Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические процессы в техносфере. Учебное пособие
.pdf
81
значениями: в почвах – 150 - 600 мкг/кг, в воздухе городов — около 10 мкг/кг, в
водных источниках - от 2,5 мкг/л.
Находящиеся в воде ионы алюминия при поступлении в организм частично
всасываются в желудочно-кишечном тракте в кровь и затем выводятся почками. При
нарушении функционирования почек происходит накапливание в организме Аl,
сопровождающееся ростом хрупкости костей, нарушением метаболизма Са, Mg, Р, F
и развитием различных форм анемии. Более серьезные последствия аккумулирования
в организме алюминия проявляются в нарушении речи, провалах памяти, потери и
нарушении ориентации, помутнении рассудка, конвульсиях, а порой и гибели
пациентов с почечной недостаточностью. Все это является симптомами мозгового
заболевания, названного диализной энцефалопатией.
Свидетельства о токсичности алюминия были получены лишь в 70-е гг. XX в.
Алюминий, который относится к числу наиболее распространенных элементов,
нашел широчайшее применение в технике и быту. Вместе с тем необходимо сразу же
отметить, что не алюминиевая посуда и изделия из металлического алюминия
являются главным источником поставки ионов алюминия в организм. Повышение
концентрации ионов алюминия в питьевой воде начинается на водоочистной станции
при обработке ее сульфатом алюминия для удаления примесей коллоидной степени
дисперсности. Значительный вклад в увеличение концентрации алюминия в озерных
и речных водах вносят кислотные дожди, которые растворяют природные
малорастворимые алюмосиликаты почвенного покрова, а это, в свою очередь,
приводит к гибели рыб, земноводных и моллюсков в водоемах, куда попадают
грунтовые воды после выщелачивания алюминия из почв и пород.
Цинк (Zn). По содержанию в поверхностных водах среди микроэлементов цинк
занимает второе место после марганца. По имеющимся данным антропогенное
поступление цинка в окружающую среду на 700 % превышает природное.
Среди процессов, оказывающих наибольшее влияние на поведение иона цинка
(
) в водных растворах, можно выделить гидролиз и комплексообразование. В
результате гидролиза образуются многоядерные гидроксокомплексы. Однако
полиядерные гидроксокомплексы типа
и
составляют
82
незначительную долю (< 2 %) даже при его концентрации, равной
моль/л.
Таким образом, для природных вод более характерны гидроксиды
и
, обладающие амфотерными свойствами.
Медь (Cu). В водной среде медь присутствует в трех основных формах:
взвешенной, коллоидной и растворенной. Последняя может включать как свободные
ионы
, так и комплексные ее соединения с органическими и неорганическими
лигандами. Интенсивная сорбция меди глинистыми частицами обусловливает ее
высокое содержание в донных отложениях. Возможность десорбции из донных
отложений зависит от pH среды, жесткости воды, от присутствия в ней природных и
синтетических хелатов и других комплексообразователей и ПАВ.
Никель (Ni). Подвижность этого элемента в значительной степени зависит от
количества органического вещества в воде, его характера, а также от pH среды.
Никель (II) образует многочисленные комплексные соединения (наиболее прочны
комплексы с лигандами, содержащими донорные атомы азота -
И Т.Д.).
ИОНЫ
в водных растворах подвергаются гидролизу в меньшей степени, чем
катионы других металлов. Ощутимый гидролиз никеля наблюдается лишь при
pH > 9,0.
Содержание никеля в незагрязненных водах обычно колеблется в пределах
1 - 3 мкг/л.
Хром (Cr). Главный источник поступления антропогенного хрома — обработка
металлов. Неконтролируемые выбросы представляют большую опасность
загрязнения природных вод токсичной формой
.
- наиболее устойчивое состояние хрома в природных водах. Он образует
большое количество относительно инертных в кинетическом отношении комплексов.
Его координационное число равно 6. В обильно насыщенных кислородом водах
термодинамически более устойчив . В водных растворах
легко
восстанавливается в присутствии
, некоторых сульфатов и некоторых
органических веществ.
, напротив, быстро окисляется лишь при большом
избытке
и медленно — кислородом.
83
Марганец (Mn). При окислении выпадает в виде нерастворимого
,
который в кислой среде переходит в растворимый в воде ион
:
Таким образом, тяжелые металлы характеризуются большим многообразием
форм существования в природных водных объектах, что, безусловно, связано с
многообразием химических и биохимических процессов с их участием. Наибольшее
количество массы тяжелых металлов в виде малорастворимых соединений (оксиды,
гидроксиды, карбонаты, фосфаты и т.п.) сосредоточено в донных осадках.
Растворимые соединения металлов в основном представлены комплексными
соединениями, образующимися в среде водных масс с повышенным содержанием
органических веществ (гуминовые и фульвокислоты, ПАВ).
Перечисленные особенности поведения тяжелых металлов в водной среде не
исчерпывают всех видов их существования, так как одновременно возможно
присутствие нескольких форм того или иного металла, что может быть вызвано
влиянием таких внешних факторов, как pH и окислительно-восстановительный
потенциал среды, минерализация, температура и другие.
3.8 Контрольные вопросы
1 Какие водные объекты входят в состав гидросферы?
2 Назовите причины, приводящие к загрязнению природных водных объектов.
3 Чем характеризуется химическое загрязнение природных водных систем?
4 К каким последствиям приводит тепловое загрязнение водного объекта?
84
5 Что такое эвтрофикация водного объекта, и вследствие чего возникает данное
явление?
6 Каковы особенности физико-химических процессов в гидросфере?
7 Приведите примеры трансформации металлов природных водных объектах.
8 В каких формах могут содержаться металлы в природных водных системах?
9 Каковы особенности трансформации загрязняющих веществ в природных
водных объектах в аэробных и анаэробных условиях?
10 Под действием каких факторов происходит миграция и трансформация
металлов и их соединений?
85
4 Физико-химические процессы в почве
4.1 Состав и свойства почвенного покрова
Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей. Соотношение
их неодинаково не только в разных почвах, но в различных горизонтах одной и той
же почвы. Закономерно уменьшение содержания органических веществ и живых
организмов то верхних горизонтов почвы к нижним и увеличение интенсивности
преобразования компонентов материнской породы от нижних и горизонтов к
верхним. В твердой части преобладают минеральные вещества. Рыхлость сложения
почвы обусловливают состав ее твердой части, включающей частицы разного размера
Основную массу почв составляет обычно мелкозем - частицы менее 1 мм
Твердые частицы в естественном залегании заполняются не весь объем
почвенной массы, а лишь некоторую его часть. Суммарный объем пор называется
пористостью почвы. Для большинства минеральных почв эта величина варьирует в
пределах от 40 % до 60 %. От пористости зависят водные составы почвы
(водопроницаемость, водоподъемная способность, влагоемкость) и плотность почвы.
В порах находятся почвенный раствор и почвенный воздух.
Освобождающееся от воды поровое пространство заполняется воздухом. Этими
явлениями определяется воздушный и почвенный режим почвы. Чем больше поры
заполнены влагой, тем затруднительнее газовый обмен (особенно О2 и СО2) между
почвой и атмосферой, тем медленнее протекают в почвенной массе процессы
окисления и быстрее - процессы восстановления. В порах также обитают почвенные
микроорганизмы.
Минеральный состав твердой части почвы во многом определяет ее
плодородие. Органических частиц содержится немного, и только торфяные почвы
почти полностью состоят из них. В состав минеральных веществ входят: Si, Al, Fe, K,
86
N, Mg, Ca, P, S значительно меньше содержится микроэлементов: Сu, Mo, I, B, F, Pb
и др. Подавляющее большинство элементов находится в окисленной форме.
В состав твердой части почвы входит органическое вещество, основная (80 % -
90 %) часть которого представлена сложным комплектом из гумусовых веществ, или
гумуса. Органическое вещество состоит также из соединений растительного,
животного и микробного происхождения, содержащих клетчатку, лигнин, белки,
сахара, смолы, жиры, дубильные вещества и т.д. и промежуточные продукты их
разложения. При разложении органических веществ в почве содержащийся в них азот
переходит в формы, доступные растениям. В естественных условиях они являются
основным источником азотного питания растительных организмов.
Жидкая часть почвы, т.е. почвенный раствор, - активный компонент почвы,
осуществляющий перенос веществ внутри нее, вынос из почвы и снабжение растений
водой и растворенными элементами питания. Обычно содержит ионы, молекулы,
коллоиды и более крупные частицы, превращаясь иногда в суспензию.
Газовая часть или почвенный воздух заполняет поры, не занятые водой.
Количество и состав почвенного воздуха, в который входят N2, O2, CO2, летучие
органические соединения и пр., постоянны и определяются характером множества
протекающих в почве химических, биохимических процессов. Например, количество
СО
2
в почвенном воздухе существенно меняется в годовом и суточном циклах
вследствие различной интенсивности выделения газа микроорганизмами и корнями
растений. Газообмен между почвенным воздухом и атмосферой происходит
преимущественно в результате диффузии СО2 из почвы в атмосферу и О2 в
противоположном направлении.
Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы,
актиномицеты, водоросли и др.) и представлений многих групп беспозвоночных
животных - простейших, червей, моллюсков, насекомых и их роющих позвоночных
и др. Активная роль живых организмов в формировании почвы определяет
принадлежность ее к биокосным природным телам - важнейшим компонентам
биосферы.
87
Почва представляет собой сложную природную систему, где под влиянием
живых организмов и других факторов происходят образование и разрушение
сложных органических соединений. Минеральные вещества извлекаются растениями
из почвы, входят в состав их собственных органических соединений, затем
включаются в органические вещества тела сначала растительноядных, затем
насекомоядных, хищных животных. После гибели растений и животных их
органические соединения поступают в почву. Под воздействием микроорганизмов в
результате сложных многоступенчатых процессов разложения эти соединения
переходят в формы, доступные для усвоения растениями. Они частично входят в
состав органических веществ, задерживаются в почве или удаляются с
фильтрующимися и сточными водами. В результате происходит закономерных
круговорот химических элементов в системе «почва - растения - (животные микроорганизмы) – почва».
Механический состав почвы является важной характеристикой, необходимой
для определения ценности почвы, ее плодородия. От механического состава почвы
зависят такие свойства почвы, как влажность, водопроницаемость, воздушный и
тепловой режим и другие. В полевых условиях определение механического состава
производится по степени пластичности - наощупь. При известном навыке почвы
можно достаточно четко разделить на глинистые, суглинистые, песчаные.
Песчаные почвы - бесструктурные, не обладают связностью, сыпучи, при
большом увлажнении можно скатать в шарик.
Супесчаные почвы - в сухом состоянии сыпучи, бесструктурные, во влажном
состоянии легко скатываются в шар, но «шнура» или «колбаски» не образуют.
Суглинистые почвы в сухом состоянии легко втираются в кожу, во влажном
состоянии являются пластичными и легко раскатываются в «шнур» или «колбаску».
Чем тоньше «шнур» или «колбаска», тем данная почва ближе к глине.
Глинистые почвы в сухом состоянии при растирании на ладони дают тонкий
однородный порошок, хорошо втираются в кожу, во влажном состоянии
раскатываются в длинный тонкий «шнур», легко сворачиваемый в кольцо без трещин.
88
Окончательное название почвы по механическому составу производится в
лаборатории при помощи специального анализа, и на основании этого дается
название почвы.
4.2 Факторы почвообразования
Основы учения о факторах почвообразования заложены В. В. Докучаевым,
который установил, что почва как особое природное тело формируется в результате
тесного взаимодействия следующих факторов – климата, растительности,
почвообразующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени). Сочетание
факторов почвообразования – это комбинация экологических условий развития
почвообразовательного процесса и почв. Изучение каждого фактора
почвообразования предусматривает его характеристику по определенным
параметрам и оценку его роли в почвообразовании.
Наряду с указанными пятью природными факторами почвообразования
выделяется ещё шестой – производственная деятельность человека, оказывающий как
прямое, так и косвенное влияние на почвообразующие породы, и почвенный покров.
Основатель генетического почвоведения В. В. Докучаев положил начало
учению о факторах почвообразования. Он впервые установил, что формирование
почвенного покрова теснейшим образом связано с физико-географической средой и
историей ее развития, а также дал определение понятия «почва»: «Почвы — это
поверхностные минерально-органические образования, которые всегда имеют свое
собственное происхождение; они всегда и всюду являются результатом совокупной
деятельности материнской горной породы, живых и отживших организмов (как
растений, так и животных), климата, возраста страны и рельефа местности...».
Функциональную взаимосвязь между почвенным покровом и главнейшими
факторами почвообразования В. В. Докучаев выразил формулой:
89
где П - почва;
К - климат;
О - организм;
Г - горные породы;
Р - рельеф;
Т - время.
Климат, материнские горные породы, живые и отмершие организмы и рельеф
рассматриваются В. В. Докучаевым как элементы внешней среды, возраст территории
отражает развитие почв во времени. Перечисленные факторы в их разнообразном
сочетании по лику земного шара создают великое множество типов почв, их
комбинаций, сочетаний и комплексов, неповторимую мозаику почвенного покрова.
В. В. Докучаев считал все факторы равнозначными и незаменимыми. Однако,
наблюдая значительную вариабельность в характере почвенного покрова в
различных регионах страны и его зависимость от совокупности конкретных
природных условий, В. В. Докучаев допускал возможность в тех или иных условиях
направляющего действия на процесс почвообразования одного какого-либо из
факторов.
4.3 Почвообразующие породы как фактор почвообразования
Горные породы, из которых формируется почва, называют почвообразующими,
или материнскими. Почвообразующая порода является материальной основой почвы
и передает ей свой механический, минералогический и химический состав, а также
физические, химические, физико-химические свойства, которые в дальнейшем
постепенно изменяются в различной степени под воздействием
90
почвообразовательного процесса. Почвообразующие породы различаются по
происхождению, составу строению и свойствам.
Твердая оболочка Земли, или литосфера, состоит из магматических,
метаморфических и осадочных пород.
Магматические, или изверженные, породы образовались из силикатных
расплавов, застывших в глубине земной коры (породы глубинные – интрузивные),
или из магмы, излившейся на поверхность Земли (породы излившиеся– эффузивные).
Магматические породы составляют 95 % общей массы пород, слагающих литосферу,
однако почвообразующими являются лишь в редких случаях, главным образом в
горных областях.
Метаморфические – вторичные массивно кристаллические породы,
образовавшиеся из магматических или осадочных в недрах земли в результате
глубоких превращений (сланцы, гнейсы). Их значение также мало.
Осадочные породы – отложения продуктов выветривания
массивнокристаллических пород или остатков различных организмов. Они
подразделяются на обломочные, химические осадки и биогенные. Среди осадочных
пород химического и биогенного происхождения важную роль в почвообразовании
играют карбонатные отложения – известняки, мергели, доломиты, мел.
Формирование почвообразующих пород связано с процессами выветривания
горных пород и переносом и переотложением продуктов выветривания.
Выветривание – совокупность сложных и разнообразных процессов
количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их
минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы.
Различают три формы выветривания: физическое, химическое и биологическое.
Физическое – механическое раздробление горных пород и минералов без
изменения их химического состава. Выветривание начинается с поверхности, здесь
возникают большие градиенты суточных и сезонных температур. Постепенно
выветривание захватывает более глубокие слои породы и затухает в поясе
постоянных температур. Наиболее интенсивно оно протекает при небольших
амплитудах колебания температур.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]