Тяжелые металлы. Zn. Формы миграции в водоемах. Распределение и биоаккумуляция. Критические звенья круговорота

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Тюменская государственная сельскохозяйственная академия

Институт биотехнологий и ветеринарной медицины

Специальность «Водные биоресурсы и аквакультура»

Реферат

Тема: «Тяжелые металлы. Zn. Формы миграции в водоемах. Распределение и биоаккумуляция. Критические звенья круговорота»

Выполнил: студент 921 гр.

Абрамчук Г.В.

Проверил: зав. каф., к.б.н.

Михайлова Л.В.

Тюмень 2012

Содержание

Введение

Цинк относится к довольно распространенным элементам и входит в состав большого числа минералов. Наиболее распространенными из них являются благородный галмей (смитсонит) ZnCO3, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, цинкит ZnO.

Основным природным источником поступления цинка в поверхностные воды являются процессы химического выветривания горных пород и минералов, сопровождающиеся их растворением.

Антропогенное загрязнение водных объектов соединениями цинка обусловлено их выносом со сточными водами многих отраслей промышленности, прежде всего горнодобывающих (рудообогатительных), металлургических, химических предприятий. Значительные количества меди могут поступать с сельскохозяйственных угодий, особенно в районах развитого садоводства и виноградарства.

Соединения цинка могут присутствовать в водах в растворённой и взвешенной формах. Соотношение между ними в значительной степени определяется величиной pH и составом воды, прежде всего, наличием органических веществ гумусовой природы (гуминовых и фульвокислот), а также других органических соединений, способных образовывать комплексные соединения с данными металлами. В малозагрязненных поверхностных водах суши концентрация растворенных форм цинка в большинстве случаев находится в пределах от долей до единиц микрограммов в кубическом дециметре. Более высокие концентрации растворенных форм, можно обнаружить в районах залегания соответствующих руд и при наличии в воде значительного количества гуминовых и фульвокислот.

Цинк является физиологически активным микроэлементом. Он входит в состав некоторых важнейших энзимов и участвует в процессах синтеза и обмена белков, жиров, углеводов и др., однако повышенные концентрации этого металла является токсичными для гидробионтов. В связи с этим, содержание цинка в поверхностных водах суши нормируется.

1.                  История открытия и происхождение названия цинка

    Цинк является тем элементом, который человек знает и использует с древних времен. Наиболее распространенным минералом является карбонат цинка, или каламин. Как любой карбонат, каламин при нагревании, точнее прокаливании, разлагается на оксид цинка и углекислый газ. Оксид цинка широко применялся в медицине, например, при лечении глазных болезней. Оксид цинка легко можно восстановить до свободного цинка. Но получить цинк в виде металла удалось значительно, позже, чем были получены основные металлы древности: олово, свинец, железо, медь. Почему, спросите вы? Для восстановления цинка из оксида углем, необходима температура около 1100 °С. Температура же кипения цинка всего 906 °С. Следствием этого являлось то, что цинк просто напросто испарялся, его невозможно было уловить (http://www.alhimikov.net).

    Цинк человеком применялся для приготовления латуни, сплава меди и цинка. Латунь применялась повсеместно, и в Китае, и в Индии, и в Греции и в Риме. Историки и археологи установили, что впервые получили латунь римляне. Это произошло во времена правления императора Августа, в начале нашей эры по летоисчислению. И этот способ применялся до XIX века.
      Когда был получен цинк установить точно не удалось.
Искусство получения цинка в Европе было утеряно В X—XI вв. Но цинк требовался для получения латуни, поэтому его приходилось завозить из Китая и Индии. Первое промышленное производство было открыто в Китае. Но способ был очень простым. Для получения цинка каламин засыпали в глиняные горшки, которые плотно закрывались, складывались в пирамиду, промежутки между ними заполнялись углем и нагревались горшки до высоких температур. Горшки нагревались докрасна. После данной операции горшки охлаждали, разбивали их и извлекали металлический цинк в виде слитков.
   В Европе цинк стали получать вторично в XVI веке. Задачей химиков было совершенствование способов получения металлического цинка. Огромная заслуга в этом принадлежит А. Маркграфу, который занимался методами выделения цинка из природных минералов. Название цинка произошло от аналогичного по звучанию слову из латинского языка, которое означало белый налет. Хотя есть другое мнение, что название металла произошло от немецкого слова цинк, что означало олово (http://www.alhimikov.net).

2.                  Физические и химические свойства цинка

  Физические свойства. Цинк - металл синевато-белого цвета, обладающий металлическим блеском. На воздухе его поверхность покрывается оксидной пленкой и тускнеет. Цинк плавится при 419,5 град. С, кипит при 913 град. С. Плотность литого твердого цинка составляет 7,13 г/см3, плотность вальцованного цинка несколько выше. При температуре плавления плотность цинка равна 6,92 г/см3. На холоде цинк довольно хрупок, но при температуре 100-150 град. Легко поддается прокатке и вытягиванию. Легко образует сплавы с другими металлами (http://www.medkurs.ru).

  Химические свойства. Цинк является довольно активным металлом. Он легко взаимодействует с кислородом, галогенами, серой и фосфором:

2 Zn + О2 = 2 ZnО (оксид цинка);

Zn + Сl2 = ZnСl2 (хлорид цинка);

Zn + S = ZnS (сульфид цинка);

3 Zn + 2 Р = Zn3Р2 (фосфид цинка).

При нагревании взаимодействует с аммиаком, в результате чего образуется нитрид цинка:

3 Zn + 2 NН3 = Zn2N3 + 3 Н2,

а также с водой:

Zn + Н2О = ZnО + Н2

и сероводородом:

Zn + Н2S = ZnS + Н2.

Образующийся на поверхности цинка сульфид предохраняет его от дальнейшего взаимодействия с сероводородом.

Цинк хорошо растворим в кислотах и щелочах:

Zn + Н2SO4 = ZnSO4 + Н2;

4 Zn + 10 НNО3 = 4 Zn(NО3)2 + NН4NО3 + 3 Н2О;

Zn + 2 КОH + 2 Н2О = К2[Zn(ОН)4] + Н2.

В отличие от алюминия цинк растворяется в водном растворе аммиака, так как образует хорошо растворимый аммиакат:

Zn + 4 NН4ОН = [Zn(NН3)4](ОН)2 + Н2 + 2 Н2О.

Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей.

СuSO4 + Zn = ZnSO4 + Сu;

СdSO4 + Zn = ZnSO4 + Сd (Никаноров, 1985)

3.          Попадание и формы миграции цинка в водоемы

Среди минералов, в состав которых входит цинк, наиболее распространены сфалерит (сульфид цинка) и смитсонит, содержащий до 65 % цинка. Источниками поступления цинка в гидросферу являются океанические железо-магниевые конкреции и донные осадки вулканического происхождения. Только за счет гидротермических процессов, связанных с океанической вулканической деятельностью, в гидросферу поступает в среднем 4*1017 г/год цинка, или приблизительно 1/90 его ежегодного поступления с речным стоком.

В грунтах цинк легкоподвижен, но при миграции довольно быстро сорбируется органическими и минеральными веществами, в состав которых входят алюминий, железо, кремний, марганец и другие элементы. Именно высокая сорбционная способность некоторых веществ относительно цинка определяет его наиболыпее содержание в приповерхностном слое грунта. В грунтах цинк находится в разных формах - в составе слаборастворимых оксосульфатов, карбонатов, фосфатов, силикатов и других соединений, в комплексах с гуминовыми и фульвокислотами. В кислых почвах растворимость Zn выше, чем в нейтральных и щелочных. При высоком содержании фульвокислот и глицина его растворимость снижается. Эти факторы влияют на переход Zn с водосборной площади в водные объекты (Моисеенко, 2009).

Цинк попадает в природные воды в результате протекающих в природе процессов разрушения и растворения горных пород и минералов (сфалерит, цинкит, госларит, смитсонит, каламин), а также со сточными водами рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна и другие (Васильев, 1989).

Значительное количество цинка поступает в водные объекты в результате техногенного загрязнения. Так, его накопление в хвостохранилищах - накопителях отработанных магнетитовых производств на протяжении года достигает 4 тыс. т. В зоне расположения фабрик по обогащению полиметаллических руд его со­держание в грунтах достигает 0,3 %. Важные источники поступления цинка в водные объекты - рудниковые смывные воды и сточные воды гальванических цехов, производств лаков и кра­сок, химических средств защиты растений, комбинатов цветной металлургии и тепловых электростанций, работающих на камен­ном угле.

В воде цинк существует главным образом в ионной форме или в форме его минеральных и органических комплексов, иногда встречается в нерастворимых формах: в виде гидроксида, карбоната, сульфида и др. В речных водах концентрация цинка обычно колеблется от 3 до 120 мкг/дм3, в морских - от 1,5 до 10 мкг/дм3. Содержание в рудных и особенно в шахтных водах с низкими значениями рН может быть значительным (Васильев, 1989).

Цинк относится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие организмов. В то же время многие соединения цинка токсичны, прежде всего, его сульфат и хлорид ПДКв Zn2+ составляет 1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - общесанитарный), ПДКвр Zn2+ - 0,01 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - токсикологический) (Васильев, 1989).

В поверхностных водах суши содержание цинка оценивается несколькими микрограммами в 1 л воды (мкг/дм8). Его количест­во в воде и грубодетритном иле имеет тенденцию к увеличению от гумидных к аридным ландшафтным зонам.

Каскадное расположение днепровских водохранилищ обусловливает постепенное оседание (седиментацию) взвешенных форм цинка, что и определяет возрастание его концентрации в донных отложениях от верхнего Киевского к нижерасположенному Каневскому водохранилищу. В процессах сорбции цинка важную роль играют гидробионты. Планктонные организмы могут адсор­бировать до 40-48 % растворенного в воде цинка (Натарова, 1982).

Содержание цинка в океанических и морских водах значи­тельно меньше, чем в речных. Для океанических вод средняя концентрация цинка оценивается в 7,6 мкг/дм3 (в том числе 7,0 - растворенных и 0,6 - взвешенных форм). Для морских вод эти ве­личины несколько выше. При общей концентрации 11,0 мкг/дм3 на долю растворенных форм приходится 10,0, взвешенных - 1,0 мкг/дм3. В формировании микроэлементного состава морских вод исключительная роль принадлежит речному стоку. Это четко проявляется при сравнении содержания цинка в речной и морской водах, а также в воде эстуариев, в которые поступает речной сток.

Так, содержание цинка в воде устьевых участков рек составляет в среднем 90 мкг/дм3. В эстуариях или заливах вследствие умень­шения скорости течения и резкого ускорения седиментации об­щая концентрация цинка в воде снижается до 14,3 мкг/дм3, а в близлежащей акватории моря - еще в 2-3 раза. Указанные фак­торы обусловливают значительно меньшую концентрацию не только цинка, но и других микроэлементов (меди, марганца) в морских (океанических) водах по сравнению с речными(Натарова,1982).

2

4.      Распределение и биоаккумуляция

Как и другие микроэлементы, цинк в больших концентрациях может становиться токсичным, что проявляется в блокировании передачи нервных импульсов, торможении подвижности рыб и других функциональных нарушениях соматических органов. Токсичность действия растворенного в воде цинка зависит как от его концентрации, так и от наличия других химических элемен­тов в воде. Так, в присутствии кадмия и меди в воде токсичность цинка для рыб возрастает, и, наоборот, в воде, насыщенной каль­цием и магнием, токсическое действие проявляется при значи­тельно более высокой его концентрации (Романенко, 2004).