Обнаружение тяжелых металлов в почве

Обновлено: 19.04.2024

Почва - особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Поступающие в почву химические соединения накапливаются и приводят к постепенному изменению химических и физических свойств почвы, снижают численность живых организмов, ухудшают ее плодородие.

Интенсивное развитие промышленности, энергетики, транспорта, а также интенсификация сельскохозяйственного производства способствуют возрастанию антропогенной нагрузки на аграрные экосистемы и прежде всего, на почвенный покров.

Тяжелые металлы, попадающие в биосферу главным образом в результате промышленных и транспортных выбросов, являются одним из самых опасных ее загрязнителей. Поэтому изучение их поведения в почвах и защитных возможностей почв является важной экологической проблемой. Тяжелые металлы накапливаются в почве и способствуют постепенному изменению ее химического состава, нарушению жизнедеятельности растений и живых организмов. Из почвы тяжелые металлы могут попасть в организм людей и животных и вызывать нежелательные последствия. В организме человека тяжелые металлы участвуют в жизненно важных биохимических процессах. Превышение допустимых концентраций приводит к серьезным заболеваниям.

Цель исследования: исследовать почву из пришкольного участка и почву возле автомобильной трассы на наличие в ней ионов тяжелых металлов: свинца и меди.

Задачи исследования:

1. Изучить особенность влияния солей тяжелых металлов на здоровье человека.

2. Выявить химические методы определения ионов тяжелых металлов в почвах.

Методы исследования: анализ литературы, проведение качественных реакций на ионы тяжелых металлов, приготовление и исследование почвенных вытяжек.

Глава I . Теоретические основы определения

тяжелых металлов в почве.

1.1. Влияние тяжелых металлов на организм человека

Тяжелые металлы опасны тем, что обладают способностью накапливаться в организме, включаясь в обменные процессы, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, которые не подвергаются биологическому разложению. Даже в ничтожных концентрациях тяжелые металлы ядовиты, свое токсическое действие они проявляют в виде ионов (в подвижной форме). Эти вещества вызывают токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, оказывают мутагенное действие.

Среди металлов выделяют токсичные – свинец, кадмий и ртуть. Они не имеют полезной роли в биологических процессах. Другие металлы – медь, марганец, цинк, хром, кобальт, железо необходимы организму в малых количествах, но в больших количествах тоже становятся опасными для организма. Всего выделяют более 40 тяжелых металлов и неметаллов. Их принято подразделять на классы опасности по убыванию токсичности:

1 класс опасности: мышьяк, кадмий, ртуть, бериллий, селен, свинец, цинк;

2 класс опасности: кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма;

3 класс опасности: ванадий, барий, вольфрам, марганец, стронций, железо.

Опасный характер носит загрязнение почв свинцом. Соединения свинца используются в качестве добавок к бензину, поэтому автотранспорт является серьезным источником свинцового загрязнения. Особенно много свинца в почвах вдоль крупных автострад. Свинец, накапливаясь в организме человека, способен послужить катализатором развития рака. Сам он онкологию не вызывает, зато во много раз усиливает действие канцерогенных соединений. Также накопление свинца в организме крайне негативно влияют на детскую нервную систему: ребёнок становится агрессивным, неуправляемым, быстро утомляется и отстаёт в интеллектуальном развитии.

Острое отравление случается при попадании в организм медной пыли или окиси меди, которые образуются при обработке медных поверхностей вручную или с помощью шлифовальной машинки, когда используется наждак или разнообразные шлифовальные насадки. Медь и ее соединения оказывают раздражающее действие на слизистые дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта.

1.2. Качественные реакции на ионы тяжелых металлов

Тяжелые металлы дают окрашенные соединения с растворами солей-реагентов. По характерному окрашиванию можно определить наличие в растворе того или ионного металла.

Медь образует с раствором аммиака комплексное соединение – гидроксид тетраамминмеди ( II ) василькового цвета:

CuSO ₄ + 4 NH ₃ * H ₂ O = [ Cu ( NH ₃ )₄] SO ₄ + 4 H ₂ O – Васильковый раствор

Медь можно определить реакцией с желтой кровяной солью – гексациано ферратом( II )калия. В реакции образуется осадок темно-терракотового цвета гексацианоферрата ( II ) меди:

2 CuSO ₄ + K ₄ [ Fe ( CN )₆] = 2 K ₂ SO ₄ + Cu ₂ [ Fe ( CN )₆] ↓ – Темно-теракотовый осадок.

Ионы свинца дают характерное желтое окрашивание – осадок хромата свинца с хроматом калия:

Глава II . Экспериментальное определение ионов свинца и меди в почве.

2.1. Приготовление почвенных вытяжек.

Для нашего исследования мы отобрали 2 пробы из разных мест. 1 – почва на пришкольном участке, 2 –почва возле автомобильной трассы.

Оборудование: воронка стеклянная, палочка стеклянная, стакан на 50 мл, фильтр бумажный, цилиндр мерный на 50 мл, весы электронные, стакан на 200 мл, штатив с кольцом.

Реактивы: дистиллированная вода, образцы почв.

1. Образцы почв предварительно подготовили; отобрали инородные включения, камни и т.п.

2. Высушили отобранные образцы почв на воздухе.

3. Взвесили пустой чистый стакан на 200 мл. В стакан поместили высушенную почву на 1/3 высоты и снова взвесили его, определив массу почвы ( m ) в граммах.

5. Перемешали содержимое стакана в течение 3-5 мин. с помощью стеклянной палочки.

6. Отфильтровали содержимое стакана через бумажный фильтр, собирая готовую вытяжку в стакан на 50 мл. Вытяжка стала однородной и не содержала частиц почвы.

7. Водную вытяжку использовали для определения содержания тяжелых металлов.

2.2. Химический анализ почвенных вытяжек на содержание свинца и меди.

Упарив водную почвенную вытяжку в объеме 40 мл до объема 1 мл. К полученной пробе прилили 1 мл раствора азотной кислоты (1:2). Нагрели на водяной бане 10 минут, отфильтровали и выпарили в фарфоровой чашке. К сухому остатку прилили 1 мл 0,5% раствора дихромата калия и 4 мл дистиллированной воды. Раствор перемешали и отфильтровали в пробирку. Появление желтого осадка на фильтре указывает на наличие ионов свинца в почве.

Обнаружены ионы свинца в почве, отобранной возле автомобильной трассы, в почве из пришкольного участка нет.

Обнаружение ионов меди Ионы меди вступают в реакцию с раствором аммиака с получением характерного комплексного соединения лазурно-синей окраски:

В фарфоровую чашку поместили 3-5 мл почвенной вытяжки, осторожно выпарить досуха и на периферийную часть пятна нанесли каплю концентрированного раствора аммиака. Появление характерной окраски указывает на наличие ионов меди в почве.

В исследуемых почвах медь не обнаружена.

В ходе исследования было выяснено, что металлы можно обнаружить в почвах химическими методами. Металлы дают характерные окрашенные растворы и осадки с известными реагентами. Особенно сильно загрязнена почва возле автомобильных трасс.

Загрязнение почв солями тяжелых металлов – актуальная экологическая проблема.

Список литературы

1. Дядюн Т. В. Экологический практикум

«Мир воздуха» // Журнал «Биология в школе». – 2000. - №3. – с. 15-16.

2. Е.В. Нефедова Экология. Учебное пособие. - Новотроицк: НФ НИТУ "МИСиС", 2015 . – 136 с.

3. Е.В. Нефедова, М.Н. Белова Экология. Лабораторный практикум. - Новотроицк: НФ НИТУ "МИСиС", 2015 . – 90 с.

4. Т.А. Трифонова, Е.Ю. Алхутова Фитоэкстракция тяжелых металлов из загрязненных почв на примере системы почва – гальваношлам – луговая растительность. - ЭкиП, январь 2012, с.33-37.

5. Экология. Элективные курсы. 9 класс / авт.-сост. Э40 М. В. Высоцкая. – Волгоград: Учитель, 2007. – 127 с. ISBN 5 -7057-0969-2

Исследовательская работа "Исследование почвы на содержание ионов тяжелых металлов"

Состояние окружающей природной среды является важнейшим фактором, определяющим жизнедеятельность человека и общества. Высокие концентрации многих химических элементов и соединений, обусловленные техногенными процессами, обнаружены в настоящее время во всех природных средах: атмосфере, воде, почве, растениях.
Почва - особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Поступающие в почву химические соединения накапливаются и приводят к постепенному изменению химических и физических свойств почвы, снижают численность живых организмов, ухудшают ее плодородие.
Интенсивное развитие промышленности, энергетики, транспорта, а также интенсификация сельскохозяйственного производства способствуют возрастанию антропогенной нагрузки на аграрные экосистемы и прежде всего, на почвенный покров.
Тяжелые металлы, попадающие в биосферу главным образом в результате промышленных и транспортных выбросов, являются одним из самых опасных ее загрязнителей. Поэтому изучение их поведения в почвах и защитных возможностей почв является важной экологической проблемой. Тяжелые металлы накапливаются в почве и способствуют постепенному изменению ее химического состава, нарушению жизнедеятельности растений и живых организмов. Из почвы тяжелые металлы могут попасть в организм людей и животных и вызывать нежелательные последствия. В организме человека тяжелые металлы участвуют в жизненно важных биохимических процессах. Превышение допустимых концентраций приводит к серьезным заболеваниям.

Цель исследования:
исследовать почву из пришкольного участка и почву возле автомобильной трассы на наличие в ней ионов тяжелых металлов: свинца и меди.
Задачи исследования:
Изучить особенность влияния солей тяжелых металлов на здоровье человека.
Выявить химические методы определения ионов тяжелых металлов в почвах.
Методы исследования:
анализ литературы, проведение качественных реакций на ионы тяжелых металлов, приготовление и исследование почвенных вытяжек.

Влияние тяжелых металлов на организм человека

Опасный характер носит загрязнение почв свинцом. Соединения свинца используются в качестве добавок к бензину, поэтому автотранспорт является серьезным источником свинцового загрязнения. Особенно много свинца в почвах вдоль крупных автострад. Свинец, накапливаясь в организме человека, способен послужить катализатором развития рака. Сам он онкологию не вызывает, зато во много раз усиливает действие канцерогенных соединений.
Также накопление свинца в организме крайне негативно влияют на детскую нервную систему: ребёнок становится агрессивным, неуправляемым, быстро утомляется и отстаёт в интеллектуальном развитии.

Медь, как и любое вещество, может нанести значительный вред при легкомысленном отношении к элементарной технике безопасности при работе с данным металлом. Медь - это сильный яд. Растворы солей меди, которые образуются при обработке меди, да и вообще любые растворимые соединения меди обладают токсическим действием.
Острое отравление случается при попадании в организм медной пыли или окиси меди, которые образуются при обработке медных поверхностей вручную или с помощью шлифовальной машинки, когда используется наждак или разнообразные шлифовальные насадки. Медь и ее соединения оказывают раздражающее действие на слизистые дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта.

