Нитрат свинца хорошо растворим в воде, но при его диссоциации в воде образуется стабильный комплекс.
Оксигалиды свинца Pb2OCl2, Pb3O2CI2, Pb3OCl4 известны как минералы.
Гидрофосфат (PbHPO4) образует малорастворимый в воде минерал монетит.
Соединения с общей формулой [3 Pb3(PO4)2 * PbX2], где X – Сl, Br или OH называют апатитами свинца. Хлорапатит свинца встречается в природе в виде минерала хлоропироморфита (Pb5(PO4)3Сl). Карбонат PbCO3 является одним из наименее растворимых соединений свинца.
В природе он встречается в виде минерала церуссита. Растворимость его заметно возрастает в присутствии растворимого в воде СО2. Ещё менее растворим сульфид свинца – галенит. На воздухе он постепенно окисляется, в результате чего при нахождении сульфидной руды на воздухе галенит постепенно покрывается сначала коркой англезита PbSO4, который затем с поверхности переходит в церуссит.
Растворимость некоторых соединений свинца и их произведения растворимости приведены в таблице 1.
Исходя из этих данных можно сделать вывод о том, что в жидкой фазе почв концентрацию элемента могли бы контролировать только карбонат, сульфид и пироморфит свинца.
Наличие в почвах кальцита, концентрация которого существенно выше, чем у церуссита, приводит к появлению в почвенном растворе ионов карбонатов и гидрокарбанатов в концентрациях, достаточных для осаждения ионов свинца из раствора.
В присутствии кальцита при характерном для многих почв содержанием углекислого газа около 0,3% содержание свинца составляет 31 мкг/л.
Таким образом, в карбонатных почвах связывание ионов свинца происходит за счёт осаждения церуссита.
Таблица 1
Растворимость некоторых соединений Pb (II) в воде. [3]
| соединение | растворимость | -lg (ПР) | t, С | |
| мг/л | моль/л | |||
| Pb(OH)2 | 11,4 | 5,5*10 | 15 | 25 |
| PbCl2 | 5745-12830 | 2,77*10-6,2*10 | 4,67-3,62 | 25 |
| PbCO3 | 0,037 | 1,8*10 | 13,48 | 18 |
| PbHPO4 | 2,3 | 1,8*10 | 9,92 | 25 |
| PbSO4 | 37 | 1,8*10 | 7,8 | 25 |
| PbS | 6*10 | 2,8*10 | 27,1 | 25 |
| Pb5(PO4)3Cl | 1*10 | 5*10 | 83,7 | 25 |
Альтернативным механизмом поглощения свинца является обменное или необменное поглощение Pb (II) оксидами – гидроксидами Fe и Mn, глинистыми минералами и органическим веществом почв. В условиях лабораторного эксперимента исследователи [3] установили, что оксидами – гидроксидами железа в интервале рН от 3,5 до 5,5 практически полностью поглощают ионы свинца из раствора.
Оксиды Mn так же связывают растворённый свинец, рН влияет на этот процесс в существенно меньшей степени. Практически не оказывает на него влияния и изменения поверхности твёрдой фазы. От 20 до 93% свинца, поглощённого свежеосаждёнными оксидами марганца, не удавалось экстрагировать 25% уксусной кислотой, а после «состаривания» в течение 28 недель для доля этой неэкстрагируемой фракции возросла до 37 – 100% поглощения Pd (II). Для свежеосаждённого и «состаренного» гетита доля экстрагируемого такой кислотой свинца составляла, соответственно, 10 – 44 и 19 – 62%. Можно сделать вывод о том, что при взаимодействии свинца даже с простыми сорбентами часть его оказывается более прочно связанной, а часть менее, то есть, проявляется неоднородность «сорбционных центров».
Чтобы заряд поверхности частиц оставался неизменным, поглощение свинца почвами и их составляющими должно сопровождаться вытеснением в раствор каких то других ионов. Связывание 1 моль Pb (II) гидроксидами Mn при рН 4, по данным [11], приводит к вытеснению H+ в количестве 1 моль для бирнессита и 1,3 моль для криптомелона. Для гидроксидов железа (гематита и петита) это отношение составило соответственно 1,3 и 2 моль. Авторами работы [11], выдвинуто предположение о том, что поглощение свинца из кислых растворов происходит в соответствии с уравнением:
SOH0 + Pb2+ = [SO – Pb 2+] + H+, (1)
где SOH0 – незаряженный участок поверхности, а формула в квадратных скобках отражает поглощенную форму катиона свинца.
С ростом рН можно ожидать поглощение моногидроксокомплекса:
SOH0 + Pb 2+ + Н2О = [SO- - Pb(OH)2] + 2Н+ (2)
С дальнейшим поверхностно - индуцированным межфазным осаждением гидроксида металла в соответствии с выражением:
S + Pb 2+ + 2 Н2О = [S - Pb(OH)2] + 2Н+ (3)
Для оксидов железа резкое увеличение поглощения в узком диапазоне рН автор приписывает достижению уровня рН, при котором становится возможным поглощение PbOH+. Соединения в составе которых есть свинец на поверхности оксидов – гидроксидов, относят к поверхностным внутрисферным комплексам.
Почвы с большим содержанием гумуса не проявляли большей селективности по отношению к Pb 2+. Наиболее селективными сорбентами оказались оксиды железа.
«Сверх – эквивалентное» поглощение обнаружено, согласно [13], при связывании почвами других катионов, например катионов меди. В соответствии с данными исследований [14], поглощение катионов почвами принято подразделять на «неспецифическое» и «специфическое». Под «неспецифическим» обычно понимают связывание катионов за счёт действия электростатических сил в двойном электрическом слое, а «специфическое» относят за счёт формирования координационных связей с поверхностью через атомы кислорода или группы – ОН. «Сверх – эквивалентное» поглощение происходит именно за счёт механизма, неселективного поглощения по отношению к ионам Pb 2+.
Об особенностях механизма связывания свинца почвами, подтверждающих гипотезу [14], можно судить по тому, что его величина не пропорциональна ёмкости катионного обмена.
Предложены и другие гипотезы механизма поглощения свинца в почвах. В частности, другим типом взаимодействия может быть образование комплексов свинца с органическим веществом, сорбированными на поверхности глинистых частиц. Высказывается мнение о том [3,12], что роль глинистой фракции в поглощении свинца незначительна по сравнению с ролью органического вещества.
Роль органического вещества неоднозначна и с другой точки зрения [12]: выделенные из почв гуминовые кислоты прочно связывали часть свинца, но 65% удержанного ими свинца оказывались в обменной фракции.
Выделяемая 1н. HNO3 фракция свинца, по мнению авторов [12] , входит в состав комплексных соединений с гуминовыми кислотами. Катионы Pb 2+ могут быть связаны с гуминовыми кислотами либо через карбоксильные, либо через гидроксильные группы.
Недиссоциированные слабокислые ОН – группы сахаров и фенолов также, возможно, участвуют в образовании таких комплексов.
Итак, на основе приведённых данных подтверждённые и гипотетические механизмы поглощения свинца можно представить в виде схемы, показанной в таблице 2.
Таким образом, на современном этапе исследования механизмов поглощения металла можно утверждать, что, во-первых, существуют некоторые условные фракции свинца в почвах, которые нельзя отнести к тем или иным химическим соединениям. Во-вторых, в зависимости от свойств почв металл можно сделать практически полностью недоступным для растений и иммобильным.
Таблица 2
Механизмы поглощения Рb(II) в почвах
| Тип поглощения | На чем происходит связывание | Характер взаимодействия |
| Обменное осаждение | Оксиды-гидроксиды Fe и Мn | -образование поверхностных комплексов по уравнениям (1) и (2) |
| Силикатные материалы | -электростатическое или полярное с участием Si – О –группы проникновение в межплоскостные промежутки алюмосиликатов -связывание на цеолитах | |
| Органическое вещество | -полярное, через карбоксильные группы полярное, через фенольные группы | |
| Необменное осаждение | Оксиды-гидроксиды Fe и Mn, силикатные минералы и органическое вещество | -выпадение в осадок PbCO3 или пироморфита -связывание ионов или заряженных комплексов на поверхности с изменением заряда поверхности -связывание на цеолитах |
1.1.2 Содержание кадмия в почвенных растворах
В почвы кадмий поступает в составе отходов, образующихся, при добыче и переработке цинковых, свинцово-цинковых, медно-цинковых руд, а также в виде примесей оксидов, сульфидов и иных галогенидов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, попадает с суперфосфатом, как примесь, и входит в состав фунгицидов. Он добавляется для прочности в пластмассу и при её сжигании в мусоре попадает в биосферу. Основной источник загрязнения почвы кадием -–добыча и металлургия цинка, а также производство красок и электротехнической продукции. Распространенность Сd в магматических и осадочных породах не превышает 0,3 мг/кг. Этот элемент, по-видимому, концентрируется в глинистых осадках и сланцах. Геохимия Сd тесно связана с геохимией Zn, но кадмий обнаруживает большую, чем Zn, подвижность в кислых средах. При выветривании Cd легко переходит в раствор, где присутствует в виде Cd2+. Он может образовывать также комплексные ионы (CdCl,+ CdOH,+ CdHCO3,+CdCl3-, CdCl42-,Cd(OH)3-, и Cd(OH)42-) и органические хелаты. Главное валентное состояние Cd+2 в природных средах, и наиболее важные факторы, контролирующие подвижность ионов Cd, - это pH и окислительно-восстановительный потенциал. В сильно окислительных условиях Cd способен образовывать собственные минералы (CdO, CdCO3 ), а также накапливаться в фосфатах и биогенных осадках.
Главный фактор, определяющий содержание Cd в почвах, - это химический состав материнских пород. Среднее содержание кадмия в почвах, по данным [17,19], лежат между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни Cd в почвах, по-видимому, не превосходят 0,5 мг/кг, и все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание металла в верхнем слое почв.