Определение ионов алюминия и меди (II) в сточной воде

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Определение ионов алюминия и меди (II) в сточной воде

Курсовая работа по аналитической химии

Студентка 2 курса

Н.А. Сталоверова

Оценка “______”

Руководитель, доцент, к. х. н.

О.Н. Кононова

Оценка защиты “______”

Итоговая оценка “______”

Зав. кафедрой аналитической химии

С.В. Качин

Красноярск 2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Литературная часть

1.1 Физико-химическая характеристика алюминия

1.2 Физико-химическая характеристика меди

1.3 Аналитическое определение ионов алюминия(III) и меди(II)

2 Экспериментальная часть

2.1 Выбор объектов исследования

2.2 Приборы и реактивы

2.3 Методики, используемые в работе

2.3.1 Определение меди(II) йодометрическим методом

2.3.2 Определение алюминия(III) комплексонометрическим методом

2.4 Обсуждение результатов

Выводы

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Вода-источник жизни, ничто живое на земле не может обойтись без нее, поэтому ее анализ имеет важное значение. В сточных водах содержится большее количество разнообразных органических, неорганических, органоминеральных веществ природного и техногенного происхождения. Вода может содержать эти вещества как в истинно растворенном состоянии, так и в коллоидном в виде суспензий и эмульсий. Качество воды предварительно оценивается по обобщенным показателям: цвет, прозрачность, пенистость, запах, кислотность и щелочность. Затем следует более глубокий анализ на содержание и токсичность присутствующих в воде веществ.

Данная работа посвящена определению содержания алюминия(III) и меди(II) в сточной воде.

Глава 1 ЛИТЕРАТУРНАЯ ЧАСТЬ

1.1Физико-химическая характеристика алюминия

Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд и многих других минералов. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8%(масс). Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема[1].

В настоящее время промышленные способы получения алюминия основаны на электролитическом разложении оксида алюминия, растворенного в расплавленном криолите. В качестве материала для электродов обычно используют ретортный графит[2].

Алюминий Al¹³ расположен в третьей группе периодической системы и имеет электронное строение 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ ; наиболее характерна степень окисления +3 и координационные числа 4 и 6. Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный – 0,126 нм, условный радиус иона Al ³⁺ - 0,057 нм. Энергия ионизации Al – Al ⁺ 5,99 Эв[1].

Алюминий – типичный амфотерный элемент, для него характерны анионные и катионные комплексы. Так, в кислой среде существует катионный аквакомплекс [Al(OH₂ )₆ ]³⁺ , а в щелочной – анионный гидрокомплекс и [Al(OH)₆ ]^3- [1].

Алюминий представляет собой серебристо-белый довольно твердый металл, с плотностью 2,7 г/см³, плавящийся про 660 и кипящий при 2520⁰ С. Он характеризуется большой тягучестью, легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы, и высокой электропроводностью, составляющей примерно 0,6 электропроводности меди. Стандартный электродный потенциал алюминия равен - 1,663B. При нормальных условиях алюминий – серебристо–белый легкий металл. На воздухе алюминий покрывается тончайшей, но очень плотной, оксидной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления[2]. В связи с этим его поверхность обычно имеет не блестящий, а матовый вид[3]. При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и его взаимодействие с серой. С хлором и бромом его соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом - при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом, а с водородом он не взаимодействует. По отношению к воде алюминий практически вполне устойчив. Сильно разбавленные, а также очень крепкие HNO₃ и H₂SO₄ на алюминий практически не действуют, тогда, как при средних концентрациях кислот алюминий постепенно растворяется. По отношению к CH₃COOH и H₃PO₄ алюминий устойчив. Чистый металл также устойчив и по отношению к соляной кислоте, но обычный технический в ней растворяется. Алюминий легко растворим в сильных щелочах (NaOH, KOH)[2]:

2Al+2NaOH+6H₂O=3H₂+2Na[Al(OH)₄] (1)

Довольно энергично разъедается он также раствором аммиака [2]. Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла, значительно большим, чем в случае многих других металлов. Ввиду этого при накаливании смеси оксида такого металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла[2].

Оксид алюминия представляет собой белую очень тугоплавкую и не растворимую в воде массу. Природный Al₂O₃ (минерал корунд), а так же полученный искусственно и затем сильно прокаленный, отличается большей твердостью и нерастворимостью в кислотах. Обычно загрязненный оксидом железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков т.п.

Ввиду нерастворимости Al₂O₃ в воде, отвечающий этому оксиду гидроксид [Al(OH)₃], может быть получен только косвенным путем (исходя из солей). Он представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически не растворимый в воде, но растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Гидроксид алюминия имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные, и кислые свойства его выражены довольно слабо[3].

С тех пор как алюминий стал доступным для промышленного использования, он получил широкое распространение. Из него изготавливают аппараты для промышленных целей, а также многочисленные предметы домашнего обихода. Обрезки алюминиевой жести перерабатывают в алюминиевый порошок, употребляемый в качестве литографической краски, а так же для изготовления взрывчатых веществ, применяемых в пиротехнике[2].

1.2Физико-химическая характеристика меди

Медь Cu²⁹ расположена в первой группе системы элементов и имеет электронное строение 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹ . Для меди наиболее характерны соединения со степенями окисления + 1 () и +2 (, , , , , ), известны также немногочисленные соединения трехвалентной и четырехвалентной меди. Для меди (I) наиболее характерны координационные числа 2 и 4, для Cu(II) максимальное координационное число равно 6, что соответствует октаэдрическим комплексам. Чаще всего встречаются соединения Cu(II), в которых координационное число равно 4 (квадрат) и 6 (искаженный октаэдр)[5].

Чистая медь-тягучий, мягкий, вязкий металл. В отличие от большинства металлов медь обладает ярко выраженной окраской - красного, а в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет выглядит зеленовато-голубой. На воздухе медь покрывается рыхлым слоем основных карбонатов[5].

При нагревании медь тускнеет в результате образования поверхностного слоя оксида. При более сильном нагревании она, наконец, полностью переходит в оксид меди (I), а при более высоком давлении кислорода в – в оксид меди(II). Влажный хлор быстро реагирует с медью уже при обычной температуре. С остальными галогенидами медь взаимодействует так же легко. Ярко выраженным сродством медь обладает по отношению к сере и селену. Напротив, газообразный азот, даже при более высокой температуре, заметно не действует на медь. Однако, если над медью, нагретой до красного каления, пропустить газообразный аммиак, то она образует соединение с азотом. В разбавленной азотной кислоте медь растворяется с выделением оксида азота и образованием нитрата меди(II); с горячей концентрированной серной кислотой образуется сульфат меди. В соответствии со своим положением в электронном ряду напряжений медь не может обычным образом заряжаться водородными ионами. Поэтому медь в отсутствие воздуха не подвергается воздействию серной и соляной кислот, уксусной кислоты и т.д. Однако при нагревании газообразный хлористый водород действует на медь с образованием хлорида меди(I)[4]:

Cu+HCl=CuCl+1/2H₂. (2)

Растворение меди в разбавленной азотной кислоте сначала идет очень медленно. Однако, после того как в растворе в соответствии с уравнением образуется некоторое количество нитрат – ионов, растворение становится бурным[4].

Cu₂O получают прямым взаимодействием меди с кислородом, который плавится без разложения при . В кристалле Cu₂O имеет место линейно-тетраэдрическая координация атомов. Гидроксид  значительно устойчивее, чем CuОН и по силе приближается к щелочам. Это объясняется уменьшением поляризующего действия катиона Cu⁺ на ионы  за счет экранирования молекулами аммиака. Гидроксиды CuОН – основания не устойчивы. При попытке их получения по обменным реакциям выделяется оксид (красный)[1].

Из оксидов в степени окисления +2 устойчив CuO, его получают непосредственным взаимодействием компонентов. Гидроксиды  получают действием щелочи на растворимые соли . Гидроксид  является слабо амфотерным[1]:

. (3)

Действием пероксида водорода на сильнощелочной раствор растворимой соли  получают гранатово-красный порошок . Он выделяет кислород уже при  и является сильнейшим окислителем, например, окисляет соляную кислоту до хлора. Галогениды меди занимают промежуточное положение, монофторид не существует. Из галогенидов меди в степени окисления +2 наиболее устойчив , а иодид не получен. Нерастворимые в воде и кислотах галогениды ЭГ довольно значительно растворяются в растворах галогеноводородных кислот или основных галогенидов[1]:

, (4)

Соединения Cu(III) – сильные окислители.

Одним из основных свойств меди и в любых степенях окисления является способность образовывать комплексные соединения. Большинство растворимых соединений меди являются комплексными соединениями. Комплексообразовательная способность объясняется дефектностью (n-1)d-оболочек (при степенях окисления больше +1)[5].

Из ацидокомплексов Cu⁺ наиболее устойчивы цианидные. Так, для [СuCl₂]¯ pK=5,96, а для [Cu()]¯ pK=16,0. Аквакомплексы катионов металлов подгруппы меди нестойки. Для Cu(1) гораздо устойчивее аммиакаты[1]. С увеличением числа лигандов растет прочность комплекса. Для меди (II) характерны как катионные, так и анионные комплексы. Производные Cu(+2) в равной мере характерны и для соединений первого порядка и для комплексов. Известны голубые аквакомплексы в водных растворах  и кристаллический медный купорос , который является примером сверхкомплексного соединения. Устойчивый аммиакат характеризуется координационным числом 4 (, pK=12,7), а  можно получить только в жидком аммиаке. Из комплексных анионов Cu(+2) отметим гидроксокомплекс  (pK=16,1) синего цвета, благодаря образованию которого  растворяется в концентрированных растворах щелочей[5].

Медь в степени окисления +3 значительно стабилизируются за счет комплексообразования. Для меди известен светло-зеленый высокоспиновый октаэдрический комплекс .

Многие соединения меди используются в качестве красок. Измельченный малахит, а также искусственно приготовленные препараты аналогичного состава находят применение как клеевые или водяные краски под названием медной зелени. Более 50% меди применяется в электротехнике (медные провода). Также медь применяется в металлотехнике и для чеканки монет. Граница между металлической медью и CuO обладает выпрямляющим свойством, поэтому оксид меди применяется для изготовления «купроксных» выпрямителей переменного тока. Медный купорос применяется в гальванотехнике, для протравливания зерна, выделке кож, медицине[4].