Životní prostředí – soupeř, či pomocník

1         Úkol

1.1       Základní úkoly

1.1.1        Na příkladu spalování (pražení) pyritu demonstrujte vznik kyselého deště.

1.1.2        Ověřte produkty spalování pyritu.

1.2       Fakultativní úkoly

1.2.1        Sledujte pH srážek v místě školy (bydliště) ve zvoleném časovém úseku (měsíc či déle) a vyvoďte závěr.

2         Časová dotace

2.1       Základní časová dotace

1–2 hodiny

3         Pomůcky a materiál

Pyrit, kladívko, zkumavka, držák, kahan, plyn, zápalky, pH papírek (pH metr), magnet, papír, roztok HCl, NaOH, ochranný štít, periodická tabulka, kalkulačka

4         Hlavní a dílčí cíle

4.1       Základní cíle

4.1.1        Pochopit spalování jako proces vzniku oxidů síry, které způsobují vznik kyselých dešťů.

4.1.2        Vyhodnotit vliv lidské činnosti na životní prostředí.

4.2       Vedlejší cíle

4.2.1        Seznámit studenty s minerálem pyrit a naučit je pyrit rozpoznávat od ostatních minerálů.

5         Mezipředmětové vztahy a přesahy

Tento materiál svým obsahem přesahuje předmět biologie (mj. také biologie člověka), propojuje znalosti z oborů geologie (mineralogie), chemie (chemické složení pyritu, rovnice vzniku oxidu síry a kyselého deště), ekologie (vliv kyselých dešťů na organismy, půdu, vodu) a zeměpisu (výskyt ložisek uhlí na území ČR, lokality postižené kyselými dešti v ČR).

6         Obecný úvod k tématu

Správné označení pro kyselý déšť je kyselá atmosférická depozice. Jako kyselý déšť jsou označovány srážky s pH menším než 5,6. Kyselý déšť způsobují oxidy síry, dusíku a uhlíku. Jakmile se rozptýlí do atmosféry, začnou reagovat s vodou za tvorby kyselin, které padají na zem ve formě deště. Zdroje těchto plynů jsou jednak přírodní (biologické procesy a sopečná činnost) a jednak antropogenní (zemědělství, průmysl, automobilová doprava, energetika). Nejvýznamnější podíl na vzniku kyselých dešťů se připisuje oxidům síry, které vznikají převážně spalováním hnědého uhlí, a oxidům dusíku, které vytváří hlavně vysokoteplotní spalování v automobilových motorech. Kyseliny, které následně v atmosféře vznikají z těchto plynů, snižují pH srážek. Výsledkem je zvýšená kyselost půd a povrchových vod (acidifikace), dále i vysoký obsah toxických kovů uvolněných z půd a hornin ve vodách spodních. Kyselý déšť také urychluje zvětrávání uhličitanových materiálů (například vápencové skály nebo i omítek na budovách atd.).

Výsledky působení kyselých dešťů lze pozorovat na živých organismech, funkčnosti ekosystémů a na materiálech. Z ČR známe úhyn horských smrkových lesů Jizerských hor, Krkonoš, Orlických hor, Jeseníků a Krušných hor ze 70. let minulého století. V ČR okyselení vod vyhubilo ryby v šumavských jezerech a v horských potocích Jizerských hor, Krkonoš, Jeseníků, Krušných a Orlických hor. Ve Skandinávii v důsledku okyselení jezer, potoků a řek došlo od padesátých let minulého století k postupnému uhynutí ryb, dalších živočichů a rostlin. Kyseliny, které se dostávají do půdy kyselým deštěm, z ní vyplavují prvky, které jsou důležité pro udržení vyvážené hodnoty půdní kyselosti a které jsou současně nezbytnými živinami pro vegetaci. Jedná se zejména o vápník a hořčík. Tyto prvky jsou schopny po nějakou dobu vyrovnávat (neutralizovat) přísun kyselin z atmosféry. Při této reakci jsou ale nevratně odnášeny z půd do podzemních a povrchových vod. O stupni okyselení rozhoduje i obsah bazických kationtů v půdě. Jejich hlavním zdrojem v půdách je zvětrávání podložních hornin a jejich celkové množství určuje odolnost vůči kyselému spadu. Čím je v půdách větší množství bazických kationtů, tím jsou půdy odolnější. Nejméně odolné jsou horské půdy, které mají přirozeně nízké množství bazických kationtů. To je spolu s drsným klimatem a vysokým přísunem kyselin důvod, proč se devastující vliv nejdříve projevuje v horských oblastech. Zásoby bazických kationtů vznikaly v půdách zvětráváním podloží zejména v období od poslední doby ledové, tedy asi 10 000 let. V důsledku změn druhové skladby původních lesních porostů na smrkové monokultury byly ale zásoby bazických kationtů vyčerpány. Místo nich dnes kyselý déšť uvolňuje z půd velké množství toxického hliníku a dalších kovů, které by se normálně neuvolňovaly. Tyto kovy jsou přijímány kořeny stromů z půdního roztoku a významně přispívají k úhynu lesa. Ionty hliníku totiž mohou vytlačit kationty vápníku, hořčíku a draslíku na výměnných místech buněčných membrán kořenů, čímž je narušena iontová rovnováha. To vede k odumírání takto postižených orgánů a následně i k špatnému příjmu živin, vody a celkovému oslabení rostliny. Hliník například nejčastěji blokuje příjem hořčíku. Stromy s nedostatkem hořčíku pak trpí chlorózou, tedy žloutnutím jehlic kvůli nedostatku zeleného barviva nutného k zachytávání sluneční energie. Postižené stromy se pak stávají extrémně citlivými na sucho, mráz a další vlivy. Tento mechanismus je typický pro lesní půdy v celé střední Evropě a jižní Skandinávii.

7         Pracovní postup

• Připravte prášek z pyritu pomocí kladívka a nasypte do zkumavky.
• Zahřívejte prášek ve zkumavce nejdříve pomalu, potom intenzívněji. Dbejte, aby ústí zkumavky zůstalo chladné a suché. Ověřte opatrně čichem plyn unikající ze zkumavky. Pozorujte, co vzniká na chladnějším ústí zkumavky. Změřte pH unikajícího plynu.
• Po vyžíhání vysypte vychladlý prášek ze zkumavky na papír. Magnetem zespodu oddělte magnetické částečky od nemagnetického zbytku. Přítomnost železa potvrďte tak, že přelijte vyžíhaný magnetický zbytek ve zkumavce zředěnou HCl, zahřejte a přidejte roztok hydroxidu sodného. Vznikne žlutohnědá sraženina hydroxidu železitého.

Doprovodné otázky a úkoly:

1)      Napište a vyčíslete reakci spalování pyritu za vzniku oxidu siřičitého.

2)         Porovnejte (seřaďte) železné rudy podle procentuálního obsahu železa (pyrit, magnetovec, krevel).

3)         Zapište rovnici vzniku kyselého deště z oxidu siřičitého.

4)         Vypočítejte objem oxidu siřičitého, který vznikne spalováním pyritu o hmotnosti 5 kg (za normálních podmínek).

5)         Uveďte minimálně tři konkrétní příklady vlivu kyselého deště na organismy (např. stromy, ryby, ...).

6)         Proč jsou jehličnaté lesy tímto vlivem ohroženy více?

7)         Jaký vliv mají oxidy síry na lidské zdraví? Co se stalo při opatrném přičichnutí ke zkumavce během pokusu?

8)         Které uhlí obsahuje nejvíce pyritu?

9)         Na mapě ČR vyhledejte hlavní místa těžby hnědého a černého uhlí.

10)     Jak vzniká pyrit, kde se v ČR vyskytuje (vyskytoval), jaké je použití pyritu, do jaké mineralogické třídy patří?

11)     Jak se v současnosti řeší problematika kyselých dešťů?

12)     Navrhněte další možnosti řešení tohoto problému.

13)     Znáte limity obsahu oxidů síry v ovzduší?

14)     Co znamená pojem defoliace?

Pozn. Pyrit je také označován jako “kočičí zlato”.

8         Metodické poznámky

Příprava pomůcek, bezpečnost práce s kladívkem a kahanem (ochranný štít), řízení práce ve skupině, zajištění map ČR, ukázka nekvalitního uhlí s pyritem, možnost přístupu k internetu při vyučování.

9         Použitá literatura a další zdroje

Boušková, L, Krůčková, L. Požárková, R. Kyselý déšť a acidifikace – seminární práce, JČU. Dostupný zde

Hruška, J., Krám, P. a Moldan, F. 1996. Vliv kyselého deště na povrchové vody. Vesmír 7 (75): 373. Dostupný z <http://www.vesmir.cz/clanek/vliv-kyseleho-deste-na-povrchove-vody>.