Рабочая программа по элективному курсу «Все о ртути» 10-11 класс

Российский Химико-технологический Университет

Им. Д.И. Менделеева

Рабочая программа

Элективного курса

Для учащихся 10-11 профильных классов

«Все о ртути»

Подготовила

Студентка 5-ого курса

РХТУ им. Д.И. Менделеева

Абрикосова Светлана Константиновна

Г. Москва

2014 год

Элективный курс «Всё о ртути».

Пояснительная записка.

Химическое образование занимало и занимает одно из ведущих мест в системе общего образования, что определяется безусловной практической значимостью химии, ее возможностями в познании основных методов изучения природы, фундаментальных научных теорий и закономерностей.

Элективный курс «Всё о ртути» актуален не только для учащихся в профильных классах, но и для тех школьников, которые хотят расширить свой кругозор и интересуются проблемами экологии. На занятиях учащиеся разберут строение и свойства ртути, процессы, влияющие на перемещение ртути в атмосфере, почве и растениях, узнают методы исследования концентрации ртути.

Курс рассчитан на 17 часов. Он предназначен для учащихся 9 классов. Программа этого курса способствует расширению кругозора учащихся, к дополнению базового курса химии основной школы.

Цели: изучение путей распространения ртути в атмосфере и почве; ознакомление с методами исследования концентрации ртути и закономерностями их изменения; воспитание личности, имеющей развитое естественно-научное восприятие природы.

Задачи: формировать основные представления о химическом элементе, его строении и свойствах; изучить процессы и способы распространение ртути в атмосфере, почве и растениях; рассказать о влиянии соединений ртути на живые организмы; научить методам исследования концентрации ртути в атмосфере.

Элективный курс отличается экологической направленностью, позволяет школьникам удовлетворить свои познавательные потребности и получить дополнительную подготовку. Для преподавания курса можно использовать следующие технологии обучения: опорные конспекты, лекции, семинары, тестовый контроль.

Содержание курса

Номер темы

Содержание

Кол-во часов

Тема 1.

Информация об элементе: история открытия, характеристика элемента, химические свойства ртути, распространение ртути в природе, получение, применение ртути.

3 часа

Тема 2.

Ртуть в окружающей среде: ртуть в атмосфере, пути распространения ртути в атмосфере, источники загрязнения атмосферы ртутью, ртуть в гидросфере.

3 часа

Тема 3.

Ртуть в воде: источники загрязнения, пути попадания ртути в водную экосистему, факторы, влияющие на распространение ртути.

2 часа

Тема 4.

Ртуть в почве: источники загрязнения, способы очистки почвы (влияние гуминовой кислоты, биохимический способ).

2 часа

Тема 5.

Ртуть в растениях: миграция ртути в системе атмосфера – растения – почва, концентрация ртути в водорослях (примеры), растения, обладающие устойчивостью к токсичному действию ртути.

2 часа

Тема 6.

Токсикологическое действие ртути: накопление ртути в организмах морских животных, ртуть в организме человека (способы поступления, период полувыведения).

3 часа

Тема 7.

Методы исследования концентрации ртути: определение газообразной ртути атомно-абсорбционным методом, определения растворимой ртути в осадках атомно-абсорбционным методом, статистический метод (глобальная служба атмосферы).

2 часа

Материал для проведения занятий

Элективного курса

«Всё о ртути».

Историческая справка.

Самородная Ртуть была известна за 2000 лет до н. э. народам Древней Индии и Древнего Китая. Ими же, а также греками и римлянами применялась киноварь (природная HgS) как краска, лекарственное и косметическое средство. Греческий врач Диоскорид (1 в. н. э.), нагревая киноварь в железном сосуде с крышкой, получил Ртуть в виде паров, которые конденсировались на холодной внутренней поверхности крышки. Продукт реакции был назван hydrargyros (от греч. hydor — вода и argyros — серебро), то есть жидким серебром, откуда произошли латинское названия hydrargyrum, а также argentum vivum — живое серебро. Последнее сохранилось в названиях Ртути quicksilver (англ.) и Quecksilber (нем.). Происхождение русского названия Ртути не установлено. Алхимики считали Ртуть главной составной частью всех металлов. «Фиксация» Ртути (переход в твердое состояние) признавалась первым условием ее превращения в золото. Твердую Ртуть впервые получили в декабре 1759 года петербургские академики И. А. Браун и М. В. Ломоносов. Ученым удалось заморозить Ртуть в смеси из снега и концентрированной азотной кислоты. В опытах Ломоносова отвердевшая Ртуть оказалась ковкой, как свинец. Известие о «фиксации» Ртути произвело сенсацию в ученом мире того времени; оно явилось одним из наиболее убедительных доказательств того, что Ртуть — такой же металл, как и все прочие.

Характеристики элемента

Ртуть (лат. Hydrargyrum), Hg, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 80, атомная масса 200,59; серебристо-белый тяжелый металл, жидкий при комнатной температуре. В природе Ртуть представлена семью стабильными изотопами с массовыми числами: 196 (0,2%), 198 (10,0%), 199 (16,8%), 200 (23,1%), 201 (13,2%), 202 (29,8%), 204 (6,9%).

Ртуть — единственный металл, жидкий при комнатной температуре. Плотность твердой Ртути 14,193 г/см3 (-38,9 °С), жидкой 13,52 г/см3 (20 °С), атомный радиус 1,57Å, ионный радиус Hg2+ 1,10Å; tпл -38,89 °С; tкип 357,25 °С; удельная теплоемкость при 0°С 0,139 кДж/(кг·К) [0,03336 кал/(г·°С)], при 200°С 0,133 кДж/(кг·К) [0,0319 кал/(г·°С)]; теплопроводность 8,247 Вт/(м·К) [0,0197 кал/(см·сек·°С)] (при 20 °С); удельное электросопротивление при 0°С 94,07·10-8 ом·м (94,07·10-6 ом·см). При 4,155 К Ртуть становится сверхпроводником. Ртуть диамагнитна, ее атомная магнитная восприимчивость равна -0,19·10-6 (при 18 °С).

Химические свойства Ртути

Конфигурация внешних электронов атома Hg 5d106s2, в соответствии с чем при химических реакциях образуются катионы Hg2+ и Hg1+. Химическая активность Ртути невелика. В сухом воздухе (или кислороде) она при комнатной температуре сохраняет свой блеск неограниченно долго. С кислородом дает два соединения: черный оксид (I) Hg2O и красный оксид (II) HgO. Hg2O появляется в виде черной пленки на поверхности Ртути при действии озона. HgO образуется при нагревании Hg на воздухе (300-350 °С), а также при осторожном нагревании нитратов Hg(NO3)2 или Hg2(NO3)2. Гидрооксид Ртути практически не образуется. При взаимодействии с металлами, которые Ртуть смачивает, образуются амальгамы. Из сернистых соединений важнейшим является HgS, которую получают растиранием Hg с серным цветом при комнатной температуре, а также осаждением растворов солей Hg2+ сероводородом или сульфидом щелочного металла. С галогенами (хлором, иодом) Ртуть соединяется при нагревании, образуя почти недиссоциирующие, в большинстве ядовитые соединения типа HgX2. В соляной и разбавленной серной кислотах Ртуть не растворяется, но растворима в царской водке, азотной и горячей концентрированной серной кислотах.

Почти все соли Hg2+ плохо растворимы в воде. К хорошо растворимым относится нитрат Hg(NO3)2. Большое значение имеют хлориды Ртути: Hg2Cl2 (каломель) и HgCl2 (сулема). Известны соли окисной Ртути цианистой и роданистой кислот, а также ртутная соль гремучей кислоты Hg(ONC)2 так называемых гремучая ртуть. При действии аммиака на соли образуются многочисленные комплексные соединения, например HgCl-2NH3 (плавкий белый преципитат) и HgNH2Cl (неплавкий белый преципитат). Применение находят ртутьорганические соединения.

Распространение Ртути в природе

Ртуть принадлежит к числу весьма редких элементов, ее среднее содержание в земной коре (кларк) близко к 4,5·10-6% по массе. Приблизительно в таких количествах она содержится в изверженных горных породах. Важную роль в геохимии Ртути играет ее миграция в газообразном состоянии и в водных растворах. В земной коре Ртуть преимущественно рассеяна; осаждается из горячих подземных вод, образуя ртутные руды (содержание Ртути в них составляет несколько процентов). Известно 35 ртутных минералов; главнейший из них — киноварь HgS.

В биосфере Ртуть в основном рассеивается и лишь в незначительных количествах сорбируется глинами и илами (в глинах и сланцах в среднем 4·10-5%). В морской воде содержится 3·10-9% Ртути.

Самородная Ртуть, встречающаяся в природе, образуется при окислении киновари в сульфат и разложении последнего, при вулканических извержениях (редко), гидротермальным путем (выделяется из водных растворов).

Получение Ртути.

Ртутные руды (или рудные концентраты), содержащие Ртуть в виде киновари, подвергают окислительному обжигу

HgS + О2 = Hg + SO2.

Обжиговые газы, пройдя пылеуловительную камеру, поступают в трубчатый холодильник из нержавеющей стали или монель- металла. Жидкая Ртуть стекает в железные приемники. Для очистки сырую Ртуть пропускают тонкой струйкой через высокий (1-1,5 м) сосуд с 10%-ной НNО3, промывают водой, высушивают и перегоняют в вакууме.

Возможно также гидрометаллургическое извлечение Ртути из руд и концентратов растворением HgS в сернистом натрии с последующим вытеснением Ртути алюминием. Разработаны способы извлечения Ртуть электролизом сульфидных растворов.

Применение Ртути

Ртуть широко применяется при изготовлении научных приборов (барометры, термометры, манометры, вакуумные насосы, нормальные элементы, полярографы, капиллярные электрометры и других), в ртутных лампах, переключателях, выпрямителях; как жидкий катод в производстве едких щелочей и хлора электролизом, в качестве катализатора при синтезе уксусной кислоты, в металлургии для амальгамации золота и серебра, при изготовлении взрывчатых веществ; в медицине (каломель, сулема, ртутьорганические и других соединения), в качестве пигмента (киноварь), в сельском хозяйстве (органические соединения Ртути) в качестве протравителя семян и гербицида, а также как компонент краски морских судов (для борьбы с обрастанием их организмами). Ртуть и ее соединения токсичны, поэтому работа с ними требует принятия необходимых мер предосторожности.

Ртуть в окружающей среде.

Ртуть — это химический элемент и человек не может ни создать, ни уничтожить ее. Ртуть попадает в окружающую среду при извержениях вулканов и встречается вземной коре, часто в виде солей, таких как сульфид ртути. В незагрязненных почвах ртуть встречается в крайне малых количествах, со средней концентрацией порядка 100 частей на миллиард. В скальных породах концентрация ртути может составлять от 10 до 20.000 частей на миллиард. Многие различные виды человеческой деятельности приводят к извлечению ртути из земной коры для тех или иных целей, а это приводит и к выбросам ртути в глобальную окружающую среду.

Поскольку элементарная ртуть обладает высоким поверхностным натяжением, во внешней среде она образует небольшие компактные сферические капли. Хотя сами по себе эти капли стабильны, но высокое давление пара ртути по сравнению с другими металлами приводит к ее испарению. При разливе в помещениях ртуть может быстро создать опасность проникновения в организм человека при вдыхании. Вне помещений элементарная ртуть испаряется и попадает в атмосферу.

Многие различные виды человеческой деятельности приводят к извлечению ртути из земной коры для тех или иных целей, а это приводит и к выбросам ртути в глобальную окружающую среду.

Элементарную ртуть для применения человеком могут производить из руды известной под названием киноварь, которая содержит высокую концентрацию сульфида ртути. Элементарная ртуть может также производиться в качестве побочного продукта при добыче и очистке таких металлов как медь, золото, свинец и цинк. Кроме того, ртуть может извлекаться из вторичных источников, а иногда ее извлекают при очистке природного газа или из других видов ископаемого топлива.

По оценкам, примерно треть всей ртути, циркулирующей в глобальной окружающей среде, имеет естественное происхождение, а примерно две трети связаны с выбросами в результате промышленной деятельности или другой деятельности человека. Помимо вулканических извержений, к естественным источникам ртути относится также выветривание горных пород и почвы.

Объем ртути, циркулирующей в атмосфере, почвах, озерах, водотоках и океанах планеты с начала промышленной эры увеличился в два — четыре раза. В результате этого концентрации ртути в окружающей среде достигли опасно высокого уровня.

Различные виды деятельности человека приводят к выбросу ртути в окружающую среду. Ртуть присутствует в ископаемом топливе, в рудах металлов и в других минералах. При сжигании угля большая часть содержащейся в угле ртути выделяется в окружающую среду. Ртуть выделяется в окружающую среду также при добыче и обогащении рудного сырья и при производстве цемента. При любом целенаправленном производстве и применении ртути большая ее часть рано или поздно испаряется и попадает в атмосферу. В настоящее время наиболее масштабным целевым применением ртути является малотоннажная добыча золота. Иногда ртуть также используется в качестве катализатора или исходного сырья в химической промышленности или в других отраслях. И наконец, ртуть и ее соединения присутствуют в самых разнообразных промышленных и потребительских продуктах.

После попадания ртути в атмосферу она переносится с ветром и в конечном итоге выпадает на землю. Находясь в воздухе, ртуть до выпадения на землю может перемещаться на короткие или на очень большие расстояния, она может даже обогнуть весь земной шар. Часть ртути, выпадающей на поверхность воды или на землю, впоследствии может испаряться, снова переноситься с воздушными массами и выпадать в других местах. Ртуть, которая выпадает на землю и не испаряется, скорее всего будет связываться органическими соединениями.

В России, в поселке Амдерма ( Ненецкий АО) расположена крупная станция мониторинга окружающей среды, которая передает данные для отслеживания годовых колебаний концентраций загрязняющих веществ в атмосфере.

Рис.1. Пример результата наблюдений концентрации элементарной ртути Hgº в районе п.Амдерма.

Некоторая часть ртути связывается торфом или почвой. Остальная ртуть в конечном итоге переносится ручьями и реками в озера и океаны. В водной среде элементарная ртуть вероятнее всего будет связываться взвешенными частицами и переноситься реками и океаническими течениями. Часть ртути остается в растворенном состоянии в водной толще. В водных экосистемах микроорганизмы могут превращать элементарную ртуть в метилртуть — металлорганическое соединение, которое в малых дозах гораздо токсичнее чистой ртути. Метилртуть попадает в пищевые цепи водных экосистем, она подвергается биоаккумуляции и биоконцентрации и переносится мигрирующими видами.

Одним из источников поступления ртути в атмосферу является дегазация земной коры. В атмосфере постоянно содержится 200-250 т ртути. Ртуть содержится примерно в равных количествах в виде паров и в аэрозольном состоянии. Время нахождения ртутных паров в атмосфере колеблется от 0,4 до 3 лет. В слабозагрязненном воздухе концентрация ртути составляет 0,8-1,2 нг/м3, в районах крупных ртутных месторождений — до 240 нг/м3, в районах газовых месторождений — до 70000 нг/м3, в то время как среднее содержание ее в атмосфере 0,5-2,0 нг/м3. Содержание ртути в воздухе вокруг предприятий, производящих или потребляющих ртуть, на расстоянии до 2 км может превышать ПДК в 4-5 и более раз. В радиусе 5 км от организованного источника выпадает не более 6-10 % валового выброса ртути, около 60 % переносится на расстояние до 100 км.

О масштабах ртутного загрязнения воздуха закрытых помещений свидетельствуют результаты обследования образовательных и медицинских учреждений. Более чем в половине из охваченных обследованием нескольких сотен школ имеются источники и очаги ртути. Каждый второй объект из больниц, поликлиник и стоматологических кабинетов показывает наличие ртути и ее паров. В жилых помещениях, где разбивался хоть один термометр, концентрация паров ртути спустя годы превышает ПДК. В связи с этим должна быть выработана система общегосударственных мероприятий по наблюдению, контролю и ликвидации ртутных загрязнений.

В геохимических циклах ртути большую роль играет ее атмосферный перенос. Из техногенных источников ртуть поступает в окружающую среду преимущественно с атмосферными осадками.

Рис.2 Геохимический цикл ртути

Таблица 1. Концентрация ртути в атмосферном воздухе фоновых районах мира (нг/м³)

Местность

Концентрация (нг/м³)

Европа

Норвегия (Биркенес)

4,30

Швеция (сельская местность)

2,0- 6,0

Швеция(отдаленные районы)

2,0- 9,0

Англия (сельская местность)

1,3- 2,7

Бельгия

5,1- 16,0

Италия (сельская местность)

1,2- 4,1

Германия

7,7

Болгария, Рожен

3,6

Польша

14

Азия

Барузинский БЗ

3,8- 15,0

Боровое

6,6- 19,0

Ледник Абрамова

4,2- 7,0

Чаткальский БЗ

3,2- 35,0

Китай

2,0- 28,0

Япония

3,0- 8,7

Северная Америка

США (Восточное побережье)

0,06- 2,0

США ( сельская местность)

4

США (городская местность)

7

США ( побережье)

0,7

Канада

Канада ( сельская местность)

3

Тихий океан

О-ва Самоа

0,008 (аэрозоль)

Пролив Лонг- Айленд

0,4

Экватор.часть Тихого океана

0,8- 3,2

Тихий океан (тропики)

0,8- 3,2

Атлантический океан

Северная Атлантика

1,0- 1,9

Одним из основных источников загрязнения атмосферы ртутью является сжигание различных отходов. В продуктах горения угля около 20-50 % находится в виде элементарной ртути (Hg(0)), а около 50-80 % — Hg(+2) (в виде HgCl2). При сжигании других видов отходов соотношение форм Hg(0) и Hg(+2) составляет 10-20 и 75-86 % соответственно. Распределение ртути между этими двумя формами в газовых выбросах зависит от концентраций взвешенного C, HCl и других загрязняющих веществ. Величина и характер выбросов ртути из источников горения определяются как формами ее существования в газовом потоке, так и механизмом контроля выбросов, т.е. применяемыми очистными фильтрами и системами поглощения.

Hg+2 хорошо растворима в воде и поэтому может удаляться из загрязненной выбросами атмосферы при сухом или мокром осаждении вблизи источника загрязнения. Сочетание высокого давления пара и низкой растворимости в воде способствует переносу Hg в атмосфере на дальние расстояния. Фоновое содержание ртути в атмосфере обусловлено в основном присутствием Hg(0). Она удаляется из атмосферы при сухом выпадении на земную поверхность и мокрым осаждением после окисления Hg(0) и ее переводав водорастворимую Hg+2.

Рис. 3. Трансформация ртути в биосфере

Ртуть в воде.

В Мировом океане накоплено около 50 млн т соединений ртути, а естественный вынос ртути в океан в результате эрозии составляет 5 тыс. т в год. При ПДК для поверхностных вод 0,0005 мг/л концентрации растворенной ртути в природных водах варьируют от нанограммов до микрограммов в литре (для незагрязненных водных экосистем менее 1 мкг/л). При этом в хорошо аэрируемых водах, для которых окислительно-восстановительный потенциал среды Е(h)>0,5, преобладает двухвалентная ртуть (в виде Нg(+2) или CH3Hg+), а при восстановительных условиях — Hg(0). При интенсивном взаимодействии ртути с твердыми взвешенными частицами размером менее 0,45 мкм доля связанной ртути в 10 тыс. раз больше, чем растворенной. В донных отложениях ртуть практически полностью связана с фракцией частиц диаметром менее 20 мкм. Среднее фоновое содержание растворенной ртути в реках и озерах составляет 0,09 мкг/л и взвешенной ртути — 0,23 мкг/л.

Основной путь попадания ртути в водные экосистемы — сбросы сточных вод в виде гомогенных и коллоидных растворов и взвесей. Количество антропогенной ртути, поступающей в поверхностные водные экосистемы, составляет 57 тыс. т, что в 10 раз превышает поступление из природных источников. В водных экосистемах катионы ртути образуют большое количество устойчивых комплексных соединений с различными органическими и неорганическими лигандами.

Закономерностей в распределении Hg по площади не установлено. Содержание Hg-взвеш зависит от содержания взвешенного вещества. Оно обычно минимально ранней весной, несколько повышается летом, падает осенью и повышается в периоды зимних штормов. Основными источниками поступления ртути являются: региональный привнес в виде мокрых и сухих осадков, поступление из городских районов, привнес реками, незначительная доля приходится на подземные воды.

Ртуть в почве.

Загрязнение почв ртутью определяется функционированием предприятий цветной металлургии, применением ртутьсодержащих фунгицидов, использованием сточных вод в целях орошения и разработкой месторождений ртути. Накопление ртути в окружающей среде некоторые авторы связывают с применением соединений ртути в сельском хозяйстве. В настоящее время соединения ртути в большинстве стран используются практически только в качестве протравителей семян.

Наиболее широкое применение получили различные соли метилртути, этилртути, метоксиэтилртути и фенилртути. Ртуть в почвенном покрове распределяется неоднородно, концентрации ее зависят от уровня содержания ртути в почво-образующих породах и колеблется в пределах 0,005-1,275 мг/кг (Сибирь), 0,005-0,46 мг/кг (США). Распределение ртути по профилю зависит от свойств почв — гранулометрического, количественного и качественного состава органического вещества, рН среды, содержания карбонатов.

Высокие концентрации ртути наблюдаются в почвах на территории вблизи ртутных месторождений, особенно находящихся над рудными телами. В почвах ртутных ореолов рассеяния содержание ртути в 2-3 раза выше фоновых значений. Большое влияние на закрепление ртути в почве оказывают органические вещества. В одном и том же элементарном ландшафте ртуть в большей степени аккумулируется в обогащенных органикой участках. Вниз по разрезу доля ртути, переходящей в солянокислую вытяжку, увеличивается с уменьшением количества гумуса. Таким образом, процессы перераспределения ртути в малом цикле почва — растение усиливают депонирующую роль почвы и ее информативность для выявления загрязнения окружающей среды.

В почвах большая часть ртути связана с гуминовыми кислотами и гумином, которые являются основной Hg-депонирующей фазой. Меньшие количества ртути найдены в подвижных фракциях гумуса-фульвокислотах (ФК) и свободных (агрессивных) ФК (СФК). Доля Hg-ФК и Hg-СФК сравнима с Hg-гумином и Hg-ГК в городских почвах. Городские почвы обогащены подвижными формами Hg. Среднее содержание Hg в верхних горизонтах почвы составляет 0,23-0,25 мг/кг.

Влияние гуминовой кислоты (ГК) на загрязнение красной и аллювиальной почв изучены в Китае. При этом выявлено, что в аллювиальной почве при содержании ГК >0,2 г/кг в растениях не обнаружена усвоенная ртуть (предел определения <2,5 мкг/кг), хотя количество вносимой в почву ртути составило 8 мкг/кг. Количество усваиваемой ртути уменьшается с увеличением содержания ГК в красной почве. В исследованных почвах установлена значительная положительная корреляционная связь между содержанием ГК и Hg-орг (коэффициент корреляции для красной почвы — 0,974, для аллювиальной — 0,979), что объясняется образованием металлоорганических соединений. Увеличение содержания ГК в почве снижает количество Hg, усваиваемой растениями, именно из-за связывания последней в органический комплекс; это также значительно снижает масштаб выноса Hg из почвы. Эта закономерность особенно четко проявляется в аллювиальной почве с более низким содержанием глинистой фракции. Использование ГК в качестве вещества, контролирующего перенос Hg в сильно загрязненных почвах, предотвращает ее попадание в пищевую цепь. Деятельность микробов может преобразовать металлоорганический комплекс Hg(II) в Hg(0) с последующей миграцией ртути в атмосферу путем испарения. Определение формы содержания тяжелых металлов в почве дает возможность прогнозировать их поведение и разработать методики для очистки загрязненных почв.

