Tài liệu đánh giá hàm lượng sắt và mangan trong nước sinh hoạt cấp từ nhà máy cấp nước diễn vọng thành phố hạ long bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ––––––––––––––––––––– NGÔ THỊ DƯƠNG THÙY ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC SINH HOẠT CẤP TỪ NHÀ MÁY NƯỚC DIỄN VỌNG -THÀNH PHỐ HẠ LONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN -2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ––––––––––––––––––––– NGÔ THỊ DƯƠNG THÙY ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC SINH HOẠT CẤP TỪ NHÀ MÁY NƯỚC DIỄN VỌNG-THÀNH PHỐ HẠ LONG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 60.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học : TS. TRƯƠNG THỊ THẢO THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS. Trương Thị Thảo- Cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tôi có thể hoàn thành được luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo, cán bộ Khoa Hoá học - trường Đại học Khoa học- Đại học Thái Nguyên, Khoa xét nghiệm -Trung tâm Y tế Dự phòng tỉnh Quảng Ninh, Cán bộ nhà máy nước Diễn Vọng-Công ty TNHH một TV kinh doanh nước sạch Quảng Ninh đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn cổ vũ, động viên tôi trong suốt thời gian qua. Trong quá trình thực hiện luận văn do còn hạn chế về mặt thời gian, kinh phí cũng như trình độ chuyên môn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2016 Tác giả Ngô Thị Dương Thùy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN a http://www.lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... a MỤC LỤC ......................................................................................................... b DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ d DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... e DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... g MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 3 1.1. Sắt và hợp chất của sắt ............................................................................... 3 1.1.1. Sắt ............................................................................................................ 3 1.1.2. Một số hợp chất của sắt .......................................................................... 5 1.1.3. Vai trò của sắt đối với cơ thể con người ............................................... 10 1.2. Mangan và hợp chất của mangan ............................................................. 11 1.2.1. Mangan .................................................................................................. 11 1.2.2. Các hợp chất của mangan ..................................................................... 11 1.2.3. Ứng dụng của Mangan ......................................................................... 14 1.2.4. Khả năng gây ô nhiễm của mangan trong nước và tác dụng sinh hóa . 14 1.3. Các phương pháp xác định sắt và mangan ............................................... 15 1.3.1. Phân tích khối lượng ............................................................................. 15 1.3.2. Phân tích thể tích ................................................................................... 16 1.3.3. Các phương pháp điện hóa .................................................................... 17 1.3.4. Phương pháp trắc quang ........................................................................ 18 1.3.5. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử ..................................................... 21 1.3.6. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử .................................................... 21 1.3.7. Phương pháp sắcký ............................................................................... 22 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM....... 23 2.1. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN b http://www.lrc.tnu.edu.vn 2.1.1. Phương pháp trắc quang xác định sắt bằng thuốc thử 1,10phenantrolin .................................................................................................... 23 2.1.2. Phương pháp trắc quang xác định mangan bằng thuốc thử fomaldoxim .................................................................................................... 24 2.1.3. Giới thiệu về thiết bị đo UV .................................................................. 24 2.1.4. Giới thiệu phương pháp đường chuẩn .................................................. 26 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.................................................................... 27 2.2.1. Hóa chất................................................................................................. 27 2.2.2. Dụng cụ và thiết bị ................................................................................ 27 2.3. Nội dung thực nghiệm .............................................................................. 28 2.3.1. Pha chế các dung dịch làm thực nghiệm ............................................... 28 2.3.2. Lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu .......................................................... 29 2.3.3. Thực nghiệm xác định sắt ..................................................................... 30 2.3.4. Thực nghiệm xác định mangan ............................................................. 36 2.3.5. Phân tích mẫu thực tế ............................................................................ 41 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 42 3.1. Các điều kiện của phương pháp hấp thụ phân tử ..................................... 42 3.1.1. Các điều kiện xác định sắt..................................................................... 42 3.1.2. Các điều kiện xác định mangan ............................................................ 51 3.2. Kết quả xác định hàm lượng sắt, mangan trong mẫu thực tế................... 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 67 1. Kết luận ....................................................................................................... 67 2. Kiến nghị ..................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 69 PHỤ LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN c http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Abs : Absorbance (độ hấp thụ quang). EDTA : Acid etylendiaminteraaxetic (hay complexon II). NMN : Nhà máy nước. ppm : part per million (một phần triệu). UNICEF : The United Nations Children’s Fund (Quỹ nhi đồng Liên Hợp Quốc). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN d http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1.Thể tích ion cản trở thêm vào các mẫu để nghiên cứu ảnh hưởng của ion lạ trong phép đo quang xác định sắt ................................... 32 Bảng 2.2. Bảng pha các dung dịch chuẩn sắt khảo sát khoảng tuyến tính ..... 33 Bảng 2.3. Bảng các công thức tính xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng và đánh giá độ chính xác của phép đo .......................... 35 Bảng 2.4. Thể tích ion cản trở thêm vào các mẫu để nghiên cứu ảnh hưởng của ion lạ trong phép đo quang xác định mangan ............... 38 Bảng 2.5. Bảng pha các dung dịch chuẩn mangan xác định khoảng tuyến tính..... 39 Bảng 3.1.Kết quả đo độ hấp thụ quangcủa phức‘ferroin’khi thay đổi thể tích thuốc thử 1,10-phenantrolin ..................................................... 43 Bảng 3.2.Kết quả đo độ hấp thụ quangcủa phức‘ferroin’ với thời gian khác nhau ........................................................................................ 44 Bảng 3.3. Kết quả đo độ hấp thụ quang của phức‘ferroin’khi thay đổi pH.... 45 Bảng 3.4. Độ hấp thụ quang của các dung dịch sắt nồng độ 0,2ppm khi trong dung dịch có mặt và không có các ion lạ ở nồng độ khác nhau .......... 46 Bảng 3.5. Kết quả đo độ hấp thụ quangcủa phức ‘ferroin’ từ nồng độ sắt 0,01ppm đến 18 ppm....................................................................... 47 Bảng 3.6. Độ hấp thụ quang của phức sắt trong mẫu M2-T4 đo lặp lại ......... 49 Bảng 3.7. Kết quả đo đánh giá độ lặp lại của phép đo với mẫu thực khi xác định sắt...................................................................................... 49 Bảng 3.8. Kết quả đo nồng độ mẫu thực đánh giá độ đúng của phương pháp phân tích sắt............................................................................ 50 Bảng 3.9. Các điều kiện tối ưu xác định sắt bằng phương pháp trắc quang ... 51 Bảng 3.10.Kết quả đo độ hấp thụ quang khi thay đổi thể tích thuốc thử fomaldoxim ..................................................................................... 52 Bảng 3.11.Kết quả đo độ hấp thụ quang theo thời gian trong phép đo xác định mangan .................................................................................... 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN e http://www.lrc.tnu.edu.vn Bảng 3.12.Kết quả đo độ hấp thụ quang khi thay đổi pH ............................... 54 Bảng 3.13. Độ hấp thụ quang của dung dịch mangan nồng độ 0,1 ppm khi trong dung dịchcó mặt và không có ion Ca2+ và Mg2+ ở các nồng độ khác nhau .......................................................................... 55 Bảng 3.14. Kết quả đo độ hấp thụ quang của phức mangan- fomaldoxim từ nồng độ mangan 0,02ppm đến 16 ppm ...................................... 56 Bảng 3.15.Độ hấp thụ quang của phức mangan-fomaldoxim trong mẫu M4-T4 đo lặp lại ............................................................................. 58 Bảng 3.16.Kết quả đo đánh giá độ lặp lại của phép đo với mẫu thực khi xác định mangan ............................................................................. 59 Bảng 3.17.Kết quả đo mẫu thực đánh giá độ đúng của phương pháp phân tích mangan ..................................................................................... 60 Bảng 3.18. Các điều kiện xác định mangan bằng phương pháp trắc quang ... 60 Bảng 3.19. Thời gian, ký hiệu và pH của mẫu phân tích ................................ 61 Bảng 3.20. Kết quả đo nồng độ trung bình của Fe, Mn trong nước sinh hoạt cấp từ NMN Diễn Vọng tháng 4,5,6,7 năm 2016 ................... 63 Bảng 3.21. Hàm lượng trung bình sắt và mangan trong nước cấp của NMN Diễn Vọng, Quảng Ninhtừ năm 2012 đến năm 2016 ........... 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN f http://www.lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH Hình 3.1. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của phức‘ferroin’ vào bước sóng λ trong phép đo xác định sắt................................................... 42 Hình 3.2. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của phức ‘ferroin’vào thể tích thuốc thử 1,10-phenantrolin ..................................................... 43 Hình 3.3. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của phức ‘ferroin’ vào thời gian .... 45 Hình 3.4. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của phức ‘ferroin’ vào pH ..... 45 Hình 3.5. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quangcủa phức ‘ferroin’ vào nồng độ sắt ............................................................................................... 48 Hình 3.6. Đường chuẩn xác định sắt ............................................................... 48 Hình 3.7. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào bước sóng λtrong phép đo xác định mangan ........................................................................ 51 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thể tíchthuốc thử fomaldoxim ..................................................................................... 52 Hình 3.9. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời giantrong phép đo xác định mangan ............................................................................. 54 Hình 3.10. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào pH trong phépđo xác định mangan .................................................................................... 55 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của phức manganfomaidoxim vào nồng độ mangan .................................................. 57 Hình 3.12. Đường chuẩn xác định mangan..................................................... 57 Hình 3.13. Hàm lượng trung bình sắt trong nước cấp của NMN Diễn Vọng, Quảng Ninh tháng 4,5,6,7 từ năm 2012 đến năm 2016 ....... 65 Hình 3.14. Hàm lượng trung bình mangan trong nước cấp của NMN Diễn Vọng, Quảng Ninh tháng 4,5,6,7 từ năm 2012 đến năm 2016 ....... 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN g http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Trong sinh hoạt hàng ngày của đời sống con người, nước là yếu tố không thể thiếu. Nước uống, nước rửa được gọi dưới một tên chung: nước sinh hoạt. Nước sinh hoạt có thể được khai thác từ các nguồn: nước ngầm, nước bề mặt (ao, hồ, sông, suối), nước mưa. Tại các khu đô thị, các trung tâm công nghiệp hiện nay, nước sinh hoạt hấy hết là nước cấp từ các nhà máy xử lý nước. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã tiến hành nghiên cứu cơ cấu bệnh tật ở Châu Á và đã đi đến kết luận như sau: “Tại một số nước ở Châu Á có 60% bệnh nhiễm trùng và 40% tử vong là do dùng nước sinh hoạt không hợp vệ sinh. Quỹ nhi đồng Liên Hiệp Quốc (UNICEF) lại cảnh báo: “Hàng năm, tại các nước đang phát triển có khoảng 14 triệu trẻ em dưới 5 tuổi bị chết và 5 triệu trẻ em bị tàn tật do dùng nước bị ô nhiễm”. Có rất nhiều chỉ tiêu để đánh giá chất lượng nước như: độ pH, độ kiềm, độ axit, hàm lượng oxi (DO, BOD, COD), hàm lượng chất hữu cơ, chất bảo vệ thực vật, hàm lượng các cation, anion… Nước sạch đưa vào cơ thể nhiều nguyên tố cần thiết cho sự sống như: Iot, Sắt, Flo, Kẽm, Đồng, Mangan … Tuy nhiên khi nồng độ của chúng trong nước vượt quá mức cho phép thì nó sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo. Do đó nước dùng cho cuộc sống phải đủ về số lượng và đảm bảo an toàn về chất lượng. Nhu cầu tối thiểu về sắt hàng ngày của cơ thể người tùy thuộc vào độ tuổi, giới tính, thể chất thay đổi từ 10 - 15 mg/ngày, nhu cầu về mangan là khoảng 30 - 50 µg/kg thể trọng/ngày. Nếu dư thừa, sắt dư thừa sẽ gây ra bệnh thiếu máu, bệnh tim mạch, viêm khớp,… , mangan thì sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo như: viêm túi mật, ảnh hưởng đến vị giác và tuyến giáp trạng… Người ta đã ghi nhận được chứng cứ về tính nhiễm độc thần kinh do tiếp xúc lâu với bụi có chứa mangan là tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng có thể dẫn tới tử vong [1].Vì Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 1 http://www.lrc.tnu.edu.vn vậy, hàm lượng sắt và mangan cho phép được có trong nước sinh hoạt là có giới hạn xác định và việc xác định chính xác hàm lượng của chúng trong nước là vô cùng cần thiết. Quảng Ninh là một tỉnh có nhiều tiềm năng phát triển kinh tế như du lịch, thương mại, công nghiệp, … Cũng như các đô thị khác trong cả nước, quá trình đô thị hóa ở đây diễn ra rất nhanh, đời sống nhân dân được từng bước cải thiện về mọi mặt, cùng với đó nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt của người dân cũng tăng lên, đặc biệt vào mùa từ tháng 04 đến tháng 10 hàng năm, khi lượng du khách ồ ạt đổ về Quảng Ninh nghỉ dưỡng, sử dụng các dịch vụ du lịch biển. Chính vì vậy, nhu cầu cấp nước đủ số lượng và đảm bảo chất lượng rất quan trọng, trong đó nhu cầu sinh hoạt là ưu tiên hàng đầu. Nhà máy nước Diễn Vọng thuộc công ty Cổ phần Nước sạch Quảng Ninh có nhiệm vụ cung cấp nước sinh hoạt cho địa bàn Thành phố Cẩm Phả và phía Đông của thành phố Hạ Long. NMN Diễn Vọng thành lập năm 1983 với công nghệ xử lý nước do Liên Xô cũ xây dựng và được cải tạo do vốn của Thụy Điển vào năm 2000. Công suất của nhà máy khoảng 60.000 m3/ ngày đêm. Đây là một nhà máy có công suất thiết kế lớn nhất trong các nhà máy nước của tỉnh Quảng Ninh. Nguồn nước cung cung cấp cho nhà mày được lấy từ Hồ Cao Vân.Theo thống kê của Trung Tâm y tế dự phòng tỉnh Quảng Ninh thì chất lượng nước của nhà máy nước Diễn Vọng cung cấp cho các hộ dân tương đối tốt. Trong thời gian gần đây, tại nhiều nơi trong cả nước, xuất hiện nhiều lo lắng liên quan đến chất lượng nước ăn uống được cung cấp từ các nhà máy do quá trình xử lý chưa triệt để. Do đó, để đánh giá một cách khách quan chất lượng của quy trình xử lý nước của nhà máy và để góp phần xây dựng quy trình phục vụ kiểm tra chất lượng nước về các chỉ tiêu sắt và mangan, tôi xin lựa chọn đề tài: “Đánh giá hàm lượng sắt và mangan trong nước sinh hoạt cấp từ nhà máy cấp nước Diễn Vọng - thành phố Hạ Long bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử". Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 2 http://www.lrc.tnu.edu.vn Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Sắt và hợp chất của sắt 1.1.1. Sắt [2,3] 1.1.1.1. Vị trí và 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, độ cứng 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 (A0) 1.35 - Năng lượng ion hóa (eV) I1=7.9 ; I2= 16.18; I3=30.63 - Thế điện cực chuẩn (V), E0 Fe - Trạng thái oxi hóa - Hóa trị 2 Fe = -0,44V; E0 Fe 3 Fe2 = 0,77V. +2,+3 II, III 1.1.1.2.Trạng thái tự nhiên Sắt là nguyên tố phổ biến đứng hàng thứ 4 về hàm lượng trong vỏ trái đất sau O, Si, Al.Trữ lượng sắt trong vỏ trái đất là 1,5%. Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền :54Fe, 56Fe (91.68%), 57Fe và 58Fe. Những khoáng vật quan trọng của sắt là manhetit (Fe3O4) chứa đến 72% sắt, hematit (Fe2O3) chứa 60% sắt, pirit (FeS2) và xiderit chứa 35% sắt. 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. 1.1.1.3.Tính chất lí học của sắt Sắt là kim loại có ánh kim, có màu trắng xám, dễ rèn và dễ dát mỏng. Sắt có 4 dạng thù hình bền ở những khoảng nhiệt độ xác định: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 3 http://www.lrc.tnu.edu.vn 700 991 1390 1536 Fe   Fe   Fe   Fe   Fe lỏng 0 0 0 0 Những dạng α và  có kiến trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối nhưng có kiến trúc electron khác nhau nên Feα có tính sắt từ và Fe có tính thuận từ, Feα khác với Fe là không hòa tan C, Feγ có kiến trúc lập phương tâm diện và tính thuận từ, Fe có kiến trúc lập phương tâm khối như Feα nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy. Ở điều kiện thường, sắt là một nguyên tố sắt từ, tức là bị nam châm hút. Ngoài ra dưới tác dụng của dòng điện, sắt trở thành nam châm. Một số hằng số vật lí quan trọng của sắt. Nhiệt độ nóng chảy : 15360C Nhiệt thăng hoa : 418 kJ/mol Nhiệt độ sôi : 28800C Tỉ khối : 7.91g/cm3 Độ dẫn điện (Hg=1): 10 1.1.1.4.Tính chất hóa học của sắt 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 Fe 2O3và 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 I2với Fe sản phẩm tạo thành có thành phần là Fe3I8(hay 2FeI3.FeI2): 3Fe+4I2 Fe3I8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 4 http://www.lrc.tnu.edu.vn 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 100 atm: 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. 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 H2SO4và HNO3thì 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 H2và các sản phẩm chính là Fe3O4 hoặc Fe(FeO2)2 màu đen. 1.1.2. Một số hợp chất của sắt [2,3] 1.1.2.1. Sắt(II) oxit(FeO) FeO là chất bột màu đen, điều chế bằng cách cho H 2 để khử Fe2O3 ở 3000C: Fe2O3+H2 FeO+H2O Hàm lượng sắt trong FeO thường bé hơn so với hàm lượng của nguyên tố đó ứng với công thức phân tử, vì các nguyên tử Fe chiếm không hoàn toàn các mắt của mạng lưới tinh thể, ứng với công thức Fe0,95O. FeO không tan trong nước nhưng có phản ứng với nước đặc biệt khi đun nóng. Sau khi đun nóng mạnh FeO bị trơ, nghĩa là mất hoạt tính hóa học cao. FeO dễ tan trong dung dịch axit, không tan trong dung dịch kiềm, là oxit bazơ. Khi tan trong dung dịch axit loãng tạo ra ion [Fe(OH2)6]2+: FeO+2H++5H2O [Fe(OH2)6]2+ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 5 http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.1.2.2 Sắt(II) hiđroxit:Fe(OH)2 Phương pháp điều chế Fe(OH)2là cho muối Fe(II) tác dụng với dung dịch kiềm mạnh. Fe(OH)2 là chất kết tủa màu trắng, hấp thụ mạnh oxi, màu sắc xanh thẫm dần và cuối cùng có màu nâu của Fe(OH)3. 4Fe(OH)2+O2+2H2O 4Fe(OH)3 Chú ý là amoniac không thể kết tủa hoàn toàn Fe(OH) 2, vì khi có một lượng lớn muối amoni, kết tủa Fe(OH)2hầu như không có do sự tạo thành phức chất amoniacat của Fe(II): FeCl2+6NH3 [Fe(NH3)6]Cl2 Phức chất Fe(II) amoniacat chỉ bền ở trạng thái rắn, trong dung nước dễ dàng bị thủy phân: [Fe(NH3)6]Cl2+ 2H2O Fe(OH)2+ 2NH4Cl + 4NH3 Fe(OH)2tan trong dung dịch axit loãng không có không khí, tan trong dung dịch kiềm tạo ra hipoferit: o t  Na2[ Fe(OH)4] Fe(OH)2+ 2NaOHđặc  1.1.2.3.Muối sắt(II) Muối của Fe(II) là kém bền đối với oxi của không khí. Muối của axit mạnh như clorua, nitrat và sunfat tan dễ trong nước còn muối của axit yếu như sunfua, cacbonat, phôtphat... khó tan. Muối khan có màu khác với muối ở dạng tinh thể hiđrat.Ví dụ FeCl2 màu trắng, FeCl2.6H2O có màu lục nhạt; FeSO4 màu trắng, FeSO4. 7H2O màu lục nhạt,... Trong môi trường axit Fe(II) có tính khử: Fe3++ 1e → Fe2+ E0 Fe 3 Fe2 =0,77V Fe2+có thể khử được nhiều chất oxi hóa (MnO4-, Cr2O72-, NO3-,O2...). Khi có các chất tạo phức mạnh với Fe3+, tính khử của Fe2+ tăng lên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 6 http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.1.2.4. Sắt(III) oxit:Fe2O3 Sắt(III) oxit tạo ra 3 dạng thù hình, α-Fe2O3dạng thuận từ, γ-Fe2O3dạng sắt từ, -Fe2O3 có cấu trúc kiểu corindon. Khi nung Sắt (III) hidroxit hay chính xác là dạng Fe2O3.nH2O, ở nhiệt độ thấp hơn 6500C tạo ra chất rắn ở dạng bột màu nâu đỏ, nhưng nếu nung ở nhiệt độ cao hơn tạo ra tinh thể xám đen không còn khả năng tan trong axit tương tự như Cr2O3, Al2O3 ở dạng tinh thể: o t  Fe2O3 +nH2O Fe2O3.nH2O  Fe2O3có thể điều chế bằng cách nung FeSO4.7H2O, FeO, hoặc một muối Fe(II) của axit dễ bay hơi khác. Trong công nghiệp điều chế bằng cách nung quặng pirit mà thành phần chính là FeS2: o t  2Fe2O3 + 8SO2 4FeS2+ 11O2  Fe2O3 nóng chảy ở 15650C và thăng hoa ở 20000C. Fe2O3 tan trong axit tạo thành phức [Fe(OH2)6]3+ không màu, màu nâu của dung dịch muối sắt(III) là do màu của sản phẩm phản ứng thủy phân, tức là màu của phức hiđroxo - aquơ: [Fe(OH2)6]3++ H2O → [Fe(OH2)5OH]2++ H3O+ (Vàng nâu) Bên cạnh tính chất chủ yếu là tính bazơ, Fe2O3 còn có tính axit, tạo thành muối ferit có màu vàng hoặc màu đỏ. Khi nung hỗn hợp Na2CO3với Fe2O3: Fe2O3+ Na2CO3→ 2NaFeO2+CO2 Khi nung với C hoặc nung trong luồng khí CO, H2hoặc khí than đá, Fe2O3sẽ bị khử thành Fe: 2 Fe2O3+ 3C → 4Fe + 3CO2 Fe2O3+ 3H2→ 2Fe + 3H2O Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 7 http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.1.2.5. Sắt(III) hiđroxit:Fe(OH)3 Sắt(III) hiđroxit là chất kết tủa màu nâu đỏ tạo ra khi cho muối sắt(III) tác dụng với kiềm, amoniac, cacbonat: FeCl3+ 3NH3+ 3H2O → Fe(OH)3+3NH4Cl Thực ra dạng kết tủa vô định hình là dạng Fe2O3.nH2O, với hàm lượng H2O khác nhau.Trong công thức thường viết Fe(OH)3 thực ra đó là dạng Fe2O3.3H2O, trong thiên nhiên dạng hemantit nâu như Fe2O3.H2O hay là FeO(OH). Khả năng tan trong axit phụ thuộc vào “tuổi” của kết tủa. Kết tủa vừa điều chế tan trong axit vô cơ và hữu cơ nhưng để một thời gian thì khó tan. Khi nung nóng đến 500 – 7000C sẽ mất nước hoàn toàn và biến thành Fe2O3. Bên cạnh tính bazơ là chủ yếu, Fe(OH)3còn thể hiện tính axit yếu (axit ferơ HFeO2): Fe(OH)3+NaOH → NaFeO2+ 2H2O NaFeO2 hay các ferit khác đều bị thủy phân trong kiềm tạo ra Fe2O3: 2NaFeO2 + H2O → 2NaOH + Fe2O3 1.1.2.6. Muối sắt (III) Sắt(III) tạo nên muối với đa số các anion. Đa số muối Fe(III) dễ tan trong nước cho dung dịch chứa ion bát diện [Fe(H2O)6]3+ màu tím nhạt. Khi kết tinh từ dung dịch, muối Fe(III) thường ở dạng tinh thể hiđrat. Ví dụ : FeCl3.6H2O màu nâu vàng, Fe(NO3)3.9H2O màu tím, Fe2(SO4)3.10H2O màu vàng, Fe(ClO4).10H2O màu hồng,...Màu của muối khan tùy thuộc vào bản chất của anion, ví dụ FeCl3 màu nâu đỏ, Fe2(SO4)3màu trắng, Fe(SCN)3 màu đỏ máu... Số phối trí của Fe(III) là 4,6 với sự phân bố 4 mặt. Trong dung dịch nước Fe(III) rất dễ thuỷ phân và tồn tại dưới dạng phức hiđroxo: Fe3++ H2O = Fe(OH)2++H+ lg*=-2,17 Fe3++2H2O = Fe(OH)2+ 2H+ lg* = 25,7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 8 http://www.lrc.tnu.edu.vn Fe3++ 3H2O = Fe(OH)3+3H+ lg*=37,52 Fe3++ 2H2O = Fe2(OH)2+ 2H+ lg* =-2,85 Trong môi trường axit có pH  2, sắt tạo phức hiđroxo. Fe(H2O)63++ H2O→Fe(H2O)5OH+H3O+ Chỉ trong dung dịch có phản ứng axit mạnh (pH<1) sự thủy phân mới bị đẩy lùi. Ngược lại khi thêm kiềm hoặc đun nóng dung dịch, phản ứng thủy phân xảy ra đến cùng tạo thành kết tủa (gel) hoặc dung dịch keo (sol) của sắt(III) hiđroxit bao gồm những phức chất hiđroxo nhiều nhân do hiện tượng ngưng tụ tạonên. Trong môi trường axit Fe3+có tính oxi hoá. Fe3+có thể oxi hoá được nhiều chất khử (H2S, I-, Sn2+, SO2, S2O3,...). Khi có các chất tạo phức mạnh với Fe3+, tính khử của Fe2+tăng lên, tính oxi hoá của Fe3+giảm đi. 1.1.2.7. Phức chất của sắt(III) Ion sắt (III) trong dung dịch tác dụng với ion thioxianat SCN- tạo nên một số phức chất thioxianat màu đỏ đậm. Hóa phân tích thường sử dụng phản ứng này để định tính và định lượng sắt(III) ngay cả trong dung dịch loãng. Kaliferixianua (K3[Fe(CN)6]) là một trong các phức bền nhất của sắt. Kaliferixianua là chất dạng tinh thể đơn tà, màu đỏ thường được gọi là muối đỏ máu. Phức này dễ tan trong nước, cho dung dịch màu vàng và hết sức độc. Kaliferixianua là một thuốc thử thông dụng trong phòng thí nghiệm dùng để nhận biết sắt (II) trong dung dịch: FeCl2+K3[Fe(CN)6]→KFe[Fe(CN)6]+2KCl Kết tủa KFe[Fe(CN)6] có màu xanh chàm và được gọi là xanh tuabin, khi đun nóng trong dung dịch kiềm chuyển thành feroxianua: 4K3[Fe(CN)6]+ 4KOH → 4K4[Fe(CN)6]+ 2H2O+ O2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 9 http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.1.3. Vai trò 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 protein để tạo thành hemoglobin. Sắt tham gia vào cấu tạo Hemoglobin (Là một muối phức của prophirin với ion sắt). Hemoglobin 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 hemoglobin 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. - Tắt kinh sớm ở phụ nữ hoặc bệnh liệt dương ở nam. 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... Mặc dù các nhà khoa học đã nghiên cứu và cũng chưa đưa ra được ngưỡng gây hại do sự thiếu sắt hoặc thừa sắt. Để phòng tránh sự thay đổi lượng sắt trong cơ thể, người ta thiết lập một giá trị tạm thời cho lượng tiếp nhận tối đa hằng ngày có thể chịu được là 0,8 mg/kg thể trọng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 10 http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.2. Mangan và hợp chất của mangan 1.2.1. Mangan Mangan là nguyên tố thuộc nhóm VIIB trong bảng HTTH của Menđeleep: - Khối lượng nguyên tử: 54,938 - Tỷ trọng: 7,44 - Nhiệt độ nóng chảy: 12440C - Nhiệt độ sôi: 21200C - Cấu hình electron lớp ngoài cùng: 3d54s2 - Mangan có các trạng thái oxi hóa từ +2 đến+7 Trong thiên nhiên Mn là nguyên tố tương đối phổ biến, đứng hàng thứ 3 trong số các kim loại chuyển tiếp sau Fe và Ti. Trữ lượng của Mn trong vỏ trái đất là 0,032%. Mangan không tồn tại ở trạng thái tự do mà tồn tại chủ yếu trong các khoáng vật. Khoáng vật chính của Mn là hausmanit (Mn3O4) chứa khoảng 72% Mn, pirolusit(MnO2) chứa khoảng 63% Mn,braunit (Mn2O3)và manganit MnO2.Mn(OH)2. Nước ta có mỏ pirolusit lẫn hematit ở Yên Cư và Thanh Tứ (Nghệ An), mỏ pirolusit lẫn hemantit ở Tốc Tác và Bản Khuôn (CaoBằng) [2]. Trong cơ thể con người Mn có khoảng 4.10-10% nằm trong tim, gan và tuyến thượng thận, ảnh hưởng đến sự trưởng thành của cơ thể và sự tạo máu. Mangan có nhiều đồng vị từ 49 Mn đến Mn trong đó chỉ có 55 55 Mn là đồng vị thiên nhiên chiếm 100%. Đồng vị phóng xạ bền nhất là 53Mn có chu kì bán hủy là 140 năm, và kém bền nhất là 49Mn có chu kì bán hủy là 0,4s [3]. 1.2.2. Các hợp chất của mangan[2,3] 1.2.2.1. Hợp chất của Mn (II) Đa số hợp chất Mn(II) dễ tan trong nước, ít tan là MnO, MnS, MnF 2, Mn(OH)2, MnCO3và Mn3(PO4)2. Khi tan trong nước, các muối Mn(II) phân li 2+ tạo phức aquơ kiểu [Mn(OH2)6] làm cho dung dịch có màu hồng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 11 http://www.lrc.tnu.edu.vn