Круговорот второстепенных элементов: цезия и стронция

Круговорот второстепенных элементов: цезия и стронция

Министерство образования и науки Российской Федерации

Пензенский Государственный Университет

Кафедра: Экологии и безопасности жизнедеятельности

Выполнил: студент гр. 06-лф-1

Карев С.А.

Цемзий -- элемент главной подгруппы первой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 55. Обозначается символом Cs (лат. Caesium). Простое вещество цезий -- мягкий щелочной металл серебристо-жёлтого цвета. Своё название цезий получил за наличие двух ярких синих линий в эмиссионном спектре (от лат. caesius -- небесно-голубой). Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом в водах Дюрхгеймского минерального источника в Германии методом оптической спектроскопии, тем самым, став первым элементом, открытым при помощи спектрального анализа. Цезий - один из редчайших элементов, но всё же следы его можно найти во многих горных породах, в морской воде, а также в воде минеральных источников. Любопытно, что "крохи" цезия обнаружены в сахарной свекле, зернах кофе, чайных листьях. Знаком с ним и каждый курильщик: об этом свидетельствуют две голубые линии в спектре табачного пепла.

Основными цезиевыми минералами являются поллуцит и очень редкий авогадрит (K,Cs)[BF4]. Кроме того, в виде примесей цезий входит в ряд алюмосиликатов: лепидолит, флогопит, биотит, амазонит, петалит, берилл, циннвальдит, лейцит, карналлит. В качестве промышленного сырья используются поллуцит и лепидолит [1].

При промышленном получении цезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита.

В России после распада СССР промышленная добыча поллуцита не велась, хотя в Вороньей тундре под Мурманском ещё в советское время были обнаружены колоссальные запасы минерала.

Цезий входит в группу химических элементов с ограниченными запасами вместе с гафнием, танталом, бериллием, рением, металлами платиновой группы, кадмием, теллуром. Общие выявленные мировые ресурсы руд составляют около 180 тыс. тонн (в пересчёте на окись цезия), но они крайне распылены, и, к сожалению, сверхвысокие цены -- это неотъемлемая черта, сопровождающая цезий и рубидий в прошлом, настоящем и будущем. Мировой объём добычи цезия составляет около 9 тонн в год, а потребность свыше 85 тонн в год и она постоянно растёт. По добыче цезиевой руды (поллуцита) лидирует Канада. В месторождении Берник-Лейк (юго-восточная Манитоба) сосредоточено около 70 % мировых запасов цезия. Поллуцит также добывается в Намибии и Зимбабве. В России его мощные месторождения находятся на Кольском полуострове, в Восточном Саяне и Забайкалье. Месторождения поллуцита также имеются в Казахстане, Монголии и Италии (о. Эльба), но они обладают малыми запасами и не имеют важного экономического значения. У цезия есть и недостатки, которые обусловливают постоянный поиск его минералов: во-первых, его извлечение из руд неполное, в процессе эксплуатации материала он рассеивается и потому безвозвратно теряется, запасы его руд очень ограничены и не могут обеспечить постоянно растущий спрос на металлический цезий.

Природный цезий -- мононуклидный элемент, состоящий из единственного стабильного нуклида 133Cs. На сегодняшний день известно 39 искусственных радиоактивных изотопов цезия с массовыми числами от 112 до 151. Самым долгоживущим искусственным радиоактивным нуклидом цезия является 135Cs с периодом полураспада t1/2 около 2,3 миллиона лет. Другой относительно долгоживущий изотоп 137Cs (t1/2=30,17 года). Оба эти долгоживущих радионуклида являются продуктами ядерного распада.

Ученые из индийского Института геофизических исследований, изучившие воду 60 горячих источников в Гималаях, пришли к выводу, что высокая концентрация цезия в воде может быть признаком магматической активности недр.

Повышенная концентрация радиоактивного изотопа цезия-137 обнаружена в деревьях, сохранившихся в районе знаменитого Тунгусского взрыва, причем химическая аномалия характерна как раз для тех слоев ствола, которые относятся к 1908 году, когда произошло это событие [3].

Цезий в живых организмах

Цезий в живых организмах -- постоянный химический микроэлемент организма растений и животных. Морские водоросли например содержат от 0,01-0,1 мкг цезия в 1 г сухого вещества, наземные растения -- 0,05--0,2. Животные получают цезий с водой и пищей. В организме членистоногих около 0,067--0,503 мкг/г цезия, пресмыкающихся -- 0,04, млекопитающих -- 0,05. Главное депо цезия в организме млекопитающих -- мышцы, сердце, печень; в крови -- до 2,8 мкг/л цезий относительно малотоксичен; его биологическая роль в организме растений и животных окончательно не раскрыта.

Цезий-137 -- радиоактивный изотоп цезия, испускающий бета излучение и гамма-кванты, и один из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопления Cs-137 наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений, особенно лишайников. В организме животных Cs-137 накапливается главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленей и североамериканских водоплавающих птиц. Накапливается в грибах, ряд которых (маслята, моховики, свинушка, горькушка, польский гриб) считается «аккумуляторами» радиоцезия [1].

Стронций

Стромнций -- элемент главной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 38. Обозначается символом Sr (лат. Strontium). Простое вещество стронций -- мягкий, ковкий и пластичный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Содержание стронция в земной коре -- 0,384 % в свободном виде стронций не встречается. Он входит в состав около 40 минералов. Из них наиболее важный -- целестин SrSO4. Добывают также стронцианит SrCO3. Эти два минерала имеют промышленное значение [2].

Стронций содержится в морской воде (0,1 мг/л), в почвах (0,035 масс%).

В природе стронций встречается в виде смеси 4 стабильных изотопов 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,86 %), 87Sr (7,02 %), 88Sr (82,56 %).

Стронций все увереннее прокладывает себе дорогу в промышленность, спрос на него непрерывно растет. Большинство минералов стронция встречается довольно редко; лишь уже знакомый нам стронцианит и целестин (по-латыни - "небесный") образуют иногда солидные скопления.

Вот как описывает свою встречу с целестином замечательный советский геохимик и минералог академик А. Е. Ферсман: "...вдруг в одном разломанном желвачке я увидел какой-то голубой кристаллик: о, это был настоящий целестин! Чудесная прозрачная голубая иголочка, как светлый сапфир с острова Цейлон, как светлый, выгоревший на солнце василек".

Но целестин бывает не только голубым - не менее чудесны его нежно-фиолетовые, розоватые или дымчато-черные кристаллы, встречающиеся в пустотах горных пород. Необыкновенно красивы зеленоватые россыпи его мелких зерен на друзах янтарно-желтой серы. Пути образования в природе целестина (он представляет собой сернокислую соль стронция) различны, и, чтобы поведать об одном из них, мы снова предоставим слово академику А. Е. Ферсману, поскольку вряд ли кто-нибудь сможет рассказать об этом интереснее и поэтичнее, чем он: "...Давно-давно, несколько десятков миллионов лет тому назад верхнеюрское море докатывало свои волны до мощных, тогда уже существовавших Кавказских хребтов...

На дне прибрежной полосы, на камнях в бесчисленных количествах жили маленькие радиолярии; некоторые из них были прозрачны, как стекло, другие представляли собой мелкие белые шарики не больше одного миллиметра, с маленьким стебельком, в три раза большим, чем туловище. Они сидели на камнях, на красивых зарослях мшанок, а иногда покрывали даже иглы морских ежей, путешествуя с ними по морскому дну. Это были знаменитые радиолярии-акантарии, скелеты которых состояли из иголочек, числом от 18 до 32. Долгое время никто не знал, из чего они образованы, и только случайно было обнаружено, что они состоят не из кремнезема, не из опала, а из сернокислого стронция. Эти бесчисленные радиолярии накапливали в сложном жизненном процессе соль сернокислого стронция, извлекая ее из морской воды, и постепенно строили свои кристаллические иголочки.

Отмирающие радиолярии падали на дно моря. Так было положено начало скоплениям одного из редких металлов..." Добавим, что не только радиолярии, но и другие морские организмы неравнодушны к стронцию: ученые находили спиральные раковины давно вымерших моллюсков, состоящие из целестина. Некоторые из них достигали внушительных размеров - до 40 сантиметров в поперечнике. В природе имеются довольно крупные так называемые вулканогенно-осадочные месторождения стронция, например в пустынях Калифорнии и Аризоны в США. (Кстати, замечено, что стронций "любит" жаркий климат, поэтому в северных странах он встречается гораздо реже.). В третичную эпоху этот район был ареной бурной вулканической деятельности. Термальные воды, поднимавшиеся вместе с лавой из земных недр, были богаты стронцием. Расположенные среди вулканов озера накапливали этот элемент, образуя за тысячелетия весьма солидные его запасы. Есть стронций и в водах Кара-Богаз-Гола. Постоянное испарение вод залива приводит к тому, что концентрация солей непрерывно возрастает и наконец достигает точки насыщения - соли выпадают в осадок. Содержание стронция в этих осадках иногда составляет 1-2 %.

Несколько лет назад геологи обнаружили значительное месторождение целестина в горах Туркмении. Голубые пласты этого ценного минерала залегают на склонах ущелий и глубоких каньонов Куштангтау-горного хребта в юго-западной части Памиро-Алая. Нет сомнения, что туркменский "небесный" камень успешно послужит нашему народному хозяйству. ...Природе не свойственна торопливость: сейчас человек использует запасы стронция, которые она начала создавать миллионы лет назад. Но и сегодня в глубинах земли, в толще морей и океанов происходят сложные химические процессы, возникают скопления ценных элементов, рождаются новые клады, но достанутся они уже не нам, а нашим далеким-далеким потомкам [3].

Стронций в живых организмах

Стронций -- составная часть микроорганизмов, растений и животных. У морских радиолярий (акантарий) скелет состоит из сульфата Стронций -- целестина. Морские водоросли содержат 26--140 мг Стронций на 100 г сухого вещества, наземные растения -- 2,6, морские животные -- 2--50, наземные животные -- 1,4, бактерии -- 0,27--30. Накопление Стронций различными организмами зависит не только от их вида, особенностей, но и от соотношения в среде Стронций с др. элементами, главным образом с Ca и Р, а также от адаптации организмов к определённой геохимической среде.

Животные получают Стронций с водой и пищей. Всасывается Стронций тонким, а выделяется в основном толстым кишечником. Ряд веществ (полисахариды водорослей, катионообменные смолы) препятствует усвоению Стронций Главное депо Стронций в организме -- костная ткань, в золе которой содержится около 0,02% Стронций (в др. тканях -- около 0,0005%). Избыток солей Стронций в рационе крыс вызывает «стронциевый» рахит. У животных, обитающих на почвах со значительным количеством целестина, наблюдается повышенное содержание Стронций в организме, что приводит к ломкости костей, рахиту и др. заболеваниям. В биогеохимических провинциях, богатых Стронций (ряд районов Центральной и Восточной Азии, Северной Европы и др.), возможна т. н. уровская болезнь.

Стронций-90

Среди искусственных изотопов Стронций его долгоживущий радионуклид 90Sr -- один из важных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Попадая в окружающую среду, 90Sr характеризуется способностью включаться (главным образом вместе с Ca) в процессы обмена веществ у растений, животных и человека. Поэтому при оценке загрязнения биосферы 90Sr принято рассчитывать отношение 90Sr/Ca в стронциевых единицах (1 с. е. = 1 мк мккюри 90Sr на 1 г Ca). При передвижении 90Sr и Ca по биологическим и пищевым цепям происходит дискриминация Стронций, для количественного выражения которой находят «коэффициент дискриминации», отношение 90Sr/Ca в последующем звене биологической или пищевой цепи к этой же величине в предыдущем звене. В конечном звене пищевой цепи концентрация 90Sr, как правило, значительно меньше, чем в начальном.

В растения 90Sr может поступать непосредственно при прямом загрязнении листьев или из почвы через корни (при этом большое влияние имеет тип почвы, сё влажность, pH, содержание Ca и органических веществ и т.д.). Относительно больше накапливают 90Sr бобовые растения, корне- и клубнеплоды, меньше -- злаки, в том числе зерновые, и лён. В семенах и плодах накапливается значительно меньше 90Sr, чем в др. органах (например, в листьях и стеблях пшеницы 90Sr в 10 раз больше, чем в зерне). У животных (поступает в основном с растительной пищей) и человека (поступает в основном с коровьим молоком и рыбой) 90Sr накапливается главным образом в костях. Величина отложения 90Sr в организме животных и человека зависит от возраста особи, количества поступающего радионуклида, интенсивности роста новой костной ткани и др. Большую опасность 90Sr представляет для детей, в организм которых он поступает с молоком и накапливается в быстро растущей костной ткани.

Биологическое действие 90Sr связано с характером его распределения в организме (накопление в скелете) и зависит от дозы b-облучения, создаваемого им и его дочерним радиоизотопом 90Y. При длительном поступлении 90Sr в организм даже в относительно небольших количествах, в результате непрерывного облучения костной ткани, могут развиваться лейкемия и рак костей. Существенные изменения в костной ткани наблюдаются при содержании 90Sr в рационе около 1 мккюри на 1 г Ca. Заключение в 1963 в Москве Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой привело к почти полному освобождению атмосферы от 90Sr и уменьшению его подвижных форм в почве [2].

Основным источником загрязнения природы радиоактивным стронцием были испытания ядерного оружия и аварии на атомных электростанциях. Поэтому из радиоактивных изотопов стронция наибольший практический интерес представляют нуклиды с массовыми числами 89 и 90, выход которых, в большом количестве наблюдается в реакциях деления урана и плутония.

Выпавший на поверхность Земли радиоактивный стронций попадает в почву. Из почвы радионуклиды через корневую систему поступают в растения. Следует заметить, что на этом этапе большую роль играют свойства почвы и вид растения.

Выпадающие на поверхность почвы радионуклиды на протяжении многих лет могут оставаться в её верхних слоях. И ТОЛЬКО если почва бедна такими минералами как кальций, калий, натрий, фосфор создаются благоприятные условия для миграции радионуклидов в самой почве и по цепи почва - растение. В первую очередь это относится к дерново-подзолистым и песчано-суглинистым почвам. В чернозёмных почвах подвижность радионуклидов крайне затруднена. Теперь о растениях. В наибольших количествах стронций накапливается в бобовых, корнеплодах, и в меньшей мере (в 3-7 раз) в злаковых.

Животным радиоактивный стронций в основном поступает с кормом. Так как стронций относится к типичным остеотропным радионуклидам, он откладывается в костях. По величине отложений нуклида в скелете сельскохозяйственных животных их располагают в следующей последовательности: крупный рогатый скот, козы, овцы, свиньи, куры. Помимо скелета наибольшая концентрация стронция отмечена в печени и почках, минимальная - в мышцах и жире.

У лактирующих животных стронций выводится с молоком. Суточное выведение у коров разной продуктивности достигает 0,2 - 5%, у коз - 1,3%, овец 1-6% в литре от суточного поступления. Переход нуклида Sr90 из корма в молоко оценивается как 0,1% в 1 литр удоя. При переработке молока в масло переходит лишь около 1% стронция 90.

Переход 90Sr из кормового рациона курей в яйцо достигает 40% суточного поступления радионуклида, а у низкопродуктивных кур может достигать 60%. Содержание стронция в скорлупе достигает 96%, в желтке и белке содержится соответственно 3,5% и 0,2%.

Содержание стронция в морепродуктах зависит от содержания нуклида в воде и степени её минерализации. Так у рыб выловленных их Балтийского моря содержание стронция оказалось в 5 раз больше, чем у рыб Атлантического океана. У рыб стронций также в основном накапливается в скелете. Поэтому после кулинарной обработки рыбы можно получить более загрязненный продукт, чем тот, что был в начале. Так при приготовлении ухи часть радионуклидов содержащихся в костях переходит в бульон. Может также увеличиваться поступление Sr90 из рыбы при её консервировании за счёт высокой температуры под давлением, в результате которой обычно несъедобные кости размягчаются и превращаются в съедобные.

Биологическому действию радиоактивного стронция посвящены многочисленные научные публикации. Однако насколько опасно хроническое поступление в организм человека малых количеств стронция до конца не изучено.

В попытках докопаться до истины, учёные исследовали биологическое действие радиоактивного стронция на многих видах животных. Самый большой практический интерес представляют опыты, проведенные на собаках, поскольку радиочувствительность их примерно такая же, как и у человека. Результаты опытов показали, что и у собак, и у крыс отклонения фиксировались только при достаточно больших дозах [3].

Список литературы:

1) Моисеев А. А., Рамзаев П. В. «Цезий-137 в биосфере» / М. / 1975;

2) Бурков В. В., Подпоряна Е. К. «Стронций» / М. /1962;

3) Юдинцева Е. В., Гулякин И. В. «Агрохимия радиоактивных изотопов стронция и цезия» / М. / 1968;

4) Ковальский В. В. «Геохимическая экология» / М. / 1974.