VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Усиление производственной деятельности человека – это одно из последствий загрязнение почвенного покрова. Как правило, в качестве основных загрязнителей почв выступают металлы и их соединения, радиоактивные элементы, кроме этого могут быть также удобрения и ядохимикаты, применяемые в сельском хозяйстве, транспорт, урбанизация. В настоящее время растет объем выбросов загрязняющих веществ антропогенного происхождения. И роль цветной металлургии в общей доле этих воздействий достаточно велика. [6]

Загрязнение территории микроэлементами определяется рассеивающей способностью атмосферы в отношении твердых частиц и зависит от объема выбросов, конфигурации источника, гранулометрического и химического состава пыли. Наиболее неблагоприятная обстановка складывается на расстоянии 0,5–1,5 км от заводов [4]

Целью нашего исследования является определение тяжелых металлов в почвах некоторых территорий Шушенского района Красноярского края и Республики Хакасия, находящихся в зоне влияния ОАО «САЗ»

Задачи исследования:

Изучить особенность влияния солей тяжелых металлов на окружающую среду и здоровье человека.

Выявить ионы тяжелыхметаллов в почвах химическими методами определения.

Гипотеза исследования: Мы предполагаем, что в почвах в зоне влияния Саянского алюминиевого завода накапливаются некоторые тяжелые металлы.

Объект исследования: почвы нескольких участков Шушенского района красноярского края и Республики Хакасия.

Предмет исследования: наличие тяжелых металлов в почвах.

Методы исследования: анализ литературы, проведение качественных реакций на ионы тяжелых металлов, приготовление и исследование почвенных вытяжек.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Глава I. Теоретические основы определения тяжелых металлов (ТМ) в почве

1.1. Определение понятия тяжелые металлы.

На сегодняшний день человечеству известны около 104 химических элементов, из которых 82 элемента - это металлы. Металлы занимают довольно большое место в жизни людей в разных сферах их жизнедеятельности: промышленной, биологической и экологической. Условно металлы подразделяются на тяжёлые, лёгкие и благородные.

На сегодня не существует единого мнения относительно количества металлов, относящихся к тяжелым, поскольку нет общих критериев для этой оценки. Но тем не менее, список тяжёлых металлов может быть сформирован в зависимости от их различных свойств и признаков. К ним относят:

Атомный вес. К этим металлам принадлежат более 40 элементов с атомной массой, превышающей 50а.е.м (г/моль).

Плотность. Беря в расчет этот критерий, тяжёлыми считаются те металлы, у которых плотность равна или превосходит плотность железа.

Коме этого объединить тяжелые металлы можно по биологической токсичности, негативно влияющей на жизнедеятельность человека и живых организмов. В этот список попадает порядка 20 элементов.

[8]

Следовательно, можно подытожить, что тяжелые металлы – группа металлов с атомной массой более 50. К ним относят и те металлы или металлоиды, которые являются стабильными и имеют плотность более 4,5 г/см 3, и их соединения. Кроме этого такие металлы какPb, Cd, Ni, Zn, Cu, Hg и другие относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ [2,5,6].

1.2. Источники загрязнения почв тяжелыми металлами

Общее загрязнение почв тяжелыми металлами имеет абсолютно разнообразные источники:

1) отходы металлообрабатывающей промышленности;

2) промышленные выбросы;

3) продукты сгорания топлива;

4) автомобильные выхлопы отработанных газов;

5) средства химизации сельского хозяйства и многоедругое.

Например, металлургические предприятия ежегодно выбрасывают в атмосферу а соответственно и на поверхность земли более 150 тысяч тонн меди, 120тонн цинка, около 90 тонн свинца, 12 тонн никеля, 1,5 тысячи тонн молибдена, около 800 тонн кобальта и около 30 тонн ртути. На 1 грамм черновой меди отходы медеплавильной промышленности содержат 2,09 тонн пыли, в составе которой содержится 15% меди, до 60% окиси железа и по 4% мышьяка, ртути, цинка и свинца. Отходы машиностроительных и химических производств содержат до 1000 мг/кг свинца, до 3000 меди, до 10 000 хрома и железа, до 100 г/кг фосфора и 100 г/кг марганца и никеля. [9].

Тяжелые металлы имеют особенность накапливаться в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах. Кроме этого они медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и выдувании почв. Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации металлов в почвах составляет продолжительное время: например, для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет.

Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Они сами и их соединения, как и другие химические элементы, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни. Перераспределение соединений тяжелых металлов происходит в большей степени в виде органическо-минеральной составляющей. Часть органических соединений, с которыми связываются металлы, представлена продуктами микробиологической деятельности. К слову, ртуть характеризуется способностью накапливаться в звеньях «пищевой цепи». Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества. Некоторые водоросли, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клетках. Ртуть, свинец, кадмий входят в общий перечень наиболее важных загрязняющих веществ окружающей среды, согласованный странами, входящими в ООН. [7]

Многими исследователями установлено, что содержаниетяжелых металлов зависит от состава исходных горных пород в почвах,состав которых связан в значительной мере со сложной геологическойисторией развития территорий. Почва зависит от химического составагипергенного преобразования, т.к. он представлено продуктамивыветривания горных пород и предопределен химическим составомисходных горных пород.

1.3. Влияние тяжелых металлов на окружающую среду и организм человека

Тяжелые металлы ядовиты даже вочень низких концентрациях, свое действие они проявляют в виде ионов - это подвижная форма. Как же происходит воздействие тяжелых металлов на окружающую среду. В чем особенность? Солитяжелых металлов, оседая на листьях, вызывают увеличение их плотности, деформацию, раннее опадение, мутации, заключающиеся в изменение формы листьев, цветов,плодов и т. п. Большинство растений через корневую систему поглощают их вместе с водойи тем самым получают губительную токсичную дозу этих элементов. Например, соли меди влияют на рост растений. Отравленныеже цинком, сбрасываютлистья. Кадмий, так же как медь, приводит к задержке роста, поражает корневую систему. Марганец нарушает кислородный обмену растений. Снижается урожайность многихплодово-ягодных пород и качество самих плодов.

Тяжелые металлы опасны тем, что обладают способностью накапливаться в организме, включаясь в обменные процессы, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, которые не подвергаются биологическому разложению. Эти вещества вызывают токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, оказывают мутагенное действие.Среди металлов выделяют токсичные – свинец, кадмий и ртуть. Они не имеют полезной роли в биологических процессах. Другие металлы – медь, марганец, цинк, хром, кобальт, железо необходимы организму в малых количествах, но в больших количествах тоже становятся опасными для организма. Всего выделяют более 40 тяжелых металлов и неметаллов. Их принято подразделять на классы опасности по убыванию токсичности:

1 класс опасности: мышьяк, кадмий, ртуть, бериллий, селен, свинец, цинк;

2 класс опасности: кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма;

3 класс опасности: ванадий, барий, вольфрам, марганец, стронций, железо.

1.4. Способы определения ионовтяжелых металлов

Для того, чтобы определить нахождение тяжелых металлов необходимо провести качественные реакции. Тяжелые металлы дают окрашенные соединения с растворами солей-реагентов. По характерному окрашиванию можно определить наличие в растворе того или ионного металла. Приведем примеры некоторых качественных реакций на тяжелые металлы.

Медь образует с раствором аммиака комплексное соединение – гидроксид тетраамминмеди (II) василькового цвета:

CuSO₄ + 4NH₃ * H₂O = [Cu(NH₃)₄]SO₄ + 4H₂O – Васильковый раствор

Кроме этого медь можно определить реакцией с желтой кровяной солью – гексациано ферратом(II)калия. В реакции образуется осадок темно-терракотового цвета гексацианоферрата (II) меди:

2CuSO₄ + K₄[Fe(CN)₆] = 2K₂SO₄ + Cu₂[Fe(CN)₆] ↓ – Темно-теракотовый осадок

Ионы железа +3 определяют реакцией с роданидом калия. Образуется раствор кроваво-красного цвета – комплексная соль гексароданоферрат (III)калия:

FeCl₃ + 6KCNS = K₃[Fe(CNS)₆] ↓ +3 KCl – кроваво-красный раствор.

Также ионы железа +3 дают характерное синее окрашивание с желтой кровяной солью – образуется берлинская лазурь – гексацианоферрат железа калия

FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] = KFe[Fe(CN)₆] ↓+ 3KCl – осадок Берлинская лазурь

Идентичный осадок берлинской лазури дают ионы железа +2 с красной кровяной солью:

FeSO₄ + K₃[Fe(CN)₆] = KFe[Fe(CN)₆] ↓+ K₂SO₄ – осадок Берлинская лазурь

Ионы свинца дают характерное желтое окрашивание – осадок хромата свинца с хроматом калия:

Pb(NO₃)₂ + K₂CrO₄ = PbCrO₄ ↓+2KNO₃ – Желтый осадок(приложение 1)

Глава II. Определение ионов тяжелых металлов в почве

2.1. Характеристика местонахождения объектов исследования. Отбор проб

ОАО «Саянский Алюминиевый завод» компании «РУСАЛ» (ОАО «САЗ») является градообразующим предприятием города Саяногорска Республики Хакасия, кроме этого предоставляет рабочие места близлежайшим населенным пунктам. Географически завод располагается в степной части Южно-Минусинской котловины на территории Бейского района, а так же прилегающего к нему Алтайского района республики Хакасия.

Основываясь на повторяемости направлении юго-западного господствующего ветра, для исследования были отобраны несколько участков, располагающихся восточнее саянского алюминиевого завода, в связи с тем, что потоки воздушных масс проходят через САЗ, захватывая частицы выбросов и аккумулируют их по перифериитерритории нахождения завода. В качестве нулевой пробы взята почва не входящая в периферию завода - долина р. Аскиз - граница лесостепного и горно-лесного поясов.

Участки были выбраны на достаточном удалении от оживленных автомобильных дорог наименее измененные хозяйственной деятельностью человека с целостным почвенным покровом на ровных и слегка возвышенных участках мезорельефа. (приложение 2)

2.2. Приготовление почвенных вытяжек.

Каждый высушенный на воздухе отобранный образец почвы отмерили в объеме 10мл, к образцу добавили 25мл воды, тщательно непрерывно перемешали в течение 2-3 минут, и оставили стоять 3-5минут, затем профильтровали. Готовую вытяжку использовали для проведения качественных реакций.

2.3. Химический анализ почвенных вытяжек на содержание тяжелых металлов.[3]

Список исследуемых тяжелых металлов был ограничен, в связи с отсутствием многих реактивов для обнаружения ионов тяжелых металлов и доступностью методик исследования. В связи с этим были проведены качественные реакции на ионы железа, свинца, меди.

Определение ионов железа Fe³⁺

К 1 мл почвенной вытяжке прибавили 2 капли соляной кислоты НСl, 2 капли пероксида водорода и 4 капли 50% раствора роданида калия KSCN. Перемешали и наблюдали за окраской. Метод чувствителен, можно определить до 0,02 мг/л.

Качественная реакция протекает по ионному уравнению: Fe³⁺ + 3SCN^- = Fe(SCN)_3. Примерное содержание железа можно определить по таблице 1.

Таблица 1

Примерное определение ионов железа Fe³⁺ в пробах снега

Окрашивание, видимое при рассмотрении пробирки сверху вниз на белом фоне	Примерное содержание ионов железа (Fe3+)
Отсутствие	менее 0,05
едва заметное желтовато-розовое	от 0,05 до 0,1
слабо желтовато-розовое	от 0,1 до 0,5
желтовато-розовое	от 0,5 до 1,0
желтовато-красное	от 1,0 до 2,5
ярко-красное	более 2,5

Обнаружение ионов свинца

1 способ.В каждую пробирку с почвенными вытяжками в объеме 1мл добавили по 1 мл 5%-ного раствора йодидакалия (КI). В присутствии ионов свинцадолжен выпасть желтый осадок.

2 способ.В пробирки налили 2-3 мл почвенной вытяжки. В каждую пробирку добавили 0,5мл дихромата калия и наблюдали за реакцией. В присутствии ионов свинца должен выпасть желтый осадок.

Обнаружение ионов меди

Ионы меди вступают в реакцию с раствором аммиака с получением характерного комплексного соединения лазурно-синей окраски:

CuSO₄ +2NH₄OH = Cu(OH)₂+(NH₄)₂SO₄

Cu(OH)₂ +4NH₃ *H₂О = [Cu(NH₃)₄](OH)₂+4H₂O

В фарфоровую чашку поместили 3-5 мл почвенной вытяжки, осторожно выпарили досуха и на периферийную часть пятна нанесли каплю концентрированного раствора аммиака. Появление характерной окраски указывает на наличие ионов меди в почве.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате определения ионов железа в пробах с Шушенского района было обнаружено железо в пробе № 6 (с. Каптырево). Согласно таблице более 2,5 мг/л В пробах с республики Хакасия железо было обнаружено в пробе «В», почве взятой за с. Новомихайловка. Так же согласно таблице более 2,5мг/л. (приложение 3).

С помощью проведенных опытов по обнаружению ионов свинца двумя способами (взаимодействие с иодидом калия и роданидом калия), обнаружить ионы свинца ни в одной пробе не удалось.

Реакция с раствором аммиака на присутствие ионов меди результата не дала ни в одной пробе.

В результате проведения реакции на ионы железа, в пробах из Шушенского района и некоторых пробах в районе завода с подветренной стороны было обнаружено, что раствор сразу окрашивается в ядовито-лимонный цвет. В пробах, взятых с наветренной стороны такого окрашивания не наблюдалось.

В нулевой пробе не обнаружено никаких изменений окрашивания раствора почвенной вытяжки.

ВЫВОДЫ

В результате проведенного исследования нами были обнаружено повышенное количество ионов железа в пробах, взятых из с. Каптырево и в пробе, взятой в за с. Новомихайловка. Объяснение этому может быть как в наличие местного антропогенного воздействия на почву (отходы, закопанный мусор, погребенные остатки техники, торфянники (с. Каптырево) и т.д.), так и влияние Саянского алюминиевого завода, так как точно такое же количество железа было обнаружено в пробе рядом самим заводом в 500 метрах.

Результаты исследований на ионы свинца и меди не выявили их в исследуемых образцах почв.

При проведении анализа на ионы железа в пробах с Шушенского района и пробах, взятых с подветренной стороны Саянского алюминиевого завода обнаружилось появление ядовито-лимонного окрашивания растворов вытяжки. Если посмотреть на реагенты этой реакции и подобрать какие металлы могут взаимодействовать в данной реакции, то можно предположить, что во взаимодействие могут вступать сульфид-ионы и ионы кадмия, так как из всех металлов, которые могут прореагировать в данной реакции появление окрашивание от ядовитого лимонно-желтого до оранжево-желтого дает только сульфид кадмия. HCL + H₂O₂ + KSCN = …………

За время работы завода, а это 33 года (год запуска 1985г) вполне вероятно, что данный металл мог присутствовать в выбросах в воздух и соответственнооседать в почве, а так как он имеет свойство не вымываться из верхних слоев почвы, то оставаться и накапливаться. В связи с этим по окрасу растворов можно предположить, что в пробах присутствуют ионы кадмия. Но это предположение требует дополнительных исследований, заключающихся в увеличении количества проб, а также подключении хроматографического анализа.

В связи с этим мы планируем весной продолжить работу над этой темой, а именно взять дополнительные пробы, увеличить их количество и провести хроматографический анализ на базе лаборатории МВД Республики Хакасия (по договоренности).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Бессолицына Е.П., Зайченко О.А. Оценка состояния биотических компонентов ландшафта в зоне влияния Саянского алюминиевого завода // География и природные ресурсы. 1996. № 3. С. 38–46. 7.

Дончева А.В. Ландшафт в зоне воздействия промышленности. М.: Лесная промышленность, 1978. 96 с. 8.

Кабанова И. Е. Качественное определение ионов тяжелых металлов в почве во внеурочных занятиях // Молодой ученый. — 2017. — №51. — С. 280-282. — URL 

Преловский В.А. Оценка состояния экосистем в зоне влияния саяногорского промышленного комплекса.

Рожков А.С., Михайлова Т.А. Действие фторсодержащих эмиссий на хвойные деревья. Новосибирск: Наука, 1989. 159 с.

Садовникова Л.К., Орлов Д.С., Лозановская И.Н. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2006. 334 с

https://studwood.ru/1808726/meditsina/tyazhelye_metally_harakteristika

http://fb.ru/article/300068/spisok-tyajelyih-metallov-vidyi-i-osobennosti

https://megalektsii.ru/s41092t2.html

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Местоположение проб. Шушенский район.

проба №1 проба №2

проба №3 проба №4

проба №5 проба №6

проба №7

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Местоположение проб. Республика Хакасия

Проба АПроба Б

Проба В Проба Г

Проба Д

Местоположение нулевой пробы. Аскизский район республика Хакасия.

Проба С

П РИЛОЖЕНИЕ 3

Качественная реакция на ионы железа

Саяногорск Шушенский р-н

Качественная реакция на ионы свинца

Шушенский р-н Саяногорск

Качественная реакция на ионы меди