Instrukcja do ćwiczenia nr 3 Metody fizyczne i chemiczne

Instrukcja do ćwiczenia nr 3
Metody fizyczne i chemiczne dekontaminacji nieswoistej
Wstęp
SPOSOBY UNIESZKODLIWIANIA SUBSTANCJI CHEMICZNYCH
Do jednych z najgroźniejszych katastrof należą te związane z uwolnieniem się do środowiska znacznych ilości
niebezpiecznych substancji chemicznych, których liczba i różnorodność rośnie wraz z rozwojem przemysłu. Pod
pojęciem „substancji niebezpiecznej” rozumie się materiał, który - ze względu na swoje właściwości chemiczne,
biologiczne i promieniotwórcze - może w razie nieprawidłowego obchodzenia się z nim lub celowego jego użycia
(terroryzm) przyczynić się do zagrożenia życia i zdrowia ludzi lub skażenia środowiska naturalnego.
Substancją niebezpieczną może być surowiec, półprodukt, produkt, odpad, a także substancja uwalniana w wyniku
awarii. Najpoważniejszym ich źródłem jest przemysł (ok. 75%), ale mogą również zostać uwolnione podczas
transportu (ok. 25%). Zespół czynności wykonywanych przez jednostki ratownictwa chemicznego, które mają na
celu neutralizację szkodliwego oddziaływania substancji niebezpiecznych na środowisko, obiekty, ludzi i sprzęt,
jest nazywany dekontaminacją albo odkażaniem.
Neutralizacją substancji chemicznych nazywamy proces lub zespół procesów, w wyniku których substancja
niebezpieczna ulega takim przemianom fizycznym i/lub chemicznym, że traci swoje niepożądane własności.
W związku z tym bardzo często stosuje się rozcieńczanie i neutralizację chemiczną. Najczęściej wykorzystywanym
rozcieńczalnikiem jest woda. Należy pamiętać, że zastosowanie wody obniża stężenie związku chemicznego, lecz
nie zmienia go pod względem budowy i właściwości. Główną ideą neutralizacji chemicznej jest to, aby związek
chemiczny po dekontaminacji był mniej agresywny i niebezpieczny niż po dekontaminacji prowadzonej inną
techniką. Skuteczność neutralizacji zależy od ilości użytego neutralizatora w odniesieniu do ilości
neutralizowanego związku chemicznego, temperatury i czasu reakcji.
W procesach unieszkodliwiania substancji niebezpiecznych wykorzystuje się reakcje odpowiednie do rodzaju
substancji:
reakcje zobojętniania
reakcje utleniania-redukcji (redoks)
reakcje hydrolizy
inne specyficzne reakcje chemiczne
Reakcja zobojętniania zachodzi pomiędzy kwasem a zasadą i w jej wyniku powstaje obojętna sól
i woda. Do neutralizacji kwasów, w celu podwyższenia wartości pH, używa się roztworów wodorotlenku sodu
(NaOH) i wodorowęglanu sodu (NaHCO3) oraz zawiesiny wodorotlenku wapnia (Ca(OH)2) i węglanu wapnia
(CaCO3). Do neutralizacji zasad, czyli w celu obniżenia pH, stosuje się rozcieńczony kwas siarkowy (H 2SO4) lub
rozcieńczony kwas chlorowodorowy (HCl). Należy pamiętać, że reakcja zobojętniania może powodować wzrost
temperatury środowiska reakcji.
W unieszkodliwianiu za pomocą reakcji redoks (reakcja przebiegająca ze zmianą stopnia utlenienia substratów)
jako utleniacze stosuje się np. chloran (I) sodu (NaClO), chloran (I) wapnia (Ca(ClO) 2) czy nadtlenek wodoru
(H2O2).
Hydroliza to reakcja rozpadu związków chemicznych pod wpływem wody. Ulega jej wiele niebezpiecznych
substancji, np. bezwodniki, chlorki kwasowe, cyjaniany, nitryle itp. Poprzez proces hydrolizy, który często jest
łączony z utlenianiem, można również unieszkodliwiać niektóre bojowe środki trujące.
Wśród specyficznych reakcji wykorzystywanych do likwidacji substancji szkodliwych można wymienić
kompleksowanie (neutralizacja jonów cyjankowych w reakcji z siarczanem żelaza (II), reakcje strącania osadów
czy dysproporcjonownia (reakcje, podczas których atomy tego samego pierwiastka dwa razy zmieniają swój
stopień utlenienia: raz się utleniają, a drugi raz redukują).
Zdarzające się dość często przypadki skażeń, w których występują problemy z ustaleniem rodzaju związku
chemicznego, przyczyniły się do opracowania tzw. Uniwersalnych roztworów dekontaminacyjnych (RD). W razie
konieczności neutralizacji substancji o nieustalonym składzie chemicznym stosuje się kolejno następujące wodne
roztwory dekontaminacyjne:
RD1 - 5% węglan sodu (Na2CO3) i 5% fosforan sodu (Na3PO4),
RD2 - 10% chloran (I) wapnia (Ca(ClO)2),
RD3 - 5% fosforan sodu (Na3PO4) - uniwersalny roztwór przeznaczony do spłukiwania roztworów RD1
i RD2.
Do likwidacji skażeń substancjami niebezpiecznymi można również stosować piany dekontaminacyjne. Piany
powstające z pożarniczych środków pianotwórczych nie mają chemicznego działania, tzn. nie wchodzą w reakcje
chemiczne z usuwanymi substancjami. Jednak zastosowanie ich może być pomocne w usuwaniu skażeń, dzięki
działaniu wchodzących w ich skład surfaktantów (substancji powierzchniowo czynnych), poprzez procesy
emulgowania i solubilizacji (zwiększania rozpuszczalności). Dotyczy to zwłaszcza skażeń substancjami
organicznymi, trudno rozpuszczalnymi w wodzie.
W ramach procesów dekontaminacyjnych stosuje się również sorpcję, która polega na wykorzystaniu czynnika
wiążącego substancję niebezpieczną, co ułatwia jej usunięcie z powierzchni skażonej, zebranie do odpowiednich
pojemników i przekazanie do dalszej neutralizacji. Jest najczęściej używana w stosunku do związków chemicznych
pozostających w normalnych warunkach w postaci ciekłej. Dekontaminację sorpcyjną prowadzi się w przypadku
rozlewisk niebezpiecznych cieczy na utwardzonych, płaskich powierzchniach oraz ewentualnie na wodach
powierzchniowych. Sorpcja z wykorzystaniem ogólnie dostępnych naturalnych sorbentów (ciał porowatych) jest
techniką niedrogą i łatwą do wdrożenia. Substancje wchłonięte przez sorbenty pozostają chemicznie niezmienione
(nie następuje ich chemiczna neutralizacja) i zachowują swoje niebezpieczne właściwości. Przykładami sorbentów
naturalnych są: piasek, trociny, słoma, węgiel aktywowany. Do sorbentów syntetycznych zalicza się: pianki
(poliuretanowe, mocznikowo-formaldehydowe, polieterowe) i włókna (nylonowe, polistyrenowe,
polipropylenowe).
Działania ratownicze w wypadkach z substancjami chemicznymi wymagają przestrzegania bardzo rygorystycznych
zasad bezpieczeństwa. Należy być świadomym nie tylko możliwości wystąpienia kontaktu z substancją, która
nawet w bardzo małych ilościach jest niebezpieczna dla zdrowia i życia, ale także przenoszenia skażenia przez
środowisko (wiatr, rzeki) czy ludzi.
1. Neutralizacja substancji chemicznych w organizmie człowieka
Substancje chemiczne mogą przeniknąć do organizmu człowieka w wyniku połknięcia (drogą pokarmową),
inhalacji (drogą oddechową) lub przez skórę, wywołując niekorzystny wpływ na jego zdrowie. Neutralizacja
substancji chemicznych w organizmie człowieka jest uzależniona od ich charakteru, należy więc ściśle przestrzegać
wytycznych dotyczących postępowania w przypadku zatrucia danym związkiem chemicznym. Najprostszą metodą
usuwania substancji chemicznych, które wniknęły do organizmu drogą pokarmową, jest prowokowanie wymiotów
albo płukanie żołądka. Metody te warto rozważyć, jeśli połknięta substancja szkodliwa pozostaje w żołądku nie
dłużej niż godzinę. Jeśli od jej wniknięcia upłynęło więcej czasu, to w większości przypadków ani prowokowane
wymioty, ani płukanie żołądka nie przyniosą spodziewanych korzyści, a są obciążone ryzykiem groźnych
powikłań. Powyższych metod nie wolno stosować w przypadku zatruć kwasami, zasadami i innymi silnie
drażniącymi oraz żrącymi substancjami. Również przy zatruciach rozpuszczalnikami organicznymi i detergentami
procedury te mogą okazać się niebezpieczne i dlatego są przeciwwskazane. Zachłyśnięcie się nimi może
doprowadzić do poważnego uszkodzenia płuc.
