Тяжелые металлы - раздел Химия, Предмет и задачи химии окружающей среды Металлы В Очень Высокой Степени Вовлечены В Антропогенную Деятельность, Они О...
Металлы в очень высокой степени вовлечены в антропогенную деятельность, они отличаются настолько высокой технофильностью, что нередко говорят о современной «металлизации» биосферы. Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой так называемых «тяжелых металлов» (ТМ). К ним относят более 40 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева с атомными массами свыше 50 а.е.м. Иногда тяжелыми металлами называют элементы, которые имеют плотность более 7-8 тыс. кг/м3 (кроме благородных и редких). Оба определения условны и перечни ТМ по этим формальным признакам не совпадают. И хотя термин «тяжелые металлы» неудачен, им приходится пользоваться, так как он прочно вошел в экологическую литературу. Группа элементов, обозначаемых ТМ, активно участвует в биологических процессах, многие из них входят в состав ферментов. Набор «тяжелых металлов» во многом совпадает с перечнем «микроэлементов». Под микроэлементами подразумеваются такие химические элементы, облигатные (обязательные) для растительных и живых организмов, содержание которых измеряется величинами порядка 10-2 – 10-5 %. Также их называют «следовые», «малые», «редкие», «рассеянные». Большинство микроэлементов выполняет в живых организмах функции инициаторов и активаторов биохимических процессов. В число микроэлементов входят и многие неметаллы.
Районы, в которых концентрация химических элементов (соединений) в силу природных причин оказывается выше или ниже кларкового уровня, называют биогеохимическими провинциями. Формирование биогеохимических провинций обусловлено особенностями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, а также присутствием рудных аномалий. При загрязнении биосферы происходит образование техногенных аномалий, в которых содержание химических элементов превышает в 10 раз и более так называемое фоновое (или среднестатистическое содержание в незагрязненных ландшафтах).
К числу тяжелых металлов относят хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьму, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут и др. Главным природным источником ТМ являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримеси) в массу горных пород. Примером таких минералов являются минералы титана (брукит, ильменит, анатас), хрома (FeCr2O4). Породообразующие минералы содержат также рассеянные элементы в качестве изоморфных примесей в структуре кристаллических решеток, замещая макроэлементы с близким ионным радиусом. Так, К может быть замещен на Sr, Рb, В; Na - на Cd, Mn, Sr, Bi; Mg - наJ, Co, Zn, Sb, Sn, Рb, Mn; Fe - на Cd, Mn, Sr, Bi. Многие элементы поступают в биосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями.
Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеяния осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах (черная и цветная металлургия, обжиг цементного сырья, сжигание минерального топлива). Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов; внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения; вторичное загрязнение вследствие выноса ТМ из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками; поступление больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.
Несмотря на значительное разнообразие соединений тяжелых металлов, поступающих в почву из окружающей среды, формы нахождения элементов в составе газопылевых выбросов предприятий цветной металлургии довольно однотипны; они представлены преимущественно оксидами. Количество сульфидов и водорастворимых фракций тяжелых металлов сравнительно невелико.
Первым этапом трансформации оксидов ТМ в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. Даже в такой простой системе, как вода, находящаяся в равновесии с СО2 атмосферного воздуха, оксиды тяжелых металлов подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости. Оксид цинка наиболее стабилен и менее растворим по сравнению с оксидами свинца и кадмия. Его растворимость в диапазоне рН 4-8 более чем в 100 раз ниже, чем растворимость РbО, и почти в 10000 раз ниже CdO. В отличие от оксида цинка оксиды свинца и кадмия неустойчивы в воде и преобразуются в гидроксид и (или) карбонат (гидроксокарбонат) свинца и карбонат кадмия.
Парциальное давление СО2 в почвенном воздухе во много раз превышает таковое в атмосфере и поэтому в почве преобладают более устойчивые гидроксокарбонаты и карбонаты цинка и свинца. Следующими реакциями после растворения неустойчивых оксидов являются катионный обмен и специфическая адсорбция. Реакции адсорбции и катионного обмена могут быть описаны уравнениями Фрейндлиха, Ленгмюра и закона действующих масс.
Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с образованием относительно прочных связей координационного типа с некоторыми поверхностными функциональными группами. Так, при взаимодействии ионов тяжелых металлов с поверхностными ОН-группами алюмосиликатов или гидроксида алюминия возможно образование следующих соединений:
О
/
[ ≡Si —O—M](z-1)+ [ ≡Si M ](z-2)+
/
O
—Al—O O
/
Pb =Al Pb
/ /
—Al—O O
где Мz+— ион металла с зарядом z+.
Специфическая адсорбция более избирательна, чем неспецифическая, и зависит как от свойств сорбируемых ионов, так и от природы поверхностных функциональных групп, поэтому тяжелые металлы энергично адсорбируются почвами из растворов. Механизм специфического поглощения более свойствен свинцу, чем цинку и кадмию. Коэффициенты селективности, рассчитанные для обменной реакции катионов тяжелых металлов с поглощенным кальцием, подтверждают преимущественное поглощение тяжелых металлов по сравнению с кальцием, а в ряду тяжелых металлов селективность адсорбции свинца более чем в 1000 раз выше, чем цинка и кадмия. Таким образом, процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии:
v преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидроксокарбонаты);
v растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почв;
v образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.
