قياس الأوزون التروبوسفيري
المصدر: مختبرات مارغريت وركمان وكيمبرلي فراي - جامعة ديبول
الأوزون هو شكل من أشكال الأكسجين الأولي (O3) ، وهو جزيء من ثلاث ذرات أكسجين مرتبطة في بنية…
p class = "jove_title" >1. تحضير ورق Schönbein
- ضع 100 مل من الماء المقطر في دورق سعة 250 مل.
- أضف 11/4 ملعقة صغيرة من نشا الذرة.
- ضع قطعة تقليب في الدورق ، وضع الدورق على طبق ساخن / قلبي. يسخن على درجة حرارة متوسطة إلى عالية ، ويقلب المزيج ببطء حتى يتحول إلى ما يقرب من 90 درجة مئوية تقريبا. يتبلور الخليط عندما يتكاثف ويصبح شفافا إلى حد ما.
- أخرجي الدورق من مصدر الحرارة وأضيفي نصف ملعقة صغيرة من يوديد البوتاسيوم وقلبي جيدا.
- قم بتبريد المحلول قبل وضعه على ورق الترشيح.
- ضع قطعة من ورق الترشيح على لوح زجاجي أو ضعها في الهواء ، وباستخدام فرشاة طلاء صغيرة ، قم بتنظيف المعجون بعناية على ورق الترشيح. اقلب ورق الترشيح وافعل الشيء نفسه على الجانب الآخر. حاول وضع المعجون بشكل موحد قدر الإمكان.
- ضع الورق طوال الليل بعيدا عن أشعة الشمس ، أو ضعه في فرن تجفيف بدرجة حرارة منخفضة (20 درجة مئوية) حتى يجف.
- بمجرد أن يجف الورق ، استخدم المقص لتقطيع ورق الترشيح إلى شرائح بعرض 1 بوصة. في حالة تخزين الورق لاستخدامه لاحقا ، ضع الشرائط في كيس بلاستيكي قابل للغلق أو وعاء زجاجي ، بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة.
- رش شرائط من ورق الاختبار بالماء المقطر وقم بتعليق ما لا يقل عن ثلاثة شرائط في كل موقع لجمع البيانات بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة. قم بالتعليق عن طريق لصق أحد طرفي الشريط بإحكام أو تثبيته على هيكل (مثل الجدار ، وكتل وقوف السيارات ، وأعمدة الإنارة يمكن أيضا تعليق الشرائط باستخدام سلك مع دفع أحد طرفيه إلى الأرض والطرف الآخر مثبت على الشريط. تأكد من تعليق الشرائط دون عائق.
- قم بتعريض الورق لمدة 8 ساعات تقريبا. لاحظ مكان تعليق كل شريط، واستخدم بيانات الطقس لتسجيل موقع الرطوبة النسبية أثناء التعرض للورق. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام مقياس النفس لقياس الرطوبة النسبية لكل موقع.
- إذا لم يتم تسجيل النتائج على الفور ، فقم بإغلاق الشريط في وعاء محكم الغلق بعد التعرض.
- لمراقبة نتائج الاختبار وتسجيلها ، رش الورق بالماء المقطر.
- راقب اللون من خلال مقارنته بمقياس الألوان المقدم وتسجيل رقم Schönbein المقابل. احسب متوسط رقم Schönbein لكل موقع.
- استخدم بيانات الرطوبة النسبية لكل موقع ومخطط أرقام الرطوبة النسبية Schönbein (الشكل 3) لتحويل متوسطات موقع Schönbein إلى تركيز الأوزون (ppb).
الشكل 3. مخطط أرقام الرطوبة النسبية Schönbein
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
الأوزون هو شكل من أشكال الأكسجين الأولي الذي يحدث في الغلاف الجوي ، ويصنف على أنه ملوث هواء ضار بصحة الإنسان. باستخدام تقنية Sch?nbein ، يمكن قياس مستويات الأوزون في المواقع ذات الأهمية. تتكون جزيئات الأوزون من ثلاث ذرات أكسجين مرتبطة في بنية شديدة التفاعل كعامل مؤكسد ، وتحدث في كل من مستويات الستراتوسفير والتروبوسفير في الغلاف الجوي.