Jedną z procedur dekontaminacyjnych o dużych możliwościach w zakresie usuwania trucizn z przewodu
pokarmowego, zwłaszcza w zakresie zmniejszania stopnia ich wchłaniania, jest doustne stosowanie węgla
aktywowanego (tzw. węgla lekarskiego). Na jego powierzchni może się w krótkim czasie zaadsorbować znaczna
ilość połkniętej trucizny. Węgiel aktywowany podaje się doustnie w postaci gęstej zawiesiny wodnej, w dawce 1-2
g/kg masy ciała, zawsze pod kontrolą, aby nie dopuścić do przedostania się jej do dróg oddechowych i uszkodzenia
tkanki płucnej. Substancje, takie jak kwasy nieorganiczne, zasady, sole kwasu cyjanowodorowego (cyjanki), sole
żelaza oraz inne związki nieorganiczne, niestety źle adsorbują się na węglu.
W celu neutralizacji związków żrących (stężonych kwasów, zasad) w przewodzie pokarmowym człowieka nie
można stosować węgla aktywowanego, prowokować wymiotów mechanicznie lub farmakologicznie ani płukać
żołądka. Pierwszym krokiem w takich przypadkach jest zobojętnienie kwasu lub zasady. Przykładowo przy
zatruciach ługiem podaje się najczęściej roztwór octu (łyżka octu na szklankę wody) czy soku z cytryny.
W zatruciach substancjami żrącymi zaleca się również ich rozcieńczanie, czyli zmniejszanie ich stężenia
w przewodzie pokarmowym (szczególnie w żołądku) przez podawanie do picia płynów, przede wszystkim wody
w ilości 5 cm3/kg masy ciała. Nie należy podawać związków zobojętniających, które w reakcji z kwasem
doprowadzają do powstania dwutlenku węgla, np. sody oczyszczonej.
2. Wybrane przykłady neutralizacji substancji niebezpiecznych i toksycznych
Kwas azotowy (V) - HNO3
Jest cieczą żrącą i utleniającą, związkiem aktywnym chemicznie. Większość reakcji z jego udziałem ma przebieg
gwałtowny, a nawet wybuchowy. Gwałtownie rozpuszcza się w wodzie z wydzieleniem ciepła. Jest związkiem
nietrwałym, rozkładającym się pod wpływem ogrzewania i światła, z wydzieleniem tlenku oraz dwutlenku azotu.
Rozcieńczony reaguje z wieloma metalami, wydzielając palny i wybuchowy wodór.
W przypadku pożaru w pobliżu otwartego zbiornika z kwasem azotowym do gaszenia nie używa się wody. Do
neutralizacji mniejszych ilości HNO3 stosuje się wodorowęglan sodu i spłukuje się dużą ilością wody. Następnie
oczyszczoną powierzchnię pokrywa się środkami wiążącymi (np. ziemią okrzemkową), po czym resztę produktów
neutralizacji traktuje się jak odpad specjalny.
Kwas siarkowy (VI) - H2SO4
Kwas siarkowy działa żrąco na skórę i błony śluzowe. W postaci mgły i dymów wywołuje ból i łzawienie oczu,
oparzenia spojówek, rogówki, ból gardła, kaszel, duszność, skurcz głośni, obrzęk krtani, skurcz oskrzeli, obrzęk
płuc. Na skutek skurczu głośni może nastąpić śmierć. Jego kontakt ze skórą może prowadzić do oparzeń
termicznych (reakcja egzotermiczna z wilgotną skórą) i chemicznych. Ich stopień zależy od stężenia i czasu
narażenia. Kontakt z oczami wywołuje poważne oparzenia powieki i gałki ocznej oraz jej trwałe uszkodzenie
(utratę wzroku lub trwałe zmętnienie rogówki). Spożycie tego kwasu skutkuje oparzeniami jamy ustnej, gardła,
przełyku i żołądka, objawiającymi się uczuciem pragnienia, nudnościami, wymiotami, biegunką, krwawieniami z
przewodu pokarmowego, wreszcie wstrząsem. Dawka śmiertelna dla człowieka dorosłego wynosi 6-8 g.
Dekontaminacja stężonego kwasu polega na jego rozcieńczeniu wodą, a następnie neutralizacji wodorowęglanem
sodu. Produkt neutralizacji należy spłukać dużą ilością wody.
Bar (Ba)
W naturalnym środowisku bar występuje w bardzo niewielkich ilościach. Większe ilości tego pierwiastka znaleźć
można jedynie w glebie oraz takich produktach żywnościowych, jak orzechy, wodorosty, ryby oraz niektóre
rośliny.
Największe zagrożenie dla zdrowia występuje u osób, które pracują w przemyśle, wykorzystującym ten
pierwiastek. Dostaje się do organizmu drogą oddechową w postaci siarczanów lub węglanów. Szkodliwość
związków baru zależy od ich rozpuszczalności w wodzie. Wszystkie rozpuszczalne w wodzie związki baru mają
właściwości toksyczne, w przeciwieństwie do trudno rozpuszczalnych. Na przykład rozpuszczalny w wodzie
chlorek baru (BaCl2) jest trucizną i przechowywany musi być pod ścisłą kontrolą, podczas gdy
trudnorozpuszczalny siarczan baru (BaSO4), mało toksyczny, podaje się pacjentom jako kontrast między innymi
przy prześwietlaniu żołądka. Długotrwałe narażenie na związki tego pierwiastka może wywoływać zaburzenia
równowagi, depresję, drżenie i skurcze mięśniowe, osłabienie, zmiany ciśnienia krwi, zakłócenia funkcji serca i
porażenie ośrodka oddechowego. Pył baru jest szczególnie szkodliwy, jeżeli przedostanie się do układu
oddechowego człowieka. W kontakcie ze skórą metaliczny bar powoduje oparzenia. Do neutralizacji tych
związków stosuje się siarczan sodu.
3. ĆWICZENIA PRAKTYCZNE
3.1. Działanie stężonych substancji żrących na tkankę
Wykonanie ćwiczenia:
Na porcję mięsa nanieś po 2-3 krople stężonych substancji żrących (HNO3, H2SO4, HCl, NaClO, NaOH,
fenol, perhydrol) – zaobserwuj efekt ich działania.
3.2. Neurtalizacja substancji kwasowych roztworem białka jaja kurzego
W przypadku zatruć doustnych kwasami, zasadami czy innymi substancjami żrącymi prowokowanie wymiotów
czy płukanie żołądka są całkowicie przeciwwskazane. Należy wówczas zastosować dylucję, czyli zmniejszyć
stężenie połkniętej substancji żrącej przez podanie do picia wody. Można również zastosować roztwór białka jaja
kurzego (3-4 białka w 0,5 litra wody). Pod wpływem substancji żrących białko ulega denaturacji (zmniejsza się
tym samych stężenie wolnej substancji toksycznej).
Wykonanie ćwiczenia:
Do 2 probówek z kilkoma cm3 roztworu białka jaja kurzego wprowadź ostrożnie: do jednej kilka kropli
stężonego kwasu siarkowego, do drugiej – kwasu sulfosalicylowego. Zaobserwuj proces denaturacji białka.
3.3. Sorpcja jako metoda usuwania substancji chemicznych
Sorpcja na węglu aktywowanym
Węgiel aktywowany jest tak spreparowany, że powierzchnia jego cząstek jest silnie rozwinięta. Oznacza to, że
cząstki węgla aktywowanego mają na powierzchni wiele kanałów, zagłębień i otworów nazywanych porami. Wiele
barwników i substancji organicznych, mających podobnie jak węgiel własności hydrofobowe, może więc - w
przeciwieństwie do wody i innych podobnych rozpuszczalników - osiadać w porach w sposób trwały. Dlatego, jeśli
do wodnego roztworu barwnika lub substancji organicznej, np. toksycznej, doda się węgla aktywowanego, to
zostanie ona zaadsorbowana na węglu, tworząc z nim trwałe, neutralne połączenie i może być wraz z nim usunięta.
Wykonanie ćwiczenia:
Do probówki wprowadź 5 cm3 wody destylowanej i kroplę niebieskiego atramentu. Do tak sporządzonego
roztworu barwnika dodaj małą płaską łyżeczkę węgla aktywowanego i zawartość probówki dokładnie wymieszaj.
Po ok. 15-20 minutach roztwór można odsączyć na sączku lub zaczekać aż węgiel aktywowany ulegnie
sedymentacji (osiądzie na dnie).
3.4. Skrobia jako odtrutka nieswoista
Skrobia wiąże się z jodem, co utrudnia jego wchłanianie. Dodatkowo kleik skrobiowy działa delikatnie osłaniająco
na śluzówkę przewodu pokarmowego. Stosowana jest jako nieswoista odtrutka w zatruciach jodem i jego
związkami (1-2 łyżki skrobi na 0,5 litra wody). Kompleks skrobi z jodem ma charakterystyczną granatową barwę.
Wykonanie ćwiczenia:
Do probówki wprowadź 2 cm3 kleiku skrobiowego i kilka kropel roztworu jodu w jodku potasu.
Zaobserwuj wystąpienie charakterystycznego zabarwienia świadczącego o związaniu skrobi z jodem
3.5. Parafina ciekła jako odtrutka nieswoista w zatruciach lipofilnymi rozpuszczalnikami organicznymi
W zatruciach doustnych lipofilnymi rozpuszczalnikami organicznymi nie wolno, z uwagi na ich wysoki potencjał
zachłystowy, prowokować wymiotów ani płukać żołądka. Jako odtrutka nieswoista pomocna może być w tych
wypadkach parafina ciekła (150-200 ml). Nie wchłania się ona z przewodu pokarmowego i działa na śluzówkę
osłaniająco. Lipofilne rozpuszczalniki organiczne i inne substancje toksyczne rozpuszczalne w tłuszczach (np.
fosfor) rozpuszczają się w niej, co utrudnia ich wchłanianie i ułatwia wydalenie.
Wykonanie ćwiczenia:
Do dwóch probówek wprowadź: do jednej 1 cm3 butanolu, do drugiej 1 cm3 izopropanolu. Do każdej z
probówek dodaj po ok. 1 cm3 ciekłej parafiny. Zaobserwuj rozpuszczanie się rozpuszczalników w parafinie.
3.6. Tanina jako odtrutka nieswoista w zatruciach metalami ciężkimi
Kwas taninowy wykazuje silne działanie ściągające i denaturujące białka. Ponadto adsorbuje wiele toksycznych
substancji, takich jak metale ciężkie, alkaloidy i in. Utrudniając ich wchłanianie. 5-10% roztwór taniny może być
więc pomocny jako odtrutka nieswoista w zatruciach doustnych metalami ciężkimi, alkaloidami czy glikozydami
naparstnicy.
Wykonanie ćwiczenia:
Do probówki wprowadź 2 cm3 soli ołowiu (np. octanu) i dodaj 2 cm3 5% roztworu taniny. Zaobserwuj
wynik reakcji.
3.7. Sole wapnia jako odtrutka nieswoista w zatruciach fluorkami i szczawianami
Szczawiany i fluorki strącają z solami wapnia nierozpuszczalne osady. Dlatego mleko może stanowić nieswoistą
odtrutkę w zatruciach doustnych szczawianami bądź fluorkami – strącając ich trudno rozpuszczalne sole wapniowe
utrudnia ich wchłanianie w przewodzie pokarmowym.
Wykonanie ćwiczenia:
Do probówki wprowadź 2 cm3 kwasu szczawiowego i dodaj 2 cm3 roztworu chlorku wapnia. Zaobserwuj
wynik reakcji.
3.8. EDTA jako odtrutka o działaniu chelatującym
Chelatowanie to wiązanie kationów metali (zwł. ciężkich) w związki kompleksowe, co zmniejsza ich toksyczność i
ułatwia wydalenie z ustroju. Przykładami odtrutek o działaniu chelatującym są: dimerkaprol (BAL) stosowany w
zatruciach jonami arsenu i rtęci, penicylamina (Cuprenil) stosowana w zatruciach jonami miedzi i rtęci,
deferoksamina (Desferal) stosowana w zatruciach jonami żelaza czy wersenian sodowo-wapniowy (EDTA,
Chelaton) stosowany w zatruciach jonami ołowiu, ale także miedzi, cynku, niklu, chromu i in.
Wykonanie ćwiczenia:
Do probówki wprowadź 1 cm3 soli niklu (np. chlorku) a następnie dodaj szczyptę mureksydu i dokładnie
wymieszaj przez wstrząsanie (wskaźnik tworzący z niklem kompleksy o barwie żółto-zielonej). Następnie dodaj 1
cm3 0,1 molowego roztworu EDTA i dokładnie wymieszaj. EDTA ma silniejsze własności kompleksujące niż
mureksyd, tworzy więc kompleksy z jonami niklu wypierając z nich wskaźnik. Dodanie kilku kropel 2 molowej
zasady sodowej zmieni barwę roztworu na różowo-fioletową (wolny mureksyd w środowisku zasadowym ma taką
właśnie barwę).