Органические соединения ртути используются в сельском хозяйстве в качестве фунгицидов, пестицидов, а также в фармацевтической промышленности. В основе рекультивации земель, загрязненных ртутью, лежит перевод ртути в химически и биологически малоактивные формы. Использование биохимического метода основано на использовании растений — концентратов селена. Они способствуют «вытягиванию» ртути из более глубоких в верхние горизонты почвы и затем превращают ее в малорастворимый селенид ртути, не участвующий в биохимических процессах. Как полагают, эти растения могут найти применение для перевода ртути в биологически неактивный селенид при лечении ртутных интоксикаций.

Ртуть в растениях.

Наличие остаточных токсикантов в почве, в частности, тяжелыx металлов, может вызвать загрязнение растений, произрастающих на ней. Загрязнение почвы ртутью оценивается вблизи источника загрязнения, а доступность ртути — по степени ее поглощения растениями. По валовому количеству ртути в почве нельзя судить о степени ее поглощения растениями, поскольку доступность элемента зависит от многих параметров, среди которых рН, количество органического вещества и карбонатов в почве.

Растения чаще всего содержат ртуть в меньших количествах, чем почвы, но в процессе минерализации растительных остатков возможно накопление ртути в верхних горизонтах. Величина отношения корни/надземная часть обычно меньше 1. Тонкие корни в большей степени, чем крупные, накапливают ртуть и играют роль барьера. В дерновом горизонте почв наблюдается отчетливое увеличение содержания ртути в надземных и корневых органах растений (0,018-3,0 мг/кг) по мере повышения ее концентрации в почве. Минимальное содержание Hg (0,01-0,02 мг/кг) накапливается в растениях, произрастающих на почвах с низкими концентрациями ртути (до 0,10 мг/кг).

Исследования миграции ртути в системе атмосфера — растение — почва в Байкальском регионе показали, что ртуть, поступающая из атмосферы в виде паров, сорбируется хвоей и прочно удерживается ею. При введении ртути в крону в виде азро-гидрозоля дальнейшее ее поведение определяется степенью общей минерализации аэрогидрозоля, а не концентрацией в нем ртути. При низкой минерализации ртуть ведет себя так же, как и газообразная; если минерализация достаточно высока, то ртуть, связанная хвоей, быстро распределяется по всему растению и через сутки поступает в заметных количествах в почву, а из почвы — снова в атмосферу. По санитарным нормам РФ содержание соединений ртути в растениях (картофель, овощи, зерновые) лимитируется на уровне 0,02-0,03 мг/кг. Ртуть на организменном, клеточном, субклеточном, ферментном и молекулярном уровнях вызывает различные негативные экотоксикологические эффекты — ингибирование клеточного дыхания,понижение ферментной активности и др.

Концентрация ртути в листьях и ризомах водорослей Thalassia testudinum из различных пунктов вблизи побережья Венесуэлы колеблется в пределах 3-6 и 8-15 ч/млн соответственно при ее концентрации в донных отложениях 6-9 ч/млн. На участках с повышенным общим уровнем антропогенного загрязнения морской среды концентрация ртути в донном грунте достигала 26-37, а в листьях и ризомах водорослей соответственно 16-30 и 21-47 ч/млн. Из этого следует, что ризомы водорослей способны накапливать ртуть из загрязненного ею донного грунта и могут служить ее источником для многих эпифитных организмов.

Ртуть в концентрациях более 557 мг/кг обнаружена в корнях и побегах водных и наземных растений в зоне расположения завода по производству поташа. Отмечена корреляция содержания в растениях с концентрациями ртути в почве и воде. Наибольшей устойчивостью к токсическому действию ртути обладают Cyperus rotundus, Cynodon dacrylon и Chloris barbata (в порядке увеличения). Среди водных растений максимальная концентрация Hg обнаружена в корнях и побегах Marsiela sp. и Paspalum scrobiculatum, а минимальная — у Васора monniera. Большинство наземных растений характеризуется разной концентрацией Hg в корнях и надземных органах. Биоаккумуляции Hg в растениях риса, выращенного на прилегающих к заводу полей, не установлено, однако она определена в капусте и амарантусе, произраставших на одном из наиболее загрязненных участков. Полученные результаты свидетельствуют о мозаичном распределении участков повышенного загрязнения Hg в зоне расположения завода по производству поташа.

Токсикологические эффекты ртути

Наибольшую опасность представляют соединения ртути, которые в некоторых объектах окружающей среды накапливаются в довольно существенных количествах и попадают в пищевые цепи человека с водой и пищей (рыба). Примером могут служить массовые отравления населения Японии (болезнь Минамата) ртутью в 1943-1970 гг. из-за слива заводом Тиссо большого количества сточных вод, загрязненных солями метилртути. Соли двухвалентной ртути, особенно органическая ртуть, легко поглощаются водными организмами. Водные беспозвоночные, и особенно водные насекомые, накапливают ртуть в высоких концентрациях. Рыба также поглощает этот металли удерживает его в тканях главным образом в виде метилртути. Содержание ртути в морских животных, обитающих около Атлантического побережья Канады, характеризуется следующими данными таблицы.