Качественные реакции на ионы тяжелых металлов

Медь образует с раствором аммиака комплексное соединение – сульфат тетраамминмеди (II) василькового цвета:
CuSO4 + 4NH3 * H2O = [Cu(NH3)4]SO4 + 4H2O – Васильковый раствор
Медь можно определить реакцией с желтой кровяной солью – гексациано ферратом(II)калия. В реакции образуется осадок темно-терракотового цвета гексацианоферрата (II) меди:
2CuSO4 + K4[Fe(CN)6] = 2K2SO4 + Cu2[Fe(CN)6] ↓ – Темно-теракотовый осадок.
Ионы свинца дают характерное желтое окрашивание – осадок хромата свинца с хроматом калия:
Pb(NO3)2 + K2CrO4 = PbCrO4 ↓+2KNO3 –
Желтый осадок

Приготовление почвенных вытяжек.
Для нашего исследования мы отобрали 2 пробы из разных мест. 1 – почва на пришкольном участке, 2 –почва возле автомобильной трассы.
Оборудование: воронка стеклянная, палочка стеклянная, стакан на 50 мл, фильтр бумажный, цилиндр мерный на 50 мл, весы электронные, стакан на 200 мл, штатив с кольцом.
Реактивы: дистиллированная вода, образцы почв.

Химический анализ почвенных вытяжек на содержание свинца и меди.

Обнаружение ионов свинца Обнаружение происходит на основании качественной цветной реакции: хромат и дихромат ионы дают с ионами свинца малорастворимый хромат свинца желтого цвета:
Pb(NO3)2 + K2CrO4 = PbCrO4 + 2KNO3
Упарив водную почвенную вытяжку в объеме 40 мл до объема 1 мл. К полученной пробе прилили 1 мл раствора азотной кислоты (1:2). Нагрели на водяной бане 10 минут, отфильтровали и выпарили в фарфоровой чашке. К сухому остатку прилили 1 мл 0,5% раствора дихромата калия и 4 мл дистиллированной воды. Раствор перемешали и отфильтровали в пробирку. Появление желтого осадка на фильтре указывает на наличие ионов свинца в почве.
Обнаружены ионы свинца в почве, отобранной возле автомобильной трассы, в почве из пришкольного участка нет.

Обнаружение ионов меди Ионы меди вступают в реакцию с раствором аммиака с получением характерного комплексного соединения лазурно-синей окраски:
CuSO4 +2NH4OH = Cu(OH)2↓+(NH4)2SO4
Cu(OH)2 +4NH3 *H2О = [Cu(NH3)4](OH)2+4H2O
В фарфоровую чашку поместили 3-5 мл почвенной вытяжки, осторожно выпарить досуха и на периферийную часть пятна нанесли каплю концентрированного раствора аммиака. Появление характерной окраски указывает на наличие ионов меди в почве.
В исследуемых почвах медь не обнаружена.

Вывод
В ходе исследования было выяснено, что металлы можно обнаружить в почвах химическими методами. Металлы дают характерные окрашенные растворы и осадки с известными реагентами. Особенно сильно загрязнена почва возле автомобильных трасс.
Загрязнение почв солями тяжелых металлов – актуальная экологическая проблема.

Дядюн Т. В. Экологический практикум
«Мир воздуха» // Журнал «Биология в школе». – 2000. - №3. – с. 15-16.
Е.В. Нефедова Экология. Учебное пособие. - Новотроицк: НФ НИТУ "МИСиС", 2015. – 136 с.
Е.В. Нефедова, М.Н. Белова Экология. Лабораторный практикум. - Новотроицк: НФ НИТУ "МИСиС", 2015. – 90 с.
Т.А. Трифонова, Е.Ю. Алхутова Фитоэкстракция тяжелых металлов из загрязненных почв на примере системы почва – гальваношлам – луговая растительность. - ЭкиП, январь 2012, с.33-37.
Экология. Элективные курсы. 9 класс / авт.-сост. Э40 М. В. Высоцкая. – Волгоград: Учитель, 2007. – 127 с. ISBN 5-7057-0969-2

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей

Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИОНОВ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДА ТОНКОСЛОЙНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуализация

Специалисты по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделили приоритетную группу, в которую входят свинец, ртуть, кадмий, никель, хром, цинк, мышьяк как элементы более опасные для здоровья человека и животных. Главный путь опадания тяжелых металлов в организм (до 70 %) – поступает через пищевые продукты, вдыхаемый воздух, реже – через кожу и слизистые. Эти элементы способны накаливаться во всех органах и тканях, сохраняться там месяцами и достигая определенной концентрации, начинают свое губительное воздействие – вызывают отравление организма, мутации. Можно сказать, что они его засоряют даже чисто механически – ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и снижают фильтрационную способность почечных каналов, каналов печени. В свою очередь, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности в клетках нашего организма, т.е. происходит его самоотравление, так как именно печень отвечает за переработку продуктов жизнедеятельности и попадающих в нас ядовитых веществ, а в почки – за их выведение наружу

Поступление тяжелых металлов в биосферу также осуществляется разнообразными путями. Основная их часть их часть поступает в почву из атмосферы, которая насыщена промышленными выбросами. Важнейшим является выброс при высокотемпературных процессах в чёрной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение почвы водами с повышенным содержанием тяжёлых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почву в качестве удобрения. Свой вклад в загрязнение металлами вносят также транспорт и коммунально-бытовые объекты. Почва накапливает тяжелые металлы, поскольку они поглощаются почвенным гумусом с образованием труднорастворимых соединений

Работа состоит из двух практических частей.

Цель 1-й части работы

1. Провести экспериментальный анализ образцов почвы, взятой из трёх разных мест (сад, поле, дорога)

2. Провести качественный анализ ионов металлов, содержащихся в указанных образцах почвы.

Цель 2-й части работы

Экспериментально определить влияние солей тяжёлых металлов, содержащихся в образцах почвы, на живой организм.

Методика проведения эксперимента

Определить содержание тяжелых металлов в почве можно при помощи метода тонкослойной хроматографии. Это один из эффективных методов исследования, который не требует сложного оборудования и дефицитных реактивов. Он позволяет обнаружить вещества в ничтожно малых количествах. Исследуем наличие в почве ионов тяжелых металлов, используя этот метод.

Обнаружение ионов тяжелых металлов в почве с помощью метода тонкослойной хроматографии

Определить содержание тяжелых металлов в почве можно с помощью метода тонкослойной хроматографии

Хроматография – физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на разделении их компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной

Неподвижная фаза представляет собой сорбент с развитой поверхностью, а подвижная – поток газа или жидкости. Поток подвижной фазы фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль слоя сорбента.

В 1910–1930 годы метод был незаслуженно забыт и практически не развивался

В 1931 году Р. Кун, А. Винтерштейн и Е. Ледерер при помощи хроматографии выделили из сырого каротина α и β фракции в кристаллическом виде, чем продемонстрировали препаративную ценность метода

В 1941 году А.Дж.П. Мартин и Р.Л.М. Синг разработали новую разновидность хроматографии, в основу которой легло различие коэффициентах распределение разделяемых веществ между двумя несмешивающимся жидкостями. Метод получил название «распределительная хроматография».

В 1947 году Т.Б. Гапон, Е.Н. Гапон и Ф.М. Шемякин разработали метод «ионообменной хроматографии»

В 1952 году Дж. Мартину и Р. Сингу была присуждена Нобелевская премия в области химии за создание метода «распределительной хроматографии»

С середины ХХ века и до наших дней хроматография интенсивно развивалась и стала одним из наиболее широко применяемых аналитических методов.

Метод хроматографии – это один из эффективных методов исследования, который не требует сложного оборудования и дефицитных реактивов. Он позволяет обнаружить вещества в ничтожно малых количествах.

Для проведения эксперимента были взяты образцы почвы из трёх разных мест: в поле, в саду, у дороги

С целью обнаружения в почве ионов тяжелых металлов была проведена бумажная хроматография. Для этого сухую измельчённую почву (каждый образец массой 10 г) залили 50 мл 1 М раствора азотной кислоты и оставили на сутки. Затем смесь профильтровали и выпарили фильтрат до 3 мл.

Для проведения опытов были использованы 2 растворителя:

- смесь, содержащую 87 % ацетона, 5 % воды и 8 % концентрированной соляной кислоты;

- смесь, содержащую 18 мл этанола, 18 мл пропанола и 4 мл 20 %-ной соляной кислоты.

В качестве проявителей использовали K ₄[ Fe ( CN )₆], NH ₄ SCN и Na ₂ S .

Для проведения хроматографии использовали полоски фильтрованной бумаги шириной 2 см и длиной 11 см. На полоске бумаги была проведена стартовая линия на расстоянии 2 см от края, на которую в центре нанесли каплю исследуемого раствора. Пятно обвели простым карандашом и высушили.

В стеклянный цилиндр мы налили 15 мл растворителя. Полоску бумаги с нанесённой на неё каплей анализируемого раствора опустили в сосуд так, чтобы её конец был погружён в растворитель не более чем на 0,5 см. при этом пятно не касалось растворителя, а полоска бумаги – стенок цилиндра

Далее растворителю давали подняться на 10 см. после этого мы вынимали полоску, отмечали карандашом фронт растворителя и высушивали. Затем опрыскивали полоску проявителем и снова высушивали. Окрашенные зоны указывали на присутствие того или иного катиона.

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОВЕДЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ

На поведение ТМ в почве оказывает влияние тип почвы, кислотность, содержание органического вещества, механический и минералогический состав почвы, сорбционная емкость почвенно-поглощающего комплекса (ППК), буферность и рН почв.

Состав поглощающего комплекса почв играет ведущую роль в её способности аккумулировать микроэлементы и образовывать их мобильные формы. С точки зрения экогеохимии, основная функция ППК — участие в реакциях комплексообразования и обмена с элементом-токсикантом. При исследовании ППК почв определяют обменные формы кальция, магния, калия, натрия, а также гидролитическую кислотность и рН.

Одной из интегральных характеристик почвы является буферность. Она отражает способность почв противостоять изменению свойств и состава при взаимовоздействии с химическими веществами природного и антропогенного происхождения. В экологии буферность почв — это способность поддерживать и восстанавливать экологическое равновесие в системе "почва-раствор" при техногенном ее загрязнении. В качестве критерия для количественной эколого-геохимической оценки устойчивости системы "почва-раствор" и ее влияния на образование мобильных форм микроэлементов введен коэффициент буферности (Кб). Он пропорционален сорбционной емкости ППК и обратно пропорционален изменению ∆рН в системе "почва-раствор".

Данные по изучению буферности свидетельствуют о том, что, как правило, чем выше содержание гумусовых кислот в почве, тем выше сорбционная емкость ППК и коэффициент буферности. Черноземы, луговые, торфянистые и глинистые почвы обладают более высокими буферными свойствами, чем дерново-подзолистые песчаные. Это определяет более высокие защитные свойства первых, которые проявляются в нейтрализации кислотных дождей, ограничении образования мобильных форм токсичных элементов и, как следствие, уменьшении их миграции в грунтовые воды и поглощения растениями [ 4]

Наряду с комплексообразованием, процессы сорбции играют важную роль в образовании мобильных форм микроэлементов в почвах. Ионообменные реакции в системе "почва-раствор" отражают изменения свободной энергии (∆G) при переходе ионов из твердой фазы в жидкую. В природной системе возможны метастабильные состояния, характеризующиеся локальными участками термодинамического равновесия, несмотря на то, что вся система находится в неравновесии. Такой подход позволяет использовать методы термодинамики для анализа изменений состава почвенных растворов, для количественной оценки процессов, протекающих в почвах с участием загрязняющих веществ. В этом случае величина DG 0 определяет количество энергии, которое необходимо затратить на депортацию 1 моля техногенного элемента из почвы в раствор.

Сорбционное поглощение металлов зависит от насыщенности коллоидного комплекса почв обменными катионами и содержания гуминовых кислот. Ионы Са 2+ , Mg 2+ , K + и гуминовые кислоты повышают сорбционную емкость ППК, способствуют образованию фиксированных форм металлов, мобилизуют защитные свойства почв. Почвы с высоким содержанием гуминовых кислот, поглощая значительное количество токсичных элементов, снижают их доступность для растений. Увеличение доли фульвокислот в составе почв способствует образованию мобильных форм. Константы обмена систем Ca—Cu, Ca—Pb, Ca—Zn, K—Cr болотно-луговых почв и чернозема выше, чем дерново-подзолистых песчаных. Можно сделать вывод, что константа обмена может выступать в качестве критерия прочности связи техногенных металлов с почвенными коллоидами. Она позволяет дать количественную оценку процессов в системе "почва-раствор" и прогнозировать образование мобильных форм токсичных элементов.

Известно, что поступающие в почву токсичные элементы трансформируются. Они вступают в химические реакции с минеральными и органическими компонентами почвы, образуя различные соединения. Новые химические формы токсичных элементов отличаются по своим физико-химическим свойствам: одни — могут аккумулироваться в виде труднорастворимых соединений, другие — образуют доступный для биоты истинный раствор. Особенно интересно определение мобильных форм микроэлементов, представляющих собой способные к извлечению из почвы химические соединения. Чаще всего эти вещества растворимы в воде, слабых кислотах и буферных растворах.

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что растворяющая способность экстрагентов зависит от свойств металла, экстракта из почвы, силы кислот и рН раствора. При извлечении токсичных элементов особое значение приобретает комплексообразующая способность экстрагентов и катионов металлов. Способность химических элементов к образованию комплексных соединений определяется строением их атомов. По этому свойству катионы делятся на три группы [1]:1) с электронной конфигураций типа инертного газа, у которых на внешнем электронном слое находится 2 или 8 электронов (Bе, Mg, Ca, Sr, Ba, Al);2) с недостроенным d-подуровнем (V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu);3) на внешнем электронном слое которых находится 18 или 18+2 электронов (Zn, Cd, Hg, Sn, As, Sb, Pb).

Катионы первой группы обладают малой поляризуемостью и деформацией внешних электронных слоев при взаимодействии с лигандами. Катионы этого типа образуют комплексы со значительной долей электровалентной связи.

На поведение токсичных металлов в почвах — их миграцию и аккумуляцию — существенное влияние оказывает органическое вещество. Составной его частью являются гумусовые кислоты, представляющие собой смесь гуминовых, фульво-, оксикарбоновых и других соединений. Наличие их в почве оказывает влияние на процессы сорбции, образование растворимых и нерастворимых комплексных веществ, коагуляцию и экранирование поверхности минеральных частиц пленками гелей. Гуминовые, а также высокомолекулярные азотсодержащие ароматические кислоты состоят из серых и бурых гуминовых, а также гиматомелановых кислот. Первые имеют очень близкие химические свойства и различаются незначительно лишь по степени полимеризации и окисления; гиматомелановые кислоты способны к растворению в бензольно-спиртовых смесях. Фульвокислоты являются продуктом окисления гуминовых кислот: в их составе содержание кислорода выше, чем в гуминовых, а углерода — ниже[ 4].

Отметим функциональные группы, входящие в состав гумусовых кислот: карбоксильные, карбонильные, фенольные, гидроксильные аминные. Наличие функционально-аналитических карбоксильных и гидроксильных групп, диссоциирующих в водной среде, а также присутствие нуклеофильных центров обусловливает реакционную способность гумусовых кислот. Процессы взаимодействия токсичных элементов с гумусовым веществом могут быть следующими: ионный обмен, адсорбция на поверхности, хелатообразование, реакции коагуляции. Основные продукты этих взаимодействий — простые соли: гуматы и фульваты, а также комплексные соединения.

Хелатные соединения микроэлементов с гуминовыми и фульвокислотами в почвах играют важную роль в образовании мобильных форм, в миграции различных элементов и питании растений. Миграционные способности металлов в почвах обусловлены образованием растворимых комплексов с фульво- и оксикарбоновыми кислотами. Практически нерастворимые и неподвижные соединения в почвенном профиле, относящиеся к адсорбированным комплексам, образуются в результате взаимодействия металлов с гуминовыми кислотами[ 6].

Содержание гуминовых кислот в почве зависит от ландшафтно-геохимических и климатических условий, а также от степени перераспределения почвообразующих пород. По мере развития почвообразующего процесса, происходит изменение геохимических условий: повышение рН среды, что способствует увеличению гумуса в почвах, увеличение содержания гуминовых и уменьшение фульвокислот

Структурные фрагменты и состав гуминовых и фульвокислот, выделенных из почв разных ландшафтов, различны. Поэтому и устойчивость гуматов (константы устойчивости комплексов металлов и их молекулярные массы) находится в достаточно широких пределах. Следовательно, для определения форм миграции микроэлементов в разных ландшафтах нерасчетным способом с использованием констант устойчивости необходимо экспериментально определять их в каждом конкретном случае.

Комплексы металлов с фульвокислотой характеризуются достаточно высокой прочностью. В частности, логарифмы констант устойчивости фульватов составляют: Be — 9,4; Sr — 9,8; Cu — 12,1; Ni — 8,4; Zn — 10,1; Cd — 9,2 [14]. Тяжелые металлы существенно различаются по прочности связи с органическим веществом. Её прочность зависит от состава последней, химических свойств элемента, а также от кислотно-основных характеристик среды [ 5 ]

Гумусовые кислоты влияют как на перераспределение химических элементов по латерали почвенного профиля, так и на их вынос за его пределы. Следует отметить двоякое воздействие гумусовых кислот на миграцию тяжелых металлов в почвах. Особенно активны фульвокислоты в почвах, затронутых процессами подзолообразования. Они образуют с тяжелыми металлами комплексы, растворимые в широком диапазоне рН и мигрирующие по профилю почв. С гуминовыми кислотами образуются малоподвижные, слабо растворимые в кислой среде комплексы, что способствует накоплению их в гумусовом горизонте. Тяжелые металлы распределяются в профиле почв неравномерно. Их накопление, проявляющееся как в увеличении валового содержания, так и удельного веса подвижных форм, происходит в приповерхностном слое гумусового горизонта. Некоторое накопление наблюдается в иллювии. Повышение рН среды, наряду с присутствием глинистых минералов и гуминовых кислот, способствует накоплению тяжелых металлов. Их нисходящей миграции препятствуют оксиды железа и марганца. Доля поглощенных ими тяжелых металлов может быть значительной. По способности аккумулироваться в органическом веществе почв токсичные элементы располагаются в следующей убывающей последовательности: Cu — Zn — Pb — Ni — Cr.

Таким образом, взаимодействие микроэлементов в почвах с органическим веществом и минеральными коллоидными частицами, их трансформацию можно описать реакциями ионного обмена, адсорбции на поверхности, хелатообразования, коагуляции и гидролиза.[ 2,3]

Кульский Л.А., Шевченко М.А.. О природе веществ, обусловливающих цветность воды Днепра//Гидрохимматериалы.-1956.-Т.25.-С. 59-68.

Пономарева В.В., Эттингер А.И. //Докл. АН СССР.- 1958.-Т.138.- № 1. –C.12-14

Aschan О. Soluble humus material of northern fresh water // J.Pract. Chem.- 1988.-N77.-P. 172-226.

Rebhun M., Fuhrer Z., Adin A. Contact flocculation-filration of humicsubstances // Water Res..-1984.- Vol.18.- N 8.- P. 963-970.

Читайте также: