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 (82207,2Pb)
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.
|Pb |HCl |H2SO4 |H2SO4 |HNO3 |CH3COOH |Щелочи |
| |разб.|Разб. |концентр. | | | |
| |Почти не |Интенсивно |Растворяетс|Сравнительно |Растворяется, |
| |Растворяется | |я |легко |но с неболь. |
| | |Растворяетс|легко |растворяется |скоростью |
| | |я |3Pb+8HNO3= |Pb+2CH3COOH= |Pb+4KOH+2H2O= |
| | |Pb+2H2SO4= |3Pb(NO3)2+ |=Pb(CH3COO)2+H|K4[Pb(OH)6]+H2|
| | |=PbSO4+ |+2NO+ |2 | |
| | |+2H2O+ SO2 |+4H2O | | |
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.
|Формула |PbO |Pb(OH)2 |PbCl2 |PbI2 |PbO2 |
|Получение|Нагревание |Действие на|Действие |Выпадает из|Действие |
| |расплавленного|расторимые |HCl или |растворов |сильных |
| |Pb на воздухе |соли Pb(II)|раствор. |солей |окислителей|
| | | |Хлоридами |Pb(II) |на оксид |
| | | |на растворы| |или соли |
| | | |солей | |Pb(II) |
| | | |Pb(II) | | |
|Применени|Аккумулятор, |Получение |Получение | |Окислитель |
|е |производство |свинцовых |др. | |в |
| |глазури, олиф,|белил |соединений | |химической |
| |хрусталя, | |свинца | |промышленно|
| |получение др. | | | |сти |
| |соединений Pb | | | | |
|Формула |Pb(CH3COO)2 |PbSO4 |PbS |Pb(C2H5)4 |
|Получение|Растворение Pb в уксусной |H2SO4 или |Действие |Взаимодейст|
| |кислоте |растворимый|сероводород|вие Na4Pb с|
| | |сульфат+ |а на соли |монохлорэта|
| | |соль Pb(II)|Pb(II) |ном |
|Применени|Обнаружение H2S, крашение |Получение |Обнаружение|Антидетонат|
|е |тканей, получение др. |др. |Pb |ор |
| |соединений Pb |соединений | | |
| | |Pb | | |
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+SO42-=PbSO4+2e-,
а диоксид свинца восстанавливается:
PbO2+SO42-+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 SО42- 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++2SO42-=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+SO42-
т.е. этот электрод становится катодом.
На электроде из PbO2 при зарядке идет процесс окисления:
PbSO4+2H2O=PbO2+4H++SO42-+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++2SO42-.
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 и многие другие виды
аккумуляторов. В среднем на каждый кв. метр приходится по одному
аккумулятору; очевиден процесс массового загрязнения окружающей среды
тяжелыми металлами, концентрированными электролитами и другими вредными
химическими соединениями.
4.3. Выбросы автотранспорта – основной источник загрязнения окружающей
среды ионами свинца.
Без сомнения, наиболее важным источником загрязнения в Свердловской
области является автомобильный транспорт, использующий этилированный
бензин. Численность автомобильного парка Свердловской области увеличилась в
1997 году более чем на 5 % и превысило 1 млн. единиц, при этом опережающими
темпами растет число легковых автомашин (на 10-12 % в год). В городах
Екатеринбурге, Каменск-Уральском, Первоуральске, Верхней Пышме, Нижнем
Тагиле, Берёзовском выбросы автотранспортных средств составляют 30-70 % от
общего объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Автотранспорт вносит значительный вклад в загрязнение атмосферы
свинцом.
Таблица №3. Выбросы некоторых загрязняющих веществ от автомобильного
транспорта по городам области в 1997 году (в тоннах).
|Город |СО |Свинец |Город |СО |Свинец |
|Алапаевск |1846 |0,3 |Красноуральск |984,8 |0,2 |
|Асбест |5228,8 |4,3 |Лесной |1042,6 |0,2 |
|Верхняя Пышма |2427,4 |1,8 |Нижний Тагил |18084,1|16,1 |
|Верхняя Салда |1598,6 |0,2 |Нижняя Тура |1202,5 |0,6 |
|Екатеринбург |66063,1 |128,4 |Первоуральск |6391 |4,8 |
|Ирбит |2550,7 |0,3 |Полевской |2264,1 |2,1 |
|Качканар |2212,6 |0,6 |Ревда |1880,9 |1,3 |
|Кировоград |1365,6 |0,4 |Серов |2680,3 |1,9 |
|Краснотурьинск |3100,6 |1 |Тавда |1790,3 |0,9 |
Самое большое количество свинца и окиси углерода выбрасывается
автомобилями городов Екатеринбурга, Нижнего Тагила и Первоуральска.
Наблюдается тенденция роста уровня загрязнения атмосферного воздуха по
свинцу в крупных городах области. На передвижные источники загрязнения
приходится свыше 70 % суммарных выбросов свинца. Высокими остаются уровни
загрязнения воздушного бассейна городов диоксидом азота, формальдегидом,
оксидом углерода. В целом область значительно загрязнена свинцом. Общая
площадь загрязненных сильной степени земель составляет более 68 тыс. га.
Очевиден стабильный вклад автотранспорта в загрязнение окружающей среды
городов Свердловской области свинцом. Так каким же образом свинец попадает
в двигатели внутреннего сгорания и рассеивается автомобилями вдоль
автомагистралей.
4.3.1. Получение бензинов при крекинге нефтепродуктов.
Основным процессом переработки нефти является фракционная перегонка –
термическое разделение нефти на составные части (фракции).
Таблица №4. Основные фракции нефти.
|Название |Состав |Температура |Температура |Применение |
| | |получения |кипения | |
|Бензин |От С5Н12 |40-200 0С |Не выше |Топливо, |
| |до С11Н24 | |205 0С |растворитель |
| | | | |каучука, |
| | | | |получение синтез |
| | | | |– газа, химчистка|
|Лигроин |От С8Н18 |150-250 0С |120-240 0С |Топливо для |
| |до С14Н30 | | |дизельных |
| | | | |двигателей |
|Керосин |От С12Н26 |180-240 0С |180-320 0С |Горючее для |
| | | | |тракторных |
| |до С18Н38 | | |двигателей, |
| | | | |пропитка кож, |
| | | | |освещение, |
| | | | |авиация |
|Газойль |От С13Н28 |240-320 0С |270-410 0С |Дизельное, |
| |до С20Н42 | | |котельное топливо|
В результате отгона фракций остается мазут.
От прямой перегонки нефти отличают ее крекинг, т.е. термическое или
каталитическое расщепление высших углеводородов (УВ) с образованием
соединений меньшей молекулярной массы. Таким путем из высококипящих фракций
нефти получают дополнительно наиболее ценные низкокипящие фракции – главным
образом моторные бензины, т.е. целевым продуктом крекинга является
бензиновая фракция с высоким октановым числом. Процесс крекинга происходит
с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и
непредельных УВ, например:
C16H34=C8H18+C8H16.
Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее:
C8H18=C4H10+C4H8 C4H10=C2H6+C2H4.
Различают два основных вида крекинга.
Таблица №5. Термический и каталитический крекинг.
|Термический крекинг |Каталитический крекинг |
|Расщепление молекул УВ протекают |Расщепление молекул УВ протекает в |
|при сравнительно высокой |присутствии катализаторов и при |
|температуре (470-550 0С). Процесс |более низкой температуре (450-500 |
|протекает медленно, образуются УВ с|0С) Процесс протекает значительно |
|неразветвленной цепью атомов |быстрее, при этом происходит не |
|углерода. |только расщепление молекул УВ, но и|
| |их изомеризация. |
|В бензине, полученном в процессе |Бензин каталитического крекинга |
|термического крекинга, на ряду с |обладает еще большей детонационной |
|предельными содержится много |стойкостью, ибо в нем содержатся УВ|
|непредельных УВ. Поэтому этот |с разветвленной цепью углеродных |
|бензин обладает большей |атомов. |
|детонационной стойкостью, чем | |
|бензин прямой гонки. | |
|Непредельные УВ, содержащиеся в |Содержание непредельных УВ меньше, |
|бензине, легко окисляются и |поэтому процессы окисления и |
|полимеризуются. Поэтому это бензин |полимеризации не протекают. Такой |
|менее устойчив при хранении. При |бензин более устойчив при хранении.|
|его сгорании могут засориться | |
|различные части двигателя. Для | |
|устранения этого вредного действия | |
|к такому бензину добавляют | |
|антиокислители. | |
4.3.2. Состав бензина.
Бензин, полученный в результате перегонки нефти, состоит в основном из
УВ (предельных 25-61 %, непредельных 13-45 %, нафтеновых 9-71 %,
ароматических 4-16 %). При полном его сгорании образуются углекислый газ,
вода и выделяется тепло. Для одного из компонентов бензинов – октана эта
реакция выглядит следующим образом:
C8H18+12,5O2+47N2=8CO2+9H2O+47N2+5062
|
