Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами: ртутью, кадмием, свинцом, мышьяком ( метод марша и рисунок), хромом. Методы анализа тяжелых металлов

Содержание

Введение
Методы анализа тяжелых металлов
Ртуть
Физические свойства ртути
Химические свойства Ртути
Количественное определение
Кадмий
Физические свойства
Химические свойства
Количественное определение
Свинец
Физические свойства
Химические свойства
Количественное определение
Мышьяк
Физические свойства
Химические свойства
Количественное определение
Хром
Физические свойства
Химические свойства
Количественное определение
Заключение и выводы
Список литературы

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами: ртутью, кадмием, свинцом, мышьяком ( метод марша и рисунок), хромом. Методы анализа тяжелых металлов

Физические свойства
Кадмий представляет собой серебристо-белый, мягкий, ковкий,
тягучий металл. В ряду напряжений он стоит дальше цинка, но спереди водорода и вытесняет последний из кислот. Поскольку! Cd(OH)2 — слабый электролит, то соли кадмия гидролизуются и их растворы имеют кислую реакцию.
Кадмий сильно поглощает медленные нейтроны. Поэтому кадмиевые стержни применяют в ядерных реакторах для регулирова­ния скорости цепной реакции. Кадмий используется в щелочных! аккумуляторах, входит как компонент в некоторые: сплавы. Например, сплавы меди, содержащие около 1 % Cd (кад­миевая бронза), служат для изготовления телеграфных, телефон­ных, троллейбусных проводов, так как эти сплавы обладают большей прочностью и износостойкостью, чем медь. Ряд легкоплавких сплавов, например, применяющиеся в автоматических огнетушите­лях, содержат кадмий. Несмотря на сравнительно высокую стоимость, кадмий применяется для кадмирования стальных изделий, так как он несет на своей поверхности оксидную пленку, обладающую защитным действием. В морской воде и в некоторых других условиях кадмирование более эффективно, чем цинкование.
Химические свойства
При сильном накаливании кадмий сгорает, превращаясь в бу­рый оксид кадмия CdO.
2Cd +O2 = 2CdO
Гидроксид кадмия Cd(OH)2 в отличие от гидроксида цинка не обладает заметно выраженными кислотными свойствами и практи­чески не растворяется в щелочах.
Из солей кадмия отметим сульфид кадмия CdS, выпадающий в виде желтого осадка из растворов солей кадмия при действии сероводорода. Сульфид кадмия применяется для изготовления желтой краски и цветных стекол.
Все растворимые в воде и в разбавленных кислотах соединения кадмия ядовиты. Весьма опасно также вдыхание воздуха, содержа­щего «дым» оксида кадмия.
Количественное определение
Для определения кадмия во всех типах вод применяют колориметрический способ определения и дитизоном. Им определяют содержание кадмия от сотых долей до целых миллиграммов в 1л исследуемой воды.
Ионы кадмия экстрагируют раствором дитизона в четыреххлористом углероде из сильнощелочных растворов, содержащих тартрат – ионы. Интенсивность окраски экстракта, окрашенного в красный цвет дитизонатом кадмия, в определенных пределах пропорциональна концентрации ионов кадмия. Мешающее определению влияние оказывают органические вещества, серебро, медь, никель и кобальт. Поэтому пробы перед определением подвергают мокрому озолению, а мешающее влияние металлов убирают проведением экстракции при рН = 2
Свинец
Свинец (Plumbum). Содержание свинца в земной коре со­ставляет 0,0016 % (масс.). Наиболее важная руда, из которой до­бывается свинец, — свинцовый блеск PbS.
Первая металлургическая операция при получении свинца — это обжиг, в ходе которого сульфид свинца превращается в оксид;
PbS + ЗО2 = 2РЬО + 2SO2
Получающийся оксид свинца (II) подвергают плавке в смеси с коксом, в результате чего получают черновой свинец, который содержит примеси многих металлов и подвергается последующей очистке.
Физические свойства
Свинец — голубовато-белый тяжелый металл. Он очень мягок и режется ножом.
Свинец широко используется в технике. Наибольшее его коли­чество расходуется на изготовление оболочек кабелей и пластин аккумуляторов. На сернокислотных заводах из свинца изготовляют кожухи башен, змеевики холодильников и другие ответственные части аппаратуры. Свинец идет на изготовление боеприпасов и на выделку дроби. Он входит в состав многих сплавов, например сплавов для подшипников, типографского металла (гарта). Свинец хорошо поглощает у-излучение и используется для защиты от него при работе с радиоактивными веществами. Некоторое количество свинца расходуется на производство тетраэтилсвинца
Химические свойства
На воздухе свинец быстро покрывается тонким слоем оксида, защищающего его от дальнейшего окисления. Вода сама по себе не взаимодействует со свинцом, но в присутствии воздуха свинец постепенно разрушается водой с образованием гидроксида свинца(П):
2РЬ + O2 + 2Н2O - 2РЬ(ОН)2
Однако при соприкосновении с жесткой водой свинец покры­вается защитной пленкой нерастворимых солей (главным образом сульфата и основного карбоната свинца), препятствующей даль­нейшему действию воды и образованию гидроксида.
Разбавленные соляная и серная кислоты почти не действуют на свинец. Это связано со значительным перенапряжением выделения водорода на свинце, а также с малой растворимостью хло­рида и сульфата свинца, закрывающих поверхность растворяющегося металла. В концентрированной серной кислоте, особенно при нагревании, свинец интенсивно растворяется с образованием растворимой кислой соли Pb(HSO4)2
В азотной кислоте свинец растворяется легко, причем в кислоте невысокой концентрации быстрее, чем в концентрированной. Это объясняется тем, что растворимость продукта коррозии — нитрата свинца — падает с увеличением концентрации кислоты. Сравни­тельно легко свинец растворяется в уксусной кислоте, содержащей растворенный кислород.
В щелочах свинец также растворяется, хотя и с небольшой ско­ростью; более интенсивно растворение идет в горячих разбавлен­ных растворах. В результате растворения образуются гидроксоплюмбиты, например:
Pb + 4KOH + 2Н20 « К4[РЬ(ОН)б] + H2f
Гидроксоплюмбит калия
Все растворимые соединения свинца ядовиты.
Для свинца характерны степени окисленности +2 и Н-4. Зна­чительно более устойчивы и многочисленны соединения со степенью окисленности свинца +2.
Соединения свинца (II). Оксид свинца (II), или окись Свинца, РЬО — желтый порошок, образующийся при нагревании расплавленного свинца на воздухе. После прокаливания примерно при 500 °С он приобретает красновато-желтый цвет и в таком виде называется глётом. Оксид свинца служит для заполнения ячеек в аккумуляторных пластинах, применяется при выработке некото­рых сортов стекла; из него получают также другие соединения свинца.
Гидроксид свинца(II) РЬ(ОН)2 образуется при действии щело­чей на растворимые соли свинца (II). Он обладает амфотерными свойствами и растворяется в кислотах с образованием солей свинца (II), а в щелочах с образованием гидроксоплюмбитов, на­пример:
Pb(OH)2 + 4NaOH = Na4[Pb(OH)6]
При сплавлении РЬ(ОН)2 с сухими щелочами получаются соли называемые плюмбитами:
РЬ(ОН)2 + 2NaOH = Na2PbO2 + 2Н2О
плюмбит натрия
Хлорид свинца (II) PbCl получается в виде белого осадка при действии на растворы солей свинца (II) соляной кислотой или растворимыми хлоридами. Хлорид свинца мало растворим в хо­лодной воде, но при повышении температуры его растворимость в воде сильно возрастает.
Иодид свинца (II) выпадает в виде желтого осадка из рас­творов солей свинца (II) при введении в них иодид-ионов.
Количественное определение
Для количественного определения свинца используют метод колориметрического определения с сульфарсазеном.
Мышьяк
As – мышьяк. (Аrsenicum). Мышьяк встречаетя в природе большей частью в соединениях с металлами и серой и лишь изредка в свободном состоянии. Содержание мышьяка в земной коре составляет 0,0005% (масс.).
Обычно его получают из мышьяковистого колчедана FeAsS. При нагревании которого в атмосфере воздуха образуется оксид мышьяка (III), As2O3, который далее восстанавливается углем до свободного мышьяка.
Физические свойства
Мышьяк обычно содержится в воде в виде арсенатов. Соединения мышьяка относятся к числу веществ, проявляющих сильное токсическое действие на организм людей и животных. Отмечены случаи отравлений ангидридом мышьяковистой кислоты, арсенитами, арсенатами, хлоридом мышьяка (III), мышьяковистым водородом, органическими препаратами мышьяка и др.
Водорастворимые соединения мышьяка хорошо всасываются из пищевого канала.
Существует в нескольких аллотропных соединениях. Наиболее устойчивым в обычных условиях является серый или металлический мышьяк. Он представляет собой серо-стальную хрупкую кристаллическую массу, имеющую металлический блеск на изломе, при нагревании сублемируется.
Химические свойства
В воде мышьяк не растворим, на воздухе окисляется очень медленно. А при сильном нагревании сгорает, образуя белый оксид As2O3, имеющий характерный чесночный запах. При высокой температуре непосредственно взаимодействует со многими элементами.
2As + 5 Cl2 + 8H2O = 2H3AsO4 + 10HCl
Как сам мышьяк так и все его соединения - сильные яды.
Количественное определение
Реакция Марша основана на восстановлении соединений мышьяка водородом в момент его выделения и на последующем термическом разложении образовавшегося при этом мышьяковистого водорода:
As- 2 + 7H+ = AsH3 + 2H2O
AsH3 = 2As + 3 H2
Мышьяк, образовавшийся при термическом разложении мышьяковистого водорода, откладывается на стенках восстановительной трубки аппарата Марша в виде налета («мышьякового зеркала»).
Реакция Марша является наиболее доказательной из всех реакций, рекомендованных для обнаружения мышьяка в различных объектах. Она не только позволяет обнаружить малые количества мышьяка, но и отличить его от сурьмы.
Рисунок 1
Схема аппарата для определения содержания мышьяка
по реакции Марша
Реакцию Марша выполняют в специальном аппарате, который состоит из колбы 1, капельной воронки 2, хлор кальциевой трубки 3 и восстановительной трубки 4. Отверстие колбы аппарата Марша имеет пришлифованную поверхность и закрывается пришлифованной пробкой, в которую впаяны капельная воронка и отводная трубка. Восстановительная трубка аппарата Марша изготовляется из тугоплавкого стекла (диаметр 4 мм) или кварца. В нескольких местах этой трубки имеются сужения (диаметр 1,5 мм), а конец ее согнут почти под прямым углом и вытянут в острие. Между отводной и восстановительной трубками помещается хлоркальциевая трубка, заполненная безводным хлоридом кальция, предназначенным для осушивания газов, выходящих из колбы аппарата. Колбу, хлоркальциевую и восстановительную трубки соединяют друг с другом (стык в стык) при помощи кусочков резинового шланга. Собранный таким образом аппарат Марша должен быть герметичным.
Определение мышьяка с помощью реакции Марша выполняют в три этапа. Вначале проверяют реактивы на отсутствие в них мышьяка, затем определяют мышьяк в исследуемом растворе и, наконец, проверяют подлинность налета, образовавшегося в восстановительной трубке.
1. Проверка чистоты реактивов. Прежде чем приступить к обнаружению мышьяка в исследуемом растворе, необходимо убедиться в том, что применяемые для этой цели реактивы («купрированный» цинк и серная кислота) не содержат мышьяка.
С этой целью в колбу аппарата Марша вносят 10 г мелких гранул «купрированного» цинка, колбу закрывают пробкой с вмонтированными капельной воронкой и отводной трубкой. В капельную воронку вносят 30 мл 10 %-го раствора серной кислоты, которую небольшими порциями (по 4—5 мл) приливают к «купрированному» цинку, находящемуся в колбе аппарата Марша. Всегда необходимо оставлять в капельной воронке 8—10 мл раствора серной кислоты, которая препятствует проникновению воздуха извне в аппарат Марша. Попадание воздуха в аппарат Марша через капельную воронку может быть причиной взрыва этого аппарата при нагревании восстановительной трубки или при зажигании выходящих из нее газов.
Через 20—25 мин после начала выделения водорода проверяют полноту вытеснения воздуха водородом из аппарата Марша. Для этого над выходным отверстием восстановительной трубки аппарата держат опрокинутую узкую пробирку. Через 4—5 мин эту пробирку закрывают пальцем и, не переворачивая ее, относят подальше от аппарата Марша. К отверстию пробирки подносят зажженную спичку для воспламенения водорода. Если водород полностью вытеснил воздух из пробирки, то при зажигании водорода не будет ощущаться даже незначительного взрыва (треска). Если воздух из аппарата вытеснен не полностью, через аппарат продолжают пропускать водород до вытеснения им воздуха. Полноту вытеснения воздуха водородом проверяют через каждые 4—5 мин.
После полного удаления воздуха из прибора приступают к проверке наличия мышьяка в реактивах (серной кислоте и «купрированном» цинке).
2. Определение наличия мышьяка в реактивах. Для этой цели можно применить несколько способов.
Зажигают водород, выходящий из отверстия восстановительной трубки аппарата Марша. При наличии мышьяка в реактивах пламя приобретает синеватую окраску. Эту пробу можно производить только тогда, когда из аппарата Марша полностью вытеснен воздух водородом. При наличии хотя бы следов воздуха в аппарате во время зажигания газов, выходящих из трубки, может произойти взрыв .
Восстановительную трубку аппарата Марша перед одним из сужений обвертывают куском металлической сетки (для равномерного нагревания), а находящееся за сеткой сужение трубки обвертывают мокрым фитилем из марли. Один конец фитиля погружают в чашку с водой, а второй — в стакан для стекания жидкости. После этого расширенную часть трубки, обвернутую металлической сеткой, нагревают до слабого красного каления. Если в реактивах содержится мышьяк, то через некоторое время в охлажденной суженной части восстановительной трубки появляется темный налет с металлическим блеском (свободный мышьяк). Обычно проверку наличия металлического налета в трубке производят через час после начала нагревания восстановительной трубки.
Если перечисленные выше опыты будут положительными, то делают вывод, что серная кислота или «купрированный» цинк, применявшиеся для получения водорода, непригодны для дальнейших исследований на наличие мышьяка. Только при отрицательных результатах опытов на наличие мышьяка серную кислоту и «купрированный» цинк можно применять для определения соединений этого элемента в минерализатах и в других объектах.
3. Исследование минерализата. В колбу аппарата Марша вносят 10 г «купрированного» цинка, не содержащего мышьяка, а в капельную воронку наливают 30 мл 4 н. раствора серной кислоты, которая тоже не содержит мышьяка. Из капельной воронки небольшими порциями (по 4—5 мл) несколько раз приливают 4 н. раствор серной кислоты к цинку. Сразу прибавлять большие объемы раствора серной кислоты к цинку не следует, так как это вызовет бурную реакцию, в результате которой часть серной кислоты может восстановиться до сероводорода, который при нагревании восстановительной трубки будет образовывать налет серы. Также следует помнить, что в капельной воронке всегда должен оставаться небольшой объем раствора серной кислоты для предупреждения попадания воздуха в прибор через эту воронку.
Спустя 15—20 мин после начала взаимодействия цинка с серной кислотой проверяют полноту вытеснения воздуха из аппарата Марша водородом, как указано выше. После полного вытеснения воздуха из аппарата Марша в капельную воронку, в которой еще остался небольшой объем раствора серной кислоты, вносят 20 мл минерализата и 2 мл 10%-го раствора хлорида олова (II) в 50 %-м растворе серной кислоты. Содержимое капельной воронки в течение 30—40 мин небольшими порциями вливают в колбу аппарата Марша и равномерно нагревают расширенную часть восстановительной трубки (перед сужением). Одновременно с этим при помощи фитиля из марли охлаждают суженную часть восстановительной трубки, расположенную за местом нагревания. Через 20—30 мин после начала нагревания восстановительной трубки проверяют наличие мышьяка в исследуемой пробе минерализата. С этой целью проводят ряд наблюдений и опытов.
1. Проверяют наличие налета в восстановительной трубке аппарата Марша. Наличие налета, его внешний вид и место расположения в восстановительной трубке может указывать на наличие мышьяка в пробе.
2. Зажигают водород, выходящий из трубки аппарата Марша. При наличии мышьяка в минерализате пламя приобретает синеватую окраску. Зажигание водорода производят только после вытеснения им воздуха из аппарата. Если из аппарата не полностью вытеснен воздух, то может быть взрыв.
3. В указанное пламя вносят холодные фарфоровые крышки или фарфоровые пластинки. Если в минерализате содержатся соединения мышьяка, то на холодных фарфоровых крышках или пластинках отложится буро-сероватый налет.
4. Восстановительную трубку аппарат Марша осторожно поворачивают на 180°, а затем конец ее погружают в 5 %-й раствор нитрата серебра, слабо подщелоченный аммиаком. Если в выходящем из аппарата токе газов содержится мышьяковистый водород, то указанный раствор потемнеет в результате образования металлического серебра:
Выделившаяся при этих реакциях азотная кислота связывается аммиаком.
В течение первых 20—30 мин с начала реакции в аппарате Марша результаты перечисленных опытов и наблюдений могут быть положительными только при наличии относительно больших количеств мышьяка в минерализате. При малых количествах мышьяка в минерализате за указанное время налет его в восстановительной трубке не образуется. В связи с этим исследование минерализата на наличие мышьяка в аппарате Марша продолжают в течение часа. Если в восстановительной трубке аппарата Марша образуется налет, то его подвергают дальнейшему исследованию на наличие мышьяка.