Свинец и экология

2. Введение.

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями является для России наиболее острым и опасным. Свинец поставляет цветная металлургия, в том числе 94 % этого металла выбрасывается в атмосферу 5 предприятиями. Это Среднеуральский медеплавильный завод, АО “Святогор” – Красноуральский медеплавильный завод, Кировоградский медеплавильный комбинат, АО "Динополиметалл", завод "Электроцинк". Как видим, главные отравители воздуха свинцом находятся на территории Свердловской области, и эти предприятия привносят в атмосферу России 68,7 % всех свинцовых выбросов.

Однако, основным источником загрязнения атмосферного воздуха свинцом в РФ является автотранспорт, использующий свинецсодержащий бензин. автомобильный парк выбрасывает ежегодно в атмосферу 10 млрд. абсолютно смертельных доз свинца или в весовых единицах 250 килотонн металла. Так общее количество свинца, выбрасываемое в воздух в результате сгорания топлива в двигателях, в 1997 году составляло 301 килотонну, или примерно две-три смертельные дозы на человека в год.

Не малую роль в загрязнении свинцом играют отработанные аккумуляторы, отравляющие почву и воду соединениями свинца.

Столь масштабное загрязнение окружающей среды доказывает немаловажный факт: воды рек выносят в год 17-18 тыс. т. свинца, что примерно в 200 раз меньше количества выплавляемого металла.

Свинец влияет на нервную систему человека, что приводит к снижению интеллекта, вызывает изменение физической активности, координации слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеванию сердца. Это оказывает негативное влияние на состояние здоровья населения и в первую очередь детей, которые наиболее восприимчивы к свинцовым отравлениям.

В России постепенно увеличивается численность людей, имеющих профессиональный контакт со свинцом. Случаи хронической свинцовой интоксикации зафиксированы в 14 отраслях промышленности.

Среди профессиональных интоксикаций свинцовая занимает первое место, причем имеет место тенденция к её увеличению. Среди рабочих, пострадавших от воздействия свинца, около 40 % составляют женщины. Для них свинец представляет особую опасность, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке. Как правило, наиболее высокая концентрация свинца в атмосферном воздухе наблюдается в зимний период, что связано с дополнительными выбросами в атмосферу продуктов сжигания топлива. Неблагоприятные метеорологические условия в этот период года также способствуют накоплению свинца в нижних слоях атмосферы.

В нашем городе эта тема наиболее актуальна, так как автомобильный парк города с каждым годом увеличивается, следовательно увеличивается и количество свинца в окружающем воздухе и почве.

Цель моей работы изучить основные источники загрязнения окружающей среды свинцом, и влияние элемента на живую природу.

Я перед собой поставила следующие задачи:

1. Рассмотреть накопление свинца в природе, как загрязнителя окружающей среды;

2. Изучить некоторые продукты сгорания бензинов и их влияние на здоровье человека;

3. Определить роль химического источника тока в технике и экологии;

4. Освоить методику определения оксида углерода (II) в выхлопных газах автомобилей с помощью газоанализатора "Infralit 2 T";

5. Сформулировать рекомендации по защите окружающей среды от вредного влияния ионов свинца.

3. Свинец (⁸²_207,2Pb)

3.1. Распространение в природе.

Почвы 1-10 мг/кг

Поверхностные воды 1-60 мкг/л

Морская вода 0,01-0,05 мкг/л

Атмосфера 0,0006 мкг/м³

3.2. Физические свойства.

Свинец – пластичный, мягкий металл. Температура плавления +327,4⁰С, температура кипения +1725⁰С, плотность – 11,34 г/см³, цвет – синевато-серый. Хорошо поддаётся литью, ковке, пайке и прокатке.

3.3. Химические свойства.

На воздухе свинец быстро покрывается тонким слоем оксида, защищающего его от дальнейшего окисления. Вода сама по себе не взаимодействует со свинцом, но в присутствии воздуха свинец постепенно разрушается водой с образованием гидроксида свинца (II):

2Pb+O₂+2H₂O=2Pb(OH)₂

Однако при соприкосновении с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (главным образом сульфата и основного карбоната свинца), препятствующего дальнейшему действию воды и образованию гидроксида. При нагревании свинец взаимодействует с большинством неметаллов:

Pb+Cl₂=^t=PbCl₂

Так же, при высокой температуре свинец взаимодействует с водными растворами щелочей:

Pb⁰+4KOH+2H₂O=K₄[Pb⁺²(OH)₆]+H₂

Таблица 1. Растворимость свинца в некоторых веществах.

Для свинца характерны степени окисления +2 и +4. Значительно устойчивы и многочисленны соединения со степенью окисления свинца +2. Перевод Pb(II) в Pb(IV) возможен лишь при электролитическом окислении или действием наиболее сильных окислителей (Cl₂, белильная известь и др.) при нагревании в щелочной среде. Например:

Pb(CH₃COO)₂+Cl₂+4KOH=PbO₂+2KCl+3KCH₃COO+2H₂O

Соединение свинца (IV) легко переходят в соединения свинца (II), следовательно соединение свинца (IV) являются сильными окислителями.

Таблица 2. Некоторые соединения свинца.

Все растворимые соединения свинца ядовиты. Соли, отвечающие несуществующей в свободном состоянии свинцовой кислоте H₂PbO₃, называются плюмбатами. Например, при сплавлении диоксида свинца с оксидом кальция образуется плюмбат кальция CaPbO₃:

CaO+PbO₂=CaPbO₃

При сплавлении Pb(OH)₂ с сухими щелочами получаются соли, называемые плюмбитами:

Pb(OH)₂+2NaOH=Na₂PbO₂+2H₂O

3.4. Применение.

