Головна

Важкі метали

  1.  ДЕ 7 - Метали і сплави (ОК-1, ПК-9, 18, 50, 51).
  2.  Розподіл твердих тіл на метали, діелектрики та напівпровідники в зонної теорії.
  3.  інші метали
  4.  Рідкі і благородні метали
  5.  Легкоплавкие кольорові метали і сплави на їх основі.
  6.  Лекція 20. Метали головної підгрупи II групи. Жорсткість води
  7.  Лекція 21. Конструкційні метали. Алюміній. Хром. Залізо

Метали в дуже високій мірі залучені в антропогенну діяльність, вони відрізняються настільки високою Технофільность, що нерідко говорять про сучасну «металізації» біосфери. Особливого значення набуло забруднення біосфери групою так званих «важких металів» (ТМ). До них відносять більше 40 хімічних елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва з атомними масами понад 50 а. е. м. Іноді важкими металами називають елементи, які мають щільність більше 7-8 тис. кг / м3 (Крім благородних і рідкісних). Обидва визначення умовні і переліки ТМ за цими формальними ознаками не збігаються. І хоча термін «важкі метали» невдалий, їм доводиться користуватися, так як він міцно увійшов в екологічну літературу. Група елементів, що позначаються ТМ, бере активну участь в біологічних процесах, багато хто з них входять до складу ферментів. Набір «важких металів» багато в чому збігається з переліком «мікроелементів». Під мікроелементами маються на увазі такі хімічні елементи, облігатні (обов'язкові) для рослинних і живих організмів, зміст яких вимірюється величинами порядку 10-2 - 10-5 %. Також їх називають «слідові», «малі», «рідкі», «розсіяні». Більшість мікроелементів виконує в живих організмах функції ініціаторів і активаторів біохімічних процесів. У число мікроелементів входять і багато неметали.

Райони, в яких концентрація хімічних елементів (сполук) в силу природних причин буде вищою або нижчою кларкового рівня, називають биогеохимическими провінціями. Формування біогеохімічних провінцій обумовлено особливостями почвообразующих порід, грунтоутворювального процесу, а також присутністю рудних аномалій. При забрудненні біосферипроісходіт освіту техногенних аномалій, в яких вміст хімічних елементів перевищує в 10 разів і більше так зване фонове (або середньостатистичне вміст в незабруднених ландшафтах).

До числа важких металів відносять хром, марганець, залізо, кобальт, нікель, мідь, цинк, галій, германій, молібден, кадмій, олово, сурму, телур, вольфрам, ртуть, талій, свинець, вісмут і ін. Головним природним джерелом ТМ є породи (магматичні і осадові) і породообразующие мінерали. Багато мінерали у вигляді високодисперсних частинок включаються в якості акцесорних (микропримеси) в масу гірських порід. Прикладом таких мінералів є мінерали титану (Брук, ільменіт, анатас), хрому (FeCr2O4). Породообразующие мінерали містять також розсіяні елементи в якості ізоморфних домішок в структурі кристалічних решіток, заміщаючи макроелементи з близьким іонним радіусом. Так, До може бути заміщений на Sr, Рb, В; Na - на Cd, Mn, Sr, Bi; Mg - наJ, Co, Zn, Sb, Sn, Рb, Mn; Fe - на Cd, Mn, Sr, Bi. Багато елементів надходять в біосферу з космічної і метеоритної пилом, з вулканічними газами, гарячими джерелами, газовими струменями.

Надходження важких металів у біосферу внаслідок техногенного розсіювання здійснюється різноманітними шляхами. Найважливішим із них є викид при високотемпературних процесах (чорна та кольорова металургія, випал цементної сировини, спалювання мінерального палива). Крім того, джерелом забруднення біоценозів можуть служити зрошення водами з підвищеним вмістом важких металів; внесення опадів побутових стічних вод в грунти в якості добрива; вторинне забруднення внаслідок виносу ТМ з відвалів рудників або металургійних підприємств водними або повітряними потоками; надходження великої кількості важких металів при постійному внесенні високих доз органічних, мінеральних добрив і пестицидів, що містять важкі метали.

Незважаючи на значну різноманітність сполук важких металів, що надходять в грунт з навколишнього середовища, форми знаходження елементів в складі газопилових викидів підприємств кольорової металургії досить однотипні; вони представлені переважно оксидами. Кількість сульфідів і водорозчинних фракцій важких металів порівняно невелика.

Першим етапом трансформації оксидів ТМ в грунтах є взаємодія їх з грунтовим розчином і його компонентами. Навіть у такій простій системі, як вода, що знаходиться в рівновазі з СО2 атмосферного повітря, оксиди важких металів піддаються змінам і суттєво відрізняються за своєю стійкості. Оксид цинку найбільш стабільний і менш розчинний в порівнянні з оксидами свинцю і кадмію. Його розчинність в діапазоні рН 4-8 більш ніж в 100 разів нижче, ніж розчинність РbО, і майже в 10000 разів нижче CdO. На відміну від оксиду цинку оксиди свинцю і кадмію нестійкі в воді і перетворюються в гідроксид і (або) карбонат (гідроксокарбонат) свинцю і карбонат кадмію.

Парціальний тиск СО2 в грунтовому повітрі значно перевищує таке в атмосфері і тому в грунті переважають більш стійкі гідроксокарбонати і карбонати цинку і свинцю. Наступними реакціями після розчинення нестійких оксидів є катіонний обмін і специфічна адсорбція. Реакції адсорбції та катіонного обміну можуть бути описані рівняннями Фрейндліха, Ленгмюра і закону діючих мас.

Іони важких металів здатні специфічно адсорбуватися грунтами з утворенням відносно міцних зв'язків координаційного типу з деякими поверхневими функціональними групами. Так, при взаємодії іонів важких металів з поверхневими ОН-групами алюмосиликатов або гідроксиду алюмінію можливе утворення таких сполук:

О

/ \

[?Si -O-M](Z-1) + [?Si M](Z-2) +

\ /

O

-Al-O O

\ / \

Pb = Al Pb

/ \ /

-Al-O O

де Мz+- Іон металу з зарядом z +.

Специфічна адсорбція більш вибіркова, ніж неспецифічна, і залежить як від властивостей сорбіруемих іонів, так і від природи поверхневих функціональних груп, тому важкі метали енергійно адсорбуються грунтами з розчинів. Механізм специфічного поглинання більш властивий свинцю, ніж цинку і кадмію. Коефіцієнти селективності, розраховані для обмінної реакції катіонів важких металів з поглинутим кальцієм, підтверджують переважне поглинання важких металів в порівнянні з кальцієм, а в ряду важких металів селективність адсорбції свинцю більш ніж в 1000 разів вище, ніж цинку і кадмію. Таким чином, процес трансформації надійшли в грунт в процесі техногенезу важких металів включає наступні стадії:

v перетворення оксидів важких металів в гідроксиди (карбонати, гідроксокарбонати);

v розчинення гідроксидів (карбонатів, гідроксокарбонатов) важких металів і адсорбція відповідних катіонів важких металів твердими фазами грунтів;

v освіту фосфатів важких металів і їх з'єднань з органічними речовинами грунту.

Залізо

Залізо належить до сідерофільних елементів (типових металів), що мають хімічну спорідненість до вуглецю (з утворенням карбонатів), до фосфору (фосфати), до сірки і кремнію (сульфати, сульфіди, силікати). Крім заліза до сідерофільних елементам відносять кобальт, нікель, молібден, технецій, рутеній, родій, осмій, іридій і платину. При окислювальному вивітрюванні і почвообразовании утворюються і накопичуються в біосфері мінерали заліза (III), переважно оксиди і гідроксиди, слаборозчинні і геохимически щодо інертні. У грунтах виявлені багато мінерали заліза (II) і заліза (III), в тому числі оксиди: гематит Fе2О3, Магнетит FeO-Fе2О3; гідроксиди: гетит FeOOH, лимонит 2Fе2О3-ЗН2Про; сульфіди; кислі залізисті мінерали: ярозит [NaKFe6(OH)12 (SO4)4], Феронатріт [Nа3Fе (SO4)3-ЗН2О], фосфати, силікати, арсенати заліза, органожелезістие з'єднання, аморфні опади гідроксидів. Різні сполуки заліза відіграють істотну і вельми складну роль в ґрунтових процесах в зв'язку зі здатністю елемента змінювати ступінь окислення з утворенням сполук різної розчинності, окислення, рухливості.

Грунтово-геохімічна доля сполук заліза обумовлена ??кислотно-основними, окислювально-відновні умовами, аерування та зволоженістю грунту, мікробіологічної активністю. Відновлення заліза (і марганцю) відбувається при Eh нижче + 300 - +400 мВ, В автоморфних грунтах, як правило, переважають сполуки заліза (III) при значеннях Eh близько 400 - +650 мВ; в гідроморфних грунтах, якщо Eh опускається до + 300 - +400 мВ, представлені або обидві форми заліза, або залізо (II).

Биогеохимический цикл сполук заліза і марганцю розподілена. Вивітрювання і грунтоутворення супроводжуються десілікаціей порід і втратою підстав, окисленням сполук заліза і марганцю, освітою опадів оксидів і гідроксидів. У вологих субтропіках утворюються кислі кори вивітрювання (червоноземи, боксити), збагачені окисленими сполуками заліза, марганцю, а також титану і алюмінію. Цей процес ускладнюється зростаючою кислотністю середовища наявністю органічної речовини, діяльністю мікроорганізмів. При розвитку відновних процесів активізується геохимическая міграція заліза і марганцю у вигляді хелатних сполук, гідрокарбонатів, сульфатів.

З водними потоками геохимически активні сполуки заліза, марганцю інтенсивно мігрують, але при зміні теплового, окислювально-відновного, кислотно-основного режимів, мінералізації органічної речовини (іншими словами, при проходженні потоків через геохімічні бар'єри) з'єднання заліза і марганцю осідають і акумулюються. Вивітрювання, перезволоження, кислотно-анаеробне грунтоутворення сприяють постійному поповненню рухомих сполук заліза і марганцю.

Аерація відновлених горизонтів грунту, різних відвалів, териконів призводить до реакцій окислення; при цьому присутні в таких матеріалах сульфіди заліза перетворюються в сульфати заліза з одночасним утворенням сірчаної кислоти:

4FеS2 + 6Н2Про + 15O2 > 4FeSO4(OH) + 4H2SO4 (4.36)

В таких середовищах значення рН можуть опускатися до 2,5 - 3,0. Сірчана кислота руйнує карбонати з утворенням гіпсу, сульфатів магнію і натрію. Періодична зміна окислювально-відновних умов середовища призводить до декарбонізації грунтів, подальшому розвитку стійкої кислого середовища з рН 4-2,5, причому з'єднання заліза і марганцю накопичуються в поверхневих горизонтах.

Гідроксиди та оксиди заліза, марганцю при утворенні опадів легко захоплюють і пов'язують нікель, кобальт, мідь, хром, ванадій, миш'як.

свинець

У IV групі періодичної системи особливе значення має свинець внаслідок його високу токсичність. Свинець інгібує ферментні реакції, вступаючи в хімічну взаємодію з білками і облягаючи їх. Присутність підвищених концентрацій свинцю в повітрі та продуктах харчування становить загрозу для здоров'я людини.

У характерних для біосфери умовах свинець представлений сполуками зі ступенями окислення +2 і +4 (оксид РbО і діоксид свинцю РbО3). Більш стійкі і поширені в природі сполуки Рb (П). Найбільший вплив на стан свинцю в грунтах можуть надавати аніони: СО32, ВІН-, S2, РВ43 і SO42. Потрапляє при хімічному забрудненні в грунт свинець порівняно легко утворює гідроксид при нейтральній або лужній реакції. Якщо грунт містить розчинні фосфати, тоді Рb (ОН)2 переходить поступово в Рb3(РO4)2 або інші важкорозчинні фосфати, наприклад плюмбогумміт РbА13н (ОН)6(РO4)2. Ці сполуки переважно визначають рівень вмісту Рb в ґрунтових розчинах, який в нейтральному середовищі близький до 10-8 моль / л.

Розчинність сполук свинцю в діапазоні рН 8,5-11,0 і в відновлювальних умовах при рН 2 низька-менш 1 мг / л.




 H.B. Гусакова |  Еволюція атмосфери і походження життя |  гідросфера |  ГЛАВА 1. Фізико-хімічні процеси в атмосфері |  склад атмосфери |  Мікрокомпонентного домішки в атмосфері |  геохімічні джерела |  Біологічні джерела. |  антропогенні джерела |  Радіоактивне забруднення атмосфери |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати