Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Xác định hàm lượng kẽm, mangan trong một số loại rau xanh tại huyện Đại Từ- tỉnh Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:96

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn nhằm nghiên cứu khảo sát, chọn được các điều kiện thực nghiệm phù hợp cho việc xác định hàm lượng kẽm và mangan bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa F-AAS. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Xác định hàm lượng kẽm, mangan trong một số loại rau xanh tại huyện Đại Từ- tỉnh Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ………….…………. BÙI TIẾN TÙNG XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG KẼM, MANGAN TRONG MỘT SỐ LOẠI RAU XANH TẠI HUYỆN ĐẠI TỪ - TỈNH THÁI NGUYÊN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA (F-AAS) LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH: HOÁ PHÂN TÍCH MÃ SỐ : 60.44.29 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Đức Thái Nguyên, năm 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1
Lời cảm ơn Lời đầu tiên của luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đăng Đức. Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên, các thầy cô, anh chị và các bạn trong bộ môn Hóa học, trường Đại Học Khoa Học, Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Dù đã có nhiều cố gắng, song do năng lực còn hạn chế nên trong luận văn của tôi chắc chắn không thể tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để luận văn này được hoàn chỉnh hơn. Thái Nguyên, tháng 8 năm 2010 Học viên Bùi Tiến Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Abs Absorbance Độ hấp thụ AAS Atomic Absorption Phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử Spectrometry F- AAS Flame - Atomic Absorption Phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa Spectrometry HCL Hollow Cathoe Lamps Đèn catôt rỗng ppm Part per million Một phần triệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU……………………………………………………………………….... 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN……………………………………………………. 1 1.1. Giới thiệu chung về rau……………………………………………………… 3 1.1.1. Đặc điểm và thành phần…………………………………………………. 3 1.1.2. Công dụng của rau xanh…………………………………………………. 3 1.2. Giới thiệu chung về nguyên tố kẽm (Zn)……………………………………. 4 1.2.1. Trạng thái thiên nhiên…………………………………………………… 4 1.2.2. Tính chất vật lí hoá học………………………………………………….. 5 1.2.2.1. Tính chất vật lí ……………………………………………………... 5 1.2.2.2. Tính chất hoá học cơ bản của kẽm…………………………………... 5 1.2.3. Ứng dụng của kẽm………………………………………………………. 7 1.2.4. Vai trò sinh học của kẽm………………………………………………… 8 1.3. Giới thiệu chung về nguyên tố mangan (Mn)……………………………..... 10 1.3.1. Trạng thái thiên nhiên…………………………………………………… 10 1.3.2. Tính chất vật lí hoá học………………………………………………….. 10 1.3.2.1. Tính chất vật lí ……………………………………………………... 10 1.3.2.2. Tính chất hoá học cơ bản của mangan………………………………. 11 1.3.3. Ứng dụng của mangan…………………………………………………... 12 1.3.4. Vai trò sinh học của mangan…………………………………………….. 12 1.4. Một số phương pháp xác định kim loại nặng………………………………... 13 1.4.1. Các phương pháp phân tích hoá học…………………………………….. 14 1.4.2. Các phương pháp phân tích công cụ…………………………………….. 14 1.5. Một số vấn đề về phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử - AAS…… 15 1.5.1 Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử……………………………………… 15 1.5.2 Nguyên tắc của phương pháp……………………………………………. 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4
1.5.3. Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu……………………………………………... 18 Trang 1.5.3.1. Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu dùng ngọn lửa…………………………. 19 1.5.3.2.Kĩ thuật nguyên tử hóa mẫu không dùng ngọn lửa………………….. 21 1.5.4. Sơ lược về trang bị của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)………… 21 1.5.5. Các kĩ thuật phân tích cụ thể trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử…….. 22 1.5.5.1. Phương pháp đồ thị chuẩn (đường chuẩn)…………………………… 22 1.5.5.2. Phương pháp thêm tiêu chuẩn……………………………………….. 23 1.5.6. Phương pháp xử lí mẫu phân tích xác định Mn và Zn………………….. 24 1.5.6.1. Phương pháp xử lí ướt……………………………………………..... 25 1.5.6.2. Phương pháp xử lí khô………………………………………………. 25 1.5.6.3. Phương pháp xử lí khô-ướt kết hợp…………………………………. 26 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM……………………………………………….. 27 2.1. Thiết bị và hoá chất………………………………………………………….. 27 2.1.1. Thiết bị…………………………………………………………………... 27 2.1.2. Hoá chất…………………………………………………………………. 27 2.2. Khảo sát các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa trực tiếp của kẽm và mangan……………………………………………………………… 27 2.2.1. Khảo sát các thông số của máy đo……………………………………… 27 2.2.1.1. Khảo sát vạch phổ hấp thụ.………………………………………….. 27 2.2.1.2. Khảo sát cường độ dòng đèn catot rỗng…………………………….. 28 2.2.1.3. Khảo sát độ rộng khe đo……………………………………………... 29 2.2.1.4. Khảo sát chiều cao của đèn nguyên tử hoá mẫu…………………….. 30 2.2.1.5. Khảo sát lưu lượng khí axetilen……………………………………… 31 2.2.1.6. Khảo sát tốc độ dẫn mẫu……………………………………………... 33 2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit…………………... 33 2.2.2.1. Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép đo Mn……….. 33 2.2.2.2. Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép đo Zn………... 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5
2.2.3. Khảo sát thành phần nền của mẫu………………………………………. 37 2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của các cation……………………………………… 38 Trang 2.2.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của các cation…………………………………. 39 2.2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của các anion…………………………………. 42 2.3. Phương pháp đường chuẩn với phép đo F-AAS…………………………… 42 2.3.1. Khảo sát xác định khoảng nồng độ tuyến tính…………………………. 42 2.3.2. Xây dựng đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng…………………………………………………………………………….. 45 2.3.2.1. Đường chuẩn của mangan………………………………………….. 45 2.3.2.2. Đường chuẩn của kẽm……………………………………………… 46 2.4. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo………………………………….. 48 2.4.1. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo Mn………………………….. 49 2.4.2. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo Zn…………………………… 49 2.5. Định lượng kẽm, mangan trong các mẫu giả……………………………….. 50 2.6. Tổng kết các điều kiện đo phổ F-AAS của mangan và kẽm……………….. 52 2.7. Phân tích mẫu thực………………………………………………………….. 52 2.7.1. Lấy mẫu…………………………………………………………………. 52 2.7.2. Khảo sát quá trình xử lí mẫu……………………………………………. 53 2.8. Thực nghiệm đo phổ và kết quả tính toán………………………………….. 55 2.8.1. Phương pháp xử lí kết quả phân tích theo phương pháp đường chuẩn…. 55 2.8.2. Kết quả xác định hàm lượng mangan, kẽm trong các mẫu rau………… 56 2.8.2.1. Kết quả xác định hàm lượng kẽm trong các mẫu rau……………… 56 2.8.2.2. Kết quả xác định hàm lượng mangan trong các mẫu rau 64 2.9. Kiểm tra quá trình xử lí mẫu………………………………………………. 74 KẾT LUẬN …………………………………………………………………….. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 79 PHỤ LỤC………………………………………………………………………... 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Thành phần hoá học của một số loại rau xanh……………………... 3 Bảng 1.2. Một số đặc điểm của nguyên tử các nguyên tố Mn và Mg…………. 11 Bảng 2.1: Kết quả khảo sát các vạch phổ hấp thụ của kẽm…………………… 28 Bảng 2.2: Kết quả khảo sát các vạch phổ hấp thụ của mangan……………….. 28 Bảng 2.3: Kết quả khảo cường độ dòng đèn với nguyên tố Mn………………. 29 Bảng 2.4 : Kết quả khảo cường độ dòng đèn với nguyên tố Zn………………. 29 Bảng 2.5 : Kết quả khảo sát khe đo với nguyên tố Mn………………………... 30 Bảng 2.6 : Kết quả khảo sát khe đo với nguyên tố Zn………………………… 30 Bảng 2.7: Khảo sát ảnh hưởng chiều cao của đèn nguyên tử hoá mẫu……….. 31 Bảng 2.8: Kết quả khảo sát tốc độ dẫn khí axetilen đối với Mn………………. 32 Bảng 2.9 : Kết quả khảo sát tốc độ dẫn khí axetilen đối với Zn………………. 32 Bảng 2.10: Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép đo Mn……. 34 Bảng 2.11: Độ hấp thụ của Mn trong các axit tối ưu………………………….. 34 Bảng 2.12: Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép đo Mn…….. 35 Bảng 2.13: Độ hấp thụ của Zn trong các axit tối ưu………………………….... 36 Bảng 2.14: Khảo sát ảnh hưởng của thành phần nền………………………….. 37 Bảng 2.15: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ LaCl3………………………….... 38 Bảng 2.16: Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại kiềm……………………….. 39 Bảng 2.17: Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại kiềm thổ………………….... 40 Bảng 2.18: Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại nặng hoá trị II………………. 40 Bảng 2.19: Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại hoá trị III………………….. 41 Bảng 2.20: Khảo sát ảnh hưởng của ion SO2-4 ; Cl- ; NO3- ………………………. 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7
Trang Bảng 2.21: Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn……………. 43 Bảng 2.22: Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Zn…………….. 44 Bảng 2.23: Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo Mn……… 49 Bảng 2.24: Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo Zn………….. 50 Bảng 2.25: Kết quả xác định hàm lượng Mn trong các mẫu giả bằng phương pháp đường chuẩn……………………………………………………………....... 51 Bảng 2.26: Kết quả xác định hàm lượng Zn trong các mẫu giả bằng phương pháp đường chuẩn………………………………………………………………… 51 Bảng 2.27: Tổng kết các điều kiện đo phổ F-AAS của mangan và kẽm……… 52 Bảng 2.28: Tỉ lệ khối lượng của một số loại rau trước và sau khi sấy khô…… 53 Bảng 2.29: Kết quả khảo sát lượng HNO3 ứng với 1 gam mẫu rau khô……… 54 Bảng 2.30:Tổng hợp kết quả xác đinh hàm lượng Zn trong mẫu rau mùa xuân……………………………………………………………………………. 63 Bảng 2.31: Tổng hợp kết quả xác đinh hàm lượng Zn trong mẫu rau mùa hè........ 63 Bảng 2.32: Tổng hợp kết quả xác đinh hàm lượng Mn trong mẫu rau mùa xuân... 72 Bảng 2.33: Tổng hợp kết quả xác đinh hàm lượng Mn trong mẫu rau mùa hè…... 72 Bảng 2.34: Thành phần mẫu thêm chuẩn………………………………………… 75 Bảng 2.35 : Kết quả phân tích kẽm trong các mẫu thêm chuẩn………………….. 75 Bảng 2.36 : Kết quả phân tích mangan trong các mẫu thêm chuẩn……………… 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ A  và nồng độ chất Cx…………....... 18 Hình 2.1: Sự phụ thuộc của phép đo Mn vào các axit HCl 2% và HNO3 2%............... 35 Hình 2.2: Sự phụ thuộc của phép đo Zn vào các axit HCl 2% và HNO3 2%................ 36 Hình 2.3: Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn……………………….. 44 Hình 2.4: Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Zn 45 Hình 2.5: Đường chuẩn của mangan…………………………………………………. 45 Hình 2.6: Đường chuẩn của kẽm……………………………………………………... 47 Hình 2.7: Đồ thị hàm lượng Zn (mg/kg) trong các mẫu rau tươi mùa xuân…………. 64 Hình 2.8: Đồ thị hàm lượng Zn (mg/kg) trong các mẫu rau tươi mùa hè……………. 64 Hình 2.9: Đồ thị hàm lượng Mn (mg/kg) trong các mẫu rau tươi mùa xuân………… 73 Hình 2.10: Đồ thị hàm lượng Mn (mg/kg) trong các mẫu rau tươi mùa hè………………………………………………………………………………………. 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9
