Xác định canxi, magie và độ cứng của nước bằng phương pháp chuẩn độ complexon

Xác định canxi, magie và độ cứng của nước bằng phương pháp chuẩn độ complexon

CHUYÊN NGÀNH HÓA VÔ CƠ



BÀI TIỂU LUẬN

PHÂN TÍCH 2

XÁC ĐỊNH CANXI, MAGIE

VÀ ĐỘ CỨNG CỦA NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ COMPLEXON

GVHD: Ths Nguyễn Thị Tuyết Nhung

Nhóm thực hiện:

1 Bùi Thị Thùy An 37106001

2 Nguyễn Công Dương 37106012

3 Lê Hồng Bảo Ngọc 37106056

LỜI MỞ ĐẦU Hoá học phân tích đang là ngành quan trọng trong lĩnh vực hoá học Các ứng dụng của hóa học phân tích được áp dụng rộng rãi trong khoa học, nghiên cứu, đời sống, sản xuất…Và một trong những ứng dụng quan trọng nhất là tách các kim loại dựa vào đặc tính tạo phức của chúng với một số thuốc thử hữu cơ Chính các thuốc thử hữu cơ đã giúp cho phương pháp phân tích nâng cao được độ nhạy, độ chính xác và tốc độ phân tích Xã hội ngày nay càng phát triển và đi kèm với nó là vấn đề đang rất được quan tâm – đó là tình trạng ô nhiễm nguồn nước

Nước ngầm là nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu ở nhiều quốc gia và vùng dân cư trên thế giới Do vậy, ô nhiễm nước ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng môi trường sống của con người Các tác nhân tự nhiên gây ô nhiễm và suy thoái nước ngầm như nhiễm mặn, nhiễm phèn, hàm lượng sắt, mangan, nhôm, đồng, magie, flo…và canxi là một trong những nguyên tố thường hiện diện trong nước thiên nhiên khi nước chảy qua những vùng có nhiều đá vôi, thạch cao… nước thường có độ cứng và độ kiềm khá cao Thông thường hàm lượng canxi, magie có trong nước từ 0 đến vài trăm mg/l Chính sự có mặt của canxi, magie hình thành nên canxicacbonat, theo thời gian tích tụ có thể tạo nên một màng vẩy cứng bám vào mặt trong các ống dẫn, bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn Tuy nhiên lớp màng này lại gây nguy hại cho những thiết bị sử dụng ở nhiệt độ cao như bình đun, ống dẫn, nồi hơi… và các dụng cụ nhà bếp Khi nấu ăn làm rau, thịt khó chín gây lãng phí nhiên liệu, ảnh hưởng đến chất lượng đời sống của con người

Có nhiều phương pháp xác định hàm lượng canxi, magie trong nước, chúng em chọn phương pháp chuẩn độ conplexon sẽ cho kết quả tốt, đơn giản, nhanh, và phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm Nhưng các nguyên tố kim loại tác dụng với axit etylen diamin tetra axetic (EDTA) sẽ gây ảnh hưởng đến việc xác định nồng độ của canxi trong nước

