Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoá học: Phân tích, đánh giá hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm xác định hàm lượng của các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên từ tháng 07 năm 2011 đến tháng 01 năm 2012 và từ kết quả phân tích đánh giá mức độ ô nhiễm của nước mặt sông Cầu bởi các kim loại sắt, đồng, mangan theo chu kì thời gian. 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 Khoa học Hoá học: Phân tích, đánh giá hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM -------------------------- TRỊNH THẾ DŨNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HÀM LƢỢNG CÁC KIM LOẠI SẮT, ĐỒNG VÀ MANGAN TRONG NƢỚC MẶT SÔNG CẦU CHẢY QUA THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA (F – AAS) Chuyên ngành : HÓA PHÂN TÍCH Mã số: 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN THỊ HỒNG VÂN THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
i LỜI CẢM ƠN Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ chân tình của PGS. TS. Trần Thị Hồng Vân (Khoa Hóa Học - Trường Đại Học Sư phạm Hà Nội). Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Cô đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Hoá học, Khoa sau Đại học trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên, Khoa xét nghiệm - Trung tâm Y tế dự phòng tỉnh Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thiện luận văn này. Tác giả luận văn TRỊNH THẾ DŨNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ii LỜI CAM ĐOAN Luận văn “ Phân tích, đánh giá hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) ” được thực hiện từ tháng 5/2011. Luận văn sử dụng những thông tin từ nhiều nguồn và nhiều tài liệu khác nhau, các thông tin đã được ghi rõ nguồn gốc, các số liệu đã được tổng hợp và sử lí. Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Thái Nguyên, tháng 5 năm 2012 Tác giả Trịnh Thế Dũng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iiii MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục………………………………………………………………….….……..…...i Danh mục các chữ viết tắt……………………………………………….….….….…..v Danh mục các bảng………………………………………………………..….………vi Danh mục các hình vẽ……………………………………………………...….…..…vii MỞ ĐẦU……………..………………………………………………….….…….…..1 Chương I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……………........................................................4 1.1. Giới thiệu về sắt, đồng, mangan….……………………………….…………..4 1.1.1. Sắt…………………………………………………………………..….……...4 1.1.1.1. Trạng thái tự nhiên……………………………………………….…..……….4 1.1.1.3. Tác dụng sinh hóa của sắt đối với cơ thể người……………….….….……….4 1.1.1.2. Tính chất của sắt……………………………………………………..….…....6 1.1.2. Đồng………………………………………………………………..………...7 1.1.2.1. Trạng thái tự nhiên của đồng………………………………………...………..7 1.1.2.2. Tính chất của đồng………………………………………………….…..…….7 1.1.2.3. Vai trò sinh hóa của đồng dối với cơ thể người, động vật và thực vật…...…..8 1.1.3. Mangan……………………………………………………………..…....….10 1.1.3.1. Tính chất của mangan………………….……………………………..……..10 1.1.3.2. Khả năng gây ô nhiễm của mangan trong nước và tác dụng sinh hóa…..…..11 1.2. Các phương pháp xác định sắt, đồng và mangan…………………….….…..12 1.2. 1. Phân tích khối lượng…………………………………………….……….….12 1.2.1.1. Xác định sắt……………………………………………………….………....12 1.2.1.2. Xác định đồng…………………………………………………………….…12 1.2.1.3. Xác định mangan………………………………………………….…………13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
iv ii 1.2.2. Phân tích thể tích……………………………………………………….……13 1.2.2.1. Xác định sắt…………………………………………………….…….……...14 1.2.2.2. Xác định đồng………………………………………………….……….…...14 1.2.2.3. Xác định mangan……………………………………………….……..…….14 1.2.3. Các phương pháp điện hóa……………………………………….……..…...15 1.2.3.1. Phương pháp cực phổ……………………………………………..….……...15 1.2.3.2. Phương pháp vôn-ampe hòa tan……………………………………..………15 1.2.4. Phương pháp trắc quang……………………………………………..……...16 1.2.4.1. Xác định sắt……………………………….…………………………….......16 1.2.4.2. Xác định đồng………………………………………………….……..…......17 1.2.4.3. Xác định mangan……………………………………………….…….…......18 1.2.5. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử………………………….….…………19 1.3. Giới thiệu phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử………………..……. …….19 1.3.1. Nguyên tắc của phép đo AAS……………………………………...………..20 1.3.2. Trang thiết bị của phép đo AAS…………………………………….....……20 1.3.3. Ưu, nhược điểm của phép đo AAS……………………………….…..……..21 Chƣơng II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…….….….23 2.1. Trang thiết bị, hóa chất, dụng cụ nghiên cứu…………………….…..….….23 2.1.1. Trang thiết bị………………………………………………………….….…23 2.1.2. Dụng cụ…………………………………………………………….….….…23 2.1.3. Hoá chất…………………………………………………………….….…....23 2.2. Phương pháp nghiên cứu……………………………………………..….….23 2.2.1. Phương pháp đường chuẩn………………………………………….…..…..24 2.2.2. Phương pháp thêm chuẩn…………………………………………….….….25 2.3. Nội dung nghiên cứu………………………………………………….…….27 2.3.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định sắt, đồng, mangan bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa……………………………..……....27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
v iii 2.3.2. Khảo sát vùng tuyến tính của sắt, đồng, mangan…………………..……….27 2.3.3. Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo………………….….....27 2.3.4. Phân tích mẫu thực theo phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm chuẩn……………………………………………………………….….……27 Chương III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN…………………….….…28 3.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định các kim loại sắt, đồng, mangan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ ngọn lửa (F-AAS)……………….…28 3.1.1. Khảo sát các thông số của máy…………………………………….…….….28 3.1.1.1. Khảo sát vạch phổ hấp thụ………………………………………….…...…..28 3.1.1.2. Khảo sát cường độ dòng đèn………………………………….…..….…..….29 3.1.1.3. Khảo sát lưu lượng khí axetylen…………………………………….…..…..30 3.1.1.4. Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử…………………….…......31 3.1.1.5. Khảo sát chiều cao của đèn nguyên tử hóa mẫu………………….……..…..32 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit…………….….…......32 3.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với sắt…………………………….............33 3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với đồng…………………………..……...35 3.1.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với mangan…………………….….……...37 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của các cation trong mẫu……………………….....…..39 3.3. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt, đồng, mangan………..……....41 3.3. 1. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt………………………..…….…41 3.3. 2. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của đồng……………………..…….…43 3.3. 3. Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của mangan………………….…….…44 3.4. Xây dựng đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng……………………………………………………………….…..……45 3.4.1. Xây dựng đường chuẩn xác định sắt…………………………….….……….46 3.4.2. Xây dựng đường chuẩn xác định đồng ………………………….……….....48 3.4.3. Xây dựng đường chuẩn xác định mangan…………………………………...49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi iv 3.5. Tổng kết các điều kiện đo phổ F-AAS của sắt, đồng, mangan………..….....50 3.6. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo………………………………..…51 3.6.1. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo sắt……….………..…………..…52 3.6.2. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo đồng…….……………….……....53 3.6.3. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo mangan….………………..….….54 3.7. Phân tích mẫu thực bằng phương pháp đường chuẩn.………….….……..…55 3.7.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu…………………………….………….………....55 3.7.2. Xử lý mẫu……………………………………………….……..………..…..57 3.7.3. Kết quả xác định hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu bằng phép đo F-AAS…………………….………………......58 3.8. Phân tích mẫu thực tế bằng phương pháp thêm chuẩn….………………..…61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………….…………………65 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………….………………..67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vii v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Abs Absorbance Độ hấp thụ Phép đo quang phổ hấp thụ AAS Atomic AbsorptionSpectrometry nguyên tử ngọn lửa Phép đo quang phổ hấp thụ F- AAS Flame - AtomicAbsorption Spectrometry nguyên tử ngọn lửa HCL Hollow Cathoe Lamp Đèn catôt rỗng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
vi viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Kết quả khảo sát các bước sóng hấp thụ khác nhau của đồng...................29 Bảng 3.2. Khảo sát cường độ dòng đèn đối với đồng................................................30 Bảng 3.3. Khảo sát tốc độ dẫn khí axetylen của đồng................................................31 Bảng 3.4 Kết quả khảo sát khe đo đối với đồng........................................................31 Bảng 3.5. Khảo sát chiều cao đèn nguyên tử hoá đối với đồng..................................32 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép đo sắt.....................33 Bảng 3.7. Độ hấp thụ của sắt trong các axit tối ưu.....................................................34 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép đo đồng................35 Bảng 3.9. Độ hấp thụ của đồng trong các axit tối ưu................................................36 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép đo Mn..................37 Bảng 3.11. Độ hấp thụ của mangan trong các axit tối ưu...........................................38 Bảng 3.12. Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại kiềm..............................................39 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại kiềm thổ........................................40 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại nặng hoá trị II...............................40 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của nhóm cation kim loại hoá trị III......................................40 Bảng 3.16. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt................................42 Bảng 3.17. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của đồng………………….43 Bảng 3.18. Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của mangan………………44 Bảng 3.19. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ sắt…………………………...47 Bảng 3.20. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ đồng………………………...48 Bảng 3.21. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ mangan……………………..49 Bảng 3.22. Tổng kết các điều kiện đo phổ F-AAS của sắt, đồng và mangan……….51 Bảng 3.23. Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo sắt……………...52 Bảng 3.24. Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo đồng…………....53 Bảng 3.25. Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo mangan………...54 Bảng 3.26. Đặc điểm mực nước sông cầu…………………………………………...55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ix vii Bảng 3.27. Địa điểm, thời gian, kí hiệu và pH của mẫu phân tích…………………..56 Bảng 3.28. Nồng độ kim loại Fe, Cu, Mn trong nước mặt sông Cầu………………..58 Bảng 3.29. Kết quả nồng độ trung bình của các kim loại (mg/l) trong mẫu nước…..60 Bảng 3.30. Giới hạn tối đa nồng độ kim loại trong các loại mẫu nước……………...61 Bảng 3.31. Kết quả phân tích hàm lượng một số mẫu Fe theo pp thêm chuẩn……...62 Bảng 3.32. Kết quả phân tích hàm lượng một số mẫu Cu theo pp thêm chuẩn……..63 Bảng 3.33. Kết quả phân tích hàm lượng một số mẫu Mn theo pp thêm chuẩn…….64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
x viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1. Đồ thị của phương pháp đường chuẩn………………………….…………25 Hình 2.2. Đồ thị của phương pháp thêm chuẩn……………………………………...26 Hình 3.1. Độ hấp thụ của Fe trong các axit tối ưu…………………………………...34 Hình 3.2. Độ hấp thụ của Cu trong các axit tối ưu…………………………………..36 Hình 3.3. Độ hấp thụ của Mn trong các axit tối ưu…………………………….…….38 Hình 3.4. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt……………….……….42 Hình 3.5. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của đồng…………….……….43 Hình 3.6. Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của mangan……….…………45 Hình 3.7. Đường chuẩn của sắt………………………………………….…………...47 Hình 3.8. Đường chuẩn của đồng……………………………………………………48 Hình 3.9. Đường chuẩn của mangan………………………………………………...50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề cấp bách và là thách thức lớn nhất của nhân loại trong gần hai thập kỷ gần đây. Hiện nay, sự phát triển kinh tế - xã hội của các nước trên thế giới hiện đều được hoạch định dựa trên sự phát triển bền vững của môi trường. Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông lớn ở nước ta , có vị trí địa lý đặc biệt quan trọng; đa dạng sinh học và phong phú về tài nguyên ; có truyền thống văn hoá, lịch sử lâu đời; cùng với những vẻ đẹp tự nhiên, sông Cầu đã làm nên những nét văn hoá đặc trưng của vùng trung du miền núi và đồng bằng Bắc Bộ, có nhiều đóng góp quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội của đất nước, đặc biệt là đối với các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu . Tuy nhiên, cùng với quá trình phát triển, nhất là trong thời kỳ công nghiệp hoá - hiện đại hoá, các tác động đã làm suy giảm chất lượng nguồn nước, biến đổi cảnh quan và cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên trên toàn lưu vực Sông. Lưu vực sông Cầu đã trở thành một trong ba lưu vực sông bị ô nhiễm nặng nhất trong cả nước và đang dần bị mai một đi những nét đẹp tự nhiên và truyền thống. Một trong các nguyên nhân chủ yếu làm cho nguồn nước sông Cầu bị ô nhiễm là do nước thải từ các nhà máy và khu công nghiệp có hàm lượng cao các kim loại nặng như: Fe, Cd, Pb, Cr, Cu, Zn, Mn, v.v..., chúng có tác động tiêu cực tới môi trường sống của sinh vật và con người. Trong những năm gần đây, được sự quan tâm, đầu tư của nhiều tỉnh, cơ quan, tổ chức, cá nhân ở lưu vực sông Cầu, vấn đề ô nhiễm dòng sông Cầu đã được khắc phục rất nhiều. Tuy nhiên vấn đề ô nhiễm môi trường là một quá trình lâu dài, chịu sự tác động của nhiều yếu tố đặc biệt đối với các vùng kinh tế phát triển. Vì những lý do trên chúng tôi chọn đề tài: “ Phân tích, đánh giá hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố 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
2 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài thực hiện nhằm xác định hàm lượng của các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên từ tháng 07 năm 2011 đến tháng 01 năm 2012 và từ kết quả phân tích đánh giá mức độ ô nhiễm của nước mặt sông Cầu bởi các kim loại sắt, đồng, mangan theo chu kì thời gian. 3. Phạm vi nghiên cứu - Khảo sát các điều kiện thực nghiệm của máy quang phổ hấp thụ nguyên tử để chọn điều kiện tối ưu xác định hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS). - Xác định hàm lượng của các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước mặt sông Cầu chảy qua thành phố Thái Nguyên trong từ tháng 07 năm 2011 đến tháng 01 năm 2012 và từ kết quả phân tích đánh giá mức độ ô nhiễm của nước sông Cầu bởi các kim loại sắt, đồng, mangan theo chu kì thời gian. 4. Nội dung nghiên cứu - Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định sắt, đồng, mangan bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa. - Khảo sát vùng tuyến tính của sắt, đồng, mangan và xây dựng đường chuẩn xác định sắt, đồng, mangan bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa. - Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo. - Phân tích mẫu thực tế theo phương pháp đường chuẩn và thêm chuẩn. - Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước sông Cầu bởi các kim loại sắt, đồng, mangan theo chu kì thời gian. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: Chúng tôi sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử là một trong những phương pháp phân tích có độ nhạy, độ chọn lọc và độ chính xác cao, phù hợp với việc xác định hàm lượng vết các kim loại nặng trong nước và các đối tượng khác để xác định hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Đề tài được thực hiện sẽ giúp xác định: - Các điều kiện thực nghiệm tối ưu xác định hàm lượng các kim loại sắt, đồng, mangan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa. - Đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại sắt, đồng, mangan trong nước sông Cầu từ tháng 07 năm 2011 đến tháng 01 năm 2012. - Là cơ sở khoa học để các tổ chức, ban ngành tham khảo để có định hướng trong công tác kiểm tra, cải thiện ô nhiễm môi trường nước ở thành phố Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. GIỚI THIỆU VỀ SẮT, ĐỒNG, MANGAN 1.1.1. Sắt [13, 23] 1.1.1.1. Trạng thái tự nhiên của sắt Sắt là nguyên tố phổ biến đứng hàng thứ 4 về hàm lượng trong vỏ trái đất sau O, Si, Al. Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền: 54 Fe , 56 Fe (91.68%), 57 Fe và 58 Fe . Những khoáng vật quan trọng của sắt là manhetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3), pirit (FeS2) và xiderit . Có rất nhiều mỏ quặng sắt và sắt nằm dưới dạng khoáng chất với nhôm, titan, mangan,... Sắt còn có trong nước thiên nhiên và thiên thạch sắt. 1.1.1.2. Tính chất của nguyên tử sắt Tên, kí hiệu, số thứ tự: Sắt, Fe, 26 Phân loại: Kim loại chuyển tiếp Cấu hình electron [Ar] 3d64s2 Khối lượng riêng 7,874 kg/m3 Bề ngoài Kim loại màu xám, nhẹ có ánh kim Khối lượng nguyên tử 55,845 đvc Bán kính nguyên tử (Ao) 1,35 Năng lượng ion hóa (eV) I1=7.9 ; I2 = 16.18; I3 = 30.63 Thế điện cực chuẩn (V), Eo E 0 Fe2 / Fe = -0.44V ; E 0 Fe3 / Fe2 = 0.77V Trạng thái oxi hóa 0, +2, +3 Hóa trị II, III Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5 Một số hằng số vật lí quan trọng của sắt: Nhiệt độ nóng chảy : 15360C Nhiệt thăng hoa : 418kJ/mol Nhiệt độ sôi: 28800C Độ cứng: 4-5 Khối lượng riêng: 7.91g/cm3 Độ dẫn điện (Hg =1) : 10 Sắt là một kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Ở điều kiện thường, không có hơi ẩm, sắt là kim loại thụ động. Sắt không tác dụng rõ rệt với những phi kim điển hình như oxi, lưu huỳnh, clo, brôm vì có màng oxit bảo vệ. Khi đun nóng (đặc biệt ở dạng bột nhỏ) sắt tác dụng với hầu hết các phi kim. Khi đun nóng trong không khí khô, sắt tạo nên Fe2O3 và ở nhiệt độ cao hơn tạo nên Fe3O4. Sắt phản ứng mạnh với các halogen. Khi đun nóng sắt với các halogen thu được Fe(III) halogenua khan FeX3. Khí clo dễ dàng phản ứng với Fe tạo thành FeCl3 . Tuy nhiên khi nghiền bột I2 với Fe sản phẩm tạo thành có thành phần là Fe3I8 ( hay 2FeI3.FeI2): 3Fe + 4I2   Fe3I8 Nung Fe với S cũng có phản ứng tạo ra sắt sunfua: Fe + S   FeS Sắt tác dụng trực tiếp với CO tạo thành hợp chất cacbonyl khi nung nóng Fe trong ống chứa CO ở 150 – 2000C và áp suất khoảng 100atm: Fe + 5CO   Fe(CO)5 Sắt tinh khiết bền trong không khí và nước. Ngược lại sắt có chứa tạp chất bị ăn mòn dần do tác dụng của hơi ẩm, khí cacbonic và oxi ở trong không khí tạo nên gỉ sắt. Do lớp gỉ sắt xốp và dòn nên không bảo vệ được sắt khỏi bị oxi hóa tiếp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6 Sắt tan được trong các axit loãng. Sắt bị thụ động khi tác dụng với axit H2SO4 đặc nguội và axit HNO3 đặc nguội. Khi tác dụng với các axit có tính oxi hóa mạnh như axit H2SO4 và HNO3 thì sắt bị oxi hóa thành Fe(III) và giải phóng sản phẩm phụ. Trong dung dịch kiềm khi đun nóng Fe khử được ion H+ của nước tạo thành H2 và các sản phẩm chính là Fe3O4 hoặc Fe(FeO2)2 màu đen. 1.1.1.3. Tác dụng sinh hoá của sắt đối với cơ thể con người [4] Sắt là một nguyên tố vi lượng dinh dưỡng rất quan trọng cho cơ thể con người và động vật. Hầu hết lượng sắt có trong cơ thể đều tồn tại trong các tế bào máu, chúng kết hợp với prôtêin để tạo thành hêmôglobin. Sắt tham gia vào cấu tạo Hêmôglôbin (là một muối phức của prophirin với ion sắt). Hêmôglobin làm nhiệm vụ tải oxi từ phổi đến các mao quản của các cơ quan trong cơ thể, ở đây năng lượng được giải phóng ra. Khi con người bị thiếu sắt, hàm lượng hêmôglobin bị giảm xuống và làm cho lượng oxi tới các tế bào cũng giảm theo. Từ đó khi cơ thể bị thiếu máu do thiếu hụt sắt, con người thường bị mệt mỏi, đau đầu, mất ngủ... hoặc làm giảm độ phát triển và thông minh của trẻ em. Chính vì quan niệm như vậy nên một số người cho rằng nếu cơ thể thừa sắt thì không sao. Tuy nhiên gần đây một số nhà khoa học đã khám phá ra rằng khi cơ thể người bị thừa sắt cũng có những tác hại như thiếu sắt. Nếu trong cơ thể chứa nhiều sắt, chúng gây ảnh hưởng đến tim gan, khớp và các cơ quan khác, nếu lượng sắt quá nhiều có thể gây ra bệnh ung thư gan... Những triệu chứng biểu hiện việc thừa sắt là: - Tư tưởng phân tán, mệt mỏi và mất khả năng điều khiển sinh lý. - Bệnh về tim mạch và chứng viêm khớp hoặc đau các cơ. - Bệnh thiếu máu không phải do thiếu sắt. Hơn nữa, việc thừa sắt có thể gây ra những tác động trực quan tới sinh hoạt của con người như gây ra mùi khó chịu, những vết ố trên vải, quần áo... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7 1.1.2. Đồng [12, 13, 23] 1.1.2.1 Trạng thái tự nhiên của đồng Trong tự nhiên, đồng là nguyên tố tương đối phổ biến. Trữ lượng đồng trong vỏ trái đất khá lớn là 0,003%. Người ta gặp đồng chủ yếu ở dạng các hơp chất sufua và luôn ở lẫn với những quặng sufua của các kim loại khác. Trong số những khoáng chất riêng của đồng, quan trọng nhất là cancopirit (CuFeS2) và cancozin (Cu2S). Những khoáng chất có chứa oxi và tương đối ít gặp – cuprit Cu2O, malachite [(CuOH)2CO3 ] – có giá trị kỹ nghệ kém hơn, v.v… 1.1.2.2. Tính chất của đồng Tên, kí hiệu, số thứ tự: Đồng, Cu, 29 Phân loại: Kim loại chuyển tiếp Cấu hình electron [Ar] 3d104s1 Khối lượng nguyên tử 63,54 đvc Bán kính nguyên tử (Ao) 1,28 Năng lượng ion hóa (eV) I1=7.72 ; I2 = 20,29; Thế điện cực chuẩn (V), Eo 2  0,337 : E  0,521 : ECu 2  0,153 0 0 0 ECu Cu  Cu 0 Cu 0 Cu1 Trạng thái oxi hóa +1, +2. Hóa trị I, II Đồng là kim loại màu đỏ, mềm, dẻo. Đồng không biến đổi ở trong không khí khi không có hơi ẩm và CO2, bị mờ đục (tạo nên màng oxit) khi đun nóng. Ở nhiệt độ thường và trong không khí ẩm, đồng bị bao phủ một lớp màng màu đỏ gồm đồng kim Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
8 loại và đồng oxit. Oxit này được tạo thành bởi các phản ứng: 2Cu + O2 + 2H2O → Cu(OH)2 Cu(OH)2 + Cu → Cu2O + H2O Nếu trong không khí có mặt CO2, đồng bị bao phủ một lớp màu lục gồm cacbonat bazo Cu(OH)2CO3 (rỉ đồng này thường được gọi là tanh đồng). Khi đun nóng trong không khí ở nhiệt độ 130°C, đồng tạo nên lớp gồm hỗn hợp oxit Cu2O và CuO và ở nhiệt độ nóng đỏ, đồng cháy tạo nên CuO và cho ngon lửa màu lục. Đối với các halogen, đồng phản ứng rất dễ dàng tạo thành các halogenua. Ở nhiệt độ thường đồng không tác dụng với flo bởi vì màng CuF2 được tạo nên rất bền sẽ bảo vệ đồng. Trong dãy điện hoá, đồng đứng ngay sát hidrro H2, vì vậy nó không tan trong HCl, H2SO4 nhưng nếu có mặt của O2 không khí hay là những chất oxi hoá thì Cu có thể tan được trong HCl và khi đun nóng H2SO4 đặc cũng có thể oxi hoá được đồng. 2Cu + 4HCl + O2 → 2CuCl2 + 2H2O Cu + 2H2SO4 đặc → CuSO4 + SO2 + H2O Đồng có thể tan trong dung dịch amoniac khi có mặt của O2 không khí. 2Cu + 8NH3 +O2 +H2O → 2[Cu(NH3)4](OH)2 Ngoài ra, đồng dễ tạo nên hợp kim với các kim loại khác, dễ tạo nên hỗn hống với thuỷ ngân và khả năng dễ tạo nên nhiều phức chất là một tính chất rất đặc trưng của đồng. Những hợp chất của đồng đều độc. 1.1.2.3. Vai trò sinh học của đồng đối với người, động vật và thực vật Đồng là một nguyên tố rất đặc biệt về mặt sinh vật học. Có lẽ nó là chất xúc tác của những quá trình oxi hoá nội bào. Người ta đã nhận xét rằng, rất nhiều cây muốn phát triển bình thường, đều cần phải có một ít đồng và nếu dùng những hợp chất của đồng để bón cho đất (đặc biệt là đất bùn lầy) thì thu hoạch thường tăng lên rất cao. Các cơ thể thực vật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9 có độ bền rất khác nhau đối với lượng đồng dư. Đối với thực vật thì đồng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sinh trưởng và phát triển sản lượng của cây. Đồng có tác dụng kích thích các loại men, tạo điều kiện cho cây sử dụng protein và hình thành clorofin. Thiếu đồng thì cây không phát triển được. Đồng có tác dụng giúp cây chống hạn, chịu rét, làm tăng khả năng giữ nước của mô, bảo vệ diệp lục khỏi bị phá huỷ đồng thời còn có tác dụng làm tăng quang hợp. Các nguyên tố vi lượng ảnh hưởng không những đến quá trình phát triển của thực vật mà còn có tầm quan trọng với hoạt động sống của động vật và con người. Trong các động vật thì một số loài nhuyễn thể (bạch tuộc) có chứa đồng nhiều nhất. Trong các động vật cao đẳng, đồng tập trung chủ yếu ở gan và ở các hạch tế bào của những mô khác. Ngược lại các tế bào tại các chỗ sưng chứa rất ít đồng. Nếu sinh vật bị thiếu đồng (mỗi ngày cần đến 5mg) thì việc tái tạo hemoglobin sẽ giảm dần và sinh ra bệnh thiếu máu. Nguồn các nguyên tố vi lượng trong cơ thể con người thường xuyên được bổ sung từ rau, quả, các loại lương thực thực phẩm có trong thức ăn hàng ngày. Thiếu hoặc mất cân bằng nguyên tố kim loại vi lượng trong các bộ phận cơ thể như máu, huyết thanh, tóc, gan, mật… là nguyên nhân hay triệu chứng của ốm đau, bệnh tật hoặc suy dinh dưỡng. Hàm lượng đồng trong toàn bộ cơ thể xấp xỉ 0,1g và nhu cầu hàng ngày của một người đàn ông có sức khỏe trung bình là 2mg. Ở trẻ sơ sinh và đang bú mẹ, thiếu đồng dẫn đến thiếu máu nặng và thiếu bạch cầu trung tính. Ở trẻ em mắc bệnh suy nhược nhiệt đới gọi là Kawashiskor thì biểu hiện thiếu đồng là mất sắc tố ở lông tóc. Qua phân tích người ta thấy ở những trẻ mất khả năng đọc và đánh vần hoặc đọc và đánh vần khó nhọc thì hàm lượng đồng và magie trong tóc cao hơn nhiều so với các trẻ đối chứng (bình thường). Nếu hàm lượng đồng trong tóc tăng nhiều (quá giới hạn) thì bệnh kéo theo bao gồm cả thiếu máu, viêm gan, viêm tuyến giáp trạng và suy thận. Nếu ở mô não, nồng độ Cu tăng và nồng độ Zn giảm thì sẽ xuất hiện chứng sớm mất trí. Một bệnh gọi là bệnh Wilson sinh ra bởi các cơ thể mà đồng bị giữ lại, mà không tiết ra bởi gan vào trong mật. Căn bệnh này nếu không được điều trị có thể dẫn tới các tổn thương não và gan. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn