Исследование возможности наполнения темы "Элементы II группы периодической системы Д.И. Менделеева" прикладным и экологическим содержанием посредством проведения интегрированных уроков
Физические свойства. Внешне –
серебристо-белые блестящие металлы, твердость значительно выше, чем у щелочных
металлов. Твердость по группе уменьшается сверху вниз, барий по твердости
близок к свинцу. Температуры плавления щелочноземельных металлов выше, чем у
щелочных и составляют: для кальция 851оС, стронция 770оС,
бария 710оС. Плотности щелочноземельных металлов в подгруппе сверху
вниз увеличиваются и равны для Са, Sr и Ва, соответственно 1,54, 2,63 и 3,76
г/см3.
Химические
свойства щелочноземельных металлов
Щелочноземельные металлы химически
весьма активны, в реакциях проявляют свойства восстановителей. Взаимодействуют
с
1. Кислородом (горят на воздухе)
2Са
+ О2 = 2СаО
2Sr + O2 = 2SrO
2Ba + O2 = 2BaO
При этом образуются и нитриды состава Me3N2.
При контакте щелочноземельных металлов с воздухом при комнатной температуре на
поверхности металлов образуетсяжелтоватая пленка, состоящая из оксидов,
гидроксидов и нитридов.
Оксид бария при нагреваии до 500оС
образуeт пероксид:
2BaO
+ O2 = 2BaO2
который разлагается при температуре выше
800оС:
2BaO2
= 2BaO + O2
2. С водородом при нагревании образуют гидриды
Ca + H2 = CaH2
Ba + H2 = BaH2
3. С серой реагируют в обычных условиях,
образуя сульфиды
Ca + S = CaS
и полисульфиды
CaS + nS = CaSn+1
4. С азотом – при нагревании образуют
нитриды
3Ca
+ N2 = Ca3N2
5. C фосфором –
фосфиды
3Ca
+ 2Р = Ca3Р2
6. С углеродом – при нагревании
образуются карбиды, которые являются производными ацетилена:
Са
+ 2С = СаС2
7. С водой – растворяются с выделением
водорода, реакция протекает спокойнее, чем со щелочными металлами:
Са
+ 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2
8. Восстанавливают другие металлы из их
соединений, например:
UF4
+ 2Ca = U + 2CaF2
Активность взаимодействия с водой
возрастает от кальция к барию.
Получение
щелочноземельных металлов
Кальций получают электролизом расплaва
хлорида кальция СаCl2, к которому добавляют 5-7% CaF2 для
снижения температуры плавления:
СаCl2
= Са(катод) + Cl2(анод)
Стронций и барий получают методом
алюмотермии из оксидов:
3BaO
+ 2Al = 3Ba + Al2O3
Применение
щелочноземельных металлов
Металлический кальций
применяется как восстановитель и легирующая добавка к сплавам [9-12].
2.2
Химия и экология
В последнее время
наиболее остро стал вопрос об экологических проблемах, и одна из них – тяжелые
металлы.
Тяжелые металлы - это
элементы периодической системы с относительной молекулярной массой больше 40.
Не исключение, II группа таблицы Менделеева, в частности ртуть, цинк, кадмий.
Таким образом, к тяжелым металлам относят более 40 химических
элементов с относительной плотностью более 6. Число же опасных загрязнителей,
если учитывать токсичность, стойкость и способность накапливаться во внешней
среде, а также масштабы распространения указанных металлов, значительно меньше.
Прежде всего представляют
интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах
используются в производственной деятельности и в результате накопления во
внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической
активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк,
висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден
и мышьяк.
Формы нахождения в
окружающей среде. В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме
органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в
газообразной элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и
цинка состоят преимущественно их субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а
аэрозоли никеля и кобальта - из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм), которые
образуются в основном при сжигании дизельного топлива.
В водных средах металлы
присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и
растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и
растворимыми комплексными соединениями с органическими (гуминовые и
фульвокислоты) и неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты)
лигандами. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывает
гидролиз, во многом определяющий форму нахождения элемента в водных средах.
Значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во
взвешенном состоянии.
Сорбция тяжелых металлов
донными отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания
органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах
концентрируются в донных отложениях и биоте.
В почвах тяжелые металлы
содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах.
Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами,
сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых
металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки.
Источники.
Добыча и переработка не
являются самым мощным источником загрязнения среды металлами. Валовые выбросы
от этих предприятий значительно меньше выбросов от предприятий теплоэнергетики.
Не металлургическое производство, а именно процесс сжигания угля является
главным источником поступления в биосферу многих металлов. В угле и нефти
присутствуют все металлы. Значительно больше, чем в почве, токсичных химических
элементов, включая тяжелые металлы, в золе электростанций, промышленных и
бытовых топок. Выбросы в атмосферу при сжигании топлива имеют особое значение.
Например, количество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка в них в 3-8 раз превышает
количество добываемых металлов. Известны данные о том, что только один
котлоагрегат современной ТЭЦ, работающий на угле, за год выбрасывает в
атмосферу в среднем 1-1,5 т паров ртути. Тяжелые металлы содержатся и в
минеральных удобрениях.
Наряду со сжиганием
минерального топлива важнейшим путем техногенного рассеяния металлов является
их выброс в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах
(металлургия, обжиг цементного сырья и др.), а также транспортировка,
обогащение и сортировка руды.
Техногенное поступление
тяжелых металлов в окружающую среду происходит в виде газов и аэрозолей
(возгона металлов и пылевидных частиц) и в составе сточных вод.
Металлы сравнительно
быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период
полуудаления цинка - до 500 лет, кадмия - до 1100 лет, меди - до 1500 лет,
свинца - до нескольких тысяч лет.
Существенный источник
загрязнения почвы металлами - применение удобрений из шламов, полученных из
промышленных и канализационных очистных сооружений.
В выбросах
металлургических производств тяжелые металлы находятся, в основном, в
нерастворимой форме. По мере удаления от источника загрязнения наиболее крупные
частицы оседают, доля растворимых соединений металлов увеличивается, и
устанавливаются соотношения между растворимой и нерастворимыми формами.
Аэрозольные загрязнения, поступающие в атмосферу, удаляются из нее путем
естественных процессов самоочищения. Важную роль при этом играют атмосферные
осадки. В итоге выбросы промышленных предприятий в атмосферу, сбросы сточных
вод создают предпосылки для поступления тяжелых металлов в почву, подземные
воды и открытые водоемы, в растения, донные отложения и животных.
Дальность распространения
и уровни загрязнения атмосферы зависят от мощности источника, условий выбросов
и метеорологической обстановки. Однако в условиях промышленно-городских
агломераций и городской застройки параметры распространения металлов в воздухе
еще плохо прогнозируются. С удалением от источников загрязнения уменьшение
концентраций аэрозолей металлов в атмосферном воздухе чаще происходит по
экспоненте, вследствие чего зона их интенсивного воздействия, в которой имеет
место превышение ПДК, сравнительно невелика.
В условиях
урбанизированных зон суммарный эффект от регистрируемого загрязнения воздуха
является результирующей сложения множества полей рассеяния и обусловлен
удалением от источников выбросов, градостроительной структурой и наличием
необходимых санитарно-защитных зон вокруг предприятий. Естественное (фоновое)
содержание тяжелых металлов в незагрязненной атмосфере составляет тысячные и
десятитысячные доли микрограмма на кубический метр и ниже. Такие уровни в
современных условиях на сколько-нибудь обжитых территориях практически не
наблюдается. Фоновое содержание свинца принято равным 0,006 мкг/ м3,
ртути - 0,001-0,8 мкг/ м3 (в городах - на несколько порядков выше).
К основным отраслям, с которыми связано загрязнение окружающей среды ртутью,
относят горнодобывающую, металлургическую, химическую, приборостроительную,
электровакуумную и фармацевтическую. Наиболее интенсивные источники загрязнения
окружающей среды кадмием - металлургия и гальванопокрытия, а также сжигание
твердого и жидкого топлива. В незагрязненном воздухе над океаном средняя
концентрация кадмия составляет 0,005 мкг/ м3, в сельских местностях
- до 0,05 мкг/м3, а в районах размещения предприятий, в выбросах
которых он содержится (цветная металлургия, ТЭЦ, работающие на угле и нефти,
производство пластмасс и т.п.), и промышленных городах - до 0,3-0,6 мкг/ м3.
Атмосферный путь
поступления химических элементов в окружающую среду городов является ведущим.
Однако уже на небольшом удалении, в частности, в зонах пригородного сельского
хозяйства, относительная роль источников загрязнения окружающей среды тяжелыми
металлами может измениться и наибольшую опасность будут представлять сточные
воды и отходы, накапливаемые на свалках и применяемые в качестве удобрений.
Максимальной способностью
концентрировать тяжелые металлы обладают взвешенные вещества и донные
отложения, затем планктон, бентос и рыбы.
Осадки. Зона максимальных
концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от источника. В ней
содержание металлов в приземном слое атмосферы в 100-1000 раз выше местного
геохимического фона, а в снеге - в 500-1000 раз. На удалении 2-4 км
располагается вторая зона, где содержание металлов в воздухе приблизительно в
10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона протяженностью 4-10 км, где
лишь отдельные пробы показывают повышенное содержание металлов. По мере
удаления от источника соотношения разных форм рассеивающихся металлов меняются.
В первой зоне водорастворимые соединения составляют всего 5-10 %, а основную
массу выпадений образуют мелкие пылевидные частицы сульфидов и оксидов.
Относительное содержание водорастворимых соединений возрастает с расстоянием
[13-15].
2.2.1
Общие сведения о ртути
Важнейшие свойства ртути.
Ртуть (Hg) – химический элемент II группы периодической системы элементов Д.И.
Менделеева; атомный номер 80, относительная атомная масса 200,59; в состав природной
ртути входят 7 стабильных изотопов с массовыми числами: 196 (распространенность
0,146%), 198 (10,02%), 199 (16,84%), 200 (23,13%), 201 (13,22%), 202 (29,80%) и
204 (6,85%). Природная ртуть характеризуется относительно устойчивым изотопным
соотношением. Тем не менее в ней в небольших количествах присутствуют радиоактивные
изотопы. Искусственно получено более 20 короткоживущих изотопов, из которых
практическое значение имеют (метки в медицине, в аналитике, в технологических
процессах) 203Hg (период полураспада 46,6 дня) и 197Hg
(64,1 ч). Ртуть в обычных условиях представляет собой блестящий,
серебристо-белый тяжелый жидкий металл. Удельный вес ее при 20оС
13,54616 г/см3; температура плавления = –38,89оС, кипения
357,25оС. При замерзании (–38,89оС) она становится
твердой и легко поддается ковке.
Даже в обычных условиях
ртуть обладает повышенным давлением насыщенных паров и испаряется с довольно
высокой скоростью, которая с ростом температуры увеличивается. Это приводит к
созданию опасной для живых организмов ртутной атмосферы. Например, при 24оС
атмосферный воздух, насыщенный парами ртути, может содержать их в количестве
около 18 мг/м3; такой уровень в 1800 раз превышает ПДК (предельно
допустимую концентрацию) ртути в воздухе рабочей зоны и в 60000 раз ПДК в
атмосферном воздухе. Ртуть способна испаряться через слои воды и других
жидкостей. Кроме благородных газов, ртуть является единственным элементом,
образующим пары, которые при комнатной температуре одноатомные (Hgo).
В нормальных условиях растворимость паров ртути в воде, свободной от воздуха,
составляет около 20 мкг/л.
При действии на ртутные
пары вольтовой дуги, электрической искры и рентгеновских лучей наблюдаются
явления люминесценции, флюоресценции и фосфоресценции. В вакуумной трубке между
ртутными электродами при электрических разрядах получается свечение, богатое
ультрафиолетовыми лучами, что используется в технике при конструировании
ртутных ламп. Это же явление легло в основу спектрального метода определения
малых количеств ртути в различных объектах. Ртуть характеризуется очень низкой
удельной теплоемкостью. Это ее свойство находило применение в
ртутно-паросиловых установках. Еще одно замечательное свойство ртути связано с
тем, что при растворении в ней металлов образуются амальгамы - металлические
системы, одним из компонентов которых является ртуть. Они не отличаются от
обычных сплавов, хотя при избытке ртути представляют собой полужидкие смеси.
Соединения, получающиеся в результате амальгамирования, легко разлагаются ниже
температуры их плавления с выделением избытка ртути, что нашло широкое применение
при извлечении золота и серебра из руд. Амальгамированию подвержены металлы,
смачиваемые ртутью. Стали, легированные углеродом, кремнием, хромом, никелем,
молибденом и ниобием, не амальгамируются.
В соединениях ртуть
проявляет степень окисления +2 и +1. В специальной литературе в таких случаях
обычно указывается соответственно Hg(II) или Hg(I). Обладая высоким потенциалом
ионизации, высоким положительным окислительным потенциалом, ртуть является относительно
стойким в химическом отношении элементом. Это обусловливает ее способность
восстанавливаться до металла из различных соединений и объясняет частые случаи
нахождения ртути в природе в самородном состоянии. Обычно самородная ртуть содержит
небольшие количества других металлов, в том числе золото и серебро, т. е., по
сути, является амальгамой. Известны минералы ртути, в которых содержания
благородных и других металлов очень высоки (ртутистое серебро, ртутистое
золото, ртутистый палладий, ртутистый свинец, амальгамид золота и др.). Ртуть
весьма агрессивна по отношению к различным конструкционным материалам, что
приводит к коррозии и разрушению производственных объектов и транспортных
средств. Так, в 1970-е гг. довольно актуальной была проблема загрязнения
самолетов, в конструкции которых попадала ртуть, вызывающая жидкометаллическое
охрупчивание алюминиевых сплавов. Самолеты направлялись на капитальный ремонт и
даже снимались с эксплуатации.
На воздухе ртуть при
комнатной температуре не окисляется. При нагреве до температур, близких к
температуре кипения (300-350оС), она соединяется с кислородом
воздуха, образуя красный оксид двухвалентной ртути HgO, который при дальнейшем
нагревании (до 400оС и выше) снова распадается на ртуть и кислород.
Желтый оксид ртути HgO получается при добавлении щелочей к водному раствору
соли Hg(II). Существует и оксид ртути черного цвета (Hg2O),
нестойкое соединение, в котором степень окисления ее равна +1. В соляной и
разбавленной серной кислотах и в щелочах ртуть не растворяется. Но она легко
растворяется в азотной кислоте и в царской водке, а при нагревании – в концентрированной
серной кислоте. Металлическая ртуть способна растворяться в органических
растворителях, а также в воде, особенно при отсутствии свободного кислорода.
Растворимость ее в воде зависит также от рН раствора. Минимальная растворимость
наблюдается при рН=8, с увеличением кислотности или щелочности воды она
увеличивается. В присутствии кислорода ртуть в воде окисляется до ионной формы
Hg2+ (создавая концентрации до 40 мкг/л) [16].
2.2.2 Распространенность ртути в природе
Ртуть - редкий элемент. Ее средние
содержания в земной коре и основных типах горных пород оцениваются в 0,03-0,09
мг/кг, т. е. в 1 кг породы содержится 0,03-0,09 мг ртути, или 0,000003-0,000009
% от общей массы (для сравнения - одна ртутная лампа в зависимости от
конструкции может содержать от 20 до 560 мг ртути, или от 0,01 до 0,50% от
массы). Масса ртути, сосредоточенная в поверхностном слое земной коры мощностью
в 1 км, составляет 100 000 000 000 т (сто миллиардов тонн), из которых в ее
собственных месторождениях находится только 0,02%. Оставшаяся часть ртути
существует в состоянии крайнего рассеяния, по преимуществу в горных породах (в
водах Мирового океана рассеяно 41,1 млн. т ртути, что определяет невысокую
среднюю концентрацию ртути в его водах - 0,03 мкг/л). Именно эта рассеянная
ртуть создает природный геохимический фон, на который накладывается ртутное
загрязнение, обусловленное деятельностью человека и приводящее к формированию в
окружающей среде зон техногенного загрязнения.
Известно более 100 ртутных и
ртутьсодержащих минералов. Основным минералом, определяющим промышленную
значимость ртутных месторождений, является киноварь. Самородная ртуть,
метациннабарит, ливингстонит и ртутьсодержащие блеклые руды имеют резко
подчиненное значение и добываются попутно с киноварью.
Всего в мире обнаружено около 5000
ртутных месторождений, рудных участков и рудопроявлений, получивших
самостоятельное название; из них в разное время разрабатывались около 500. Но
за всю историю ртутной промышленности подавляющая часть ртути (более 80%)
получена на 8 месторождениях: Альмаден (Испания), Идрия (Словения),
Монте-Амиата (Италия), Уанкавелика (Перу), Нью-Альмаден и Нью-Идрия (США),
Никитовка (Украина), Хайдаркан (Киргизия).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|
|