, виду и степени опасности при транспортировании разделяются на подклассы.
Во ВВ заложена особая опасность; в случае взрыва они способны нанести значительный ущерб жизни и здоровью людей, привести к повреждениям и разрушениям жилых и производственных зданий, транспортной инфраструктуре.
По химическому составу ВВ подразделяют на индивидуальные взрывчатые соединения и взрывчатые смеси.
К индивидуальным ВВ, применяемым во взрывном деле в чистом виде или в составе смесевых ВВ, относятся тротил, гексоген, ТЭН, тетрил, октоген, нитроглицерин, динитронафталин и некоторые другие. В химическом отношении это органические соединения, содержащие нитрогруппы ONO2 и NO2
Смесевые ВВ бывают двух основных типов. У первых составные части или компоненты смеси при взрыве реагируют между собой с выделением тепла. Обычно один из реагирующих компонентов имеет избыток кислорода и является окислителем (аммиачная селитра, перхлорат аммония и т.п.), другой компонент служит горючим (целлюлоза, нефтепродукты, нитросоединения с недостатком кислорода, металлы и др.). Второй тип смесей содержит не реагирующие между собой компоненты, обладающие теми или иными специфическими свойствами, например, пластифицирующими, флегматизирующей способностью и др.
Основными свойствами ВВ, влияющими на безопасность их перевозки железнодорожным транспортом, являются:
· чувствительность к внешним воздействиям (начальному импульсу), т.е. к инициированию детонации (к удару, к трению, к нагреву (температура вспышки), к воздействию пламени, к воздействию искры и т.д.);
· способность к детонации и взрыву;
· воспламеняемость с переходом в режим возмущенного горения и возможность последующей детонации.
При этом чувствительность ВВ к внешним воздействиям (начальному импульсу) является одной из основных характеристик, определяющих возможность и условия их транспортировки.
Процесс транспортировки ВВ относится к экологически опасным, т.е. таким, которые могут привести к механическим и физико-химическим загрязнениям экосистем и нанести экологический ущерб ее составляющим.
Непосредственно от ВВ исходят различные виды опасности. Это могут быть, например: взрывоопасность, легковоспламеняемость; пожароопасность; способность к самовоспламенению; выделение токсичных газов при горении; экзотермические реакции и повышенная температура и т.д. В случае взрыва ВВ способны нанести значительный ущерб жизни и здоровью людей, привести к повреждениям и разрушениям жилых и производственных зданий, транспортной инфраструктуре.
В связи с этим перевозка ВВ строго регламентируется соответствующими правовыми актами, обязательным является ведомственный контроль обеспечения безопасности перевозок, дополнительными мерами могут быть сопровождение специалистами и охрана груза.