MỞ ĐẦU Vấn đề môi trường và sức khoẻ cộng đồng đang trở nên cấp bách. Xã hội càng phiết triển, dân số thế giới càng tăng thì những ảnh hưởng của môi trường tới sức khoẻ con người càng mạnh mẽ và bất thường. Những ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ của con người vừa do thiên nhiên tác động (bản chất các thành tạo địa chất, các vấn đề liên quan đến vũ trụ,...), vừa do bản thân con người tạo ra (các chất thải, khai thác quá mức,...). Cùng với sự phát triển về nhu cầu của xã hội thì tốc độ đô thị hoá, công nghiệp hoá nhanh cũng đang nhanh chóng tạo ra một sức ép to lớn với môi trường sống Việt Nam. Chúng ta đều biết rằng rau xanh là một trong những nguồn thực phẩm cần thiết và vô cùng quan trọng trong bữa ăn hàng ngày, là nguồn cung cấp vitamin, khoáng chất, vi lượng, chất xơ...cho cơ thể và không thể thay thế được. Ngoài vai trò của nguồn thực phẩm ra thì rau xanh còn được dùng như một nguồn thuốc chữa bệnh. Tuy nhiên, dù mô hình trồng rau có hiện đại đến đâu, hay ở đất nước có phát triển thế nào đi chăng nữa thì chúng ta cũng không thể có mô hình trồng rau mà không sử dụng đến thuốc bảo vệ thực vật. Do vậy các khái niệm “rau sạch” đang được thay thế bằng khái niệm “rau an toàn”. Theo đó rau được gọi là an toàn nếu không có dư lượng thuốc trừ sâu bệnh, hoá chất khác đến mức gây nguy hiểm cho con người; không có hàm lượng kim loại nặng quá mức cho phép; hàm lượng nitrat trong mức cho phép và cuối cùng là không có các vi khuẩn gây bệnh tiêu chảy, trứng giun sán… Hiện nay nhiều khu vực trồng rau đang bị đe dọa ô nhiễm bởi các chất thải công nghiệp, bởi nguồn nước tưới của các vùng có nhiều khoáng sản và có cả cách sử dụng phân bón thiếu khoa học đã dẫn đến một số loại rau bị nhiễm các kim loại nặng và có ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Các nguyên tố kim loại nặng như: Cr; Ni; Pb; Cd...gây độc hại đối với cơ thể con người tuỳ vào hàm lượng của chúng. Một số kim loại nặng khác như Cu; Fe; Zn... là những nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể sống. Tuy nhiên nếu hàm lượng của chúng vượt qúa ngưỡng cho phép thì chúng bắt đầu gây hại. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10
Thời gian gần đây, vấn đề rau sạch đang được cả xã hội quan tâm, nguồn cung cấp rau sạch hiện nay đang chưa thể đáp ứng đủ nhu cầu về rau sạch cho mỗi địa phương. Nhiều ca ngộ độc thực phẩm, mà trong đó nguyên nhân từ rau xanh đã xảy ra. Đã có rất nhiều bài báo, từ báo viết đến báo hình đề nói về vấn để thời sự này. Như vây việc điều tra, đánh giá chất lượng rau sạch trở nên vô cùng cấp thiết. Một trong các chỉ tiêu dùng để đánh giá độ an toàn thực phẩm nói chung và rau sạch nói riêng là hàm lượng các kim loại nặng. Với yêu cầu xác định hàm lượng thì phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là một trong những phương pháp có độ chọn lọc và độ chính xác cao, phù hợp với việc xác định lượng vết các kim loại nặng trong thực phẩm. Do vậy chúng tôi thực hiện đề tài : "Xác định hàm lượng kim loại nặng kẽm, mangan trong một số loại rau xanh tại huyện Đại Từ- tỉnh Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa F-AAS". Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11
CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về rau [17;26;27] 1.1.1. Đặc điểm và thành phần [26] Rau xanh là cây trồng ngắn ngày có giá trị dinh dưỡng và hiệu quả kinh tế cao nên đã được trồng và sử dụng lâu đời. Rau có ý nghĩa quan trọng trong dinh dưỡng của con người, chứa nhiều sinh tố, khoáng chất và chất sơ cần thiết cho cơ thể. Rau là nguồn cung cấp khoáng chất và vitamin phong phú. Dưới đây là thành phần cơ bản của một số loại rau: Bảng 1.1. Thành phần hoá học của một số loại rau xanh Loại rau Nƣớc Protein Gluxit Lipit Xenlulozơ Tro Thành phần khác (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Bắp cải 95 1,8 5,4 - 1,6 1,2 P, Ca, Fe, VitaminC... Rau muống 92 3,2 2,5 - 1 1,3 P, Ca, Fe, Caroten, VitaminC, B1, B2,... Cải xoong 95 1,7 3 0,2 - 0,8 Vitamin A, C, B1, B2.... Xà lách 93,2 1,7 - 0,5 9 - - Diếp cá 91,5 2,9 2,7 - 1,8 3,2 K, Ca, tiền VitaminA 1.1.2. Công dụng của rau xanh [27] Rau không những là loại thực phẩm cần thiết hằng ngày mà còn là loại thuốc chữa bệnh rất dễ kiếm và dễ sử dụng. Cải bắp là loại rau có nguồn gốc ôn đới, có rất nhiều tác dụng. Dùng đắp ngoài để tẩy uế làm liền sẹo, mụn nhọt...ngoài ra còn là thuốc làm dịu cơn đau trong bệnh thấp khớp, thống phong, đau dây thần kinh hông...Sau hết, nó là loại thuốc mạnh để chống kích thích thần kinh và chứng mất ngủ, dùng cho những người hay lo âu, những người bị suy nhược thần kinh. Rau muống là loại rau rất phổ biến, dễ trồng, có thể trồng trên cạn hoặc dưới nước, tính hàn, vị ngọt. Khi bị chảy máu mũi dùng rau muống tươi nghiền nát với Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12
đường đỏ uống sẽ cầm máu. Nếu có mụn nhọt, dùng rau muống tươi đánh nhuyễn với mật ong đắp vào chỗ đau cũng rất tốt... Cải xoong giúp ta ăn ngon miệng, tẩy độc, lợi tiểu, cung cấp nhiều chất xơ có tác dụng tốt đối với dạ dày. Canh cải xoong nấu với cỏ tươi vừa ngon, bổ, mát lại có tác dụng giải nhiệt.... Ngải cứu là vị thuốc có tính ôn, vị cay, dùng làm thuốc ôn khí huyết, điều kinh, an thai, thổ huyết máu cam, dùng làm thuốc chữa đau bụng hành kinh, đau bụng do hàn... Xà lách có vị hơi đắng, ngọt, hơi hàn. Công năng ích ngũ tạng, thông kinh mạch, cứng gân cốt, lợi tiểu và làm trắng đẹp da. Dùng chữa bệnh tăng huyết áp, viêm thận mãn, sữa không thông sau khi sinh nở... Giấp cá theo dân phương đông tin tưởng và kinh nghiệm dùng nhiều thế kỉ là do dược tính mát, tán khí, trị kiết lị, sởi. Nghiền nhỏ đắp vào các chỗ bầm dập trên mí mắt trị đỏ mắt, và còn trị mể đay... 1.2. Giới thiệu chung về nguyên tố kẽm (Zn) [9] Trong bảng hệ thống tuần hoàn Zn là nguyên tố có số thứ tự 30, thuộc nhóm IIB, chu kì 4. 1.2.1. Trạng thái thiên nhiên Trong vỏ quả đất, kẽm không tồn tại ở trạng thái tự do, tồn tại ở dạng khoáng vật chủ yếu là quặng blen kẽm (ZnS), calamine (ZnCO3), phranclinit hay ferit kẽm (Zn(FeO2)2), ngoài ra còn có zincit (ZnO). Trong thiên nhiên các khoáng vật của kẽm đều lẫn các khoáng vật của Pb, Ag, Cd. Trong cơ thể động vật hoặc thực vật có chứa hàm lượng bé, trong sò hến có khoảng 12%, trong cơ thể người có khoảng 0,001% tập trung chủ yếu ở răng, hệ thần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13
kinh và tuyến sinh dục, ngoài ra trong cơ thể người kẽm còn có trong thành phần của các enzym quan trọng. Trong nước của đại dương (tính trung bình trong 1 lít nước biển) có khoảng 10-2 mg kẽm ở dạng Zn2+ (ZnSO4). Trong các mẫu đá ở mặt trăng do các tầu Apollo-11, 12 và tàu Luna-6 đưa về cho thấy kẽm có hàm lượng ở 3 vùng khác nhau như sau: Hàm lượng trung bình (số gam/1g mẫu đá) Apollo-11 Apollo-12 Luna-6 Zn 1,5.10-11 5,4.10-6 3,34.10-5 Theo ước tính, Zn chiếm 0,005% khối lượng vỏ trái đất, chiếm một vị trí quan trọng đối với cơ thể sinh vật. 1.2.2. Tính chất vật lí hoá học 1.2.2.1. Tính chất vật lí Kẽm tinh khiết có màu trắng bạc, có ánh kim, mềm, dễ nóng chảy và tương đối dễ bay hơi. Ở điều kiện thường Zn khá giòn, nên không kéo dài được, nhưng khi đun nóng đến 1000C-1500C lại dẻo và dai, khi đun đến 2000C thì lại tán thành bột được. 1.2.2.2. Tính chất hoá học cơ bản của kẽm Zn là nguyên tố nhóm d. Nguyên tử kẽm có các obitan 3d đã điền đủ 10e. Tuy nhiên cấu hình electron 3d10 tương đối bền nên số electron hoá trị của Zn chỉ là các electron s. Nguyên nhân là do năng lượng ion hoá thứ ba của Zn rất cao đã làm cho năng lượng tạo thành mạng lưới tinh thể không đủ để làm bền cho trạng thái oxi hoá +3, vì thế oxi hoá đặc trưng và cao nhất của Zn là +2. Về mặt nhiệt động, Zn có thể đẩy H2 ra khỏi H2O nguyên chất vì thế điện cực chuẩn của Zn là E0Zn 2  0,76(V) , âm hơn thế điện cực chuẩn E 02H  0, 413(V) Zn H 2 (pH 7) nhưng trên thực tế khả năng này không xảy ra vì trên bề mặt của Zn bị bao phủ bởi một lớp màng oxit. Ở nhiệt độ cao khi nung nóng Zn trong luồng hơi nước tạo ra oxit Zn: Zn + H2O  ZnO + H2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14
Ở nhiệt độ cao khi nung nóng Zn có khả năng tác dụng trực tiếp với các phi kim: S, Te, Se tạo ra sunfua, telenua, selenua tương ứng: Zn + S  ZnS Zn + Te  ZnTe Zn + Se  ZnSe Đồng thời Zn cũng tác dụng trực tiếp với các halogen tạo ra halogenua màu trắng: Zn + X2  ZnX2 (X: F, Cl, Br, I) Zn không tác dụng trực tiếp với N2, C, Si, B, tuy nhiên cacbon có hoà tan một ít trong Zn nóng chảy, khi để nguội cacbon thoát ra ở dạng than chì. Với các axit thông thường như HCl, H2SO4 loãng: Do có thế điện cực khá âm nên dễ dàng phản ứng tạo ra khí H2: Zn + 2H3O+ + 2H2O  [Zn(H2O)4]2+ + H2 Tuy nhiên Zn nguyên chất tác dụng chậm với các axit trên, nhưng nếu cho thêm vài giọt CuSO4 hoặc Zn có lẫn tạp chất sẽ phản ứng nhanh hơn. Nguyên nhân là do H+ đến nhận electron trực tiếp trên bề mặt Zn và giải phóng khí H2 bám trên bề mặt Zn làm giảm diện tích tiếp xúc của Zn với axit nên phản ứng chậm dần. Khi có tạp chất hoặc cho thêm vài giọt CuSO4 vào thì có sự hình thành các nguyên tố Giavani nên H2 thoát ra từ bề mặt của những đốm tạp chất đó. Với các axit HNO3 Zn tác dụng và tạo ra các sản phẩm khử là NO, NO2, N2O và thậm chí có thể khử sâu đến tận NH4NO3. 3Zn + 8HNO3  3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O 4Zn + 10HNO3  4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O Với H2SO4 đặc nóng tạo ra SO2 hoặc S, còn với axit đặc nguội tạo ra H2S: Zn + 2H2SO4  ZnSO4 + SO2 + 2H2O 3Zn + 4H2SO4  3ZnSO4 + S + 4H2O 4Zn + 5H2SO4  4ZnSO4 + H2S + 5H2O Trong môi trường kiềm, ion NO3 sẽ bị Zn khử thành NH3: 4Zn  NO3  7OH  4ZnO22  NH3  2H2O Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15
Zn tan trong dung dịch kiềm đặc nóng tạo ra zincat và giải phóng khí H2: Zn + 2H2O + 2OH-  [Zn(OH)4]2- + H2 Về khả năng tạo phức: Zn2+ có thể tạo nên nhiều phức chất, tuy nhiên khả năng tạo phức kém Ag và Cu. Những ion thường gặp là [ZnX4]2- (X: Cl- ; Br- ; I- ; CN- ), [Zn(NH3)4]2+,... Zn tạo phức amin trong dung dịch NH3: Zn + 4NH3 + 2H2O  [Zn(NH3)4](OH)2 + H2 1.2.3. Ứng dụng của kẽm Kẽm là kim loại được sử dụng phổ biến hàng thứ tư sau sắt, nhôm, đồng tính theo lượng sản xuất hàng năm. Kẽm được sử dụng để mạ kim loại. Trong công nghiệp một lượng lớn kẽm được dùng để mạ lên sắt để bảo vệ cho sắt khỏi bị gỉ, trên bề mặ của lớp mạ có phủ một lớp cacbonat bazơ (ZnCO3.3Cu(OH)2) bảo vệ cho kim loại. Kẽm được sử dụng trong các hợp kim như đồng thanh, niken trắng, các loại que hàn, bạc Đức...Đồng thanh có ứng dụng rộng rãi nhờ độ cứng và sức kháng gỉ cao. Kẽm được sử dụng trong dập khuôn, đặc biệt là trong công nghiệp ôtô. Kẽm dạng cuộn được sử dụng để làm vỏ pin. Loại pin này gồm một vỏ bằng Zn đồng thời làm anot, ở giữa pin là một trụ trắng bằng than chì đóng vai trò catot. Ở giữa Zn và trụ than chì chứa hỗn hợp hồ nhão gồm MnO2, NH4Cl và bột than. Phản ứng trên bề mặt điện cực khi phóng điện như sau: Ở anot: Zn  Zn2+ + 2e Ở catot: 2NH4  2MnO2  2e  Mn 2O3  2NH3  H2O Oxit ZnO được sử dụng như chất liệu có màu trắng trong màu nước và sơn cũng như chất hoạt hoá trong công nghiệp ôtô. Sử dụng trong thuốc mỡ, nó có khả năng chống cháy nắng cho các vùng da trần. Sử dụng như lớp bột mỏng trong các khu vực ẩm ướt của cơ thể (bộ phận sinh dục) của trẻ em chống hăm. Ngoài ra còn dùng làm thuốc giảm đau dây thần kinh, chữa eczema... Clorua kẽm được sử dụng làm chất khử mùi và bảo quản gỗ. Sunfua kẽm được sử dụng làm chất lân quang, được sử dụng để phủ lên kim đồng hồ hay các đồ vật khác cần phát sáng trong bóng tối. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16
Metyl kẽm (Zn(CH3)2) được sử dụng trong một số phản ứng tổng hợp hữu cơ. Stearat kẽm được sử dụng làm chất độn trong sản xuất chất dẻo (plastic) từ dầu mỏ. Các loại nước thơm được sản xuất từ calamin, là hỗn hợp của hiđroxy cacbonat kẽm và silicat, được sử dụng để chống phỏng da. Gluconat glycin kẽm trong các viên nang hình thoi có tác dụng chống cảm. Trong thực đơn hàng ngày kẽm có trong thành của các loại khoáng chất và vitamin. Người ta cho rằng kẽm có thuộc tính chống oxi hoá, do vậy nó được dụng như một nguyên tố vi lượng để chống sự chết yểu của da và cơ trong cơ thể. Trong các biệt dược chứa một lượng kẽm, người ta cho rằng nó có tác dụng làm mau liền các vết thương. Trong y học, kẽm và hợp chất của nó có nhiều ứng dụng quan trọng...Muối kẽm sunfat dùng làm thuốc gây nôn, dùng làm thuốc sát trùng, dung dịch 0,1-0,5% làm thuốc nhỏ mắt chữa đau kết mạc... 1.2.4. Vai trò sinh học của kẽm Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 23 trong vỏ Trái Đất. Kẽm tồn tại trong các loại khoáng vật, phổ biến là sphalerit, blenđơ, smíthsonit, calamin, franklinit. Kẽm là nguyên tố thiết yếu đối với cơ thể. Toàn cơ thể chứa khoảng 2-2,5 gram kẽm, gần bằng lượng sắt, gấp 20 lần lượng đồng trong cơ thể. Chính vì vậy kẽm đóng vai trò quan trọng không thể thiếu đối với sức khoẻ con người. Kẽm tham gia vào thành phần cấu trúc tế bào và đặc biệt là tác động đến hầu hết các quá trình sinh học trong cơ thể. Kẽm có trong thành phần của hơn 80 loại enzim khác nhau, đặc biệt có trong hệ thống enzim vận chuyển, thuỷ phân, xúc tác phản ứng gắn kết các chuỗi trong phân tử ADN. Ngoài ra kẽm còn hoạt hoá nhiều enzim khác như amylase, pencreatinase... Đặc biệt, kẽm có vai trò sinh học rất quan trọng là tác động chọn lọc lên quá trình tổng hợp, phân giải acid nucleic và protein - những thành phần quan trọng nhất của sự sống. Kẽm vừa có cấu trúc vừa tham gia vào duy trì chứa năng của hàng loại cơ quan quan trọng, có độ tập trung trong bộ não, vỏ não, bó sợi rêu. Nếu thiếu kẽm ở các cấu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17
trúc thầnh kinh có thể dẫn đến rối loạn thần kinh và có thể là yếu tố góp phần phát sinh bệnh tâm thần phân liệt. Vai trò hết sức quan trọng nữa của kẽm là tham gia vào điều hoà chức năng của hệ thống nội tiết và có trong thành phần của các hormon (tuyến yên, tuyến thượng thận, tuyến sinh dục...). Hệ thống này có vai trò quan trọng trong việc phối hợp với hệ thần kinh trung ương, điều hoà hoạt động sống trong và ngoài cơ thể, phản ứng với các kích thích từ môi trường và xã hội, làm cho con người phát triển và thích nghi với từng giai đoạn và các tình huống phong phú của cuộc sống. Vì thế thiếu kẽm có thể ảnh hường tới quá trình thích nghi và phát triển của con người. Ngoài ra, các nghiên cứu còn cho thấy kẽm có vai trò làm giảm độc tính của các kim loại độc như asen (As), cadimi (Cd)... Góp phần vào quá trình giảm lão hoá. Khả năng miễn dịch của cơ thể được tăng cường nhờ kẽm. Vì vậy, khi thiếu kẽm, nguy cơ nhiễm khuẩn ở bệnh nhân sẽ tăng lên. Kẽm không chỉ đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sống với vai trò độc lập mà còn quan trọng hơn khi có mặt của nó sẽ giúp cho quá trình hấp thụ và chuyển hoá các nguyên tố hoá học khác cần thiết cho sự sống như đồng (Cu), mangan (Mn). magie (Mg)... Do vậy, khi cơ thể thiếu kẽm sẽ kéo theo sự thiếu hụt hoặc rối loạn chuyển hoá của nhiều yếu tố, ảnh hưởng rất lớn đến tình trạng sức khoẻ. Người trưởng thành cần hấp thụ 15-20 mg kẽm mỗi ngày. Tuy nhiên chỉ là vi lượng nhưng nếu thiếu sẽ gây phát sinh hàng loạt triệu chứng bệnh lí: - Chán ăn, thay đổi vị giác. - Chậm sinh trưởng, hư hại do ngèo khoáng ở xương, tăng Keratin hoá (sừng hoá) các tổ chức... - Thiểu năng hoặc mất khả năng sinh dục nam, giảm khả năng sinh sản ở cả hai giống đực và giống cái, dị dạng bào thai. - Suy giảm miễn dịch, dễ viêm loét và chậm lành vết thương, tổn thương ở mắt, tiêu chảy, rối loạn chuyển hoá gluxit, protit, hệ thần kinh suy nhược. Ngoài vai trò to lớn đối với cơ thể, kẽm cũng là một trong bảy nguyên tố cần thiết đối với cơ thể động, thực vật. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18
Ở động vật sự thiếu kẽm sẽ dẫn tới các di tật ở mặt, tim, xương, não, hệ thần kinh Vì thiếu kẽm hay gặp trong chế độ dinh dưỡng nên người ta làm những viên thuốc bổ xung các vi lượng dạng uống, trong đó có chứa những hợp chất của Zn2+: - ZnO dạng thuốc mỡ, hồ bơi, bột rắc dùng điều trị bệnh ngoài da. - ZnSO4.7H2O dùng làm thuốc nhỏ mắt sát trùng. - ZnO2 dùng băng bó vết thương nhiễm trùng, vết bỏng. Lượng kẽm cao làm giảm lượng đồng trong cơ thể. Vì vậy chỉ bổ xung kẽm khi đã đủ đồng. Kẽm ít gây ngộ độc, trừ khi uống phải muối kẽm vô cơ. Thuốc giải độc thường dùng là NaHCO3. 1.3. Giới thiệu chung về nguyên tố mangan (Mn)[9] Trong bảng hệ thống tuần hoàn Mn là nguyên tố có số thứ tự 25, thuộc nhóm VIIB, chu kì 4. 1.3.1. Trạng thái thiên nhiên Trong thiên nhiên mangan là nguyên tố phổ biến đứng thứ ba trong các kim loại chuyển tiếp sau Fe và Ti. Trữ lượng Mn trong vỏ Trái Đất là 0,032%. Khoáng vật chính của mangan là hausmanit (Mn3O4) chứa khoảng 72% mangan pirolusit (MnO2) chứa khoảng 63% mangan, braunit (Mn2O3) và maganit (MnOOH). Những nước có nhiều mỏ mangan trên thế giới là Nga, Nam Phi, Ấn Độ, Brazin. Nước ta có mỏ pirolusit lẫn braunit ở Tốc Tác và Bản Khuôn (Cao Bằng) và mỏ pirolusit lẫn hematit ở Yên Cư và Thành Tứ (Nghệ An). 1.3.2. Tính chất vật lí hoá học 1.3.2.1. Tính chất vật lí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19
Mangan là kim loại màu trắng bạc, dạng bề ngoài của mangan trông giống với sắt, nhưng mangan cứng và khó nóng chảy hơn sắt. Mangan có một số dạng thù hình khác nhau về mạng lưới tinh thể và tỉ khối: α; γ; β. Bền nhất ở nhiệt độ thường là dạng α với mạng tinh thể kiểu lập phương tâm khối. Nhiệt độ nóng chảy của mangan là 12440C, nhiệt độ sôi là 20800C và nhiệt thăng hoa là 280 kJ/mol. Tỉ khối của mangan là 7,44, độ cứng từ 5-6, độ dẫn điện là 5. Như vậy ta thấy mangan là một trong những kim loại khó nóng chảy và khó sôi. Những vấn đề này được giải thích bằng sự tăng phần cộng hoá trị trong liên kết kim loại. 1.3.2.2. Tính chất hoá học cơ bản của mangan Mangan là một trong số những kim loại tương đối hoạt động. Tuy có tổng năng lượng ion hoá thứ nhất và thứ hai tương đương với magie nhưng mangan là kim loại kém hoạt động hơn magie (Eo=-2,36V) vì mangan có nhiệt thăng hoa lớn hơn rất nhiều của magie. (Bảng 1.2) Bảng 1.2. Một số đặc điểm của nguyên tử các nguyên tố Mn và Mg Năng lượng ion hoá (eV) Thế điện cực Nhiệt thăng hoa I1 I2 I3 (V) (kJ/mol) Mn 7,43 15,63 33,69 -1,18 280 Mg 7,64 15,03 80,21 -2,36 150 Mangan dễ bị oxi hoá bởi oxi không khí nhưng màng oxit Mn2O3 được tạo nên bảo vệ cho kim loại không bị oxi hoá tiếp tục kể cả khi đun nóng. Ở dạng bột nhất là khi đun nóng mangan tạo nên Mn3O4. Với các halogen như flo và clo mangan tạo nên các halogenua như MnF3; MnF4; MnCl2. Với N2 ở nhiệt độ khoảng 600-10000C tạo nitrua Mn3N4. Chỉ ở dạng bột nhỏ mangan tác dụng với nước giải phóng khí H2: Mn + 2H2O  Mn(OH)2 + H2 Phản ứng xảy ra mạnh khi trong dung dịch có mặt muối amoni vì Mn(OH)2 tan trong dung dịch muối amoni giống như Mg(OH)2: 2NH4  Mn(OH)2  Mn 2  2NH3  2H2O Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20