元素的化学形态分析
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它们化学形态的本性。
例如,在森林土壤中,Pb2+很少由于降水作
用被淋溶而迁移,而Pb4+则容易流失,显然,
仅以Pb的总量来研究森林土壤中Pb的迁移行为
是不科学的。此外,土壤中As3+比As5+易溶4~
10倍。又如,以甲基化或烷基化形式存在的金
属,使金属的挥发性增加,提高了金属扩散(迁
移)到大气圈的可能性。
简便、快速、不需要做实验或仅需少量辅助性实 验,但此法具有以下局限性。
(1)不能准确处理体系中所有的化学反应。
因为有的反应是不可逆的,根本无平衡状
态存在。
(2)所用的常数欠准确。因为许多热力学数
据和各种反应的平衡常数不全。
(3)忽略了一些动力学因素的影响。
采用计算法的前提是假定介质处于热力学平
衡状态,但是实际上介质是处在一个连续流动的
键作用。
三、元素化学形态分析方法
1. 计算法
采用计算法的前提是:
(1)假定被研究体系是封闭体系,介质处于热
力学平衡状态;
(2)已知所有组分的总浓度和所分析元素各组 分之间发生的全部化学反应的平衡常数。 这样便可以通过对一系列代表这些反应的 方程组求解而计算出分析元素的形态。
•
已知汞在海水中存在下列络合平衡
Hg2+ Hg2+ Hg2+ Hg2+ Hg2+ Hg2+ + + + + + + Cl2Cl3Cl4ClOH2OHHgCl+ HgCl2 HgCl3HgCl42HgOH+ Hg(OH)2
各种形态的浓度可以通过平衡常数和相应的离子浓度求 得,如 2 HgCl 4 4 2 2 4 4 HgCl4 4 Hg Cl Hg 2 Cl
括游离态、共价结合态、络合配位态、超分子结
合态等定性和定量的分析。
二、形态分析的意义及重要性
1. 在污染物迁移转化规律研究中具有的意 义及重要性
污染物在环境中的迁移、转化规律及最终归 宿是环境科学的重要研究内容之一,即环境化学
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研究的对象。但是,污染物在环境中的迁移转化
规律,并不取决于污染物的总浓度,而是取决于
可见,研究元素的形态较之研究实际总浓度
对生命物质影响的意义更为重要。只有借助于形
态分析,才能确切了解化学污染物对环境生态、 环境质量、人体健康等的影响;认识元素在无生 命和有生命系统中的循环以及它们的生理功能, 阐明地方性疾病的来源,从而进行有效的防止。
如震惊世界的公害事件之一——水俣病(烷
基汞中毒)的调查与防止,汞的形态分析起了关
第一节 概 述
一、化学形态概念
化学形态是指元素以某种离子或分子存在 的实际形式,它包括元素的价态、化合态、无 机态和有机态、结合态和结构态等几个方面。
1. 元素存在的形态不同,物理、化学性质 与生物活性不同。
如Cr(Ⅲ)是维持生物体内葡萄糖平衡以及脂肪蛋
白质代谢的必需的元素之一,而Cr(Ⅵ)是水体中 的重要污染物,有包括致癌作用在内的多种毒 性; 不同形态的砷,其毒性大小的顺序为砷化氢>
这些平衡常数可查表求到,海水中的pH值以及Hg和Cl的 总浓度很容易通过测量得到,由此可计算出海水中无机汞络 合物主要存在形态的生成分数。
由于电子计算机的高速发展,通过建立合理 的计算程序,计算机可在几分钟之内计算出体系 中各种元素形态的浓度及其百分比,理论计算法
得到的结果可用直观图形表示。计算法的优点是
亚砷酸>二氧化二砷>砷酸盐>胂酸>砷,砷
甜菜碱与砷胆碱的毒性小于甲基胂和乙基胂。
2. 污染物在环境中存在的形态取决于它们 的不同来源及其进入环境介质后与介质中 其他物质发生的各种相互作用。
如水体底物中的汞可在微生物的作用下转 化为甲基汞。
根据国际理论化学与应用化学协会(IUPAC) 定义,“形态分析指确定分析物质的原子和分子 组成形式的过程”即指元素的各种存在形式,包
开放体系(如天然水体),它在动力学上并未完全
达到平衡,只可用局部平衡的概念作近似处理。
因此,分析结果欠难确,只能反映局部环境短期 内主要变化趋势和预测可能达到的极限状态,不 能代表环境体系的真实情况。
2. 实验方法
对于比较简单的化学形态分析,某些方法可 直接完成,如用分光光度法分析某些同一元素的 不同价态,阳极溶出伏安法分离分析稳定态与不 稳定态金属等。而对于复杂的化学形态分析,则 需要测定方法与分离富集方法相结合,并且是多 种分离富集、分析方法的联用。用于形态分析的 实验方法(包括检测和分离富集技术)通常有如下 几种。
(1)不同化学形态的重金属,其毒理特性 的一般规律
A. 重金属以自然态转变为非自然态时,毒性增加。 如天然水正常pH值下,铝处于聚合的氢氧化 铝胶体形态,对鱼类是无毒的;但是,若天然水 被酸雨酸化时。铝则转化为可溶性有毒形态
Al(OH)2+,Al(OH)2+可与鱼鳃的粘液发生反应,
阻碍必需元素氧、钠、钾通过生物膜的正常转移, 造成鱼类的大量死亡。
B.离子态的毒性常大于络合态。
例如,近年研究发现,铝离子能穿过血脑屏 障而进入人脑组织引起痴呆等严重后果。而AlF4- 没有这种危险。 C.金属有机态的毒性大于无机态。 例如,甲基汞的毒性是无机汞的100倍;无 机锡是无毒的,而三丁基锡是极毒的,它对水生 生物的毒性水平为2~10ng/L。
D.价态不同,毒性不同。
因此,只有借助于形态分析才有可能: 阐明化学污染物进入环境中的方式,迁移、转 化过程的本质; 阐明化学污染物在水、气和土壤循环中的地球 化学行为,为区域环境污染的综合防治提供重 要的科学依据。
2. 在环境毒理学、环境医学及生命科学研究 中所具有的意义及重要性
痕量金属的环境效应和微量元素的生物活性, 不仅与其总量有关,更大程度上由其形态决定, 不同的形态其环境效应或可利用性不同。
如Cr6+的毒性比Cr3+的毒性高100倍左右;而
亚砷酸盐(As3+)的毒性比砷酸盐(As5+)大60倍。 E.金属羰基化合物常常剧毒。 如五羰基合铁[Fe(CO)5],四羰基合镍 [Ni(CO)4]均为极毒的化合物。
(2)不同的化学形态,对生物体的可利用性 也不同
氮的还原态:蛋白质中的氨基酸是生物所需要 的,而氮的氧化物是大部分生物不需要的。 极稳定的金属络合物,不与生物体等起反应, 因而是无毒的;然而,当人体必需的元素以极稳 定的金属络合物形式存在时而变得不能被利用(不 被生物体所吸收),便会导致生物体对这些必需元 素的短缺。