Тяжелые металлы
Реферат по биологии на тему:
Талалуева Елена, 11 “А” класс.
План
1. Вступление
2. Тяжелые металлы
3. Биохимические свойства тяжелых металлов
4. Источники
5. 10 наиболее загрязненных городов бывшего СССР
6. Список литературы
Вступление
Диагноз массового отравления жителей Рима свинцом поставлен учеными спустя две тысячи лет. Раскопки показали, что древние римляне пользовались водопроводной системой и посудой из свинца. Свинец накапливался в организме, поражал кроветворную и нервную систему человека, нарушал обменные процессы и деятельность почек. Сумасшедший Шляпник, персонаж детской сказки Алиса в стране Чудес, очевидно, страдал профессиональной болезнью шляпников того времени, связанной с ртутным отравлением. Фетр для шляп, с целью его смягчения, вымачивался в азотнокислой ртути. Об отравляющих свойствах этого металла, вызывающего расстройства центральной нервной системы, знали еще древние греки. Токсичным и канцерогенным является мышьяк. Отравление им ведет к серьезным нарушениям деятельности почек, печени, легких, желудочно-кишечного тракта и сердечно-сосудистой системы человека. Свинец, ртуть, мышьяк, как и кадмий, медь, никель, цинк, хром - так называемые тяжелые металлы. Часть из них медь, цинк, хром, - в микродозах считаются необходимыми в питании человека. Недостаток меди, например, ведет к малокровию, замедленному росту, хрома - к атеросклерозу. В то же время при превышении допустимых концентраций эти элементы являются высоко токсичными. Они широко используются в современном производстве. Со сточными водами предприятий растворимые соединения этих элементов попадают в воды рек озер, водохранилищ. Очистные водопроводные сооружения не обеспечивают их удаления из питьевой воды. С этим могут справиться две дорогостоящие технологии мембранная и ионный обмен. Их не применяют на водопроводных станциях. Ведь основная часть воды идет не для питья, а на хозяйственные, бытовые и производственные нужды. Эти технологии используют обычно в устройствах небольшой производительности для дома и минипроизводств.
Тяжелые металлы.
Тяжелые металлы - это элементы периодической системы с относительной молекулярной массой больше 40. Так сложилось, что термины "тяжелые металлы" и "токсичные металлы" стали синонимами.
На сегодняшний день безоговорочно к числу токсичных относят кадмий, ртуть, свинец, сурьму. Деятельность значительной части остальных в живых организмах можно оценить только на "отлично". Действительно, металлы в ионной форме входят в состав витаминов, гормонов, регулируют активность ферментов. Установлено, что для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn; в синтезе белков участвуют Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co; в кроветворении - Co, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co. Справедливо утверждение о том, что нет вредных веществ, есть вредные концентрации. Поэтому ионы меди, кобальта или даже хрома, если их содержание в живом организме не превышает естественного, можно именовать микроэлементами, если же они генеалогически связаны с заводской трубой, то это уже тяжелые металлы.Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий,цинк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу.
При кажущейся ясности понятия "тяжелые металлы" его значение следует определить более четко из-за встречающихся в литературе неоднозначных оценок. Термин "тяжелые металлы" связан с высокой относительной атомной массой. Эта характеристика обычно отождествляется с представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, которые позволяют относить металлы к тяжелым, является их плотность. В современной цветной металлургии различают тяжелые цветные металлы - плотность 7,14-21,4 г/см3 (цинк, олово, медь, свинец, хром и др.) и легкие цветные металлы - плотность 0,53-3,5 г/см3 (литий, бериллий и др.).
Согласно одной классификации, к группе тяжелых металлов принадлежит более 40 элементов с высокой относительной атомной массой и относительной плотностью больше 6. По другой классификации, в эту группу включают цветные металлы с плотностью большей, чем у железа (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, олово, сурьма, висмут, ртуть).
Согласно сведениям, представленным в "Справочнике по элементарной химии" под ред. А.Т.Пилипенко (1977), к тяжелым металлам отнесены элементы, плотность которых более 5 г/см3. Если исходить их этого показателя, тяжелыми следует считать 43 из 84 металлов Периодической системы элементов. Среди этих 43 металлов 10 обладают наряду с металлическими свойствами признаками неметаллов (представители главных подгрупп VI, V, IV, III групп Периодической системы, являющиеся р-элементами), поэтому более строгим был бы термин "тяжелые элементы", но в данной публикации мы будем пользоваться общепринятым в литературе термином "тяжелые металлы".
Таким образом, к тяжелым металлам относят более 40 химических элементов с относительной плотностью более 6. Число же опасных загрязнителей, если учитывать токсичность, стойкость и способность накапливаться во внешней среде, а также масштабы распространения указанных металлов, значительно меньше.
Прежде всего представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Биогеохимические свойства тяжелых металлов
|
Свойство |
Cd |
Co |
Cu |
Hg |
Ni |
Pb |
Zn |
|
Биохимическая активность |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
В |
|
Токсичность |
В |
У |
У |
В |
У |
В |
У |
|
Канцерогенность |
- |
B |
- |
- |
B |
- |
- |
|
Обогащение аэрозолей |
B |
H |
B |
B |
H |
B |
B |
|
Минеральная форма распространения |
B |
B |
H |
B |
H |
B |
H |
|
Органическая форма распространения |
B |
B |
B |
B |
B |
B |
B |
|
Подвижность |
B |
H |
У |
В |
Н |
В |
У |
|
Тенденция к биоконцентрированию |
В |
В |
У |
В |
В |
В |
У |
|
Эффективность накопления |
В |
У |
В |
В |
У |
В |
В |
|
Комплексообразующая способность |
У |
Н |
В |
У |
Н |
Н |
В |
|
Склонность к гидролизу |
У |
Н |
В |
У |
У |
У |
В |
|
Растворимость соединений |
В |
Н |
В |
В |
Н |
В |
В |
|
Время жизни |
В |
В |
В |
Н |
В |
Н |
В |
|
В- высокая, У - умеренная, Н - низкая |
Формы нахождения в окружающей среде. В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно их субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта - из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм), которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива.
В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывает гидролиз, во многом определяющий форму нахождения элемента в водных средах. Значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии.
Сорбция тяжелых металлов донными отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в донных отложениях и биоте.
В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки.
Источники.
Добыча и переработка не являются самым мощным источником загрязнения среды металлами. Валовые выбросы от этих предприятий значительно меньше выбросов от предприятий теплоэнергетики. Не металлургическое производство, а именно процесс сжигания угля является главным источником поступления в биосферу многих металлов. В угле и нефти присутствуют все металлы. Значительно больше, чем в почве, токсичных химических элементов, включая тяжелые металлы, в золе электростанций, промышленных и бытовых топок. Выбросы в атмосферу при сжигании топлива имеют особое значение. Например, количество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка в них в 3-8 раз превышает количество добываемых металлов. Известны данные о том, что только один котлоагрегат современной ТЭЦ, работающий на угле, за год выбрасывает в атмосферу в среднем 1-1,5 т паров ртути. Тяжелые металлы содержатся и в минеральных удобрениях.
Наряду со сжиганием минерального топлива важнейшим путем техногенного рассеяния металлов является их выброс в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургия, обжиг цементного сырья и др.), а также транспортировка, обогащение и сортировка руды.
Техногенное поступление тяжелых металлов в окружающую среду происходит в виде газов и аэрозолей (возгона металлов и пылевидных частиц) и в составе сточных вод.
Металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период полуудаления цинка - до 500 лет, кадмия - до 1100 лет, меди - до 1500 лет, свинца - до нескольких тысяч лет.
Существенный источник загрязнения почвы металлами - применение удобрений из шламов, полученных из промышленных и канализационных очистных сооружений.
В выбросах металлургических производств тяжелые металлы находятся, в основном, в нерастворимой форме. По мере удаления от источника загрязнения наиболее крупные частицы оседают, доля растворимых соединений металлов увеличивается, и устанавливаются соотношения между растворимой и нерастворимыми формами. Аэрозольные загрязнения, поступающие в атмосферу, удаляются из нее путем естественных процессов самоочищения. Важную роль при этом играют атмосферные осадки. В итоге выбросы промышленных предприятий в атмосферу, сбросы сточных вод создают предпосылки для поступления тяжелых металлов в почву, подземные воды и открытые водоемы, в растения, донные отложения и животных.
Дальность распространения и уровни загрязнения атмосферы зависят от мощности источника, условий выбросов и метеорологической обстановки. Однако в условиях промышленно-городских агломераций и городской застройки параметры распространения металлов в воздухе еще плохо прогнозируются. С удалением от источников загрязнения уменьшение концентраций аэрозолей металлов в атмосферном воздухе чаще происходит по экспоненте, вследствие чего зона их интенсивного воздействия, в которой имеет место превышение ПДК, сравнительно невелика.
В условиях урбанизированных зон суммарный эффект от регистрируемого загрязнения воздуха является результирующей сложения множества полей рассеяния и обусловлен удалением от источников выбросов, градостроительной структурой и наличием необходимых санитарно-защитных зон вокруг предприятий. Естественное (фоновое) содержание тяжелых металлов в незагрязненной атмосфере составляет тысячные и десятитысячные доли микрограмма на кубический метр и ниже. Такие уровни в современных условиях на сколько-нибудь обжитых территориях практически не наблюдается. Фоновое содержание свинца принято равным 0,006 мкг/м3, ртути - 0,001-0,8 мкг/м3 (в городах - на несколько порядков выше). К основным отраслям, с которыми связано загрязнение окружающей среды ртутью, относят горнодобывающую, металлургическую, химическую, приборостроительную, электровакуумную и фармацевтическую. Наиболее интенсивные источники загрязнения окружающей среды кадмием - металлургия и гальванопокрытия, а также сжигание твердого и жидкого топлива. В незагрязненном воздухе над океаном средняя концентрация кадмия составляет 0,005 мкг/м3, в сельских местностях - до 0,05 мкг/м3, а в районах размещения предприятий, в выбросах которых он содержится (цветная металлургия, ТЭЦ, работающие на угле и нефти, производство пластмасс и т.п.), и промышленных городах - до 0,3-0,6 мкг/м3.
Атмосферный путь поступления химических элементов в окружающую среду городов является ведущим. Однако уже на небольшом удалении, в частности, в зонах пригородного сельского хозяйства, относительная роль источников загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами может измениться и наибольшую опасность будут представлять сточные воды и отходы, накапливаемые на свалках и применяемые в качестве удобрений.
Максимальной способностью концентрировать тяжелые металлы обладают взвешенные вещества и донные отложения, затем планктон, бентос и рыбы.
Осадки. Зона максимальных концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от источника. В ней содержание металлов в приземном слое атмосферы в 100-1000 раз выше местного геохимического фона, а в снеге - в 500-1000 раз. На удалении 2-4 км располагается вторая зона, где содержание металлов в воздухе приблизительно в 10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона протяженностью 4-10 км, где лишь отдельные пробы показывают повышенное содержание металлов. По мере удаления от источника соотношения разных форм рассеивающихся металлов меняются. В первой зоне водорастворимые соединения составляют всего 5-10 %, а основную массу выпадений образуют мелкие пылевидные частицы сульфидов и оксидов. Относительное содержание водорастворимых соединений возрастает с расстоянием.
10 наиболее загрязненных городов бывшего СССР.
Металлы приведены в порядке убывания уровня приоритетности для данного города.
|
1. Рудная Пристань (Приморский край) |
свинец, цинк, медь, марганец+ванадий, марганец. |
|
2. Белово (Кемеровская область) |
цинк, свинец, медь, никель. |
|
3. Ревда (Свердловская область) |
медь, цинк, свинец. |
|
4. Магнитогорск |
никель, цинк, свинец. |
|
5. Глубокое (Белоруссия) |
медь, свинец, цинк. |
|
6. Усть-Каменогорск (Казахстан) |
цинк, медь, никель. |
|
7. Дальнегорск (Приморский край) |
свинец, цинк. |
|
8. Мончегорск (Мурманская область) |
никель. |
|
9. Алаверди (Армения) |
медь, никель, свинец. |
|
10. Константиновка (Украина, Донецкая обл) |
свинец, ртуть. |
Список литературы
1. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник.— Л.: "Химия",1985.
2. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I-IV групп: Справ. изд./ Под ред. В.А. Филова и др. — Л.: "Химия",1988.
3. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V-VIII групп: Справ. изд./ Под ред. В.А. Филова и др. — Л.: "Химия",1989.
- Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. - М.: "Мир", 1987.
- Наша Планета; Москва; 1985 год.
- Пьер Агесс; Ключи к экологии; Ленинград; 1982 год.
- В.З.Черняк; Семь чудес и другие; Москва; 1983 год.
- Френц Щебек; Вариации на тему одной планеты; 1972 год.
- Г.Хефлинг. Тревога в 2000 году. Москва. 1990 год.
- В.В. Плотников. На перекрестках экологии. Москва. 1985 год.
