Круговорот веществ в природе закономерности распределения веществ в окружающей среде. Физико-химические свойства, определяющие перемещение веществ в окружающей среде, страница 8

Геохимические барьеры не остаются неизменными. По мере накопления на барьерах различных веществ возможно разрушение исходных и образование новых барьеров. Например, карбонатные породы литосферы могут являться барьером для миграции Са²⁺ - в них Са закрепляется, образуется нерастворимый кальцит СаСО₃ Но далее кальцит выступает как щелочной карбонатный барьер для многих элементов: Pb, Zn, Cd и др.

Геохимические барьеры обладают определенной емкостью по отношению к отдельным веществам, например емкость щелочного барьера в почвах определяется количеством карбонатов, способных нейтрализовать кислые техногенные потоки. Емкость сорбционного барьера зависит от свойств и мощности сорбирующего слоя. Емкость восстановительного и окислительного барьеров зависят от окислительно-восстановительных свойств среды (которые в значительной мере определяются микробиологической активностью).

Химической загрязнение окружающей среды главным образом определяется возможностью перемещения (миграции) химических веществ от источника выброса на значительные расстояния. Вещества могут распространятся в пределах одной среды, куда они поступают, но могут переходить и в другие среды, распространяясь в них. Перемещение  веществ в окружающей среде происходит главным образом в результате процессов испарения, адсорбции, диффузии. При этом миграционная способность веществ зависит от ряда физико-химических свойств.

Приведем общую характеристику некоторых из этих свойств, определяющих перемещение веществ в окружающей среде и процессов миграции.

Физико-химические свойства, определяющие перемещение веществ в окружающей среде

В наибольшей степени на миграцию влияют:

·  равновесное давление паров

·  растворимость

·  гидрофобность (гидрофильность)

·  кислотно-основные свойства

1.  равновесное давление паров

давление паров жидкого или твердого вещества в воздухе, находящихся в равновесии с жидким или твердым веществом при данной температуре (т.е. давление насыщенных паров (ДНП) при данной температуре).

Эта величина определяет летучесть веществ, т.е. способность переходить из жидкой или твердой фазы в газообразную. Равновесное давление паров зависит от температуры. Эта зависимость описывается термодинамическим уравнением Клазиуса-Клапейрона:

 где Т – абсолютная температура

 - теплота испарения

R – универсальная газовая постоянная (8,31 )

В практике для расчет равновесий широко используется эмпирическое уравнение Антуана, связывающее равновесное давление и температуру. Его:

,

где t^o  - температура в градусах Цельсия

А,В,С – константы конкретного вещества для данного температурного интервала

В справочной литературе в соответствующих таблицах можно найти значение констант для очень многих веществ.

Равновесное давление паров является важным фактором распространения веществ в объектах окружающей среды, причем не только легко летучих, но при определенных обстоятельствах и твердых при нормальных условиях низколетучих веществ (например, из группы ядохимикатов – их давление паров мало, но при обработке больших площадей поступление в воздух этих веществ значительные).

2.  Растворимость (в воде)

Свойство определяющее способность веществ переходить в водный раствор. Растворимость играет важную роль в процессе перемещения веществ практически через межфазные границы, а так же миграции в водной среде и почве.

Растворимость твердых веществ характеризуется концентрацией насыщенного раствора, которая соответствует концентрации растворенного вещества, находящегося в равновесии с избытком твердого вещества при данной температуре.

Характеристика растворимости летучих веществ и газов является константа Генри (К_н), представляющая собой соотношение равновесных концентраций вещества в жидкой и газовой фазах. В К_Н для описания концентрации вещества в газовой фазе используется давление, соответствующее равновесной концентрации, таким образом константа Генри:

обычно размерность

т.е. при равенстве скоростей перехода молекул из газовой фазы в жидкую и обратно

(очевидно, чем больше К_Н тем бОльшую растворимость имеет вещество)

Константа Генри, как и концентрация насыщенного раствора (обратно пропорциональная величина) зависит от температуры, но эта зависимость противоположная (чем выше температура тем ниже константа Генри)

Растворимость многих веществ и соответственно миграционная способность (подвижность) зависят от внешних факторов, которые могу повлиять:

·  либо на величину показателя растворимости (таким фактором, например, является температура)

·  либо на трансформацию вещества.

Например, многие элементы при изменении степени окисления под влиянием внешней среды могут образовывать растворимые легкомигрирующие вещества. То же самое можете иметь место и в результате комплексообразвоания.

3.  Гидрофобность (гидрофильность)

Характеризуется показателем «коэффициент распределения» Химические вещества в системе [вода/органическая жидкость, несмешиваемая с водой]

К_Р – важнейшая характеристика вещества, использующаяся как мера полярности молекул вещества

 - отношение равновесной концентрации вещества в двух, контактирующих фазах: неводной (равновесная концентрация в числителе) и водной (равновесная концентрация в знаменателе)

Это величина постоянна при отсутствии в системе заметного взаимодействия между молекулами растворенного вещества или между растворенным веществом и растворителем, которое могло бы повлиять на процесс распределения.

На величину К_Р оказывает влияние другие процессы, протекающие в системе. Простой пример – распределение органической кислоты между водой и органической фазой (бензол). В этом случае в водной фазе кислота диссоциирует:  а в неводной ассоциирует образуя димер:

При этом очевидно значительное влияние на величину К_Р будет оказывать рН водной среды, определяющее соотношение молекулярной и ионизированной форм/

Коэффициент распределения – очень важная характеристика, являющаяся обобщенным свойством молекул вещества. Эта константа в частности играет важную роль в процессах переноса физическая система          биологическая система. По величине коэффициента распределения можно судить о способности вещества проникать из-вне в биологические системы – о липофильности вещества.