Виды влияния химических загрязнений на окружающую среду

 

Таблица 2. Экспертная оценка интегральной устойчивости почв (в  баллах).

Степень устойчивости	Почвы	Геохимический ландшафт	Рельеф	Почвообразующие породы	Увлажненность	Тепло-обеспеченность	Годичный прирост	Интенсивность разложения органических остатков	Запасы гумуса	Кислотность	Насыщенность  основаниями	Сельскохозяйственная  освоенность	Суммарная оценка
Неустойчивая	Подзолы на флювио- глянциальных  и древнел- лювиальных песках	Элювиальный	1	1	1	3	2	2	1	1	2	0	14
Малоустойчивая	Сильноподзолистые на покровных суглинках	.»	1	5	1	2	3	2	2	1	2	-1	18
	Подзолы на флювио- глянциальных  и древнел- лювиальных песках	Трансэлювиальный	2	1	2	3	3	2	1	1	2	0	17
Относительно  устойчивая	Болотно-подзолистые на морене	Трансэлювиальный	2	4	3	1	3	2	4	2	2	0	23
Устойчивая	Болотно-подзолистые  на морене	Аккумулятивный	3	3	4	3	4	2	4	2	3	0	28
	Дерново-глеевые  и де- рново-карбонатные  на карбонатной морене и юрской глине	.»	3	5	4	3	4	3	6	3	5	0	36

 

3. Техногенные потоки веществ в биоценозе

 

Характер распределения  химических элементов в биосфере – один из чувствительных параметров изменения геохимической среды  при выветривании и загрязнении. Различные микроэлементы образуют устойчивые ассоциации макроэлементами в разнообразных геохимических условиях. Элементы с ионными потенциалами менее 3 преимущественно существуют в виде свободных ионов, элементы с ионным потенциалами от 3 до 12 стремятся образовывать гидролизованные и комплексные формы. Легкоподвижные элементы дают в водных растворах гидротированные ионы меньших размеров по сравнению с элементами малоподвижными (Таблица 3.)

Таблица 3. Геохимические  ассоциации и некоторые свойства химических элементов (по А.Кабата-Пендиас, Х.Пендиас)

Главные элементы (выделены шрифтом) и ассоциирующиеся с ними микроэлементы	рН осаждения  гидроксидов	Ионный радиус, нм	Электроотри- цательность, кДж/моль	Ионный  потенциал (заряд: радиус)	Диаметр гидратирован- ного иона в  водном растворе, нм
Fe2+	5,1-5,5	0,09-0,07	7,5	2,6	0,60
Cu2+	5,4-6,9	0,08	8,4	2,5	0,60
Mo4+	-	0,07	-	5,5	-
Mn2+	7,9-9,4	0,1-0,08	6,3	2,0	0,60
Zn2+	5,2-8,3	0,09-0,07	7,5	2,6	0,60
Fe3+	2,2-3,2	0,07-0,06	7,9	4,4	0,90
Co2+	7,2-8,7	0,08-0,07	7,1	2,6	0,60
Cd2+	8,0-9,5	0,103	-	-	-
Ni2	6,7-8,2	0,08	7,1	2,6	0,60
Cr3+	4,6-5,6	0,07	6,7	4,3	0,90
Mn4+	-	0,06	-	6,5	-
Mo6+	-	0,05	7,5	12,0	-
V5+	-	0,05	-	11,0	-
Al3+	3,8-4,8	0,06-0,05	6,3	5,5	0,90
Cr6+	-	0,04	-	16,0	-
Sn2+	2,3-3,2	0,13	7,5	1,5	-
Ti4+	1,4-1,6	0,07	6,3	5,8	-

 

Свободная энергия, которая  требуется для образования этих ионов, обычно ниже, чем энергия образования  ионов менее подвижных элементов. Поведение элементов в процессах  выветривания и почвообразования существенно  зависит от устойчивости исходных минералов  и пород, а также от электрохимических свойств элементов.

По определению А.Е.Ферсмана, геохимическая миграция – перемещение  атомов химических элементов в земной коре обычно ведущее их к рассеянию  или концентрации. Геохимическое  изучение пород и почв показало, что круговорот химических элементов в процессе экзогенеза зависит от физико-химических условий, влияющих на растворимость элементов, которые присутствуют в определенной среде. В зависимости от этих условий химические элементы находятся или в рассеянном состоянии, или накапливаются в процессе миграции.  Поведение элементов в почвах и их геохимическая миграция существенно зависят от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий (Таблица 4).

Таблица 4. Подвижность элементов  в зависимости от условий среды

Степень подвижности	Среда	Элементы
Высокая	Окисленная и кислая	В,Br,I
	Нейтральная или щелочная	В,Br,I,Mo, Re, U,V,W
	Восстановительная	Br,I
Средняя	Окисленная и кислая	Cs,Mo,Ra,Rb,Se,Si,Zn
	Кислая	Ag,Au,Cd,Co,Cu,Hg,Ni
	Восстановительная, с переменным потенциалом	As,Cd,Co,Cr,F,Ft,Ge,Mn, Nb,Sb,Sn,Ti,U,V
	Нейтральная или щелочная	Ba,Be,Bi,Ge,Hf,Ta,Fe,Zr
Очень низкая	Окисленная и кислая	Cr,Os,Pt,Rh,Ru,Ta,Zr
	Нейтральная или щелочная	Ag,Au,Cu,Co,Ni,Th,Ti,Zn
	Восстановительная	Ag, B,Ba,Be,Bi,Co,Cu,Сs, Ge,Hg,Li,Mo,Ni,Ra,Ri,Se, Zn,Zr

 

В число важнейших процессов, обуславливающих распределение  различных элементов в почвах входят:

1) выщелачивание из почвы;

2) осаждение;

3) включение в минералы;

4) адсорбция компонентами  почвы

5) сорбция органическим веществом.

В почвенной среде одновременно протекают разнообразные процессы взаимодействия между твердыми и газообразной фазами почвы, живым веществом и почвенным раствором, от которых зависят доминирующая форма соединения элемента и характер его распределения между фазами. (Рисунок 2).

Рисунок 2. Динамическое равновесие между компонентами почвы

Знание доминирующей реакции и формы соединения позволяет прогнозировать миграцию как природных, так и техногенных элементов между компонентами биосферы.

Химические свойства элементов  играют ведущую роль при миграции в земной коре, причем растворимость  соединений имеет важное значение для главных элементов литосферы.

Химические соединения с  ионными связями в водных растворах  диссоциируют и тогда мигрируют в форме ионов.

Низкая растворимость  кремний и алюмокислородных соединений в воде в условиях земной поверхности  препятствуют их активной миграции. Наиболее низкую растворимость имеют сульфиды переходных элементов.

Соединения с преобладанием ковалентных связей иногда хорошо растворимы в воде, однако, они слабо диссоциируют в водных растворах и мигрируют в виде комплексных ионов или комплексных радикалов:

┌    _2-   ┐  ┌     _2-  ┐ ┌    _3-  ┐ ┌      _4- ┐  ┌        _- ┐

│СO  │, │SO   │, │PO │, │SiO │, │HСO │

└     ³  ┘  └     ⁴   ┘ └    ⁴  ┘  └    ⁴ ┘  └       ³  ┘ 

 

Осаждение хорошо растворимых  соединений и образование твердых  фаз возможно только при управлении природных растворов условиях малого количества осадков и повышенной температуры. Для слаборастворимых соединений типа CaCО₃ , Mg CО₃, CaSO₄, выпадение в осадок контролируется произведением растворимости (ПР).

С ионами группы переходных элементов анионы поверхностных  вод образуют комплексные соединения, что играет важную роль в геохимической  миграции тяжелых металлов, в том  числе свинца, ртути, кадмия, олова. Многие внутрикомплексные соединения – хелаты- хорошо растворимы в воде и способствуют переносу ионов металлов в поверхностных и грунтовых водах. По мнению А.И.Перельмана, образование комплексных ионов способствует повышению растворимости большинства металлов. Химический элемент связывается в форме устойчивого, хорошо растворимого комплексного соединения. Так, например, растворимость ртути значительно возрастает вследствие образования устойчивых комплексов

          _{2                0}

HgCL₄ ,HgOHCl , ртутьорганических комплексов.

 

Химическая обстановка гипергенной миграции элементов в первую очередь характеризуется значениями рН и окислительно-восстановительного потенциала Е_h среды миграции. В условиях низких значений рН значительно возрастают растворимость и миграционная способность металлов. Такие катионы, как Сo³⁺, Cr³⁺, Bi³⁺, Sn²⁺,Th⁴⁺,Zn⁴⁺, Sb³⁺,Fe³⁺  могут мигрировать только в кислых растворах и легко осаждаются при повышении рН. В обычных незагрязненных природных водах, имеющих нейтральную реакцию, содержание таких элементов невелико. А.И.Перельман (1965) отмечал, что низкое содержание в водах катионов, как Zn²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Ag⁺, Cd²⁺, V³⁺, La³⁺, вызвано возможностью их нахождения в растворе при относительно высоких уровнях кислотности, тогда как повышение рН растворов вызывает выпадение в осадок гидроксидов. Высокие значения рН способствуют миграции таких элементов, как Сr⁶⁺, Mo⁶⁺, As⁵, V⁵⁺, подвижных в щелочных растворах.

Значительное число реакций  в зоне активной миграции химических элементов происходит по типу окислительно-восстановительных реакций. Активными окислителями являются кислород, галогены, Fe³⁺, Mn⁴⁺, As⁵⁺, V⁵⁺, Cr⁶⁺, S⁶⁺; активными восстановителями – Fe²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, S^2-. Окислительно-восстановительный потенциал Е_h является важной геохимической константой природных растворов, определяющей способность к окислению или восстановлению ионов. Эта способность зависит от присутствия одного или нескольких компонентов, определяющих направление окислительно-восстановительных реакций; к ним относятся свободный кислород, органические соединения, сероводород, ионы Fe²⁺  и Fe³⁺ , Mn²⁺ и Mn⁴⁺. Удобным индикатором окислительно-восстановительного состояния среды может быть железо. Присутствие железа (II) говорит о наличии восстановительных процессов, а железа(III) (бурые, желтые, красноватые гидроксиды) – окислительных.

Важную роль в процессе геохимической миграции химических элементов играют алюмосиликатные и органические коллоиды, имеющие отрицательный заряд и обладающие значительной способностью к сорбции катионов калия, бария, никеля, кобальта, меди, цинка, магния, золота, вольфрама, аммония, натрия. Коллоиды гидроксидов железа адсорбируют анионы фосфорной кислоты, ванадия, мышьяка. Адсорбционная способность ионов обычно хорошо коррелирует со скоростью выщелачивания. Подвижность химических элементов в зоне гипергенеза ( по Перельману) приведена в Таблице 5.