重金属化学性质（精选十篇）
重金属化学性质 篇1
本课时的地位和作用
1. 本课题内容属于九年制义务教育课程标准中一级主题“身边的化学物质”中的二级主题“金属与金属矿物”的知识范畴。
2.本课题是金属的核心内容, 之前学习了氧气、二氧化碳和一氧化碳等各种物质的化学性质, 本单元首次对一类物质的化学性质进行研究, 为后面学习酸、碱、盐等一类物质的化学性质打基础。
3.本节课采用先具体、后抽象的方法进行研究, 目的在于引导学生运用“物质分类”、“结构决定性质”等观念从化学学科的视角认识金属的化学性质, 并运用性质解决生活中的问题。
学情分析
已有的知识、能力、生活经验
金属与氧气反应:铁、镁与氧气的反应;金属与酸反应:实验室制取氢气;金属与金属盐溶液反应:铁与硫酸铜溶液的反应;生活经验:了解很多金属与氧气作用。
已有的能力:观察能力;实验能力;思维能力;简单科学探究能力。
待提高和深化的能力
如何通过比较几种常见金属的化学性质, 进而归纳总结出金属化学性质的共性、差异性和递变性仍然使学生感觉困难。对于一类物质的研究方法也是本节课的难点。强化应用探究的方法进行预测、推理和解决实际问题;进一步提高实验的观察、预测、分析和推理并得出结论的能力。
教学目标
知识与技能
1.通过科学探究, 认识、比较几种常见金属的化学性质, 归纳总结金属化学性质的共性、差异性和递变性。
2.通过实验探究金属镁、锌、铁、铜的活动性, 认识金属的化学活动性。
3. 从微观上解释金属化学性质存在共性和差异的原因。
4. 能利用金属活动性顺序分析、解释一些与日常生活有关的化学问题。
过程与方法
1.初步体会运用化学基本观念—元素观、反应观、分类观研究一类物质的方法。
2.培养学生用宏观与微观、现象与本质、共性与个性的思维方法认识客观事物。
3.通过比较、归纳等方法, 让学生逐步掌握学习一类物质化学性质的一般方法。
情感态度与价值观
1.通过学生亲自做探究实验, 激发学生学习化学的浓厚兴趣。
2.通过对实验的探究分析, 培养学生严谨、认真、事实求是的科学态度。
3. 通过实验和情境的创设, 发展科学探究能力、合作意识;养成勤于思考、严谨求实的科学精神。
教学重点和难点
教学重点:金属化学性质的共性、差异性和递变性
教学难点:研究一类物质的方法, 探究典型金属活动性。
教学流程示意图
教学手段及教学用具
教学手段:创设情境+ 讨论分析+ 小组合作+ 多媒体辅助教学法
教学用具:投影仪
板书设计
教学反思
1.本节课的教学理念:通过以化学实验为主的探究活动, 使学生体验科学研究的过程, 激发学习化学的兴趣, 促进学习方式的转变, 体现了化学学科的特色。
2. 本节课教学环节完整, 利用生活中的问题、多媒体等多种形式创设教学情景, 诱发了学生的学习兴趣, 并通过提问题、猜想、验证、分析、归纳、小结等过程引导学生开动脑筋敢于和善于提出自己的见解, 让学生初步体会了科学探究的方法和思维方法, 培养了学生的实验能力、观察能力、实事求是的科学态度。
3.在使用多媒体课件PPT, 增强了课堂的效率, 使学生的学习内容更加的丰富;利用实物投影, 增强了老师实验和学生实验的效果, 观察的现象更加明显。
4.化学源于生活, 也应回归于生活。如果学生感觉到化学离生活很远, 会导致学生对化学学习产生厌倦。我从学生身边熟悉的问题入手 (鉴别真假黄金) , 从开始的提出问题到学习后解决问题, 教学活动中从一个知识的传播者转变为与学生一起发现问题、探讨问题、解决问题的组织者、引导者、合作者。最后学生用学过的知识去解决生活中的问题, 使学生有学习的成就感。
5.板书的设计:利用结构化板书, 使重点更加突出。
6.充分体现了学生的主体地位。本节课学生做实验、讨论的时间比较充分。最后学生对真假黄金鉴别的讨论也为下节课的教学做好了铺垫。
7. 需改进:对学生实验前的要求应再具体些。
重金属化学性质 篇2
金属和金属材料
实验活动4 金属的物理性质和某些化学性质
1.巩固加深对金属性质的认识；
2.培养实验设计能力。
金属的物理性质和化学性质的探究
阅读书本第24页的内容,了解本次实验活动的实验目的、实验需要用到的实验用品,按正确的实验步骤进行实验。
1.铜片和铝片相互刻划后,你发现哪个的硬度大？
2.用坩埚钳夹取一块铜片,放在酒精灯的火焰上加热,观察有什么变化？
3.向5支试管中分别放入少量镁条、铝片、锌粒、铁片、铜片,然后分别加入5 mL稀盐酸(或 稀硫酸),观察各个试管有什么现象？
4.可以利用上面的哪个反应来比较金属的活动性强弱？
1.金属的物理性质：金属有共性，如金属光泽、导电性、导热性、延展性,也有各自的特性,如密度、熔点、硬度等,有的可能差异还很大。
2.金属的化学性质：大多数金属能和氧气发生反应,但反应的难易和剧烈程度不同；金属和稀盐酸、稀硫酸的反应。
1.食品包装袋中经常使用到铝箔,铝能制成铝箔是因为铝具有良好的(D)
A.导电性
B.抗腐蚀性
C.导热性
D.延展性 2.根据金属活动性顺序分析,下列描述或判断错误的是(D)
A.常温下,在空气中金属镁比铁容易氧化
B.在氧气中灼烧时,铁丝比铜反应剧烈
C.与同种盐酸反应时,锌片比铁片反应剧烈
D.铝具有抗腐蚀性是因为在常温下铝不与氧气反应
3.下列各组实验,不能说明铁和铜的金属活动性强弱的是(B)
A.铁丝和铜丝分别插入稀硫酸
B.铁丝和铜丝分别插入氢氧化钠溶液中
C.铜丝插入硫酸亚铁溶液中
D.铁丝和铜丝分别在氧气中点燃
4.把金属X放入Cu(NO3)2溶液中,X表面有红色固体析出；若放入Mg(NO3)2溶液中,无明显现象。则X、Cu、Mg三种金属活动性由强到弱的顺序正确的是(A)
A.Mg、X、Cu
B.X、Mg、Cu
C.Mg、Cu、X
D.Cu、X、Mg 5.下列金属中，活动性最弱的是(B)
A.铝
B.铜
C.镁
D.铁
6.小思实验操作考试的题目是探究金属的化学性质，内容包括：铜在空气中灼烧、锌与稀硫酸反应、铝丝与硫酸铜溶液反应。如图是他实验操作考试中的部分情景。
A.灼烧铜丝
B.放置坩埚钳
C.加锌粒
D.倾倒硫酸铜溶液
（1）上图中有一处错误的操作，该操作是C（填序号）；（2）操作A的现象是铜丝表面变黑；
《金属的化学性质》教学案例 篇3
新课程标准要求“根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究,了解钠、铝、铁、铜等金属及其重要化合物的主要性质,能列举合金材料的重要应用。”学生学习金属的化学性质主要通过实验、图片和讨论等途径获得。化学是一门实验科学,实验探究是学生发现问题、解决问题、获得知识、提高能力、加深体验的重要途径。鉴于此,我在授课时应以实验探究的方式突出化学学科的特色,以此激发、培养和维持学生学习的积极性。
二、前期分析
1.教材分析
金属的化学性质为高中化学必修1第三章《金属及其化合物》第一节的内容,从教材的设置看,是学习元素化合物知识的开始,既是学生在初中所学金属和金属材料的知识基础上的深化,又为前面两章所学的实验和理论知识补充感性认识材料;同时本课时要介绍的金属性质研究获取方法如观察法、实验法、比较法、归纳法等也是学习元素化合物知识的重要方法,将是学生在后续章节里认识元素周期律、元素周期表知识的重要基础,因此本课时乃至本章的内容将起一个承上启下的作用。
2.学情分析
学生在初中已经学过有关金属的性质,在知识目标实现方面没有障碍;在学习钠、铝学习过程中,学生已具备氧化还原、离子反应等基本理论,如何通过实验验证,设计实验以及如何提取重要信息,避免学生只顾看实验现象而忽视了思考的情况出现,需要教师适时且适当地点拨。
三、教学重难点
1.教学重点
钠的氧化和钠与水的反应
2.教学难点
化学学习方法的养成
四、教学过程
引入新课
多媒体展示北京奥运烟花营造出火树银花不夜天的美景,引出本节内容。
学习新课
1.金属与非金属的反应
金属有许多共同的物理性质,如良好的导电、导热性,不透明,有金属光泽,延展性,金属有哪些共同的化学性质?现在请同学们结合图片写出有关的化学方程式并指出反应类型。
【师生评价并出示化学方程式】
【思考与交流】这些反应表现了金属具有哪些化学性质?
【小结】略。
【深入探究】金属这些化学性质是由什么决定的?请同学们完成教材46页思考交流3。
【释疑】金属元素最外层电子数较少,易失去电子,因而性质活泼。也就是结构决定性质,Mg的性质初中已经学过,下面重点学习Na、Al两种金属的化学性质。
【过渡】在大家的桌上有一种新的金属——钠,看一看它是如何保存的?
【观察回答】闻、看后答出是煤油。
【设疑】钠为什么存放在煤油中呢?钠有什么样的性质?
【实验探究1】指导学生分组做实验3-1。取一小块金属钠,用滤纸吸干表面的煤油,用刀切去一端的外皮,观察实验现象。
【设问】同学观察钠的切面的颜色发生了变化,为什么?
【追问】钠常温下尚能与氧气反应,如果是加热呢?你估计反应现象如何?
【实验探究2】演示实验3-2。把一小块金属钠放在石棉网上(说明:钠的燃烧实验在坩埚中进行比较规范,但不易观察,改在石棉网上进行。操作时注意:钠开始燃烧后立即撤掉酒精灯),加热,观察有什么现象? 现象:钠先熔化成白色小球后燃烧发出黄色火焰,生成淡黄色固体。
【小结】 以上两个反应中还原剂都是Na,氧化剂都是O2 。Na与O2反应条件的不同,产物不同。
【过渡】相当多的金属在一定条件下都可以与氧气反应,比如铁和镁,回忆镁带燃烧有什么现象?也有些金属的性质我们不是非常熟悉,比如铝,铝能否在酒精灯焰上点燃呢?请同学们通过实验探讨这个问题。
【科学探究1】加热铝箔。
现象:铝箔熔化并失去光泽,熔化的铝并不滴落,好像有一层膜兜着。
原因:Al2O3的熔点(2050℃)远高于铝的熔点,所以熔化的液态铝不会低落。
【科学探究2】先用砂纸打磨铝箔后加热。
现象:熔化的铝仍不滴落。
原因:铝很活泼,在空气中很快又生成一层新的氧化膜。
【视野拓展】阅读资料卡片,了解铝的氧化膜。
金属原子的最外层电子数较少,易失去最外层电子,单质都表现出还原性。当遇到氧化剂时,就会发生氧化还原反应。因此除了能被氧气氧化外,还能被Cl2、S等其他非金属所氧化。
【过渡】铁、铝或铜制水壶可用来烧水,说明这几种金属与热水不反应,是不是所有金属都不与水发生反应呢?
【板书】2.金属与水的反应
【师生小结】略。
五、教学反思
本节课通过采用实验探究法,按照思考、交流、分析、得出结论的方法进行启发式教学。通过奇妙的化学实验的操作和精彩的化学实验现象感受化学世界的美妙变化,激发学生学习兴趣,同时有利于他们形成良好的实验习惯和严谨的科学态度。本节课最大特点是充分利用实验探究,在演示实验、对比实验、分组实验探究中,以最近发展区理论为指导,在提高学生学习兴趣的同时,又帮助学生完善了自身科学素养,达到授生以“渔”的目的。
《金属的化学性质》教学案例 篇4
新课程标准要求“根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究, 了解钠、铝、铁、铜等金属及其重要化合物的主要性质, 能列举合金材料的重要应用。”学生学习金属的化学性质主要通过实验、图片和讨论等途径获得。化学是一门实验科学, 实验探究是学生发现问题、解决问题、获得知识、提高能力、加深体验的重要途径。鉴于此, 我在授课时应以实验探究的方式突出化学学科的特色, 以此激发、培养和维持学生学习的积极性。
二、前期分析
1. 教材分析
金属的化学性质为高中化学必修1第三章《金属及其化合物》第一节的内容, 从教材的设置看, 是学习元素化合物知识的开始, 既是学生在初中所学金属和金属材料的知识基础上的深化, 又为前面两章所学的实验和理论知识补充感性认识材料;同时本课时要介绍的金属性质研究获取方法如观察法、实验法、比较法、归纳法等也是学习元素化合物知识的重要方法, 将是学生在后续章节里认识元素周期律、元素周期表知识的重要基础, 因此本课时乃至本章的内容将起一个承上启下的作用。
2. 学情分析
学生在初中已经学过有关金属的性质, 在知识目标实现方面没有障碍;在学习钠、铝学习过程中, 学生已具备氧化还原、离子反应等基本理论, 如何通过实验验证, 设计实验以及如何提取重要信息, 避免学生只顾看实验现象而忽视了思考的情况出现, 需要教师适时且适当地点拨。
三、教学重难点
1. 教学重点
钠的氧化和钠与水的反应
2. 教学难点
化学学习方法的养成
四、教学过程引入新课
多媒体展示北京奥运烟花营造出火树银花不夜天的美景, 引出本节内容。
学习新课
1. 金属与非金属的反应
金属有许多共同的物理性质, 如良好的导电、导热性, 不透明, 有金属光泽, 延展性, 金属有哪些共同的化学性质?现在请同学们结合图片写出有关的化学方程式并指出反应类型。
【师生评价并出示化学方程式】
【思考与交流】这些反应表现了金属具有哪些化学性质?
【小结】略。
【深入探究】金属这些化学性质是由什么决定的?请同学们完成教材46页思考交流3。
【释疑】金属元素最外层电子数较少, 易失去电子, 因而性质活泼。也就是结构决定性质, Mg的性质初中已经学过, 下面重点学习Na、Al两种金属的化学性质。
【过渡】在大家的桌上有一种新的金属——钠, 看一看它是如何保存的?
【观察回答】闻、看后答出是煤油。
【设疑】钠为什么存放在煤油中呢?钠有什么样的性质?
【实验探究1】指导学生分组做实验3-1。取一小块金属钠, 用滤纸吸干表面的煤油, 用刀切去一端的外皮, 观察实验现象。
【设问】同学观察钠的切面的颜色发生了变化, 为什么?
【追问】钠常温下尚能与氧气反应, 如果是加热呢?你估计反应现象如何?
【实验探究2】演示实验3-2。把一小块金属钠放在石棉网上 (说明:钠的燃烧实验在坩埚中进行比较规范, 但不易观察, 改在石棉网上进行。操作时注意:钠开始燃烧后立即撤掉酒精灯) , 加热, 观察有什么现象?现象:钠先熔化成白色小球后燃烧发出黄色火焰, 生成淡黄色固体。
【小结】以上两个反应中还原剂都是Na, 氧化剂都是O2。Na与O2反应条件的不同, 产物不同。
【过渡】相当多的金属在一定条件下都可以与氧气反应, 比如铁和镁, 回忆镁带燃烧有什么现象?也有些金属的性质我们不是非常熟悉, 比如铝, 铝能否在酒精灯焰上点燃呢?请同学们通过实验探讨这个问题。
【科学探究1】加热铝箔。
现象:铝箔熔化并失去光泽, 熔化的铝并不滴落, 好像有一层膜兜着。
原因:Al2O3的熔点 (2050℃) 远高于铝的熔点, 所以熔化的液态铝不会低落。
【科学探究2】先用砂纸打磨铝箔后加热。
现象:熔化的铝仍不滴落。
原因:铝很活泼, 在空气中很快又生成一层新的氧化膜。
【视野拓展】阅读资料卡片, 了解铝的氧化膜。
金属原子的最外层电子数较少, 易失去最外层电子, 单质都表现出还原性。当遇到氧化剂时, 就会发生氧化还原反应。因此除了能被氧气氧化外, 还能被Cl2、S等其他非金属所氧化。
【过渡】铁、铝或铜制水壶可用来烧水, 说明这几种金属与热水不反应, 是不是所有金属都不与水发生反应呢?
【板书】2.金属与水的反应
【师生小结】略。
五、教学反思
《金属的化学性质》教案 篇5
请一位同学上黑板书写上述反应的化学方程式。
学生小组讨论并汇报本组的实验方案或生活实例。听讲，进一步理解金属与氧气的反应。
【板书】课题2金属的化学性质
【课题引入】确切地说应该是空气中的氧气在偷偷在起作用。我们先来回忆一下以前学习过的金属和氧气的化学反应有哪些呢？它们反应的现象是什么？化学方程式怎样写？
【展示】镁、铁燃烧的图片
【演示】将一根铜丝和金戒指分别放在酒精灯火焰上燃烧。
【补充】俗话说“真金不怕火炼”、“金入于猛火，色不夺精光”,由此说明，金在高温下也不与氧气发生反应，金最不活泼。 【板书】活动性：Mg、Al＞Fe＞Cu＞Au 【解说】这就解答了一开始提出的问题。铁的活动性比较强，因此铁制品被腐蚀地比较严重。铜活动性较弱，被腐蚀的程度比较轻。而金的活动性弱，基本上不被腐蚀。
【思考】铝的化学性质比铁活泼，为什么我们通常看见铁生锈而没有看到铝生锈？在清洗铝制品时应注意些什么？
学生讨论并回答：铝制品耐腐蚀是由于铝可与空气中的氧气反应，使其表面形成一层致密的氧化铝保护膜之故；若用钢刷、沙等来擦洗铝制品，容易把氧化铝薄膜除掉，从而起不到保护作用。
【小结】镁、铝在常温下就能与氧气反应。如铝在空气中与氧气反应，其表面生成一层致密的氧化铝（Al2O3）薄膜，从而阻止铝进一步氧化，因此，铝具有很好的抗腐蚀性能。这也是铝的产量在短短一百多年里得到大幅度的提高，并被广泛的运用的一个重要的原因。
【过渡】很多金属不仅能与氧气反应，而且还能与盐酸或稀硫酸反应。金属与盐酸或稀硫酸是否反应以及反应的剧烈程度，也可反映出金属的活泼程度。下面，我们就通过实验来比较镁、锌、铁、铜的活动性。
三庄中学
夏小荣
研讨课
【活动与探究】将学生分成A、B两组。
A组：在四支试管中分别放入两小块打磨光洁的镁条、锌粒、铁片、铜片，各加入约5 mL稀盐酸，观察现象，比较反应的剧烈程度；用燃着的木条放在试管口，观察并记录实验现象。
B组：用稀硫酸代替稀盐酸进行实验，并比较发生的现象。分组实验并仔细观察实验现象，记录并通过比较、分析，得出结论。
【引导学生进行讨论、交流和展示探究结果】引导对信息进行处理，并获取结论。
A组：Mg+2HCl==MgCl2+H2↑ Zn＋2HCl == ZnCl2＋H2↑ Fe+2HCl==FeCl2+ H2↑
B组：Mg+H2SO4==MgSO4+H2↑ Zn +H2SO4== ZnSO4+ H2↑ Fe+ H2SO4==FeSO4 + H2↑
【交流】
（1）镁、锌、铁可与盐酸或稀硫酸反应生成氢气，铜不与盐酸或者稀硫酸反应。
（2）镁、锌、铁与盐酸或稀硫酸反应时的剧烈程度不同。镁反应最剧烈，其次是锌，然后是铁。
（3）与酸反应时，能生成氢气的金属活动性强；否则，就较弱。
（4）镁、锌、铁、铜的金属活动性由强到弱。
【导思】同学们，你们的观察真实可靠吗？
【投影】 “金属与盐酸反应的比较”
【过渡】一些金属不能与盐酸或稀硫酸反应，如铜和银，如何确定它们之间活动性顺序呢？
要求：对铝、铜、银活动性顺序的探究：
1、设计探究方案
2、预测实验现象
重金属化学性质 篇6
教学目标
1、知识与技能目标
（1）了解地壳中一些重要元素（氧、硅、铝、铁）的相对含量
（2）掌握Na、Al的重要性质，认识Na是一种活泼的金属
（3）知道铝的氧化膜对内层金属的保护作用
2、过程与方法目标
通过实验探究，增强学生思考、交流、实验、观察、分析、归纳得出结论的能力
3、通过探究性实验，培养学生勇于探索的精神
教学重点
钠的性质
教学难点
对实验现象的观察和分析
教学用具
实验用品：钠、玻璃片、小刀、镊子、滤纸、铝箔、酒精灯、火柴、坩埚、三角架、泥三角、坩埚钳、砂纸。
教学方法
实验——探究——讨论——归纳
教学过程
【引入】在我们的身边有很多的金属制品，大到飞机、坦克、航母，小到缝衣服的针，说明金属在我们的生活中占据着重要的位置。在这一章，我们来研究几种重要的金属和它们的化合物的性质。
【板书】第三章 金属及其化合物
第一节 金属的化学性质
回忆初中所学有关金属的性质，回答下列思考题：
【思考】
1、地壳中含量前四位的元素分别为： 氧、硅、铝、铁
含量最多的金属元素是 铝
2、地球上金属元素的主要存在形式是什么？ 化合态
为什么？ 金属化学性质比较活泼
3、写出下图相应反应的化学方程式，并思考金属在反应中的性质（氧化性还是还原性）
（1）铝丝与硫酸铜溶液反应 2Al + 3CuSO4 == Al2（SO4）3 + 3Cu
金属的性质 还原性
（2）镁条燃烧 2Mg + O2 ======= 2MgO
金属的性质 还原性
（3）铜丝与硝酸银溶液反应 Cu + 2AgNO3 ==Cu（NO3）2+ 2Ag
金属的性质 还原性
（4）镁条与稀盐酸反应 Mg + 2HCl = MgCl2 + H2↑
金属的性质 还原性
4、上面四幅图基本概括了初中关于金属的化学性质。金属有哪些化学性质？
金属与盐溶液的反应 、 金属与非金属的反应 、 金属与酸的反应
金属的上述性质的共同特点是什么？ 还原剂
为什么？ 金属的最外层电子数较少，容易失去电子
【过渡】金属的这些性质将是我们今后研究某一金属的出发点和立足点，今天这节课，我们就来研究金属与非金属的反应，认识一种活泼金属Na的性质
【板书】一、金属与非金属的反应
展示金属Na，Na保存在煤油或石蜡油中
相信大家都听过“真金不怕火炼”，说明有些金属（如：Au）即使在很高的温度下也不与O2发生反应，而有些金属（如：Fe）在常温下就能与O2发生反应，金属Na又如何呢？
【实验探究一】——常温下Na在空气中的变化
取一小块金属Na，用滤纸吸干表面的煤油后，用刀切去一端的外皮，观察Na的颜色、光泽、感受Na的硬度，新切开的Na表面在空气中发生什么变化？（注意：凡是接触Na的用具都必须是干燥的，取用Na后剩余的应放回原瓶）
小结：1、Na的物理性质： 具有银白色金属光泽、质地柔软、密度比煤油大、熔点低、易导电、易导热
2、新切开Na的表面： 具有银白色金属光泽，但很快变暗，生成白色固体
（这说明Na与空气中的O2发生了反应）
3、反应方程式：4Na + O2 === 2Na2O
标出各元素化合价，判断该反应是否为氧化还原反应，如果是，请找出氧化剂与还原剂。
【过渡】Na在常温下就可以和O2发生反应，如果我们改变反应条件，对Na进行加热，又会是什么情况呢？
【实验探究二】——加热条件下Na在空气中的变化
把一小块金属Na放在坩埚里，加热，有什么现象？
现象：Na先熔化成小球，后燃烧，发出黄色火焰，最后生成淡黄色固体
反应方程式：2Na + O2 ======== Na2O2
标出各元素化合价，判断该反应是否为氧化还原反应，如果是，请找出氧化剂与还原剂。
【总结】Na与O2反应，反应物相同，反应条件不同，产物不同。
【过渡】Al与Na都是活泼金属，那么Al与O2的反应有什么不同呢？
【实验探究三】——铝箔与O2的反应
1、用坩埚钳夹住一小块铝箔，在酒精灯上加热至熔化，轻轻晃动，观察实验现象。
现象：铝箔熔化，失去光泽，但熔化的铝箔并不滴落。
结论：在常温下，Al的表面生成一层Al2O3薄膜，保护了内层金属
2、用坩埚钳夹住一小块，用砂纸仔细打磨过的铝箔，在酒精灯上加热至熔化，轻轻晃动，观察实验现象。
现象：铝箔熔化，失去光泽，但熔化的铝箔并不滴落。
结论：在加热条件下，Al的表面会很快生成一层Al2O3薄膜，从而保护内层金属
钠的原子结构示意图、讨论其化学性质
反应方程式：4Al + 3O2 ======= 2Al2O3
【思考】若要观察Al的燃烧，可采取哪些措施？
（1）增大Al的接觸面积，将铝箔换成Al粉
（2）增大O2的浓度，在纯氧中反应
【思维拓展】其余金属与非金属的反应
2Fe + 3Cl2 ===== 2FeCl3
Fe + S ===== FeS
氧化性：Cl2 > S
重金属化学性质 篇7
随着工业化的发展,越来越多的重金属通过各种途径被排放到环境中,土壤作为环境的重要的组成部分,承受着日趋严重的重金属危害。全球范围内都存在着严重的土壤重金属污染问题,我国受Cd、Pb、Hg、Zn、As等重金属污染的耕地面积近2 000 万hm2,约占总耕地面积的1 /5[1],每年有1 200 万t农作物被重金属污染[2]。重金属不能被生物降解,在土壤中能够长期残留,可以通过直接接触或者食物链进入人体,危害人体健康,甚至致癌致畸[3]。重金属对土壤的污染是土壤污染问题中污染范围最广、危害最大的问题之一[4]。因此,迫切的需要寻找一种高效安全的方法修复重金属污染的土壤[5]。
化学提取法因其工艺简单、能够处理高浓度重金属污染、修复效率高、见效快,现已成为污染土壤修复技术的主要手段。化学提取法修复重金属污染土壤最重要的就是针对污染物质选择相应的提取剂,在此基础上探讨其最佳操作参数[6,7,8,9,10]。重金属以多种形态存在于土壤中,其中一些形态的重金属能够被土壤中的植物或者动物吸收,在环境中活性比较强,对生物体毒性也比较大,且能被提取剂有效的提取,因此称为可提取态重金属,可提取态重金属不仅能够用来判断土壤污染的程度,也对化学提取的过程包括去除效率和去除速度有较大的影响[11]。修复后的土壤是否达到使用标准需要进行合理的评价。
本文介绍了化学提取法修复重金属污染土壤提取剂的种类,以及它们的修复效果和重金属污染修复的实际工程应用,也综述了可提取态重金属的研究以及目前修复效果评价的方法。
1 化学提取剂的分类和应用
土壤化学提取技术的关键是寻找一种高效合适的提取剂。目前用来去除土壤重金属的提取剂主要有无机盐、无机酸、螯合剂、低分子有机酸、表面活性剂,以及由这些提取剂中的两种或多种物质组成的复合提取剂。
1. 1 无机提取剂
无机提取剂包括水、酸、碱、盐等无机化合物,其中无机酸是研究最广泛的传统无机提取剂。无机酸主要是溶解作用,而无机盐发挥的主要是置换作用,反应机理可以用以下公式进行表述,其中Me代表重金属离子,R代表发生置换的阳离子。表1 列举了一些较为典型的无机淋洗剂及其操作条件和修复效果。
尽管无机淋洗剂尤其是无机酸对重金属的去除效果好,价格也相对低廉,但它的使用也有很大的弊端。土壤中重金属的溶解受p H值控制,使用无机淋洗剂时,通常土壤的p H < 3 或4 时,大部分重金属才会解吸,但无机酸酸度过大,对土壤的理化性质造成很大破坏,特别是对微生物活性的影响,修复后土壤很难再回用,而无机盐只能提取部分可交换态的重金属。无机提取剂是早期的研究,而在现在的研究中已逐渐被其他提取剂所取代,但是无机提取剂依然可以增强其他提取剂的提取效果,在复合提取剂的开发中也有一定的应用。
1. 2 螯合剂
螯合剂可以与土壤中的重金属离子发生螯合或者络合反应,将土壤固相中的重金属离子转移到液相中,由不溶的形态变为溶解态,使重金属离子的活性大大增加,从而随着提取剂被带出土壤,达到土壤清洁的目的,反应机理如图1 所示。常用的螯合剂可以分为人工螯合剂和天然螯合剂两大类[17]。
1. 2. 1 人工螯合剂
人工合成的螯合剂主要有EDTA( 乙二胺四乙酸) 及其钠盐、DTPA( 二乙三胺五三乙酸) 、EDDS( 乙二胺二琥珀酸) 、EGTA ( 乙二醇双四乙酸) 、EDDHA ( 乙二胺二乙酸) 、CDTA ( 环已烷二胺四乙酸)[17,18,19]。其中,EDTA因其能与绝大多数的重金属络合且络合能力强,廉价易得易于回收,对土壤理化性质的破坏较无机淋洗剂小,处理的效果好,能耗低见效快而被广泛的研究和使用。尽管EDTA在土壤重金属污染的治理中有着重要的作用,但是EDTA难以降解,在土壤中的残留问题也不容忽视,并且EDTA能够溶解土壤中的Ca、Fe离子,造成土壤养分的流失。表2 列举了一些螯合剂在治理重金属污染中的应用。
1. 2. 2 天然螯合剂
天然螯合剂多指天然的低分子有机酸,包括柠檬酸、乙酸、草酸、酒石酸、以及S,S - EDDS( S,S- 乙二胺二琥珀酸) 和NTA ( 二乙基三乙酸) 等,其中乙酸、草酸等小分子有机酸是较早开始研究的。天然螯合剂种类繁多以天然有机酸为主,且大多能被生物降解,不会残留在土壤中造成二次污染,相比于人工螯合剂更加绿色环保。一些学者的研究表明,天然有机酸能够有效的去除土壤中的重金属,降低危害。但是其去除能力没有EDTA等人工螯合剂强,近期有人研究了GLDA和EDDS,证明它们与EDTA的螯合能力相当。
1. 3 表面活性剂
表面活性剂是指具有固定的亲水和疏水基团、在溶液的表面能定向排列、并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂添加到重金属污染的土壤中,一方面能够降低土壤表面张力使土壤颗粒对重金属的吸附能力减弱,另一方面表面活性剂的一些官能团能和重金属发生络合螯合等反应使土壤中的重金属被解吸出来[26],反应机理如图2 所示,表3列举了一些表面活性剂在治理重金属污染中的应用。
人工表面活性剂大多难以降解,会残留在土壤中造成二次污染,而生物表面活性剂是从微生物和植物提取的一种含有羟基和羧基的高分子化合物,相比于人工表面活性剂具有原料来源广,生产简单,耐热耐盐,不仅有表面活性剂降低张力和增溶重金属的作用,而且具有绿色无污染等优点。生物表面活性剂还能够溶解土壤里面的有机污染物如多氯联苯和多环芳烃[26],可以用来处理重金属和持久性有机污染物复合污染的土壤,因此是目前研究最热门、也是最具有应用前景的一种土壤清洁剂。最常见的生物表面活性剂有: 鼠李糖脂、槐糖脂、皂角苷。
1. 4 复合提取剂
由于多数的土壤重金属污染都不是由一种重金属造成的,对于重金属复合污染的土壤,单一淋洗剂可能对一种或两种重金属有较高的去除效率,但是对其他的重金属去除效果并不好。许超等[33]通过EDTA和柠檬酸对Cd、Pb、Cu、Zn复合污染土壤修复研究,柠檬酸对Zn的解吸能力大于EDTA,而EDTA对Pb和Cu的解吸能力大于柠檬酸。另外单一淋洗剂的大量使用,会一定程度上破坏土壤的理化性质,B. Sun[34]和Masa Jelusic[35]研究了EDTA对土壤重金属修复的效果,实验证明EDTA不仅能去除污染土壤中的重金属离子也能溶解土壤中的Ca、Fe等元素,造成土壤养分的流失。如果使用人工螯合剂EDTA,再加上无机淋洗剂Ca Cl2或者Fe Cl3,在治理效果基本相同的情况下能减少生物难降解的EDTA的使用,又能补充土壤中Ca、Fe元素。鉴于单一淋洗剂修复重金属复合污染土壤的能力有限,很多学者开始研究多种淋洗剂混合使用的复合提取剂,以求发挥每种淋洗剂的优点,达到治理效果上的互补。表4 列举了一些复合淋洗剂的研究,文献还对单一使用每种淋洗剂与复合使用时的去除效率进行了对比,发现复合使用时的效果要比单一使用时的效果好。
1. 5 化学提取剂在动电修复重金属污染土壤中的应用
1. 5. 1 土壤电动力修复技术
土壤动电修复( SEKR) 是在直流电场作用下通过电迁移、电渗和电泳等将土壤中的重金属离子带到电极两端,从而清洁土壤。动电修复法对土壤性质、污染深度、污染物浓度、气候条件无特殊要求,特别适合于处理低渗透性、高浓度重金属污染的土壤,自上世纪80 年代出现以来,受到国内外学者的广泛关注,成为土壤修复技术的研究热点之一[40,41]。
1. 5. 2 提取剂增强动电修复的效果
重金属的解吸率很大程度上影响着SEKR的修复效果,为提高重金属的解吸率,人们首先想到的是利用电动力修复过程中,阳极产生的H+在电场作用下向阴极移动,在土壤中形成由阳极向阴极移动的酸性带,或者通过添加有机酸或无机酸来强化重金属的解吸[42],但酸在提高重金属解吸率的同时,也会溶解土壤中的有用矿物,导致营养元素流失,并破坏土壤结构,于是人们又尝试利用盐类、人工螯合剂、表面活性剂等来提高重金属的解吸率,实验结果发现添加这些化学试剂后明显的提高了重金属的去除效率[43,44,45,46]。人工螯合剂被证明可以显著提高重金属的解吸率,其中EDTA的研究应用最为广泛,但EDTA容易滞留在土壤中导致二次污染,近年来天然螯合剂( 柠檬酸等天然有机酸、EDDS) 以及生物表面活性剂应用于重金属土壤的研究受到重视,它们增强重金属提取率的能力与EDTA相当[47,48,49]。
2 化学提取技术在土壤重金属污染修复中的实际应用
2. 1 中试实验
Lin等[50]使用氯化钠、盐酸和次氯酸钠混合物( p H = 2) 作为提取剂在搅拌单元中分批次处理13t在蓄电池生产过程中被Pb污染的两处土壤,Pb的去除率均达到80% 以上,处理后的土壤中Pb的含量低于标准值,两处土壤的回用率达到26% 和62% 。USEPA的危险物质研究中心[51]使用HCl处理国内多个污染站点的土壤,这些土壤中含有的污染物质主要是Cu、Pb、Zn、As、Cr和Cd,去除率为50% ~ 95% ,发现HCl对As有较高的去除率。BioGenesis公司[52]使用表面活性剂和螯合剂在搅拌室中以15m3/ h处理330m3威尼斯泻湖含有高浓度的As、Cd、Cu、Pb、Zn和Hg的沉积物,6 种重金属的去除率分别为85% 、83% 、91% 、74% 、72% 和93% 。
2. 2 工业应用
Metcalf[53]采用酸淋洗法处理200 t在炸药生产过程中被Pb和As污染的土壤,Pb的去除率达到99% ,As的去除率达到93% 。 Joint Small - Arms Range[54]使用乙酸,以3 t/h的速度处理263 t被Pb、Cu和Zn污染土壤,最终3 种重金属的去除率分别达到93% 、93% 和77% ,但是酸洗后没有进行适当的修复,没有充分的中和使土壤酸度过大,无法重新利用。他们还以HCl作为提取剂以6 t/h的速度处理835 t相同的土壤,平均去除率为90% 、97% 和89% ,最终经过修复有32 % 的土壤达到回用的标准,并通过沉淀法回收了9 t的Pb。Bio Genesis公司和Brookhaven国家实验室[55]使用表面活性剂和螯合剂组成混合淋洗剂在搅拌室中分批次处理20 万m3纽约和新泽西港口的沉积物,该沉积物中含有高浓度的As、Cd、Pb、Zn和Hg,处理之后的沉积物经过清水漂洗可以重新利用。从中试实验和工业应用可以看出,化学提取技术在实际应用中也可以取得很好的效果。
3 可提取态重金属的研究
3. 1 可提取态重金属
可提取态重金属包括弱酸可提取态和可还原态的重金属。弱酸可提取态重金属是指能够被弱酸解析的那一部分重金属,包括借助库仑引力吸附于土壤中的粘土和其它成分的可交换态重金属离子,其中也包含水溶态重金属。还有一部分存在于碳酸盐类矿物中,与土壤氧化物表面发生专性吸附,属于非可交换态[56,57]。这一部分重金属是土壤中移动能力最强也是最容易去除的。可还原态重金属是指与土壤胶体中的铁、锰、铝等氧化物结合的重金属离子,它们之间存在很强的络合能力,当提取剂具有适当的还原能力,同时又能与被释放的重金属元素生成可溶性化合物时,这一部分重金属离子能被解析出来[58,59]。这一部分重金属移动能力较强也较容易去除。
3. 2 总量与可提取态重金属含量
在土壤修复过程中对重金属的形态变化的研究已经开展,并且在重金属污染总量,各种重金属形态与生物有效性和毒性以及潜在生态危害的关系等研究领域取得了一定的成果,而如何确定重金属的可提取形态与总量的关系及其影响逐渐成为研究的重点[60]。在自然土壤中,对重金属形态分布的分析表明: 交换态所占比例很低,主要以残渣态形式存在。而土壤被重金属污染后,可交换态、可还原态、可氧化态重金属的比例会增加,残渣态的比例会下降[61]。室内试验和野外培养试验都证实,重金属进入土壤后交换态比例持续下降,整体形态分布向着更稳定的方向发展,重金属的移动能力和生物可利用性在逐渐下降[61]。
崔妍等[62]对被Cd、Zn、Pb、Cu污染的p H值为5. 33 的土壤进行研究,表明重金属形态中可交换态和碳酸盐结合态之和的比例与芦苇中该两种形态重金属质量分数是一致的。因此,并不是所有形态的重金属都会对生态系统造成危害,通过重金属污染总量进行生态风险评估会得到过高的风险值,我们需要通过对可提取态以及整个形态转化的过程进行更加合理的评判。
3. 3 可提取态重金属含量对化学提取效果的影响
不同形态的重金属去除难易不同,土壤重金属的形态分布很大程度上制约着对重金属的去除效率。可提取态重金属容易去除,因此其含量越高重金属去除的效率也就越高。Zhang Weihua等[63]通过批实验研究表明,重金属的去除效率与可交换态重金属之间有一定的线性关系。岳聪等[64]用浸取法提取土壤中的重金属结果表明,提取量与生物可利用态重金属含量呈显著的正相关性。Zinnat A[65]也证实非生物可利用态重金属有机态和残渣态含量越多对重金属的去除效率越低。通过对可提取态重金属的研究,我们不仅可以选择合适的淋洗剂,同时能够对重金属的去除效率进行预测。
4 重金属污染土壤修复效果评价方法
重金属污染土壤的治理技术已经有深入的研究,有些已经进入现场阶段,但是污染土壤修复后评价方法的制定却相对滞后,无法对修复是否达到了目的、是否消除了污染对人类健康和生态系统产生的威胁进行合理的评价,因此进行这方面的研究是十分必要的[66,67]。目前常用的修复效果评价方法有毒性浸出法( TCLP) 、植物毒理指标、土壤微生物评定方法、土壤酶活性水平指标、指数法。
TPLC是采用标准规定的浸取剂,在实验室中按照标准程序对固体废物进行浸出测试,测定浸出液中有害成分的浓度是否超过标准规定的浓度阈值,国内外均有对标准浓度的规定[68]。黄蔼霞[69]和Zhang Weihua[63]使用此种方法对修复后的重金属污染土壤进行风险评价。目前较常使用的是Hakanson生态风险指数[70],该方法使用的提取剂可以有效地提取土壤中可提取态的重金属,对可提取态重金属研究来评价修复效果。
修复效果的植物毒理评价法是通过肉眼观察植物体受污染影响后发生的形态变化; 植物体内污染物含量来反映污染物在土壤中的潜在危害性[71]。主要有种子发芽和根生长的毒性试验,即种子在含一定浓度重金属受试土壤中发芽,并在试验结束后,测定不同种子的发芽率和根生长抑制率,用于评定受试土壤对陆生植物生长发育的影响。Masa Jelusic[72]通过观察菠菜的生长状况以及菠菜体内重金属的含量对EDTA修复后的Pb、Cd、Zn、Mn污染的土壤进行评价。由于种子胚胎能够为种子的萌发提供一定的养分,通过发芽率和幼苗早期的生长不能很好地反应重金属对种子的毒害作用,但植物的根部是在土壤中,因此根生长更能反应重金属对植物的影响。纳明亮[73]通过研究我国几种典型的重金属污染土壤对番茄根生长的影响,评价了供试重金属污染物的毒性,结果表明土壤中有效态重金属含量与番茄根生长呈显著( P < 0. 05) 或极显著( P <0. 01) 负相关,即有效态重金属含量是影响蔬菜根生长的重要因素。
土壤中微生物种类繁多、数量庞大,微生物在土壤功能及重要土壤过程中直接或间接地起重要作用,微生物学参数如微生物的组成和数量可作为评定污染土壤修复效果的指标。目前常研究的是有代表性且对重金属敏感的微生物数量,重金属敏感细菌与耐受细菌之比[74]。
土壤酶活性是衡量土壤生物学活性和生产力的重要指标,是土壤生态系统代谢的一类重要动力。外源污染物进入土壤必然对土壤酶造成影响,因此,就污染物或残留修复剂对土壤酶活性开展研究,有助于评价土壤中的污染物或残留剂含量是否已满足修复标准。Nowak[75]研究表明在不同浓度As的影响下土壤中的酶表现出不同的活性。Subhasish[76]通过对比酶在污染土壤、清洁土壤和修复后土壤中酶的活性来评价不同形态重金属对酶活性的影响。
5 结论和展望
重金属化学性质 篇8
1. 电化学检测重金属的几种方法
电化学分析法是建立在物质在溶液中的电化学性质基础上的一类仪器分析方法，在重金属检测中主要有：离子选择电极法、极谱分析法、电位溶出法、溶出伏安法。
1.1 离子选择电极法
离子选择电极是一种以电位法测量溶液中某些离子活度的指示电极，对溶液中特定离子具有特殊的选择性。张伟利用铅离子选择性电极研究了测定铅的条件，检出限为8.0×10-8mo/L，并用该法测定了水中铅的含量，平均加标回收率为93.3%。王孝镕等用铜离子选择电极法测定氯化物镀锌液中的铜离子的质量浓度。该法测定氯化钾镀锌液中Cu的质量浓度与原子吸收法结果基本一致。谭小艳用铅离子选择性电极标准加入法测定了100例正常人尿铅的含量。
1.2 极谱分析法
极谱分析法以滴汞电极为工作电极，通过测定电解过程中的电流一电压曲线来进行定量分析, 目前应用较广泛的有极谱催化波、单扫描及脉冲极谱法等。曹雷等建立了脉冲伏安法测定海水中总铬 (Tota1) 、铬 (Ⅵ) 、铬 (Ⅲ) 的分析方法。吴颖娟等研究了活动态铊的提取条件和极谱测定方法，并用此法测定了多个沉灰渣样品中活动态铊的含量。赵宝等利用极谱催化波测定钨、钼。王宏志等采用极谱法，利用锌、铁在特定的底液中能够产生不同灵敏的导数波，分别测量全血锌、铁含量。周杰郛等采用催化极谱法测定地球化学勘查样品中的钨和钼。
1.3 电位溶出法
电位溶出分析是在恒电位下将被测物质预先电解富集在工作电极上，然后再利用某些化学试剂或附加一个电流使富集在电极上的待测物质发生氧化或还原反应而溶出，记录溶出过程中电极的电压E随时间t变化的曲线来进行分析的方法。伍季等建立了采用二次微分电位溶出法测定面粉中镉含量的方法，检出限为0.24ng/mL。李立英等用微分电位溶出法测定了多维元素片中锌、铜、铁含量。章建军等建立了二次微分电位溶出法测定食品中镉、锌含量的方法，检出限分别为0.24ng/mL、0.71ng/mL, RSD<2.5% (n=7) 。刘红伟等建立了二次微分电位溶出法测定食品中铅含量，用微波消解一微分电位溶出法测定大米中砷的含量。杨敏等研究了镀铋膜电极微分电位溶出分析法测定水中铅的方法，检出限达0.003mg/L，避免了镀汞膜电极带来的健康与环境危害。
1.4 溶出伏安法
溶出伏安法是将待测物质预电解富集后溶出扫描测量，方法简便、抗干扰能力较强、灵敏度高。长期以来，电化学溶出伏安法一直被认为是检测重金属最为有效的方法，实现多种元素的同时测量，并且检测限可达mol/L。徐晖采用微分脉冲阴极溶出伏安法测定环境水样中的痕量硒，检出限 (3a) 为3.46pg ml。于庆凯采用微分脉冲阳极溶出伏安法同时测定了海水中cu、Pb、cd、Zn4种痕量元素。赵广英以丝网印刷碳电极为支持电极，选用差分脉冲溶出伏安法和电极同位镀汞膜法，进行痕量Pb的快速检测研究。
2. 化学计量学在重金属检测中的应用
2.1 多组分同时测定
童基均利用偏最小二乘回归方法建立的模型对未知溶液具有很好的预测能力，预测误差不超过15%。殷勇运用小波包对测试数据分解，建立了锌、铁、锰微量元素同时测量的检测模型，该检测方法抗干扰能力强、测试准确、快捷。彭丹用遗传算法自适应概率搜索神经网络的最优网络结构和参数，解决神经网络过拟合问题。周兵利应用BP神经网络建立了铜、铅、镉、锌4种金属离子同时测定的神经网络测试模型，该神经网络测试模型能够较好地解决金属离子之间的相互作用和伏安信号干扰问题。高玲比较了径向基神经网络和最小二乘的计算结果。
2.2 重叠峰分离
张永清建立了三种分峰方法:用二阶微分法寻找重叠峰的各个峰值，再利用样条小波自卷积 (swsc) 方法直接对重叠的伏安峰进行处理，以B样条小波为分析小波，进行连续样条小波变换，利用三阶样条函数构成的峰分辨函数与原信号进行卷积，直接对重叠的伏安峰进行处理。陈昌国根据墨西哥帽小波的特点，提出两种新的函数，对化学信号进行n次小波变换，得到了信号的近似2n阶导数，小波变换法有效滤除了噪声，所得结果的信噪比优化，同时还可分离重叠峰。刘思东运用卡尔曼滤波递推算法处理伏安法重叠峰，讨论Pb (I) 和Tl (I) 线性扫描伏安法和示差脉冲伏安法重叠峰的分辨情况，将人工神经网络用于脉冲极谱法中Pb (Ⅱ) 和TI (I) 重叠信号峰的解析。张红权将小波变换用于示波计时电位法中重叠峰解析的研究，小波变换能从舍有噪音和背景的信号中提取有用信息，使信号中重叠峰获得了较好的分离，可用于多组分的定量分析。
3. 总结与展望
目前在重金属检测方面主要有原子吸收方法检测、电感等离子质谱法，电化学方法。原子吸收方法检测、电感等离子质谱法主要适用于由于实验室检测，因取样分析、分析时间长、仪器昂贵导致该技术难以得到普遍应用。电化学方法以其低成本，高灵敏度的特点，成为快速、简便测定重金属的方法，大量应用于医药、生物和环境分析中，在在线检测和野外现场检测方面有很大的开发空间。目前常用的阳极伏安法存在三个主要问题：第一，采用汞基体传感器作为工作电极，在检测中会造成二次污染，而且汞基体电极存在电极处理等技术问题，难以发展成为在线检测技术。第二，电化学的电位窗口较窄，一般只有2V电压范围，多种重金属检测时容易出现重叠峰现象。第三，多重金属检测时存在相互干扰现象。
重金属化学性质 篇9
土壤作为农业生产的主要场所, 是生物生存和孕育的载体。土壤是覆盖于地球陆地表面呈连续分布的一层疏散的堆积物质, 它具有天然肥力和供给植物生长的能力。环境科学家认为, 土壤是重要的环境要素, 是具有吸附、分散、中和、降解环境污染物功能的缓冲带和过滤器。随着科学的发展, 人们对土壤的认识和理解也在不断的深化与拓展, 运用当代土壤圈物质循环的观点对土壤的功能、作用等方面的论述更接近于土壤本质的反映, 认为它是地球系统的组成部分, 既是该系统的产物, 又是该系统的支持者, 它支持和调节生物圈中的生物过程, 提供植物生长必要的条件;它影响大气圈的化学组成、水分与热量平衡;它影响水圈的化学组成、影响降水在陆地和水体的重新分配;它作为地球的皮肤, 对岩石圈有一定的保护作用, 而它的性质又受到岩石圈的影响。
土壤除了陆地区域以外, 还包括湿地和沼泽区及湖泊的底部。所以土壤圈是由岩石圈、水圈、生物圈及大气圈在地表或地表附近相互作用的产物, 它是地球系统的重要组成部分, 处于大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的接口和中心位置, 既是它们长期共同作用的产物, 土壤圈是最活跃与最富有生命力的圈层, 它与其他圈层间进行着永恒的能量与物质交换, 从而形成了土壤的生物地球化学循环。土壤生物地球化学是研究土壤与植物之间元素交换、迁移、富集和相互作用的学科。它主要研究的是土壤中的养分元素、重金属及稀有元素、有机物质的迁移、转化、循环利用, 以及它们在与土壤水分之间的相互关系[1~4]。
2 土壤水分的生物地球化学研究
土壤液态水是土壤中可溶性营养物质进入生物体环境的重要载体。相对于地球环境中的水, 土壤水微乎其微, 但对于生物的作用却不可忽视。现价段关于土壤水分的地球化学循环主要包括: (1) 土壤水分作为溶剂, 随着植物对土壤中各营养元素的吸收, 参与土壤生物地球化学循环。水是最好的溶剂, 绝大多数物质都溶于水, 因此, 水循环和矿物元素的生物地球化学循环密切地交织在一起。水是所有养分的介质, 养分循环和水循环不可分割。 (2) 土壤水被生物吸收利用后, 参与生物体的自身组成。植物群落是水循环中的一个重要环节。植物光合作用和蒸腾作用都需要水分, 从土壤进入植物体内的水, 有95%~97%, 通过蒸腾损失掉, 同时还通过细胞壁排出水汽。据估算, 陆地生态系统初级生产量每年大约是1.10×1011t, 陆地植物每年蒸腾大约5.50×1013t的水, 由此可见, 水在植物的生长过程中必不可少, 在组成植物体本身的过程中, 水是重要的组分[5]。
3 土壤中几种重金属元素的生物地球化学研究
3.1 土壤中As元素的生物地球化学循环
人类对砷的认识已有很长的历史, 砷化物目前已成为一个重要的环境污染物。砷可引起作物减产, 动物中毒, 土壤中砷的含量过高会引起植物因为吸收过量的砷而受损害。但同时土壤中适量的砷又可刺激一些作物的生长而增产, 因此人们对土壤中的砷做了大量的研究, 研究其在土壤中的生物地球化学循环, 即土壤-植物-动物-土壤间的循环, 也称之为砷的生物小循环。目前, 人们对砷的研究主要有以下几个方面。
(1) 砷在土壤中的形态与迁移转化。土壤中砷的形态主要可分为离子吸附和结合态, 砷酸盐或亚砷酸盐态、有机结合态和气态, 这些形态共同构成了砷在土壤中的存在方式。砷在土壤中受到pH值、Eh值、耕作方式、生物、土壤质地及温度的影响, 在几种形态间相互转换, 从而传递给土壤上所生长的植物, 进而危害到人和动物的健康。
(2) 土壤中含砷量对生物的影响。土壤砷元素高含量及其影响的报道很多, 是当前广泛关注的研究课题。由于近代砷化物在农业上广泛运用, 特别是在除草剂和除虫剂中大量运用, 使不少地区土壤残留了大量砷元素而受到污染。土壤中的砷元素是植物体内砷元素的主要来源, 土壤含砷量高必然增加植物体中砷的含量, 可引起植物中毒。而适量的砷可以促进植物生长。砷对人体和动物的影响, 主要是通过食物和饮水引起的, 砷在人体和动物体内生化作用和中毒症状基本相似。据研究少量的砷可促进动物发育, 可见人类和动物都需要砷, 但需要量较少, 在一般的土壤条件或生态环境中能得到满足[6~8]。
3.2 土壤中Cd元素的生物地球化学循环
镉作为一种生物非必需元素在生物圈中普遍存在。在通常条件下镉是一种污染元素, 目前对镉的研究主要集中在以下几个方面。
(1) 镉在土壤中形态及迁移转化的研究。土壤中的镉赋存形态十分复杂, 不同学者将其分为不同种形态, 现在普遍认为土壤中的镉主要包括, 可交换态、铁锰氧化物结合态、碳酸盐态、有机态、硫化物态、晶格态、可溶态等7种形态。进入土壤中的镉很少发生向下的再迁移, 因而主要积累于土壤表层。当然累积于土壤表层的镉由于降水的作用, 可溶态部分随水流动会发生垂直的迁移, 从而进入地下水产生次生污染。同时进入土壤中的镉常常由于植物的作用, 发生向上的再迁移, 从而对植物造成危害。而镉的这一系列转化过程会受到pH值、Eh值、有机质、磷酸根、阳离子交换量、各种镉化合物的沉降作用和其他因子的制约和影响。
(2) 镉元素在土壤中的异常及其对生物的影响。在炼锌厂附近的土壤中镉浓度一般都很高, 常常会形成镉含量异常区, 从而导致生物体的损伤。土壤镉污染对动物的影响, 主要通过食用镉污染植物或饮用水引起。镉对动物的生长和发育均有抑制作用[7~11]。
3.3 土壤中Cu元素的生物地球化学循环
土壤中的铜含量几乎完全决定于成土母质及其所经历的地球化学与土壤化学的成土过程。同时施用化肥和农药也会将铜元素带入土壤。另外禽畜粪便和厩肥中含铜是土壤铜的另一种来源。在现代社会中, 生活垃圾进入土壤中也会将铜元素引入土壤。目前国内外对土壤中铜元素地球生物化学循环的研究主要集中在以下几个方面[12~14]。
(1) 铜在土壤中的循环研究。土壤溶液铜与固相铜处于动态平衡之中, 这种平衡受土壤pH值、Eh值、湿度、植物和微生物等因素制约, 生物在土壤铜的循环中起着重要的作用。铜元素输入土壤的途径有两种, 空气和地面。输出主要是植物收获, 淋失和侵蚀。在人类食用作物产品时, 铜就从作物进入人类的食物链, 以作物产品饲养食草家畜, 从而使作物中的铜进入动物体内。人和动物从作物等摄取的养分的一部分又以粪便等排泄物的形式重新回归土壤, 这样就完成了铜循环的一个周期。
(2) 土壤中铜形态和转化。铜可能是土壤中农艺性状最活跃多变的一种微量元素。它能与土壤无机、有机组分相互进行化学反应, 也可与硫化物、碳酸根和氢氧根以及其他阴离子形成难溶物质, 这些形态的铜化合物几乎可以存在于任何已有的土壤环境中。虽然土壤中常见的铜离子是二价铜, 然而也存在着其他形态的铜离子和复合物。依据铜与土壤结合方式可区分为以下中形态, 水溶态、交换态、专性吸附态、有机态、碳酸盐结合态、氧化物包蔽态和残留态。这些形态在土壤pH值、有机质、铁锰氧化物、粘土矿物、土壤质地、土壤湿度、土壤Eh值、碳酸钙、微生物和植物根系分泌物的作用下相互转换和传递, 共同构成了铜元素的土壤生物地球化学循环。
(3) 土壤铜含量异常及其对生物的影响的研究。土壤铜的缺乏或过量, 主要指土壤中有效铜的含量, 而非指土壤铜总量, 后者仅为土壤铜的贮存指标。铜对植物的影响主要是影响植物的呼吸作用、光合作用、氮代谢、细胞壁代谢、繁殖能力等。铜是人畜必需的微量营养元素, 铜在动物体内参与造血过程。缺铜会引起铜缺乏症, 而铜中毒则会引起肝硬化等症状。
3.4 土壤中Pb的生物地球化学循环
铅是自然界常见的元素之一, 属于亲硫元素, 也具有亲氧性, 在自然界很少发现纯金属铅, 除多以硫化物存在外还有硫酸盐、磷酸盐、砷酸盐及少数氧化物。岩石在风化过程中大部分铅仍保留在土壤中。不同母质上发育的土壤铅含量差异显著。除母质母岩风化保留在土壤中的天然来源铅外, 人类活动也可引起土壤中的铅含量的升高。人类活动对铅的区域性及全球性生物地球化学循环的影响比其他任何一种元素都明显的多。土壤中原生铅和外源铅均参加地球生物化学循环。目前对于铅在土壤中的生物地球化学循环的研究主要有以下几个方面[15,16]。
(1) 土壤铅的化学形态研究。土壤铅多在无机化合物中, 以二价态存在, 极少数为四价态存在。除无机铅外, 土壤中含有少量可多至4个Pb-C链的有机铅。土壤有机铅以外源铅为主, 主要来源是沉降在土壤中的未充分燃烧的汽油添加剂。铅在土壤中的迁移能力较弱, 但在有机质或粘粒含量较高的土层中, 铅的含量稍高。铅在污染土壤表层的水平分布, 随污染方式而异。
(2) 土壤铅含量极其对生物的影响。铅是一种有毒元素, 土壤中过量的铅通过生物地球化学循环进入植物、人体后, 可使生物体产生不同的急性或慢性中毒现象。土壤中有效态的铅才可参加生物地球化学循环。铅对生物的影响主要表现为可减少土壤有益微生物的数量, 使作物产量降低品质变差, 同时随着食物链进入人体, 会对人体造成危害。
(3) 土壤铅污染防治的研究。随着人们对铅对环境生态和人体健康影响的研究不断深入及环境意识的增强, 土壤铅污染的防治已在世界各国受到普遍重视, 土壤铅污染主要通过空气、水等介质形成的二次污染。所以加强对传输介质的污染检测, 可以及时发现并有效防止土壤环境的铅污染。
3.5 土壤中Hg的生物地球化学循环
汞是一种毒性较大的有色金属, 俗称水银, 在常温下是白色发光的液体, 汞是室温下唯一的液态金属是比较稳定的金属, 在室温下不能被空气氧化, 加热至沸腾才慢慢与氧作用生成氧化汞。目前对于汞的生物地球化学研究主要有以下几点[17~19]。
(1) 汞在土壤中的形态及迁移转化。汞在自然界以金属汞、无机汞和有机汞的形式存在, 有机汞的毒性比无机汞和金属汞大, 汞进入土壤后, 有95%以上的汞能迅速被土壤吸附或固定, 主要是土壤中含有粘土矿物和有机质对汞的强烈吸附作用, 土壤中吸附的汞一般累积在表层, 并随土壤的深度增加而递减, 表层汞的积累, 一方面是进入土壤中的汞被表层吸附阻留, 另一方面表层土中的有机质多, 汞与有机质结合成螯合物使不易向下移动, 影响土壤汞迁移的主要因素是土壤有机质含量、氧化还原条件、pH值等, 汞是亲腐殖质的, 通过生物小循环与土壤腐殖质层的形成, 汞可在土壤图层积累。土壤中的汞除了发生迁移外还发生转化, 土壤中的一价汞和二价汞离子之间可发生化学转换, 无机汞和有机汞都可以转化为金属汞。
(2) 汞元素土壤背景值异常区对生物的影响。在地球化学研究中许多研究者发现, 土壤中汞的低背景值主要与汞为分散元素这一地球化学特性有关, 汞是一种对植物和人体无生物学作用的有毒元素, 由于人类活动的频繁, 进入环境中汞的量有所增加, 造成一定的危害。汞是危害植物生长的元素, 如果土壤中汞含量过高, 不但能在植物体内积累, 还会对植物产生毒害。对于人体而言, 通过食物链可使汞在人体内积累从而对人体造成危害。
4 结语
土壤环境污染是造成重金属毒害的主要原因。随着城市化过程的加速和人类活动的干扰, 有毒金属元素通过各种途径进入土壤环境。金属元素在土壤中不能被微生物分解, 可逐步累积, 并通过食物链在生物体中富集, 或转化为毒性更大的有机化合物, 导致土壤环境质量下降, 农作物出现中毒, 进而影响人类健康。因此土壤有毒金属元素污染已成为全球环境变化研究的重大问题之一, 是近年来国内外环境领域研究的热点。
土壤中各种元素的生物地球化学循环都是从土壤-植物-动物-人类-土壤的过程, 而这一系列的循环过程都是在水的参与下完成。所以水在土壤生物地球化学循环过程中起到了关键性作用。在21世纪的地表人文环境, 土壤中的污染物质不仅仅来自化肥、农药、地膜和灌溉等地面的农业活动过程, 而且也来自工业、交通等排放通过空中大气传输沉降过程。因而, 认识土壤污染过程已经不能简单地研究土壤内部过程, 而且需要研究土壤接口过程以及土-气-水-生相互作用和相互驱动的过程。只有交叉、综合地研究土壤内部、接口和外部环境的生物地球化学循环过程, 才能揭示高强度人类活动下土壤环境质量的演变规律, 实现风险管理, 保护土壤质量、农产品质量和生态系统健康。区域的可持续发展有赖于土壤环境科学基础研究的不断进步, 2004年《Science》杂志出版了一期土壤学研究专辑[20], 指出土壤学的发展已使人们改变了原有的“暗箱”体系认识, 将会成为“最后的科学前沿”。
摘要：综述了土壤中与人类生活密切相关的砷、镉、铜、铅、汞等元素的土壤生物地球化学循环的研究现状, 总结得出:土壤中各种重金属元素的生物地球化学循环都是从土壤-植物-动物-人类-土壤的过程, 而这一系列的循环过程都是在水的参与下完成, 所以水在土壤生物地球化学循环过程中起到了关键性作用。指出了土壤污染过程已经不能简单地研究土壤内部过程, 而且需要研究土壤接口过程以及土-气-水-生相互作用和相互驱动的过程, 只有交叉、综合地研究土壤内部、接口和外部环境的生物地球化学循环过程, 才能揭示高强度人类活动下土壤环境质量的演变规律, 以实现风险管理, 保护土壤质量、农产品质量和生态系统健康。
重金属化学性质 篇10
1 实验部分
1.1 样品采集与处理
在十字河长江师院学院段设置4个断面, 在4个采样点进行了底泥采集。在每个采样点采集约1kg表层沉积物 (0 cm~10cm) 样品, 混合均匀后装入聚乙烯塑料袋中。在实验室将样品平铺在白色搪瓷盘内, 用玻璃棒将样品平摊为薄层, 在阴凉通风处放置24h, 放置过程中注意用玻璃棒间断翻动, 并去除其中的植物残体等杂质, 然后在烘箱内烘干。烘干后的底泥样品用四分法取其中一部分 (1/4) , 经石英研钵研细, 充分混合后储于广口试剂瓶中备用[2]。
1.2 主要试剂与仪器
1.2.1 主要试剂
硝酸 (分析纯) ;盐酸 (分析纯) ;高氯酸 (7分析纯) ;双氧水 (分析纯) ;
氢氟酸 (优级纯) ;盐酸羟胺 (分析纯) 、醋酸铵 (分析纯) 、乙酸 (分析纯) 。
1.2.2 仪器设备
日本日立Hitachi Z-5000火焰原子吸收分光光度计;
电子天平EL104型 (上海梅特勒一托多利仪器有限公司) ;
台式恒温水浴箱 (金坛市开发区吉特实验仪器厂) ;
电热板DB-3B型 (江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司) 。
1.3 实验方法及步骤
1.3.1 重金属种类及含量分析
精确称取沉积物样品0.1g (精确到±0.0001g) , 加入2m L HNO3在60℃水浴中预消解12h, 冷却后加入1m L H2O2和0.5m L HF, 在85±2℃水浴中继续加热12h, 将消解液过滤转移定容至25m L用原子吸收分光光度计分析重金属总量。
采用原子吸收法测量重金属含量 (日本日立Hitachi Z5000原子吸收分光光度计) , 所有样品均设置2个平行样, 每个样品进行3个平行测定, 测量数据为3次测定的平均值, 每个批次设置空白样。数据处理使用Excel2003处理。
1.3.2 重金属形态分析
采用目前通用的BCR多级连续提取法进行沉积物样品中重金属的形态分析, 结合本实验的具体情况具体实验步骤如下:
1.3.2. 1 酸可提取态 (Ⅰ) :
精确称取0.1g (精确到±0.0001g) 样品于离心管中, 加入5m L的0.11 mol/L CH3COOH, 在室温下 (22±0.5℃) 振荡16h;然后在3000r/min下离心分离20min, 取上清液用于测定酸溶解态的金属浓度, 残留物用10m L去离子水冲洗, 离心15min。
1.3.2. 2 铁锰氧化物结合态 (Ⅱ) :
向步骤1的固体残留物中加入4m L的0.5 mol·L-1 NH4OH·HCl, 用HNO3将p H值调至1.5, 在室温下 (22±0.5℃) 振荡16h;然后在3000r/min下离心分离20min, 取上清液用于测定铁锰氧化物结合态的金属浓度, 分离同上一步。
1.3.2. 3 有机物结合态 (Ⅲ) :
向步骤2的剩余残留物固体加入1 m L的30%H2O2 (p H2~3) , 离心管加盖在室温下 (22±0.5℃) 反应1h, 间歇震荡;然后在85±2℃水浴中继续加热1h, 直到试管中H2O2体积减少到原来的1/5~2/5;然后再加入1m L的H2O2, 去盖在水浴中温度维持在85±2℃继续加热1h;待其冷却后加入5m L 1 mol/L CH3COONH4, 用HNO3将p H值调至2, 在室温下 (22±0.5℃) 振荡16h;在3000r/min下离心分离20min, 取上清液用于测定有机硫化物结合态的金属浓度, 分离同上一步。
1.3.2. 4 残渣态 (Ⅳ) :
向步骤3剩余残留物中加入混合酸 (0.4m L HNO3+0.2m L H2O2+0.4m L HF) 对前3步提取剩余残留样品进行消解12h, 在室温下 (22±0.5℃) 振荡16h;在3000r/min下离心分离20min, 过滤后用于测定残渣态金属浓度。
2 结果与讨论
2.1 沉积物中重金属含量
2.2 沉积物重金属形态分布
本次实验对沉积物中重金属形态的分析选择了主要由日常生活和商业经营产生, 且对人体影响比较明显作用比较大的Cr、Cd和Cu三种重金属。通过实验和结果的数据处理, 底泥沉积物中重金属Cr、Cd、Cu形态分布情况如图1-图3。
3 结语
通过对十字河长江师范学院段采样点1~4的底泥沉积物中重金属的总量和形态分布的分析, 得到如下结论:
3.1沉积物中Pb、Cr、Cd、Zn、Cu含量明显超标, 而其中Pb本来已经严重超标, 在加上由于周围环境的汽车污染有增无减, 其含量在将来一段时间内不断累加, 是最值得警惕的重金属危害。
3.2在沉积物重金属形态分布上, Cr、Cd和Cu三种金属都主要是以不稳定的可交换态存在, 容易释放析出对水体产生新的污染, 这其中以Cr最为明显 (可交换态含量高达50%~70%) 。而易稳定存在的残渣态的含量有限, 最多也只在20%左右。
通过对形态分布进行分析可知, 在本段河流之中沉积物中重金属由土壤本身所含的量比较少, 主要是由于外部污染的排入而形成的累积。在沉积物累积过程中, 重金属主要以不稳定的形态存在, 沉积物中的重金属易于从新释放析出对水体环境造成新的污染, 尤其是由于水体中含有大量有机质, 由于这些有机质的作用又使得水体酸性程度加大, 更易于沉积物中重金属的析出。因此, 应重视沉积物中重金属的从新析出以及有机污染物的排放对水体重金属的影响。
参考文献
[1]金相灿.沉积物污染化学[M].北京:中国环境科学出版社, 1992:147-208.
[2]奚旦立, 孙裕生, 刘秀英, 等.环境监测[M].北京:高等教育出版社, 2010:135-136.
[3]中国标准出版社第二编辑室.环境监测方法标准汇编[M].北京:中国标准出版社.2006:18-23.