Таблица 3. Накопление ртути в организмах морских животных

Вид

Содержание ртути (мг/ кг)

Треска

0,02- 0,23

Крабы

0,06- 0,15

Сельдь

0,02- 0,09

Тунец

0,33- 0,86

Кабала

0,07- 0,17

Лангуст

0,08- 0,20

Меч- рыба

0,82- 1,0

Устрица

0,02- 0,14

Моллюски

0,02- 0,11

Приведенные данные свидетельствуют о высоком содержании ртути в рыбе и организме других животных. Ртуть в количестве 0,1-0,7 мг/кг обнаружена также в рыбе у берегов Дании, Швеции, Греции, Югославии, Турции, Канады Перу, США. В воде озер Северной Америки содержание ртути составляло 0,09-1 мкг/л, а в рыбах (щука, налим) 9,16-12,13 мг/кг. Отмечается, что переход ртути из воды в организм рыбы сильно зависит от рН воды. При более низком рН поглощение и накопление соединений ртути в рыбах протекает более интенсивно. Если при рН 5,0 за определенное время в рыбе накапливается 2,7 мг/кг ртути, то за такое же время при рН 7,5 — всего лишь 0,4 мг/кг.

Методом атомно-абсорбционной спектрометрии в 1988-1989 гг. установлены выраженные межвидовые и пространственные различия концентрации ртути в бентосных беспозвоночных, свидетельствующие о загрязнении водной среды Гданьского залива и прилегающих вод ртутью, попадающей из диффузных источников на побережье. Максимальная концентрация общей ртути, достигавшая 0,24 мг/кг, зарегистрирована в мягких тканях моллюсков. В целом концентрация ртути у отдельных видов растений и животных оставалась в пределах 0,015-0,13 и 0,002-0,02 мг/кг в перерасчете на сухой и сырой вес ткани соответственно, что сопоставимо с минимальным уровнем загрязнения ртутью тех же видов, зарегистрированным другими авторами в Балтийском море за пределами Гданьского залива.

В 1975-1981 гг. в морской камбале (Pleuronectes platessa) регистрировались высокие концентрации Hg (0,38 мг/кг) при выраженной индивидуальной изменчивости загрязнения. После 1982 г. концентрация Hg снизилась до уровня 0,23 мг/кг, что в целом на 40 % меньше, чем в предшествующий период. В речной камбале (Platichthys flesus) в ходе 15-летних наблюдений регистрировали устойчивое снижение уровня Hg с 0,18 мг/кг в 1971 г. до 0,06 мг/кг в 1990 г. В 1971-1972 гг. концентрация Hg в 10 % особей превышала максимально допустимый уровень 0,3 мг/кг (после 1973 г. такие особи не регистрировались). Уровень загрязнения ртутью лиманды (L. Limanda) на протяжении того же периода оставался практически постоянным (0,09-0,13 мг/кг), а случаи превышения допустимого уровня не отмечались.

Полученные результаты свидетельствуют о снижении уровня загрязнения ртутью прибрежных вод.

В связи с наличием ртути в рыбах и других морских организмах значительные количества обнаружены в диких птицах, особенно тех, что питаются морскими организмами. У некоторых перелетных птиц обнаружено от 6 до 97 мкг/кг ртути, однако подобные концентрации не опасны. Формы, в которых ртуть накапливается в организмах птиц, разнообразны и зависят от вида, органа и места обитания.

Анализ содержания ртути в перьях морских птиц Северной Атлантики показывает наличие тенденции к уменьшению концентрации ртути с юго-запада на северо-восток. Наибольшие концентрации ртути найдены в перьях тупиков (1,5-11,4 мг/кг) и трехпалых чаек (1,7-6,8 мг/кг) вне зависимости от района их обитания. Наименьшие количества ртути обнаружены в перьях кайр (0,5-2,2 мг/кг). Промежуточные значения загрязнения пера ртутью отмечены у гагарок (0,8-5,8 мг/кг).

При поступлении ртути в организм человека в повышенных концентрацияхона способна накапливаться во внутренних органах — печени, почках, сердце и головном мозге. В организм человека ежесуточно с пищей и жидкостью поступает 15 мкг ртути, с воздухом — 1 мкг. Интоксикация происходит в основном через дыхательные пути, что обусловлено высокой летучестью ртути.

Таблица 4. Суточное потребление микроэлементов человеком при смешенном питании в зависимости от пола

Вдыхаемые элементарная ртуть и ее неорганические соединения всасываются на 80-85 %. В желудочно-кишечном тракте человека элементарная ртуть практически не всасывается, а неорганические соли всасываются в количестве 8-15 %, метилртуть — практически полностью. Соли и кислород воздуха, содержащиеся в крови, способствуют погло щению ртути, ее окислению и образованию ртутных солей. Токсическое действие оказывают главным образом ионы ртути и ее органические соединения. Сложные органические соединения ртути распадаются значительно быстрее, чем простые, и выводятся в основном с мочой. Биологический период полувыведения неорганических соединений ртути — 30-60 суток, для ртути, содержащейся в пище, — 70 суток, для метилртути, содержащейся в рыбе, — 200 суток. Ртуть накапливается в почках (0,2-2,8 мг/кг), печени (0,2-03 мг/кг), головном мозге (0,1 мг/кг). Концентрация ртути в цельной крови — 1′ 50 мкг/л, плазме — 2-3, женском молоке — 0,05-18, моче — 3 12, волосах — 0,2-38 мг/кг. Относительное содержание ртути в эритроцитах одного и того же человека может меняться более чем в 5 раз. Выводится ртуть в основном с мочой (0-35 мкг/сут.), с фекалиями выделяется до 10 мкг /сут, с волосами — 0,9 мкг/сут., некоторое количество — с потом.

Методы исследования концентрации ртути

Ртуть является одним из самых опасных загрязняющих окружающую среду металлов. Практически во всех странах она входит в «черные списки» химических веществ, подлежащих особому экологическому и гигиеническому контролю. Ртутьсодержащие отходы по степени токсичности относятся к I классу опасности, представляя собой, по образному выражению, химическую бомбу замедленного действия. Ртуть уже отметилась несколькими экологическими трагедиями, наиболее известными из которых являются массовые заболевания и гибель людей в Японии в районе Минаматы и в Ираке. Атмосферные выпадения приводят к тому, что большая часть ртути осаждается в озерах и других водных объектах. Для изучения этого процесса в сельских местностях штатов Миннесота, Северная Дакота и Мичиган (США) были созданы 7 станций, проводивших мониторинг ртутного осаждения.

Трехлетнее исследование показало, что величина ртутного выпадения зависит от скорости осаждения больших концентраций ртути летом. Оценки ежегодных выбросов ртути в штате Миннесота показывают, что величины осаждения в последние годы превышают показатель 1990-1992 гг. приблизительно в 2 раза. Поэтому, исследование концентрации ртути так важно для человечества. Исследуя концентрацию ртути на региональном уровне, можно проследить динамику ее повышения и понижения в отдельных регионах и в мире в целом.

Измерения проводятся методом атомно- абсорбционной спектрометрии (ААС). Он основан на резонансном поглощении света свободными атомами, возникающем при пропускании пучка света через слой атомного пара. Для проведения экспериментов используются атомно- абсорбционные спектрометры 2 видов. Принципы их действий основаны на измерении величины поглощения луча света, проходящего через атомный пар исследуемой пробы. Для превращения исследуемого вещества в атомный пар используется атомизатор. В качестве источника света используется различные узкополосные источники света. Для достижения наилучшего результата необходимо соблюдать правила, сформулированные Уолшем:

  1. длина волны, соответствующая максимальному поглощению атомных паров, должна быть равна длине волны максимальной интенсивности излучения источника

  2. полуширина линии поглощения атомных паров должна быть по крайне мере в два раза больше полуширины линии испускания источника

Измерения проводятся в заранее подготовленных растворах осадков и проб воздуха. Объектами измерений являются отобранные пробы воздуха и осадков со станций комплексного фонового мониторинга. Отбор производится в относительно чистой местности. После процедуры отбора герметично закрытые емкости направляются в лабораторию для проведения дальнейшего анализа.

Целью данного эксперимента является ознакомления с методикой определения газообразной ртути в атмосферном воздухе атомно- абсорбционным методом.

Описание прибора.

Переносной экологический газортутный анализатор ЭГРА-01 используется для определения содержания ртути в атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны и оперативного обнаружения местоположения источников ртутного загрязнения в помещениях или на открытой местности.

Анализатор газортутный экологический ЭГРА-01 представляет собой атомно-абсорбционный спектрометр с предварительным накоплением ртути на золотом сорбенте.

Поглощение оптического излучения атомами ртути измеряется на длине волны резонансной линии λ = 253,7 нм. Источником излучения служит безэлектродная ртутная лампа низкого давления ВСБ-2, работающая в режиме тлеющего разряда.

Для определения концентрации паров ртути в атмосферном воздухе исследуемый воздух аспирируется в течение 24 ч с расходом 1,2-1,5 дм3/мин через защищенный от прямых солнечных лучей, установленный вертикально отверстием вниз на высоте 1,5 м амальгаматор.

После окончания пробоотбора амальгаматор герметизируют стекляными ловушками, маркируют и фиксируют в рабочем журнале объем аспирированного воздуха. Максимальный срок хранения экспонированных амальгаматоров до измерения не более 2 месяцев при пониженной температуре.

Измерение количества ртути в амальгаматоре выполнялось следующим образом:

— собиралась проточная система в следующей последовательности: поглотительный патрон, экспонированный амальгаматор, осушитель (патрон с перхлоратом магния), измерительный амальгаматор, ротаметр, микрокомпрессор, система замыкалась шлангом (длина силиконовых коммуникаций должна быть минимальной), через систему амальгаматоров подавался при помощи микрокомпрессора очищенный поглотительным патроном воздух, в направлении от экспонированного амальгаматора к измерительному, с расходом 0,5 дм3/мин;

— экспонированный амальгаматор помещался в трубчатую печь, предварительно нагретую до 700 оС, в течение 3 мин выделяющуюся при нагревании серебра ртуть током воздуха переносилась на измерительный амальгаматор, по окончании переноса ртути амальгаматор извлекался из печи, после охлаждения отсоединялся от системы и закрывался заглушками;

— в приборе выделившаяся ртуть поступала в кювету спектрофотометра

— на экран выводились значения концентраций, которые вносились в рабочий жур

Измерение газообразной ртути в осадках.

Целью данного эксперимента является ознакомления с методикой определения растворимой ртути в осадках атомно- абсорбционным методом.

Измерение концентрации ртути выполнялись в следующей последовательности:

1) Спектрометр настраивался на измерение ртути в соответствии с рекомендациями, изложенными в руководстве по эксплуатации

2) Открывался журнал для измерения, ему давалось соответствующее имя, вводилась калибровка, проверялись интенсивность излучения лампы и параметры режима нагрева печи;

3) Готовились раствор восстановителя, холостой раствор и градуировочный раствор с концентрацией, близкой к предполагаемой концентрации элемента в рабочих пробах;

4) Выполнялась очистка генератора и восстановителя, устанавливался стакан с восстановителем на его рабочее место, в стакан для пробы дозатором вносились 10 см3 холостого раствора и выполнялось измерение

— в стакан для проб дозатором вносились 10 см3 холостого раствора, микродозатором была добавлена аликвота раствора ртути (градуировочный раствор) и выполнялось ее измерение.

Измерение каждой пробы повторялось несколько раз;

— для концентраций, выходящих за линейную область градуировочной характеристики проводилось разбавление пробы фоновым растворм, степень разбавления пробы фиксировалась в журнале измерений;

— измерение холостой пробы выполнялось для проверки чистоты реактивов, которыми консервируют рабочие пробы после их отбора, вычитание концентрации холостой пробы из концентрации рабочей выполнялось в том случае, если концентрация значима для дозируемого объёма рабочей пробы;

Статистическое изучение загрязнения атмосферы

Статистические методы- мощный инструмент исследования практически в любой отрасли знаний. В экологии статистика используется с начала регулярных мониторинговых наблюдений, главным образом в виде средних и экстремальных значений. Однако по средним и экстремальным величинам удается представить лишь общий характер, но нельзя выявить структурные особенности распределения элементов во времени и пространстве и, следовательно, невозможно установить объективные закономерности атмосферных процессов, формирующие атмосферу, или другие компоненты географической среды.

