«Жоңғар Алатауы» табиғат саяжайының табиғи ортасы компоненттерінің ауыр металдармен ластануын зерттеу

Бұрыштық құрлым салдарынан су молекуласында  айтарлықтай электрлік диполь момнті болады. Тұтастай алғандағы молекуланың  дипольдік моменті және O-H байланыстарының дипольдік моменттерін бейнелейтін су молекуласының құрлым байланыстарының дипольдік момент қосындысына тең:

  

                             (Н₂O) = (O – H) + (O – H)

 

Сутекттен көрініп тұрғандай, судың  молекуласы белгілі бір дипольдің  момент шамасымен сипатталынады, яғни полярлы (дипольды) молекула. Осыған орай, су иондық және полярлық смпаттағы  байланыстары бар заттар үшін тамаша ерікіш болып қалады, одан асқан  әзірше ештеңе жоқ.

Су молекулалары ассоциацияланған (біріккен) күйде – (H₂O)_x – болады, ал бұл молекулааралық сутектік байланыстардың түзілуі себінен жүреді.содан судың әрбір молекуласы бірімен бірі байланысып, бүтіндей бір жүйе, бейне бір сұйық полимер сияқты болады да нәтижеде су жоғары температурада қайнайды. Судың молекуласы төрт сутектік байланыс түзе алады, өйткені онда сутектің екі атомымен байланыпаған екі электрондық жұбі болады:

 

 

                             _{δ-         δ+       δ-        δ+         δ-        δ+            δ-         δ+}

                            

                             H            H            H               H

 

Қалыпты температурадағы ассоциация дәрежесі x ≈ 2 – 4.

Су молекуласының бұл қабілеті оның кейбір аномальдық қасиеттерін  түсіндіреді, атап айтқанда: балқу мен  бу түзіудің жоғары температурасының, жоғары диэлектрлік дарытқыштығын, 4⁰C кезіндегі максималды тығыздылығын, сол сияқты мұздың ерекше құрлымын. Су кристалындағы оттектің әрбір атомы екіден сутектік байланысы түзеді, бұл оның тетраэдрлық қоршауын анықтайды (2- сурет):

 

 

 

 

 

 

                           H    H             H

                                                                     

                               O             O

                                                                          

                                   H     H

                                      

                                       O

                                       

                                   H      H      H

                                               

                               O              O

                                         

                                   H

 

                     2 сурет. Мұз құрылымының жазықтық көрінісі

 

Сутектік байланыс коваленттік  байланыстан ұзындау болғандықтан, мұз тығыздылығының аздығын және алатраттық қосылыстар деп аталатын қосылыстың түзілуқабілеттілігін түсіндіркді. Сонымен, су  - ковалентті полярлы байланысы бар қосылыс.

 

 

2.2.2 Судың химиялық қасиаттері.

 

Су көптеген химиялық реакцияларда еріткіш, әрекеттеуші реагент немесе өнім ретінде қатысады:

1. Қышқылды-негіздік реакциялар. Сұйық су үшін өздігінен иондану немесе автопротолиз (иондарға ыдырау) тән. Оның молекулалары өзара біріне-бірі ықпал етеді. Бөлшекткрдің жылулық қозғалысы судың жекеленген молкуласындағы О-Н байланыстардың гетролиттік үзілуін және әлсіреуін тудырады. Мұндайда протон донорлы-акцепторлық механизм бойынша көрші су молнкуласындағы оттек атомына қосылады:

 

                                       немесе        

                      H₂O + H₂O   H₃O + OH^-

                                                                       ^{гидроксоний ионы}

 

шын мәнінде гидроксоний-ионы сутектің гидратирленген ионы Н⁺٠H₂O, сондықтан, әдетте, судың иондануын қысқартып жазады:

 

                                  H₂O    Н⁺ + OH^-

 

Міне, осылайша, иондану кезінде  бір сәтте Н⁺ және OH^- иондары түзіледі, яғни судың амфотерлік қасиеті болады. Бұл дегенің, судың қышқыл ретінде түсе алатындығын көрсетеді, мысалы:

 

                          NH₃ + H₂O   NH₃٠H₂O   NH₄OH

                                   BaO + H₂O = Ba(OH)₂

 

және  де негіз рөлінде де, мчсалы:

                                                         

                                            P₂O₅ + 3H₂O = 2H₃PO₄

 

2. Су молекуласының полярлылығы мен кіші өлшемі оның күшті гидратирлеуші қасиетін анықтайды. Гидратация – ол судың затқа қосылуы. Мұндайда не гидраттар (тұз кристалындағы гидратты суджы кристалдық деп атайды) түзіледі:

                                       CaCI₂ + 6H₂O = CaCI₂•6H₂O

 

не  гидролиз өнімі түзіледі:

 

                                       AI₂S₃ + 6H₂O = 2AI(OH)₃ + 3H₂S

 

3. Сондай-ақ органикалық қосылыстардың гидролизі де кең таралған. Белгілі мысалдың бірі – күрднлі эфирлердің гидролизі:

 

                     O                               O

                                                                       

       R – C – C - R' + H₂O   R – C – OH + R' – OH

 

4. Су электрохимиялық кернеу қатарындағы қалайғыға дейінгі орналасқан металдарды тотықтырады. Мысалы, су сілтілік металдармен тіпті салқында да әрекеттеседі:

 

                            2K + H₂O =  2KOH +  H₂

 

алюминиймен (алдын ала тотықтық қабатын тазалап) қайнатса, әрекеттеседі:

       

                                  2AI + 6H₂O = 2AI(OH)₃ + 3H₂

 

темірмен  – қыздырылған бу күйінде әрекеттеседі:

 

                                   3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂

 

5. Температура 1000⁰C жоғары болғанда бу сутек пен оттекке ыдырайды, яғни молекула ішіндегі тотығу-тотықсыздану реакциясы жүреді:

                             2H₂O 2H₂ + O₂

 

Сілтілік металдардың  сумен әрекеттесу реакциясының тез  жүретіндігі соншама (көп мөлшерде энергия бөлінеді), бөлінетін сутек  тұтанады және егер реакцияны қажетті  шарасыз жүргізсе, ол қопарылып та кетеді.

Ауыр (дейтерийлі) су D₂O. 1929 жылы оттектің ауыр изотоптары ¹⁷O және ¹⁸O, ал 1932 жылы дейтерий (²H немесе D) ашылған соң, кәдімгі су мүлдем таза емес, ол әртүрлі қатынастағы жоғарыдағы изотоптары бар қоспа судан тұрады деп саналды. Ауыр су – ол кәдімгі оттек атомының тек дейтериймен қосылған су, оның молекулалық салмағы 18 емес 20 тең, ал тығыздылығы кәдімгі судан 10% артық. Оның кәдімгі судан тығыздылық, жылу сйымдылық, тұтқырлық, балқу мен қайнау температураларының мәндері жоғары болады. Ондағы протолиттік және биохимиялар едәуір баяу жүреді. Мұның нәтижесінде ауыр су биохимиялық у болады. Ауыр суды көпсатылы электролиз көмегімен немесе протийді дейтериймен тотықтырып алады. D₂O –ні атомдық реакторларда жылутасушы және нейтрондарды баяулатушы ретінде, термояролық реактор отынының пайдалы құрамдасы ретінде пайдаланады, ол ЯМР –спектроскопияда еріткіш ретінде және ғылым мен техниканың басқа салаларында қолданылады.

 

 

2.2.3 Ауыр  металдардың химиялық және физикалық  қасиеттері

 

Ауыр металдар Менделеевтің кестесіндегі атомдық салмақтары 50

атомдық бірліктен артатын 40-тан астам  химиялық элементтер жатады. Ауыр металдар биосферада маңызды рөл атқарады. Табиғи ортада бұл металдың тарауы олардың концентрацияларының үнемі  өзгеріп отыруын сипаттайды. Көптеген ауыр металдардың ауыспалы валенттілік  көрсетуі, олардың реакцияға түсу қабілеттілігінің жоғары болуы, комплекс түзуге, поляризацияға бейімділігі бұл металдардың сыртқы р және d, f орбитальдарының аяқталмағандығымен түсіндіріледі. Осы қасиеттер олардың жоғары биохимиялық және физиологиялық активтіліктерін де анықтайды [42].

Ауыр металдардың барлығы бірдей биота үшін қауіп туғыза бермейді. Өздерінің таралуына, зияндылығына, тағамдық тізбекте жиналу қабілетіне байланысты бірінші кезекте бақылау  жасалынатын оннан астам элементтер бар. Олардың ішінде қорғасын, кадмий, мыс, мырыш бар [43].

Ауыр металдардың қоршаған ортаға түсуін шартты түрде екі топқа  бөлуге болады: табиғи және техногенді. Табиғи жолмен түсудің ішінде тау  жыныстары мен минералдың желмен таралуы, эрозия, вулкандық іс-әрекеттерді  атауға болады. Техногенді жолмен таралуда пайдалы қазбаларды өндіру және өңдеу, отын жағуды атау керек. Ауыр металдардың  топыраққа түсуіне тыңайтқыштар, өндірістік және коммуналдық ағын сулар  өз үлестерін қосады. Тек металлургия  өндіріс орындарынан жер бетіне жыл сайын түсетін ауыр металдардың  мөлшері мынадай (т): мыс-154650, мырыш-121500, қорғасын-89000, кадмий-1860, кобальт-765. Дүние  жүзі бойынша жыл сайын көмір  мен мұнайдың жануынан қорғасын 3600 тоннадай, мыс 2100 тоннадай, мырыш 7000 тоннадай мөлшері жер бетіне түседі [44].

Әдебиет мәліметтері бойынша қара және түсті металлургия  өндірістерінен ауыр металдардың мөлшерінің 95 пайыз  топырақ бетіне техногенді шаң түрінде түседі. Оның ішінде металдардың суда еритін қосылыстары 0,1 пайызды құрайды. Мөлшері бірнеше пайызға жететін суда еритін металл қосылыстары сирек кездеседі [45].

Ауыр металдардың қоршаған ортадағы мөлшерін анықтау мақсатында биосфераның  негізгі геохимиялық ағымдарының салыстырмалы бағалауы жүргізілген. Алынған мәліметтер құрлықтағы биологиялық айналымға қатысатын ауыр металдардың мөлшері жыл сайын артатынын көрсетті. Жыл сайын өзен суларына ауыр металдар көптеп түседі [46].

А.А. Беустың есептеуі бойынша соңғы  он жылда түсті металл

рудаларын металға дейін өңдеу кезінде  құрлықтың әрбір шаршы

километріне орта есеппен 20 кг қорғасын және 80 кг мыс  түседі. Автокөліктерден ортаға түсетін зиянды газдар жыл сайын жер бетіне

260000 т қорғасын  таратады. Бұл бетіне металлургия кәсіпорындарынан түсетін қорғасын мөлшерінен 3 еседей көп. Кейбір деректер бойынша 1литр   жанармай   жанғанда   ауаға   200-300   мг   қорғасын   түседі. Металдардың биосфераға түсу жылдамдығы кенет өсу тәрізді сипатта болады. Жер бетінің ауыр металдармен ластану масштабы күннен-күнге артып, өзгеріп келеді [47,48].

Мыс 4 периодтың, 5 қатардың, 1топтың негізгі топшасында орналасқан. Атомдық массасы  63 г/ моль, реттік номері 29, ядро заряды +29, электроны 29, протоны 29, нейтроны 34. Мыс табиғатта аз мөлшерде бос күйде, көбінесе әр түрлі қосылыстар түрінде кездеседі. Мыстың маңызды оттекті қосылыстарына  куприт Сu₂О,  мелаконит СuО,  малахит Сu₂(ОН)₂СО₃, азурит  2CuCO₃ ^. Cu(OH)₂, сульфидтеріне халькозин немесе мыс жылтыры Cu₂S халькопирит немесе мыс колчеданы CuFeS₂ жатады. Жер кыртысының 0,1 массалық үлесі мысқа тиеді. Мыс атомының сыртқы қабатында 1 электрон бар:

          ₊₂₉Cu)2е)8е)18е)1е

          Электрондық формуласы: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹

          Құрылымдық формуласы:

 

1s²     2s²         2p⁶            3s²          3p⁶                          3d¹⁰                   4s¹       

 

                      

Қасиеттері. Мыс қызғылт түсті, соғылғыш, созылғыш, электр тогы мен жылуды жақсы өткізетін ауыр металл. Мыс металдардың электрохимиялық кернеу қатарында сутегінен кейін орналасады. Сондықтан ол активтігі төмен металл. Өзінің химиялық қосылыстарындағы тотығу дәрежелері 1+, 2 + , 3+ болады . Мыс қыздырғанда галогендермен, күкіртпен, оттегімен әрекеттеседі.

Мыстың  комплекс қосылыстар түзуге қабілеті күшті болғандықтан циан қышқылдары тұздарының ерітінділерінде сутегі катиондары арқылы оңай тотығады:

 

Cu⁰+2Н⁺ОН+4 NаCN = Na₂[Cu(CN)₄]+2NaOH + H₂⁰

 

Бұл реакцияның жүру себебін жоғары температурада  энтропиялық фактордың артуымен, соған сәйкес ∆G мәнінің азаюымен түciндipyгe болады.Мыс концентрациялы күкірт қышқылымен әрекеттесіп тотығады:

 

Cu⁰ + 2H₂S⁶⁺O₄= Cu²⁺SO₄+ S⁴⁺O₂+2H₂O

 

Мыстың осы қышқылдармен әрекеттесу жылдамдығы температураның жоғарылауына байланысты артады. Мыстың қосылыстары. Тотығу дәрежесі 1 + болатын мыстың қосылыстарына Cu₂O, CuOH, CuCl, Cu₂S т. б. тұздapы жатады. Мыс (II) оксиді Сu₂О қызыл түсті ұнтақ зат. Мыс (II) оксиді жоғары температурада қыздыру арқылы мыс (I) оксидін алады. Мыс (I) оксидіне тұрақсыз мыс (I) гидроксидіне сәйкес келеді. Мыс (I) оксидіне, тұз қышқылымен әрекет ету арқылы мыс (I) хлоридын алуға болады.Бұлардан басқа мыс (I) ионы броммен, иодпен сәйкес тұздар түзеді.