تشكل جزيئات الأوزون في طبقة الستراتوسفير طبقة الأوزون ، مما يساعد على منع الأشعة فوق البنفسجية الضارة من الوصول إلى سطح الأرض. في الارتفاعات المنخفضة من طبقة التروبوسفير ، يكون الأوزون ضارا بصحة الإنسان ، وكملوث يساهم في الضباب الدخاني الكيميائي الضوئي. يمكن للأوزون أن يلحق الضرر المباشر بأنسجة الجهاز التنفسي البشري إذا تم استنشاقه ، أو يضر بالأنسجة النباتية والمواد اللينة ، بما في ذلك الإطارات الموجودة على المركبات.
يمكن قياس وجود الأوزون في طبقة التروبوسفير باستخدام ورق Sch?nbein ، وهو خليط من النشا ويوديد البوتاسيوم والماء المنتشر على ورق الترشيح. بمجرد أن يجف ، يتغير لون الورق في وجود الأوزون.
سيوضح هذا الفيديو عملية صنع ورق Sch?nbein ، ووضع وقراءة شرائط الاختبار ، وتحديد مستويات الأوزون باستخدام مقياس ألوان Sch?nbein.
تتمثل إحدى الطرق التي يتكون بها الأوزون التروبوسفيري الخارجي على مستوى الأرض في عندما تتعرض أكاسيد النيتروز والمركبات العضوية المتطايرة الناتجة عن انبعاثات السيارات لأشعة الشمس. وبالتالي ، تزداد ظروف تكوين الأوزون والقلق الصحي المتصاعد في البيئات المشمسة ، أو في أوقات أو مواقع الاستخدام الكثيف للسيارات.
في الداخل ، يمكن تشكيل الأوزون التروبوسفيري عندما يؤدي التفريغ الكهربائي من معدات الجهد العالي ، مثل أجهزة تنقية الهواء الأيونية أو طابعات الليزر أو آلات التصوير ، إلى تكسير الروابط الكيميائية للأكسجين الجوي في الهواء المحيط. ثم تتحد الجذور الحرة للأكسجين مع جزيء الأكسجين في الهواء لتكوين الأوزون.
باستخدام ورق Sch?nbein ، ورق الترشيح المشبع بمحلول النشا ويوديد البوتاسيوم ، يمكن قياس كمية الأوزون التروبوسفيري. الأوزون الموجود في الهواء يؤكسد يوديد البوتاسيوم على الورق ، مما ينتج عنه اليود. يتفاعل اليود مع اليوديد لإنتاج ثلاثي يوديد ، والذي يتفاعل بعد ذلك مع النشا الموجود أيضا على الورق ، مما يؤدي إلى تلطيخه باللون البنفسجي العميق. تعتمد شدة هذا اللون على كمية الأوزون الموجودة في الهواء ، حيث تشير الألوان الداكنة إلى كميات أعلى من الأوزون التروبوسفيري.
يمكن تحديد تركيز الأوزون باستخدام هذه الطريقة في أي موقع تقريبا ، داخليا أو خارجيا. الآن بعد أن أصبحنا على دراية بالمبادئ الكامنة وراء قياس Sch?nbein ، دعونا نلقي نظرة على كيفية إجراء التجربة.
لبدء الإجراء ، ضع 100 مل من الماء المقطر في دورق سعة 250 مل. لهذا ، أضف 6 غرام من نشا الذرة. ضع الدورق في طبق تقليب ساخن. أشعل النار على درجة حرارة متوسطة إلى عالية ، وحرك الخليط حتى يصل إلى حوالي 90 ؟ C ويشكل هلام. بعد ذلك ، قم بإزالة الدورق من مصدر الحرارة وأضف 1 جم ، أو؟ ملعقة صغيرة من يوديد البوتاسيوم ويقلب جيدا حتى يذوب يوديد البوتاسيوم. اترك المحلول يبرد لمدة 5 دقائق على سطح المقعد.
ضع قطعة من ورق الترشيح على لوح زجاجي ، وباستخدام فرشاة رسم صغيرة ، قم بتنظيف المعجون بعناية على ورق الترشيح. اقلب ورق الترشيح وكرر ذلك على الجانب الآخر ، مع تطبيق المعجون بشكل موحد قدر الإمكان. ضع الورق طوال الليل بعيدا عن أشعة الشمس حتى يجف. بدلا من ذلك ، ضعه في فرن تجفيف على حرارة 20 ؟ ج حتى يجف. بمجرد أن يجف ، قم بتقطيع الورق إلى شرائح بعرض 1 بوصة. في حالة تخزين الورق لاستخدامه لاحقا ، ضع الشرائط في كيس بلاستيكي قابل للغلق أو وعاء زجاجي بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة.
للكشف عن الأوزون ، قم أولا برش شرائط ورق الاختبار برفق بالماء المقطر. قم بتعليق ما لا يقل عن ثلاثة شرائط في كل موقع لجمع البيانات بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة ، أو مثبتة بإحكام من أحد طرفيها على هيكل ، أو معلقة بسلك. تأكد من عدم وجود عوائق في الشرائط. اترك شرائط الاختبار معلقة لمدة 8 ساعات.
} لاحظ مكان تعليق كل شريط، وباستخدام مقياس نفس، قم بقياس الرطوبة النسبية في كل موقع. بدلا من ذلك ، الوصول إلى بيانات الطقس ، قم بتسجيل الرطوبة النسبية في كل موقع أثناء التعرض للورق. إذا لم تتم قراءة النتائج على الفور ، فيمكن إغلاق الشرائط في حاوية محكمة الإغلاق بعد التعرض.
لمراقبة نتائج الاختبار وتسجيلها ، رش الورق بالماء المقطر. راقب اللون من خلال مقارنته بمقياس ألوان Sch?nbein وسجل الرقم المقابل. احسب متوسط رقم Sch?nbein لكل موقع.
استخدم بيانات الرطوبة النسبية لكل موقع ومخطط أرقام الرطوبة النسبية Sch?nbein لتحويل متوسطات موقع Sch?nbein إلى تركيز الأوزون ، أو أجزاء في المليار.
إن القدرة على قياس وتسجيل مستويات الأوزون في التروبوسفير لها العديد من التطبيقات المتنوعة ، ويمكن أن يكون لنتائج هذه الاختبارات آثار كبيرة على البشر.
في المراكز الحضرية المكتظة بالسكان ، يمكن أن يكون التقارب بين حركة السيارات المرتفعة وكثافة السكان مصدر قلق للمشاكل الصحية المتعلقة بالأوزون. وتبلغ العتبات الحالية للأوزون في الولايات المتحدة التي حددتها إدارة السلامة والصحة المهنية 0.1 جزء في المليون. المخاطر الصحية للتعرض فوق هذا المستوى بما في ذلك الصداع. تهيج العين والأنف والحلق. تلف الرئة والنزيف ، من بين أمور أخرى. في شيكاغولاند الحضرية ، سجلت شرائط الاختبار الموضوعة لمدة 8 ساعات في أحد أيام يوليو في إيفانستون وشيشرون ونورثبروك مستويات الأوزون تبلغ 71 جزء في البليون ، 60 جزء في البليون ، 71 جزء في البليون ، على التوالي.
في الداخل ، العتبات الآمنة لمستويات الأوزون هي نفسها في الهواء الطلق ، وتحمل نفس المخاطر الصحية المحتملة. لضمان سلامة العمال أو سكان المبنى ، يجب اختبار أي مبنى يحتوي على كميات كبيرة من المعدات عالية الجهد للتأكد من مستويات الأوزون. سجلت الشرائط الموضوعة في غرفة آلة النسخ لمدة 8 ساعات مستوى أوزون داخلي يبلغ 5 جزء في البليون ، وهو أقل بكثير من إرشادات مكتب السلامة في الولايات المتحدة.