Наблюдаемые или расчетные оценки параметров атмосферных процессов ,как правило, случайные величины. Наиболее полной характеристикой случайных величин является функция распределения, описание которой выполняется на основе так называемых моментных характеристик, в которые кроме средней входят квадратическое отклонение, коэффициенты вариации, асимметрии и эксцесса. Удачно подобранная на основе этих параметров функция распределения позволяет решать большое количество задач, связанных с диагнозом состояния атмосферы и прогноза ее загрязнений. Особенно эффективные результаты получаются при совместном анализе статистических результатов, физическом, географическом и химическом анализе процессов, их определяющих.

Наиболее важны в прикладном смысле четыре задачи математической статистики:

  1. Построение неизвестных эмпирических и теоретических функций распределений по эмпирическим выборочным наблюдениям.

  2. Оценка неизвестных параметров по результатам наблюдений или по известной кривой распределения.

  3. Выбор и аппроксимация связей.

  4. Статистическая проверка разного рода гипотез, связанных с точностью оценок параметров, связей, однородностью исходной информации, районирования и т.д.

Для того, чтобы статистические данные получились наиболее точными, необходимо соблюдать ряд условий:

— Точно описывать исходные данные, использованные для исследования (концентрацию, район, пукт, период и возможности погрешности наблюдений);

— Учитывать все свойства данных- погрешности расчетов, отклонения, рассеяния, внутрирядную и пространственную связанность, ошибки группировки, условия стационарности;

— Выбирать статистические методы с учетом свойств и целей анализа, подробно их записывать, включая допущения;

— Критически оценивать статистическую значимость результатов, принимая во внимание внутрирядную и пространственную связанность, сглаживание, а также искусственный отбор данных;

— Проверять полученный результат и выводить физические гипотезы на одном или более независимых наборах данных или на подмножества первичных данных.;

— Оценивать практическое значение результата, например ту долю ощей изменчивости, которую можно предсказать или объяснить;

— Не преувеличивать статистическое и практическое значение результатов;

Обзор измерений газообразной ртути в атмосфере. Сети наблюдений

Концентрация примесей тяжелых металлов в атмосфере подвержена непрерывным изменениям в результате нелинейного взаимодействия процессов, протекающих в атмосфере, океане, криосфере, биосфере и на поверхности континентов, а также обусловленных внешними воздействиями. Чтобы понять причины этих изменений и создать средства для их предсказания в будущем, очень важно проводить непрерывные и скоординированные наблюдения за атмосферой. Мониторинг атмосферы требует интегрального подхода к организации наблюдений за климатом, океаном и поверхностью земли. Не существует единой технологии, которая позволяла бы получить всю необходимую информацию. Большинство информации поступает ученым из ГСА. Поэтому глобальная система наблюдений за климатом является комплексной и составлена из средств наблюдений, размещенных на континентах, морских судах, плавающих буях, зондах, самолетах и спутниках. В рамках существующих международных программ ведется большая работа по организации систем прямых и дистанционных наблюдений за примесями в атмосфере, океане и на поверхности земли, сбору этих данных, их архивации, а также по обеспечению свободного доступа к ним.

Глобальная служба атмосферы (ГСА). Основными целями ГСА являются:

— Проведение систематических комплексных наблюдений за химическим составом и отдельными физическими характеристиками атмосферы в глобальном и региональном масштабах;

— Представление данных для прогноза будущего состояния атмосферы;

— Анализ и оценка состояния атмосферы для международных конференций.

Около 80 стран- членов ВМО участвуют в программе ГСА. Около 300 станций ГСА проводят измерения, из них 22 глобальные, остальные работают по программе региональных станций ГСА. Глобальные станции ГСА расположены в удаленных районах, не подверженных местному загрязнению атмосферы, характеризуют большие географические районы и проводят широкий спектр измерений в течение десятилетий.

Приоритетными являются измерения вертикального распределения озона, общего содержания озона, парниковых газов, химического состава атмосферы, осадков, аэрозолей, химически активных газов, ультрафиолетовой радиации. Региональные станции описывают состояние климата в небольших географических районах, не подверженных местному загрязнению атмосферы ( автотранспорт, хозяйственная деятельность и др.). Объем измерений на этих станциях ограничен. Данные в основном используются для оценки местных условий, таких как кислотные выпадения, перенос загрязняющих атмосферу газов и аэрозолей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анохин Ю. А., Остромогильский А. Х., Пословин А.Л., Белова Н. И. К вопросу об оценке качества информации о фоновом содержании минеральных веществ в атмосферном воздухе, снежном покрове и природных водах. – В кн.: Мониторинг фонового загрязнения природных сред, 1986, вып. 3, с. 228-243.

2. Бессонов В.В., Янин Е.П. Способы оценки и ремедиации загрязненных ртутью городских почв. Ртуть. Проблемы геохимии, экологии, аналитики. – М., 2005, с. 160-180.

3. Вейенберг, Д. Ртутное зарязнение- введение в проблему. Д. Вейенберг Экология.- 2010.- 154 с.

4. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды.- Изд. 2- е- М., 1984.- 560 с.

5. В.С Беленький., Экология и контроль состояния природной среды.- Л.: Гидрометеоиздат, 2007, 375 с.

9. Панкратов Ф.Ф., Коноплев А.В. Анализ долговременного мониторинга концентрации атмосферной ртути и метеорологических величин на полярной станции Амдерма. Жур. Метеорология и гидрология 2013 № 6. — 66 с.

Скачать оригинальный файл

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector