Что такое свинец

Уровень загрязнения окружающей среды продуктами и отходами промышленного производства, а в частности соединениями тяжёлых металлов, многие из которых ядовиты, быстро растёт. В нормальных условиях концентрация некоторых ионов металлов в организме человека поддерживается на уровне, оптимальном для выполнения им своих функций. Но окружающая среда сейчас настолько загрязнена, что в организм многие металлы попадают в количествах, превышающих необходимые для метаболизма. Самую большую опасность представляет отравление организма человека солями тяжёлых металлов. Именно поэтому мы и проделали работу, в которой поставили цель: исследовать возможность произрастающего в пойме реки Белой Рогоза узколистного (Tipha angustifolia) поглощения ионов тяжёлых металлов (на примере ионов свинца(II).

Свинец – металл IV группы периодической системы Менделеева.

В чистом виде свинец представляет голубовато-серый, тяжёлый (удельный вес 11,3), мягкий металл.

Историческая справка. Как ни странно, но впервые широкое применение свинец нашёл там, где ныне он совершенно не употребляется – при изготовлении водопроводных труб. Трубы римского водопровода, выстроенного рабами, были свинцовыми. Очевидно это стало одной из причин короткой средней продолжительности жизни римлян.

Дело в том, что все растворимые соединения свинца являются ядовитыми. На устойчивость свинца к воде оказывает большое влияние содержащийся в ней углекислый газ. При малых количествах он образует на поверхности свинца соединение, не растворимое в воде (углекислый свинец), и тем самым способствует устойчивости свинца. Если же содержание углекислого газа в воде сравнительно велико, а так именно было с водой, питавшей Рим, то углекислый газ, реагируя со свинцом, образует кислый углекислый свинец, который хорошо растворяется в воде. Поступая в организм в малых пропорциях, свинец задерживается в нём и, постепенно замещая кальций, входящий в состав костей, вызывает хроническое отравление.

Алхимики называли свинец сатурном и обозначали его знаком этой планеты. Соединения свинца – "свинцовая зола" PbO, свинцовые белила 2PbCO3 · Pb(OH)2 применялись в Древней Греции и Риме как составные части лекарств и красок. Когда было изобретено огнестрельное оружие, свинец начали применять как материал для изготовления пуль. Ядовитость свинца отметили ещё в I веке н. э. греческие врачи.

Химические свойства. В химическом отношении свинец – металл сравнительно мало активный, многие металлы способны вытеснять его из растворов. На этом основаны эффективные опыты. Например, если цинковую пластину опустить в раствор соли свинца, то она покроется серыми иголочками, т. к. цинк переходит в раствор и, вытесняя свинец, выделяет его на поверхности пластинки. Серые иголочки – это кристаллы свинца.

Металлический свинец – очень хорошая защита от всех видов радиоактивного излучения и рентгеновских лучей.

Распространение в природе. В природе свинца сравнительно немного – 0,0001% от общего числа атомов земной коры. Однако, содержащие свинец минералы – галенит (PbS), церрусит (PbCO3), англезит (PbSO4), пироморфит (Pb5(PO4)3Cl) и другие – встречаются во многих странах. У нас месторождения свинца встречаются на Урале, в Сибири и др. В природе свинец всегда находится в смеси с другими металлами. Биосфере в основном рассеивается, его мало в живом веществе (5 · 10ֿ5 %), морской воде (3 · 10ֿ9 %). Из природных вод свинец отчасти сорбируется глинами и осаждается сероводородом, поэтому он накапливается в морских илах с сероводородным заражением и в образовавшихся из них чёрных глинах и сланцах.

Применение. Известность свинца с глубокой древности сделала его материалом, нашедшим многочисленные применения в различных областях человеческой деятельности. В настоящее время производство аккумуляторов, освинцовка внутренней поверхности химической аппаратуры, трубы для перекачки кислот, сточные трубы химических лабораторий, военная техника, производство электрических кабелей, свинцового стекла-хрусталя, глазурей – всё это требует много чистого свинца.

Иногда мы встречаем надпись на автомашине "бензин этилированный". Раньше почти все машины работали на таком бензине, заметно отравляя воздух городов свинцом. Этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец (ТЭС), который уменьшает детонацию топлива в моторе, но в виде летучих соединений поступает из глушителей в воздух, которым мы дышим. Однако сейчас использование этилированного бензина сократилось.

Типографская краска содержит свинец, поэтому люди, изготовляющие книги, газеты, журналы могут подвергаться токсичному действию этого металла.

Свинцовая пыль ядовита. Вот почему в нашей стране производства, где употребляются свинец и его соединения, являются объектом пристальных забот врачей – гигиенистов. Максимальное содержание свинца в воздухе на промышленных предприятиях не должно превышать 0,00001 мг/л. Там, где человек имеет дело со свинцом, применяются специальные меры предосторожности и действует очень строгое законодательство по охране труда.

Растворимые соединения свинца применяются в медицине как вяжущие, болеутоляющие противовоспалительные средства. Свинцовая примочка известна многим. Иногда её называют "свинцовым сахаром" за сладковатый вкус, но не следует забывать о большой ядовитости свинцового сахара (Pb(C2H3O3) ·3H2O).

Свинец в организме. Растения поглощают свинец из почвы, воды и атмосферных выпадений. В организм человека свинец попадает с пищей, водой, пылью. Безопасный суточный уровень поступления свинца для человека 0,2 – 2 мг. Выделяется главным образом с калом, меньше с мочой. В теле человека содержится в среднем около 2 мг свинца (в отдельных случаях – до 200 мг). У жителей промышленно развитых стран содержание свинца в организме выше, чем у жителей аграрных стран, у горожан выше, чем у сельских жителей. Основное депо свинца – скелет (90% всего свинца организма), также содержится в печени, молоке, поджелудочной железе, почках, головном мозге и других органах. Биологические функции свинца не установлены.

Отравление свинцом и его соединениями. Отравления возможны при добыче руд, выплавке свинца, при производстве свинцовых красок, в полиграфии и др. Бытовые отравления возникают редко и наблюдаются при употреблении в пищу продуктов, которые длительное время хранили в глиняной посуде, покрытой глазурью, содержащей свинцовый сурик (Pb3O2) или глёт (PbO). Свинец и его неорганические соединения в виде аэрозолей проникают в организм в основном через дыхательные пути, в меньшей степени – через желудочно-кишечный тракт и кожу. В крови свинец циркулирует в виде высокодисперсных коллоидов – фосфата и альбумината. Выделяется свинец в основном через кишечник и почки. В развитии интоксикации играют роль нарушение порфиринового, белкового, углеводного и фосфатного обменов, дефицит витаминов С и В1, функциональные и органические изменения центральной и вегетативной нервной системы, токсическое влияние свинца на костный мозг. Отравления могут быть скрытыми (т. н. носительство) протекать в лёгкой, средней тяжести и тяжёлой формах.

Тростник.

Непролазные тростниковые крепи окаймляют берега многих наших озёр. Стебли и корни тростника, накапливаясь столетиями, образуют на дне мощный торфяной слой. Время от времени торфяные пласты подни-маются с глубины и, гонимые ветром, кочуют по озеру, оседая на мелко-водье и давая начало островам, которые становятся пристанищем птичьих колоний.

Тростник обыкновенный, или южный, самый распространенный в нашей стране, - не что иное, как многолетний гигантский злак с усаженным длинными, жёсткими листьями стеблем, достигающим шестиметровой высоты, с серебристо-бурой пушистой метёлкой на верхушке. Каждую осень побеги тростника отмирают, а весной снова отрастают от полых трубчатых корневищ длиной до 10 метров. Размножается тростник и семенами – их в каждой метёлке до 50 тысяч.

Тростник необыкновенно живуч: жги его, рви, терзай, а весной он снова разрастётся пуще прежнего. Это неприхотливое и стойкое к невзгодам растение.

Экологическая роль тростниковых зарослей огромна: ведь именно здесь начинается жизненный цикл многих рыб, земноводных, насекомых, птиц. Молодые побеги и корневища тростника служат для некоторых из них пищей. Тростник охотно поедают и домашние животные – по питательности он не уступает овсу. Корневища тростника богаты углеводами и клетчаткой. В неурожайные годы нежные побеги тростника использовались в пищу человеком, а из собранных корневищ, содержащих 50% крахмала, делали муку и заменитель кофе.

Сегодня из тростника получают уксусную и муравьиную кислоты, метан, метанол, ацетон, формалин, активированный уголь и целлюлозу.

В последние годы в нашей стране и за рубежом для борьбы с загрязнением природных водоёмов стали использовать высшие водные растения. Проходя через их заросли, сточные воды на 85 – 95 % освобождаются от балластных и токсичных веществ, минеральных и органических. Наиболее эффективно для очистки вод используются колониальные водные растения, образующие мощные сообщества.

Тростник обыкновенный, или южный (Phragmites australis) способен извлекать из воды и накапливать более 20 химических элементов. Кроме того, с его урожаем из воды выносится значительное количество азота, калия, фосфора – главных биогенных элементов, вызывающих эвтрофикацию вод – массовое размножение планктона, которое приводит к цветению водоёмов. В зарослях тростника задерживается до 90% взвешенных веществ. Благодаря фотосинтезу, в результате которого выделяется свободный кислород, ускоряются процессы окисления органических загрязнений. Тростник выдерживает высокие концентрации сернокислой меди, азотнокислой ртути, хлористого кобальта и других токсичных солей.

Камыш озёрный (Scirpus lacustris), в быту называемый кугой,- один из 20 видов камыша, встречающихся в России. Как показали исследования Лимнологического института им. Макса Планка (ФРГ), камыш способен извлекать из воды фенол: 300 г биомассы камыша очищают 5 литров воды от фенола при его концентрации 10 мг/л за 4 дня, 40 мг/л – за12 дней, 100 мг/л – за 29 дней. Камыш может извлекать из сточных вод и другие соединения: индол, ксилол, пирокатехины, резорцин, пиридин, а также нефть и нефтепродукты.

Рогоз узколистный (Typha angustifolia) называют ещё чаканом, палочником, початочником. В процессах очистки стоков в присутствии рогоза особую роль играют его придаточные корни. Они у рогоза двух типов: одни, более тонкие, отходят вверх от горизонтальных ветвей корневищ, расходятся в воде и поглощают непосредственно из неё минеральные вещества, а другие направлены вниз, проникают в почву и извлекают минеральные вещества из неё. Благодаря этому рогоз очищает от загрязнений и воду, и дно.

Все три вида упомянутых здесь водных растений уже успешно используются для очистки шахтных вод, стоки химических предприятий. Экспериментально доказана возможность использования водных растений для очистки стоков целлюлозно-бумажного производства.

Так высшие водные растения становятся неотъемлемым компонентом систем очистки сточных вод, принимая участие в оздоровлении наших водоёмов.

Техника эксперимента.

Приготовили 0,01 М растворы сульфата меди и ацетата свинца. Подтвердили количественное содержание ионов меди и свинца с помощью осаждения растворами ферроцианида калия и хромата калия соответствен-но.

K2CrO4 + Pb(CH3COO)2 → PbCrO4↓ + 2KCH3COO

Pb2+ + CrO42- → PbCrO4↓

2CuSO4 + K4[Fe(CN)6] → Cu2[Fe(CN)6]↓ + 2K2SO4

2Cu+2 + [Fe(CN)6]4- → Cu2[Fe(CN)6]↓

Оказалось, при определении ионов свинца потери в ходе эксперимента составляют 31%:

Масса осадка PbCrO4 Объем раствора Содержание Pb2+ (моль/л) Погрешность эксперимента

0,056 г 40 мл 0,056/323 ▪ 40 = 0,0069 0,0069 ▪ 100/0. 01% = 67%

Аналогично осадок ферроцианида меди получили массой 0,075 грамм. Однако, в дальнейшем свою работу проводили с раствором соли свинца, т. к. после выдерживания стебля и листьев в растворе соли 0,1 моль/л и обработки ферроцианидом калия образовывался мелкодисперсный взвешенный осадок, который невозможно было отфильтровать в условиях школьной лаборатории.

Мы исследовали рогоз узколистный (Typha angustifolia) как произрастаю-щий в окрестностях нашего города.

Ствол камыша с початком, листья его помещали в раствор соли свинца. Измельченными листьями камыша заполняли делительную воронку с лож-ным днищем и заливали ее также раствором ацетата свинца в концентрации 0,01 М. Спустя сутки, измеряли концентрацию соли свинца в растворах. На состоянии камыша эксперимент не отражался, только в делительной ворон-ке цвет резаных листьев менялся из зеленого к болотно-зеленому.

Масса осадка PbCrO4 в растворе после выдерживания с камышом-початком 0,01 г:

Масса осадка PbCrO4 Объем раствора Содержание Pb2+ (моль/л) Процент содержания ионов свинца от исходного раствора

0,01 г 40 мл 0,01/323 ▪ 40 = 0,00124 0,00124/0,0069 ▪ 100% = 17,9%

Масса осадка PbCrO4 в растворе после выдерживания раствора ацетата свинца с листьями камыша 0,02 г:

Масса осадка PbCrO4 Объем раствора Содержание Pb2+ (моль/л) Процент содержания ионов свинца от исходного раствора

0,02 г 40 мл 0,02/323 ▪ 40 = 0,00248 0,00248/0,0069 ▪ 100% = 35,9%

Масса осадка PbCrO4 в растворе после выдерживания раствора ацетата свинца в резаном камыше равна нулю (ионы свинца присутствуют, но в условиях школьной лаборатории взвесить не удалось из-за небольшого количества полученного осадка хромата свинца).

Таким образом, опытным путём мы подтвердили теоретические данные о способностях камыша накапливать ионы свинца.

Предполагая, что в местах скопления автотранспорта, при выхлопе отработанных паров бензина в окружающем пространстве могут находиться ионы свинца, мы неоднократно в разное время исследовали сточные воды и талый снег в районе автозаправочных станций города. Однако, используя вышеописанный метод определения ионов свинца, мы не обнаружили в пробах их присутствие. Это может свидетельствовать тому, что использование этилированного бензина, содержащего тетраэтилсвинец (ТЭС), прекратилось. По данным экосводок по городу Салават, "вода в реке Белой в фоновом створе, т. е. на входе в г. Салават, имела содержание марганца, меди – шесть ПДК, цинка, никеля, азота аммонийного, нитратов – ниже ПДК. В контрольном створе на выходе из города, после всех сбросов, выросло содержание нефтепродуктов до 4,6 ПДК, фенолов – до 2-х ПДК, концентрации остальных ингредиентов остались на уровне фонового створа".

Выводы:

1. Рогоз узколистный (Tipha angustifolia) действительно обладает способностью задерживать в своей зелёной массе ионы свинца (ствол – до 72% ионов, стебель – до 65%, измельчённые листья – до 100%).

2. В сточных и талых водах в районе автозаправочных станций присутствие ионов свинца не обнаружено.

3. Рекомендуется в местах возможных выбросов ионов свинца устройство искусственных оазисов с насаждением рогоза узколистного, а в местах непосредственных сбросов сточных вод, содержащих ионы свинца (промышленные типографии, производства, связанные с использованием соединений свинца) – использовать фильтры, с измельчённой массой рогоза, это недорого по затратам и достаточно эффективно.