بسبب تأثير ضوء الشمس الذي يحول أكسيد النيتروز والمركبات العضوية المتطايرة إلى أوزون ، يمكن أن تكون موجات الحر أو الفترات المشمسة بشكل استثنائي مصدر قلق لسكان المناطق الحضرية. يمكن أن تؤدي مراقبة مستويات الأوزون بمرور الوقت إلى تكوين صورة للمخاطر المحتملة ، والسماح للسلطات بإصدار تحذيرات أو مطالبة السكان بتقليل استخدام السيارات في أوقات ارتفاع الأوزون.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لقياس الأوزون التروبوسفيري. يجب أن تفهم الآن كيف يتشكل الأوزون التروبوسفيري ولماذا هو مصدر قلق ، وكيفية صنع ورق Sch?nbein لاختبار الأوزون ، وكيفية تفسير نتائج الاختبار. شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is tropospheric ozone and why is it considered a pollutant?
Tropospheric ozone is a molecule of three oxygen atoms (O3) that occurs in the lower atmosphere and acts as a highly reactive oxidizing agent. Unlike stratospheric ozone, which protects against UV rays, tropospheric ozone is harmful to human health and contributes to photochemical smog. It directly damages respiratory tissue when inhaled and harms plant tissues and materials like vehicle tires.
Q2: How is outdoor tropospheric ozone formed at ground level?
Outdoor tropospheric ozone forms when nitrogen oxides and volatile organic compounds from automobile emissions are exposed to sunlight. This reaction is more intense in sunny environments or areas with heavy automobile use, which is why ozone concentrations escalate during heatwaves or in densely populated urban centers with significant traffic.
Q3: How does indoor ozone form differently from outdoor ozone?
Indoor tropospheric ozone forms when electrical discharges from high-voltage equipment like ionic air purifiers, laser printers, or photocopiers break down atmospheric oxygen molecules. The resulting free oxygen radicals recombine to create ozone. This process occurs independently of sunlight, making indoor ozone formation a distinct concern in facilities with such equipment.
Q4: What is Schönbein paper and how does it detect ozone?
Schönbein paper is filter paper impregnated with starch and potassium iodide. When exposed to ozone, the ozone oxidizes the potassium iodide, producing iodine. The iodine reacts with iodide to form triiodide, which then reacts with starch, creating a deep violet stain. The color intensity indicates ozone concentration, with darker colors showing higher levels.
Q5: What are the steps for making Schönbein paper in the laboratory?
Heat 100 mL distilled water with 6 g cornstarch to approximately 90°C to form a gel. Remove from heat and add 1 g potassium iodide, stirring until dissolved. Cool for 5 minutes. Brush the paste uniformly onto both sides of filter paper on a glass plate. Dry overnight away from sunlight or in a 20°C oven. Once dry, cut into 1-inch strips and store in sealed containers away from direct sunlight.
Q6: How do you measure ozone concentration using Schönbein test strips?
Spray test strips lightly with distilled water and hang a minimum of three strips at each site for 8 hours, secured away from direct sunlight. Record relative humidity at each location. After exposure, spray strips with water and compare color to the Schönbein color scale. Calculate the average Schönbein number per site, then use a Relative Humidity Schönbein Number Chart to convert readings to ozone concentration in parts per billion.
Q7: What health risks are associated with tropospheric ozone exposure?
The US Occupational Safety and Health Administration sets a safe ozone threshold at 0.1 ppm. Exposure above this level causes headaches, eye and throat irritation, lung damage, and hemorrhage. Urban areas with high automobile traffic and dense populations face elevated health concerns. Indoor facilities with high-voltage equipment should be tested to ensure worker and resident safety, as indoor and outdoor safe thresholds are identical.