Легкоплавкий, удобный в переработке, свинец широко применяется в наши дни. Из свинца изготавливают оболочки кабелей, электроды аккумуляторов, аноды, используемые при хромировании; им покрывают изнутри сосуды предназначенные для хранения серной кислоты, также изготовляют змеевики холодильников и другие ответственные части аппаратуры. Свинец идет на изготовление боеприпасов и на выделку дроби. Он входит в состав многих сплавов, например сплавов для подшипников, типографского металла. Свинец хорошо поглощает рентгеновское и радиоактивное излучение, и его используют для защиты от излучения при работе с радиоактивными веществами. Применяют для получения тетраэтилсвинца (ТЭС) и других соединений свинца.

4.Источники загрязнения окружающей среды свинцом.

4.1.1. Получение свинца.

1)Восстановительный обжиг. Обогащенный флотацией галенит обжигают на воздухе для удаления серы и образующийся оксид свинца (II) восстанавливают коксом или чаще – монооксидом углерода в шахтных печах:

2PbS+3O₂=2PbO+2SO₂

PbO+CO=Pb+CO₂

В результате получают черновой свинец, из которого выделяют медь, серебро, железо, олово, мышьяк и сурьму, висмут остается вместе со свинцом. Особо чистый свинец получают электролитическим рафинированием с использованием фторосиликатного электролита.

2)Окислительный обжиг. Особенно чистую руду PbS подвергают частичному окислению до PbO, а затем смесь прокаливают:

PbS+2PbO=3Pb+SO₂

3)Из солей свинца с помощью электролиза.

4)Взаимодействие солей свинца с цинком:

Pb(NO₃)₂+Zn=Zn(NO₃)₂+Pb

или восстановление оксида свинца (II) током водорода:

PbO+H₂=Pb+H₂O.

4.1.2. Загрязнение окружающей среды в процессе получения свинца.

При процессах производства свинца и его сплавов в атмосферу выбрасывается значительное количество свинцовой пыли. Свинец, содержащийся в этой пыли, вовлекается в биологический круговорот, негативно воздействуя при этом на все живое.

4.2.1. Несомненно, огромный вклад в загрязнение окружающей среды свинцом превносят Химические источники тока.

Аккумулятор – устройство для накопления энергии с целью её последующего использования.

Рассмотрим принцип действия свинцового (кислотного) аккумулятора.

Готовый к употреблению свинцовый аккумулятор состоит из решётчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие – металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35-40 % раствор H₂SO₄; при этой концентрации удельная электрическая проводимость раствора серной кислоты максимальна.

При работе аккумулятора – при его разряде – в нем протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлический свинец окисляется:

Pb+SO₄^2-=PbSO₄+2e^-,

а диоксид свинца восстанавливается:

PbO₂+SO₄^2-+4H⁺+2e^-=PbSO₄+2H₂O.

Электроны, отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, принимаются PbO₂ при восстановлении; электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи.

Таким образом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO₂ служит катодом и заряжен положительно.

Во внутренней цепи(в растворе H₂SO₄) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SО₄^2- движутся к аноду, а ионы Н⁺ - к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода – катионы. В итоге раствор остается электронейтральным. Если сложить уравнения, отвечающие окислению свинца и восстановлению PbO₂, то получится суммарное уравнение реакции, протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе (разряде):

Pb+PbO₂+4H⁺+2SO₄^2-=2PbSO₄+2H₂O.

ЭДС заряженного свинцового аккумулятора равна 2 В. По мере разряда аккумулятора материалы его катода (PbO₂) и анода (Pb) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают. Для зарядки аккумулятор подключают к внешнему источнику тока. При этом ток протекает через аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы на электродах “обращаются”. На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления:

PbSO₄+2e^-=Pb+SO₄^2-

т.е. этот электрод становится катодом.

На электроде из PbO₂ при зарядке идет процесс окисления:

PbSO₄+2H₂O=PbO₂+4H⁺+SO₄^2-+2e^-

следовательно, этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора. Складывая два последние уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:

2PbSO₄+2H₂O=Pb+PbO₂+4H⁺+2SO₄^2-.

Нетрудно заметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора; при зарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для его работы.

Свинцовый аккумулятор используется как автономный источник электрической энергии, главным образом применяется в транспорте.

4.2.2. Свинцовый аккумулятор – загрязнитель окружающей среды.

Опасности для человека, окружающей среды возникают преимущественно на этапе утилизации отработавших аккумуляторов. По-прежнему много батарей после использования выбрасывается в мусоропроводы. По экспертным оценкам, на свалках, транспортных площадках и других местах на всей территории России в настоящее время находится до 1 млн. т свинца в отработавших свой срок аккумуляторах. При существующем положении с их переработкой эта величина возрастает на 50-60 тыс. т ежегодно. На свалках или установках для компостирования аккумуляторы разлагаются, при этом в почву и подземные воды попадает большое количество свинца. При рециклинге также происходит загрязнение окружающей среды, особенно пылью, содержащей свинец. При изготовлении свинцовых аккумуляторов образуются значительные количества пылевидных частиц, содержащих соединения свинца. Как видно, свинцовые аккумуляторы привносят немалый вклад в загрязнение окружающей среды.

Помимо свинцового аккумулятора широко применяются