Ecology_lab_pract

Работа № 1

Качественное определение ионов токсичных металлов в воде

Вода относится к тем веществам, без которых существование жизни, в частности человека, на Земле невозможно. Качество употребляемой человеком воды непосредственно сказывается на его здоровье и, как следствие, на продолжительности жизни. Так, использование в быту воды без должной очистки может стать причиной возникновения эпидемий холеры и ряда других не менее опасных заболеваний.

Недопустимо присутствие в воде солей тяжелых металлов, так как все они в той или иной мере токсичны и могут накапливаться в человеческом организме. С этой точки зрения особую опасность представляют ртуть, свинец, кадмий, медь и хром. Содержание железа в воде обычно достаточно велико, поэтому, хотя оно и не относится к тяжелым металлам, его тоже включают в список элементов, подлежащих контролю. При

этом в воде могут находиться как окрашенные ионы ( Fe2 , Fe3 , Cr3 , CrO24 , Cr2O72 , Cu2 , Co2 , Ni2 и др.), присутствие которых сравнительно легко обнаруживается по характерной окраске воды, так и бесцветные ( Zn2 , Cd2 , Pb2 , Hg2 , Hg22 , Bi3 ), присутствие которых устанавливается только при помощи специальных химических реакций.

Бесцветные ионы

Цинк

Цинк относится к элементам с сравнительно низкой токсичностью, однако его избыток может привести к острым кишечным заболеваниям и рвоте. Источниками поступления цинка в природную воду являются отходы металлургической промышленности, продукты коррозии сплавов и цинковых покрытий, рудные воды.

Предельно допустимая концентрация цинка в природной воде составляет 5 мг/л.

5

Опыт 1. Определение цинка

а) Определение сульфидом натрия.

При добавлении к раствору, содержащему катионы Zn2 , сульфида натрия образуется белый осадок сульфида цинка

Zn2 S2 ZnS .

Это единственный из известных катионов металлов, образующий сульфид белого цвета.

Добавьте к нескольким каплям исследуемого раствора 2 - 3 капли раствора сульфида натрия. Запишите результаты опыта (опыт проводить под тягой!).

б) Определение щелочами.

При действии сильных гидроксидов (щелочей) KOH или NaOH на раствор, содержащий катионы цинка, образуется белый осадок гидроксида цинка Zn(OH)2 , растворимый благодаря своим амфотерным свойствам и в кислотах, и в щелочах:

Zn2 2OH Zn(OH)2 ;

Zn(OH)2 2H Zn2 2H2O ;

Zn(OH)2 2OH [Zn(OH)4 ]2 .

В отличие от алюминатов, при действии на раствор, содержащий [Zn(OH)4 ]2 , хлорида аммония образование осадка гидроксида цинка не

происходит, потому что последний растворим в солях аммония. Налейте в пробирку раствор, содержащий катионы цинка, несколь-

ко капель 2 н раствора щелочи до появления белого осадка, а затем избыток щелочи до его растворения. Запишите результаты опыта.

в) Определение гексацианоферратом (II) калия K4[Fe(CN)6 ] .

Указанный реактив образует с катионами цинка белый осадок двойной соли

3Zn2 2K 2[Fe(CN)6 ]4 K2Zn3[Fe(CN)6 ]2 ,

растворимый в щелочах.

Добавьте к раствору соли цинка 2 - 3 капли раствора K4[Fe(CN)6 ] . Запишите результаты опыта.

6

Кадмий

Кадмий относится к наиболее токсичным элементам. Он накапливается в организме и очень медленно выводится из него. Период, за который концентрация адсорбированного организмом кадмия уменьшится вдвое, превышает 10 лет.

Накопление в организме кадмия приводит к образованию камней в почках, гипертонии, уменьшению гемоглобина в крови, разрушению нервной системы.

Основными источниками поступления кадмия в окружающую среду являются кадмиевые покрытия, аккумуляторы, сигаретный дым. Достаточно сказать, что кровь курильщиков содержит приблизительно в 7 раз больше кадмия, чем кровь некурящих.

Предельно допустимая концентрация кадмия в природной воде составляет 0,001 мг/л.

Опыт 2. Определение кадмия

При добавлении к раствору, содержащему ионы кадмия, сульфида натрия образуется сульфид кадмия, окрашенный в характерный желтый цвет

Cd2 S2 CdS .

Сульфид кадмия растворяется в концентрированной соляной кислоте

CdS 4HCl H2 [CdCl4 ] H2S

и при нагревании подобно сульфиду меди - в азотной кислоте. Определению кадмия препятствует присутствие в воде катионов

металлов, образующих нерастворимые сульфиды, поэтому их предварительно необходимо удалить из раствора.

Проведите соответствующую реакцию, отметьте цвет осадка сульфида кадмия, напишите уравнение реакции.

Свинец

Свинец также относится к наиболее токсичным элементам. Попадая в организм, он вызывает анемию, почечную недостаточность, забо-

7

левания мозга. Свинец способен замещать кальций в костях, что уменьшает их прочность.

Источниками поступления свинца в окружающую среду являются свинцовые трубы, аккумуляторы, краски (свинцовый сурик, белила и т.п.), автомобильные выхлопы, цветная металлургия.

Предельно допустимая концентрация свинца в природной воде составляет 0,03 мг/л.

Опыт 3. Определение свинца

а) Осаждение хроматом K2CrO4 или бихроматом K2Cr2O7 ка-

лия.

При действии на раствор соли свинца хромата или бихромата калия образуется малорастворимый хромат свинца желтого цвета

Pb2 CrO24 PbCrO4 ;

2Pb2 Cr2O72 H2O 2PbCrO4 2H .

Это одна из наиболее важных реакций на свинец.

Добавьте к нескольким каплям раствора, содержащего свинец, 2 - 3 капли раствора K2CrO4 или K2Cr2O7. Запишите результаты опыта.

б) Взаимодействие с иодидом калия KI .

Иодид калия осаждает свинец из раствора в виде желтого осадка

Pb2 2I PbI2 .

Добавьте к раствору соли свинца иодид калия до образования желтого осадка, затем добавьте несколько капель воды и уксусной кислоты и нагрейте содержимое пробирки до растворения осадка. Погрузив пробирку в холодную воду, наблюдайте образование блестящих золотистых кристаллов. Эта характерная для свинца реакция является одной из наиболее красивых аналитических реакций.

Ртуть

Ртуть может находиться в растворе в виде ионов Hg2 и Hg22 . По-

следний при определенных условиях способен диспропорционировать по реакции

Hg22 Hg2 Hg .

8

Пары ртути, вдыхаемые человеком, разрушают легкие, а сама ртуть активно накапливается в головном мозге, почках и других жизненно важных органах. Еще более токсичны органические производные ртути, например, хлорид метилртути CH3HgCl , который легко образу-

ется в природе под действием микроорганизмов из неорганических производных или металлической ртути.

Другой особенностью ртути является способность накапливаться в цепях питания. Так, ее содержание в рыбе может в 1000 раз превышать ее концентрацию в морских водорослях и планктоне, которыми эта рыба питается. В частности, в Японии в 1956 году произошло массовое отравление ртутью вследствие употребления в пищу рыбы, выловленной в заливе, в который сбрасывались без должной очистки сточные ртутьсодержащие воды химического предприятия. Отравление вызывало общий паралич конечностей, затруднение дыхания и смерть.

В Ираке в 1971 году снабжение населения в течение двух - трех месяцев хлебом из зерна, обработанного фунгицидами, содержащими монометилртуть, привело к тому, что с признаками отравления ртутью было госпитализировано 6 тысяч человек, причем 500 из них умерло.

Источниками поступления ртути в окружающую среду являются ртутные батареи и электроды, вышедшие из эксплуатации лампы дневного света, краски, фунгициды и пестициды, отходы химических производств, связанных с ртутью, и др.

Предельно допустимая концентрация ртути в природной воде составляет 0,0005 мг/л.

Опыт 4. Определение ртути иодидом калия KI

Катион ртути Hg2 с недостатком иодида калия образует осадок HgI2 оранжевого цвета. При добавлении избытка KI осадок растворяется с образованием комплексного соединения

Hg2 2I HgI2 ;

HgI2 2I [HgI4 ]2 .

К 1 - 2 каплям раствора, содержащего Hg2 , добавьте 1 каплю ио-

дида калия KI . Наблюдайте образование оранжевого осадка. Добавьте к этому осадку избыток иодида калия до его полного растворения.

9

Катион Hg22 тоже взаимодействует с KI , образуя зеленоватый осадок Hg2I2

Hg22 2I Hg2I2 ,

способный растворяться в избытке иодида калия

Hg2I2 2KI K2 [HgI4 ] Hg .

Выпадает в осадок металлическая ртуть черного цвета.

Висмут

Степень токсичности висмута высокая. При попадании в организм он вызывает расстройства пищеварительного тракта.

Источники поступления висмута в воду - легкоплавкие сплавы и припои, полупроводниковые соединения.

Предельно допустимая концентрация висмута в природной воде -

0,1 мг/л.

Опыт 5. Определение висмута (III) тиомочевиной

(NH 2 )2 CS

Катионы висмута образуют с тиомочевиной комплексные катионы, окрашивающие раствор в характерный желтый цвет

Bi3 3(NH2 )2 CS [Bi(NH 2 )2 (CS) 3 ]3 .

Катионы свинца и кадмия также образуют с тиомочевиной комплексные соединения, но в виде осадков и поэтому обнаружению висмута не мешают.

Добавьте к исследуемому раствору несколько капель раствора тиомочевины. Отметьте цвет раствора. Напишите необходимые уравнения реакций.

Окрашенные ионы

Железо

Степень токсичности железа низкая, но высокое содержание его в питьевой воде может вызывать разрушение центральной нервной системы, повышать восприимчивость организма к инфекциям, приводить к

10

повреждению печени, болезням желудочно-кишечного тракта. Недостаток железа в организме ведет к анемии.

Источниками поступления железа в воду являются ржавые трубы, металлолом.

Предельно допустимая концентрация железа в воде - 5 мг/л (для

FeO).

Железо образует два ряда устойчивых солей: соли двухвалентного железа (содержат катион Fe2 ) и соли трехвалентного железа (содержат катион Fe3 ). На воздухе катион Fe2 быстро окисляется до Fe3 , поэтому в природных водах содержатся в основном соли железа (III). Они имеют желтую или красно-бурую окраску. Поэтому такая окраска воды позволяет предположить наличие в ней катионов железа.

Опыт 6. Определение железа (III)

а) Определение роданидом аммония NH4CNS.

При добавлении к раствору соли железа (III) роданида аммония образуется роданид железа кроваво-красного цвета

Fe3 6CNS [Fe(CNS)6 ]3 .

Это одна из важнейших и наиболее чувствительных реакций для обнаружения катионов железа (III) в воде. Однако она не всегда надежна, так как присутствие фторидов, фосфатов, оксалатов, цитратов, а также солей винной кислоты препятствует ее протеканию.

Добавьте в раствор, содержащий несколько капель соли железа (III), 1 - 2 капли раствора NH4CNS. Отметьте цвет раствора. Напишите уравнение реакции.

б) Определение гексацианоферратом (II) калия K4[Fe(CN)6 ] .

Гексацианоферрат (II) калия образует с катионами железа (III) тем- но-синий осадок "берлинской лазури"

4Fe3 3[Fe(CN)6 ]4 Fe4 [Fe(CN)6 ]3 .

Добавьте в раствор, содержащий соль железа (III), 2 - 3 капли раствора гексацианоферрата (II) калия. Отметьте цвет образовавшегося осадка. Напишите уравнение реакции.

11

Хром

Соединения этого металла обладают средней степенью токсичности. Предполагается наличие канцерогенных свойств.

Источниками поступления хрома в воду являются сточные воды гальванического производства, продукты коррозии хромсодержащих сталей, краски, отходы некоторых химических производств.

Предельно допустимая концентрация соединений хрома в воде составляет 0,05 мг/л.

Опыт 7. Определение хрома

Хром образует два ряда устойчивых солей: соли хрома (III) и соли хрома (VI). Соли хрома (III) в основном содержат его в виде катиона

Cr3 , а соли хрома (VI) - в виде анионов CrO24 и Cr2O72 . Растворы солей хрома (III) имеют сине-зеленую или фиолетовую окраску, хроматов ( CrO24 ) - желтую, а бихроматов ( Cr2O72 ) - оранжевую.

а) Определение катиона Сr3+ щелочью.

Катион хрома (III) образует с сильными гидроксидами (щелочами) осадок Cr(OH)3 серо-зеленого цвета. При действии на осадок избытка

щелочи хром переходит в раствор в виде хромит-иона зеленого цвета (цвета травы)

Cr3 3OH Cr(OH)3 ;

Cr(OH)3 OH CrO2 2H2O .

К 2 каплям раствора соли хрома (III) добавьте 1 каплю 2 н раствора гидроксида натрия NaOH. Наблюдайте образование серо-зеленого осадка гидроксида хрома. Затем к осадку добавьте избыток щелочи до его полного растворения. Отметьте цвет осадка и раствора. Напишите уравнения соответствующих реакций.

б) Окисление хрома (III) до хрома (VI).

Катион хрома (III) легко окисляется пероксидом водорода в щелочной среде до CrO24 :

2Cr3 3H2O2 10OH 2CrO42 8H2O .

12

К 2 - 3 каплям раствора соли хрома (III) добавьте несколько капель 2 н раствора гидроксида натрия до полного растворения образующегося вначале осадка гидроксида хрома, 2 - 3 капли 3%-ного раствора пероксида водорода и нагрейте несколько минут до изменения зеленой окраски раствора в желтую.

Проведите соответствующие реакции, отметьте исходный, промежуточный и конечный цвет раствора, напишите уравнения реакций.

в) Смещение равновесия между хромат- и бихромат-ионами.

Хром (VI) может присутствовать в растворе в виде хромат-ионов

которое в кислой среде смещается в сторону иона Cr2O72 , а в щелочной - иона CrO24 .

К 2 - 3 каплям раствора, содержащего анион CrO24 , добавьте 2 - 3

капли 2 н раствора серной кислоты. Наблюдайте изменение желтой окраски в оранжевую:

2CrO24 2H Cr2O72 H2O .

К 2 - 3 каплям раствора, содержащего анион Cr2O72 , добавьте 2 - 3

капли 2 н раствора гидроксида натрия. Наблюдайте изменение оранжевой окраски в желтую:

Cr2O72 2OH 2CrO24 H2O .

г) Определение хромат- и бихромат-ионов хлоридом бария

BaCl2 .

Хлорид бария образует с хромат- и бихромат-ионами желтый осадок хромата бария (произведение растворимости хромата бария достигается раньше, чем бихромата)

CrO24 Ba2 BaCrO4 ;

Cr2O72 2Ba2 H2O 2BaCrO4 2H .

Хромат бария растворим в сильных кислотах, поэтому анализ ведут в присутствии ацетата натрия CH3COONa , который нейтрализует кислоту, выделяющуюся в результате реакции.

13

К анализируемому раствору добавьте несколько капель раствора ацетата натрия и 2 - 4 капли хлорида бария. Наблюдайте образование желтого осадка хромата бария.

Медь

Медь присутствует в воде в виде катиона Cu2 . Степень ее токсичности определяется между низкой и средней.

Накопление избытка меди в организме ведет к болезни Вильсона, нарушению функций печени.

Источниками поступления меди в воду могут служить рудные воды, сточные воды гальванического производства, продукты коррозии медьсодержащих сплавов и др.

Предельно допустимая концентрация некоторых солей и органических производных меди составляет 1 мг/л.

Опыт 8. Определение меди

Растворы солей меди (II) окрашены в голубой цвет.

а) Определение щелочами.

Сильные основания образуют с катионом меди голубой осадок гидроксида меди Cu(OH)2 :

Cu2 2OH Cu(OH)2 .

Гидроксид меди обладает слабовыраженными амфотерными свойствами и поэтому частично растворяется, особенно при нагревании, в избытке щелочи с образованием купритов.

К 2 - 3 каплям раствора, содержащего медь (II), добавьте 2 капли 2 н раствора NaOH. Наблюдайте образование голубого осадка.

б) Определение гидроксидом аммония.

Гидроксид аммония NH4OH, добавленный в небольшом количе-

стве в раствор, содержащий катион меди (II), осаждает основную соль зеленоватого цвета, легко растворимую в избытке реагента. При этом образуется аммиачный комплекс меди интенсивно-синего цвета. Например,

2Cu2 SO24 2NH4OH (CuOH)2 SO4 2NH4 ; (CuOH)2 SO4 8NH4OH 2[Cu(NH3 )4 ]2 SO42 2OH 8H2O .

14