Все темы данного раздела:
Предмет и задачи химии окружающей среды
Проблема охраны окружающей среды сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные аспекты, но и экономические, социальные, политические, правовые, эстетические.
В основе процесс
Происхождение и эволюция Земли
Принято считать, что Вселенная возникла в один момент в результате огромного взрыва, обычно называемого Большим взрывом. Планеты нашей Солнечной системы образовались, по-видимому, из облака
Образование земной коры и атмосферы
Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. За счет этих процессов сформировалась оболочка из породы толщиной менее
Эволюция атмосферы и происхождение жизни
Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение
Гидросфера
Вода - ключевой компонент в поддержании жизни на Земле. Вода в своих трех состояниях - жидкость, лед и водяные пары широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд. кмЗ
Состав атмосферы
Общий состав атмосферы почти одинаков по всей Земле в результате высокой степени перемешивания в пределах атмосферы. В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению Зем
Микрокомпонентные примеси в атмосфере
Многие микрокомпонентные примеси в атмосфере имеют постоянные концентрации, тo есть существует баланс между поступлением и выходом вещества в атмосферу
Fвх = Fвы
Геохимические источники
Самыми мощными геохимическими источниками служат переносимая ветром пыль и морские брызги, поставляющие огромные количества твердых веществ в атмосферу. Пыль — это в основном почва регионов Земли.
Биологические источники.
В отличие от геологических источников биологические не являются крупным прямым источником поступления частиц в атмосферу, за исключением лесных пожаров (лесные пожары служат значительным источнико
Антропогенные источники
Антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Изменения, вызванные человеком, значител
Радиоактивное загрязнение атмосферы
К опасным, факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует отнести радиоактивность.
Радиоактивностью называется, самопро
Основные радиоактивные изотопы, обнаруживаемые в атмосфере после ядерного взрыва
Изотоп
8938Sr
9038Sr
9540Zr
13153I
Озоновый защитный слой
Как известно, в атмосфере на высоте около 15-25 км (в зависимости от широты) расположен озоновый защитный слой Земли, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Озоновый слой появился вм
Механизмы разрушения озона
Выше рассматривался механизм образования озона в атмосфере только на основе кислорода как компонента воздуха. Между тем в образовании и разрушении озона атмосферы играют существенную роль и другие
Состав и строение литосферы
Сейсмические исследования свидетельствуют о том, что при землетрясениях возникают различные сейсмические волны, распространяющиеся в породах Земли с разными скоростями. Наиболее быстрые из них - пе
Процессы выветривания
Поверхность земной коры подвержена действию атмосферы, что делает ее восприимчивой к физическим и химическим процессам.
Физическое выветривание является механическим проце
Общие для большинства почв реакции
При характеристике почв наиболее информативны не отдельные индивидуальные соединения, а их группы, то есть совокупность соединений со сходными строениями и свойствами. Такими группами могут быть мо
Катионный обмен
Для почв наиболее характерны реакции катионного обмена между твердой частью почвы, которая поглощает катионы, и почвенным раствором, который можно рассматривать как раствор электролитов. Если твёрд
Потенциальная кислотность почв
Обменные катионы участвуют также в формировании потенциальной кислотности почв. Такая кислотность встречается в кислых дерново-подзолистых, серых лесных, красноземных почвах. Проявляется о
Щелочность почв
Щелочными считают почвы, водная суспензия которых имеет рН 7,5 — 8,0 или выше. Эти почвы формируются в степных и сухо-степных природных зонах; к ним относятся солонцы, некоторые солончаки. Щелочно
Окислительно-восстановительные режимы
Практически в каждой почве происходят реакции окисления или восстановления химических соединений или элементов. Эти реакции являются сопряженными, и если какой-либо компонент почвы окисляется, то
Гумификация
Это один из самых важных почвенных биохимических процессов. Сущность его заключается в трансформации растительных остатков в своеобразные, темноокрашенные органические гуминовые вещества преимуще
Химическое загрязнение и охрана почв
В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей человеческой истории. Во всех странах мира сейчас распахивают около 1,5 млрд.
Пресные воды подземной гидросферы
Существенную роль в процессах биосферы играет и так называемая подземная гидросфера. Пресные воды после ледников вносят основной вклад в общий баланс пресной воды на планете. Обширные запасы
Химия пресных поверхностных вод
Озера. Озера— это водоемы, не имеющие прямой связи с системой Мирового океана. Они распространены на равнинных и горных территориях, во влажных и засушливых, холодных и жарких ги
Химия воды и режимы выветривания
Состав растворенных ионов в пресных водах зависит от: варьирующего состава дождевых осадков и сухих атмосферных выпадений; изменений в поступлениях в атмосферу вследствие эвапотранспирации; варьи
Растворенные твердые вещества пресных вод
Кремний высвобождается при выветривании силикатов и переносится в природных водах в виде недиссоциированной кремниевой кислоты H4SiО4. Силикаты выветриваются медленно, поэто
Биологические процессы
В ручьях и небольших реках биологическая активность в воде слабо влияет на ее химический состав из-за быстрого течения. В крупных же реках и озерах, со слабым течением основные изменения в химическ
Диаграммы Eh-pH
Кислотность (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh) могут определять поведение элементов и их соединений в окружающей среде. Теоретически возможно бесконечное разнообразие сочетаний
Питательные вещества и эвтрофикация
Кроме СO2, воды и света растениям для роста нужны определенные ионы (питательные вещества). Некоторых из этих ионов, на пример Mg2+ , довольно много в пресной воде, однако др
Кислотные осадки
Кислотными называют атмосферные осадки (дождь, снег, роса) с рН<5,5. Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН=б), так как находится в контакте с СО2 и растворяет ее, о
Процессы в дельтах и эстуариях
Очень интересна химия морской воды вблизи континентальных областей — в переходной зоне между средами обитания суши и открытого океана.
Дельта - устьевая часть реки, в которой происходит р
Изменения веществ в окружающем среде
Для целостного понимания биосферы как глобальной системы важно изучение как природных, так и антропогенных процессов, происходящих в ней.
Для предсказания того, как эта система может измен
Изменения во времени
Естественные (природные) изменения. Изменения геохимических, геофизических и метеорологических параметров за геологические периоды времени, эволюция живых организмов, обитающих в воде и н
Пространственные изменения
Критериями оценки природных и антропогенных веществ по степени их воздействия на изменение окружающей среды являются их количество, объем запасов, частота появления и распространенность. Учет изме
Распространение в окружающей среде
Оценка распространения в окружающей среде синтезированных человеком веществ включает физико-химические свойства этих веществ, физические процессы, связанные с их переносом, биологические п
Перенос между различными средами
Рис. 19. Схема процессов переноса вещества между различными средам
Перенос почва — вода
Перенос веществ на границе раздела почва — вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искус
Перенос вода — воздух
Переход вещества в природных условиях из водного раствора в атмосферу называют летучестью; этот процесс осуществляется в результате диффузии, обратный перенос называют сухим осаждением в воду.
Перенос почва -—воздух
В миграционных процессах между почвой и воздухом большое значение имеют обменные процессы жидкость/твердая фаза, жидкость/газ и твердая фаза/газ.
Переход вещества из почвы в атмосферу пут
Поступление и накопление в живых организмах
В принципе любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе усвоения достигается в том случае, если его поступлени
Сравнение содержания химических элементов в морской воде и теле рачка Calanus finmarchicue
Химические элементы
Морская вода,
масс,%
Calanus finmarchicus, масс.%
Коэффициент обогащения
Кислород
Географический и биотический перенос
После того как произошло распределение поступивших в окружающую среду химических веществ между воздухом, водой и почвой, необходимо проследитьих дальнейшую миграцию на более или менее далекие рас
Геохимические барьеры
Участки биосферы, на которых в миграционном потоке на коротком расстоянии резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов, и как следствие этого процесса, повышается их концентрация
Круговороты макроэлементов
Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический). Большой круговорот наиболее четко проявляется в
Вещества, попавшие в окружающую среду исключительно в результате.человеческой деятельности
ДДТ(2,2-ди (р-хлорфенил) - 1,1,1 -трихлорэтан)
Пестицид
Неселективный ряд, концентрируется в пищевой цепи
ПХД (полихлориро-ванные
Углерод
Самым важным компонентом природного цикла углерода является газообразный диоксид углерода СО2. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО2 относительно невелики в сравнении
АТМОСФЕРА
СО2
Круговороты второстепенных элементов
Микроэлементы, как и макроэлементы, мигрируют между организмами и средой. Многие из них концентрируются в тканях благодаря химическому сходству с какими-либо важными биогенными элементами, что мо
Соединения хлора
Химия соединений хлора в биосфере сравнительно проста. Практически все встречающиеся в почвах хлориды легко растворимы: NaCl, KC1, СаСl2, MgCl2. Растворимы также хлориды боль
Соединения йода
Содержание йода в земной коре колеблется от 0,01 до 6 мг/ кг, достигая максимума в обогащенных органическим веществом сланцах. Минеральные соединения йода легкорастворимы, поэтому йод энергично вы
Соединения брома
Содержание брома в земной коре колеблется от 0,2 до 10 мг/кг, причем максимальные концентрации характерны для глинистых отложений. Бром — сильнолетучий элемент, его соли легкорастворимые. К числу
Соединения фтора
Свойства соединений фтора значительно отличаются от свойств других галогенопроизводных.
Фториды щелочных металлов растворимы в воде и их растворимость уменьшается в ряду KF > NaF >
Атмосфера
Общий запас 15,6*109 г
Стронций
Sr -хороший пример ранее малоизученного элемента, который теперь служит объектом особого внимания в связи с большой опасностью его радиоактивного изотопа для человека и животных. По свойствам стро
Новости и инфо для студентов