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Phức chất: 4

1.1.1 Định nghĩa: 4

1.1.2 Cấu tạo của phức chất: 4

1.1.2.1 Chất tạo phức: 4

1.1.2.2 Phối tử: 4

1.1.2.3 Số phối trí: 4

1.1.2.4 Hóa trị: 4

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của phức: 5

1.2 Giới thiệu về thuốc thử: 5

1.2.1 Định nghĩa: 5

1.2.2 Ứng dụng: 5

1.2.3 Thuốc thử 6

1.2.3.1 Thuốc thử EDTA 6

1.2.3.2 Tính chất 6

1.3 Giới thiệu về ion kim loại: 6

1.3.1 Canxi 6

1.3.1.1 Giới thiệu về Canxi 6

1.3.1.2 Tính chất vật lý 7

1.3.1.3 Tính chất hóa học 7

1.3.2 Magie 7

1.3.1.1 Giới thiệu về Magie 7

1.3.1.2 Tính chất vật lý 8

1.3.1.3 Tính chất hóa học 8

1.3.3 Tác hại của Canxi và Magie 8

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 10

2.1 Xác định Ca2+ , Mg2+ bằng phương pháp chuẩn độ complexon (EDTA) 10

2.1.1 Giới thiệu 10

2.1.2 Thí nghiệm 12

2.1.2.1 Dụng cụ và hóa chất 12

2.1.2.2 Cách tiến hành 13

2.1.2.3 Kết quả và thảo luận 13

2.2 Xác định Ca2+ , Mg2+ bằng phương pháp ICP-AES 14

2.2.1 Giới thiệu 14

2.2.2 Thí nghiệm: 14

2.2.2.1 Dụng và hóa chất 14

2.2.2.2 Cách tiến hành: 15

2.2.2.3 Kết quả và thảo luận 15

2.3 So sánh và nhận xét từ hai phương pháp chuẩn độ complexon và phương pháp ICP-AES 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

PHỤ LỤC BẢNG Bảng 1 Nồng độ Ca2+ và Mg2+ trong mẫu nước bằng phương pháp EDTA 13

Bảng 2 Nồng độ Ca2+ và Mg2+ trong mẫu nước bằng phương pháp ICP-AES 16

Bảng 3 Độ cứng của hai phương pháp EDTA và phương pháp ICP-AES 18

PHỤ LỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 1 Nồng độ Canxi và Magie bằng phương pháp ICP-AES với a) Moorhead tap , b) Fargo tap, c) Detroit Lakes well, and d) DI 16

Biểu đồ 2 So sánh kết quả nồng độ Ca2+ của phương pháp EDTA và ICP-AES 17

Biểu đồ 3 So sánh kết quả nồng độ Mg2+ của phương pháp EDTA và ICP-AES 17

Biểu đồ 4 So sánh độ cứng giữa các nguồn nước từ hai phương pháp EDTA và ICP-AES 18

************

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Phức chất:

1.1.1 Định nghĩa:

Theo A.Werner: “Phức chất là hợp chất phân tử no bền trong dung dịch nước,

không phân hủy hoặc chỉ phân hủy rất ít ra các hợp phần tạo thành hợp chất đó

Theo A.Grinbe: “Phức chất là những hợp chất phân tử xác định, khi kết hợp

các hợp phần của chúng lại thì tạo thành các ion phức tạp tích điện dương hay âm,

có khả năng tồn tại ở dạng tinh thể cũng như ở dung dịch Trong trường hợp riêng, điện tích của ion phức tạp đó có thể bằng không”

Theo K.B.Iaximirxki: “ Phức chất là những hợp chất tạo được các nhóm riêng

biệt từ các nguyên tử, ion hoặc phn tử với những đặc trưng: a) có mặt phối trí, b) không phân lu hoàn toàn trong dung dịch, c) có thành phần phức tạp”

1.1.2 Cấu tạo của phức chất:

1.1.2.1 Chất tạo phức:

Mỗi phức chất một nguyên tử hay ion chiếm vị trí trung tâm được gọi l nguyên tử hoặc ion trung tâm có tên gọi chung là chất tạo phức

1.1.2.2 Phối tử:

Là những ion hay phân tử phân bố trực tiếp xung quanh ngưyên tử trung tâm tạo thành cầu nội và cầu ngọai phối trí

1.1.2.3 Số phối trí:

Số các ion hay phân tử liên kết trực tiếp với nguyên tử (ion) trung tâm ở trong cầu nội (không phân biệt hóa trị chính hay phụ) là số phối trí của nguyên tử (ion) trung tâm

1.1.2.4 Hóa trị:

Hóa trị chính và phụ là một trong những luận điểm cơ bản của thuyết phối trí A.Vecnơ

Hóa trị chính tương ứng với hóa trị bình phương của nguyên tố mà tạo thành các hợp chất bậc nhất được biểu diễn bằng một vạch liền

Hóa trị phụ là hóa trị dư, thêm khi tạo hợp chất bậc nhất, hóa trị của nguyên tử của các nguyên tố không được bão hòa hoàn toàn mà còn có thể thể hiện hóa trị phụ Nhờ hóa trị phụ các phân tử có thể tương tác với nhau tạo thành hợp chất bậc cao Hóa trị phụ được biểu diễn bằng gạch chấm

1.1 C c ếu t ảnh h ng đến đ n của phức:

- Đánh giá các hằng số bền

- Độ tin cậy của các hằng số bền được xác định bởi các yếu tố sau:

- Tính hợp lý của phương pháp thực nghiệm

- Độ chính xác của thực nghiệm

- Việc tính được đầy đủ tất cả các cân bằng thực tế điễn ra trong hệ

- Phương pháp tính tóan

- Độ tin cậy của các dữ kiện phụ trợ đã dùng

- Ảnh hưởng các yếu tố bên ngòai lên hằng số bền

- Ảnh hưởng của áp suất

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

- Ảnh hưởng của hằng số bền điện môi của dung dịch

- Ảnh hưởng của lực ion và môi trường ion

- Ảnh hưởng của ion trung tâm và các ligan lên hằng số bền của phức

1.2 Giới thiệu v thu c thử:

1.2.1 Định nghĩa:

Thuốc thử hữu cơ là một hợp chất chứa cacbon (trừ CO2, CO, CaCO3) bất kỳ hoặc trực tiếp, hoặc gián tiếp được sử dụng trong hóa phân tích được gọi là chất phản ứng phân tích hữu cơ hay thuốc thử hữu cơ

1.2.2 Ứng dụng:

Thuốc thử hữu cơ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong phân tích trắc quang, các phương pháp chuẩn độ…Hiện nay các nhà hóa học còn nghiên cứu về thuốc thử hữu cơ trong các lĩnh vực sau:

- Tổng hợp những thuốc thử hữu cơ mới

- Tìm các phương pháp phân tích mới theo hướng đơn giản, nhạy và chọn lọc

- Nghiên cứu tác động của các nhóm chức

- Nghiên cứu cấu trúc của thuốc thử

- Nghiên cứu động học của phản ứng

1.2.3 Thu c thử

1.2.3.1 Thuốc thử EDTA

Tên hóa học:

Natri [[N, N'-ethandiylbis[N-(carboxymethyl) glycinato]] (4-)] ferrat (1-); Natri [(ethylendinitrilo) tetraacetato] ferrat (1-);

Natri sắt (III) ethylendiamintetraacetat

Công thức phân tử: C10H12FeN2NaO8.3H2O

Công thức cấu tạo:

Khối lượng phân tử: Dạng trihydrat: 421,09

1.2.3.2 Tính chất

Có dạng bột màu vàng nhạt, tương đối bền và không bị biến đổi trong quá trình bảo quản, Tan trong nước Có pH từ 3,5 – 5,5

1.3 Giới thiệu v ion kim loại:

1.3.1 Canxi

1.3.1.1 Giới thiệu về Canxi

Theo lượng phân bố trong vỏ Trái Đất, Ca chiếm vị trí thứ năm trong các nguyên tố (sau oxi, silic, nhôm và sắt)

Cấu hình electron: [Ar] 4s2

Bán kính nguyên tử: 1,8

Cấu trúc tinh thể: Caα có mạng lập phương tam diện

Caβ có mạng lưới lục phương Canxi thuộc chu kỳ 4, phân nhóm IIA trong bảng hệ thống tuần hoàn

Số oxi hóa đặc trưng là +2 Tuy vậy trong một số trường hợp có thể có số oxi hóa +1, như trong CaCl, hợp chất này được tạo nên từ hỗn hợp CaCl2 và Ca nung nóng ở 1000oC

Canxi có độ dẫn điện cao vì vùng s và vùng p trong kim loại kiềm thổ đã che phủ nhau tạo thành 1 vùng chứa có đủ electron làm cho kim loại dẫn điện tốt

Canxi gồm 12 đồng vị bền từ 38Ca đến 49Ca Ca thiên nhiên gồm 6 đồng vị bền với số khối là 40, 42, 43, 44, 46 và 48

1.3.1.2 Tính chất vật lý

Canxi là một kim loại màu xám bạc, mềm tnc = 842oC; ts = 1,495oC (trong chân không, thăng hoa ở 845oC)

1.3.1.3 Tính chất hóa học

Canxi có hoạt tính hóa học cao ở nhiệt độ thường, dễ bị oxi hóa trong không khí Tác dụng được với tất cả các nguyên tố phi kim, tác dụng mạnh với nước, khử mạnh các oxit

Canxi được điều chế bằng phương pháp điện phân canxi clorua nóng chảy dùng nhôm khử canxi oxit ở nhiệt độ cao và trong chân không cao Nó cháy với ngọn lửa màu vàng-đỏ và tạo thành một lớp nitrua che phủ có màu trắng khi để ngoài không khí

1.3.2 Magie

1.3.1.1 Giới thiệu về Magie

Magiê, tiếng Việt còn được đọc là Ma-nhê (Latinh: Magnesium) là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Mg và số nguyên tử bằng 12

Kí hiệu: Mg

Nguyên tử khối: 24,3050đvc

Cấu hình electron: [Ne] 3s2

Magie thuộc chu kỳ 3, phân nhóm IIA trong bảng hệ thống tuần hoàn Số oxi hóa đặc trưng là +2 Magie có độ dẫn điện cao vì vùng s và vùng p trong kim loại kiềm thổ đã che phủ nhau tạo thành 1 vùng chứa có đủ electron làm cho kim loại dẫn điện tốt

1.3.1.2 Tính chất vật lý

Magiê là kim loại tương đối cứng, màu trắng bạc, nhẹ (chỉ nặng khoảng 2/3 nhôm nếu cùng thể tích) bị xỉn nhẹ đi khi để ngoài không khí

1.3.1.3 Tính chất hóa học

Magie có hoạt tính hóa học cao ở nhiệt độ thường, dễ bị oxi hóa trong không khí Tác dụng được với tất cả các nguyên tố phi kim, tác dụng mạnh với nước, khử mạnh các oxit

1.3.3 Tác hại của Canxi và Magie

Đối với môi trường nước: Hàm lượng ion canxi trong nước cao gây ra hiện

tượng nước cứng Độ cứng của nước là đại lượng biểu thị hàm lượng các ion canxi

và magiê có trong nước Trong kỹ thuật xử lý nước sử dụng ba loại khái niệm độ cứng:

• Độ cứng toàn phần biểu thị tổng hàm lượng các ion canxi và magiê có trong nước

• Độ cứng tạm thời biểu thị tổng hàm lượng các ion Ca2+,

Mg2+ trong các muối cacbonat và hydrocacbonat canxi, hydrocacbonat magiê có trong nước

• Độ cứng vĩnh cửu biểu thị tổng hàm lượng các ion Ca2+, Mg2+ trong các muối axit mạnh của canxi và magie

Dùng nước có độ cứng cao trong sinh hoạt sẽ gây lãng phí xà phòng do canxi

và magiê phản ứng với các axit béo tạo thành các hợp chất khó tan Trong sản xuất, nước cứng có thể tạo lớp cáu cặn trong các lò hơi hoặc gây kết tủa ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Có nhiều đơn vị đo độ cứng khác nhau:

Độ Đức (odH): 1odH = 10 mg CaO/l nước

Độ Pháp (of ): 1of = 10 mg CaCO3/0,7l nước

Độ Anh (oe ): 1oe = 10 mg CaCO3/0,7l nước

Đông Âu ( mgđl/l): 1 mgđl/l = 2,8odH

Tuỳ theo giá trị độ cứng, nước được phân loại thành:

* Độ cứng < 50 mg CaCO3/l : nước mềm

* 50 – 150 mg CaCO3/l : nước trung bình

* 150 – 300 mg CaCO3/l : nước cứng

* > 300 mg CaCO3/l : nước rất cứng

* Tác hại của nước cứng:

Độ cứng vĩnh viễn của nước ít ảnh hưởng đến sinh vật trừ phi nó quá cao, ngược lại, độ cứng tạm thời lại có ảnh hưởng rất lớn Nguyên nhân là vì thành phần chính tạo ra độ cứng tạm thời là các muối bicarbonat Ca và Mg: Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2, chúng là các muối hòa tan hoàn toàn nhưng không ổn định, không bền Chúng dễ dàng bị phân hủy thành CaCO3, MgCO3 là các muối kết tủa:

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2

Mg(HCO3)2 → MgCO3 + H2O + CO2

Khi phản ứng phân hủy xảy ra trong cơ thể sinh vật, các muối này kết tủa trong cơ thể sinh vật sẽ gây hại Ở con người, chúng là nguyên nhân gây ra sỏi thận

và một trong các nguyên nhân gây tắc động mạch do đóng cặn vôi ở thành trong của động mạch

Lưu ý là các muối CaCO3 và MgCO3 là các muối kết tủa và chúng không thấm qua niêm mạc hệ tiêu hóa của chúng ta được, chỉ các muối hòa ta mới thấm được thôi Vì vậy nước cứng chỉ có tác hại do các muối bicacbonat

Đối với con người và động vật: Thiếu canxi ở súc vật non làm chậm sinh

trưởng, thiếu trầm trọng thì gây còi xương; ở súc vật trưởng thành, gây xốp xương Thiếu canxi cũng ảnh hưởng đến sản lượng và chất lượng trứng, sữa Sự đồng hoá canxi phụ thuộc vào lượng vitamin D và sự cân bằng giữa canxi và photpho Lượng canxi không hấp thụ hết có thể tích tụ gây vôi hóa thận, sỏi mật, táo bón, tăng canxi trong máu

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 X c định Ca 2+

, Mg 2+ bằng ph ơng ph p chuẩn đ complexon (EDTA) 2.1.1 Giới thiệu

Phép chuẩn độ complexon dựa trên sự tạo phức bền và tan trong nước của complexon với các ion kim loại Trong đó tiêu biểu nhất là Trilon B, nó chính là muối hai lần thế của axit etylen điamin tetraaxetic

Viết tắt là Na2H2Y

Chỉ thị của phương pháp là Eriocrom đen T (viết tắt là ET-OO) hay Murexit

Vì phức của chỉ thị với kim loại kém bền hơn phức của Trilon B với kim loại nên khi cho dung dịch trilon B xuống dung dịch chứa phức kim loại với chỉ thị (MeInd), thì phức này bị phá huỷ và ion kim loại sẽ tạo phức với Trilon B

Toàn bộ quá trình chuẩn độ được mô tả bằng sơ đồ sau:

- Cho chỉ thị (Eriocrom đen T) vào dung dịch chứa ion kim loại thì ion kim loại phản ứng với chỉ thị:

Me2+ + HInd2- MeInd- + H+

Xanh Đỏ nho Sau đó chuẩn dung dịch chứa ion kim loại bằng Trilon B thì ion kim loại tự do

sẽ phản ứng với Trilon B

Me2+ + H2Y2- MeY

+ 2H+ Sau khi hết ion kim loại tự do thì:

H2Y2- + MeInd- MeY2- + HInd2- + H+

Đỏ nho Xanh da trời

Khi dung dịch chuyển từ đỏ nho sang xanh da trời thì dừng chuẩn độ với

phương pháp này và cần lưu ý mấy điểm sau:

- Vì Trilon B phản ứng với các ion kim loại có hoá trị khác nhau đều giải phóng ra 2H+:

- Mọi phản ứng chuẩn độ đều sinh ra H+ nên ta phải thêm hỗn hợp đệm amoni vào để ổn định pH của dung dịch, hỗn hợp đệm amoni có pH = 8 -10, như vậy màu của phức bền Còn xác định Canxi thì dùng dung dịch NaOH để kết tủa toàn bộ

Mg2+, sau đó chuẩn độ Ca2+

- Phép chuẩn độ thường hay dùng để xác định độ cứng của nước vì trong nước

có rất nhiều Ca2+, Mg2+

- Tính toán theo phương pháp chuẩn độ trực tiếp:

Cơ chế tạo phức giữa Me2+ và Trilon B được biểu diễn bằng sơ đồ sau: