014 – Extracció de metalls pesants

El plom i el coure arriben a les aigües residuals a causa de la corrosió de les canonades, dels banys gastats de galvanoplàstia i de gravat, i de l'eliminació descuidada de pintures i dissolvents. Cap dels dos elements no es destrueix per dilució ni per tractament biològic, i tots dos són tòxics a concentracions baixes —motiu pel qual les plantes de tractament municipals i industrials eliminen els metalls dissolts químicament abans d'abocar l'aigua. El mètode estàndard és el que s'utilitza aquí: afegir un contraió que formi un sal insoluble amb el metall i, tot seguit, filtrar el sòlid.

La química es basa en la solubilitat. Un sal precipita quan el producte de les seves concentracions iòniques supera el seu producte de solubilitat K_esp; per sota d'aquest valor roman dissolt. El sulfat de plom i el carbonat de coure són tots dos molt poc solubles, de manera que afegir sulfat elimina el plom com a PbSO₄ i l'addició de carbonat elimina el coure com a $\text{CuCO}_3$₃. L'ordre no és arbitrari. El carbonat precipitaria tant el plom com el coure, de manera que si s'afegís primer el carbonat, els dos metalls sortirien junts i no es podrien separar. El sulfat, en canvi, deixa el coure en solució —el sulfat de coure és lliurement soluble—, de manera que primer el sulfat i després el carbonat donen dues fraccions netes.

En aquest laboratori tractareu una mostra de 100 mL d'aigua residual que conté tots dos metalls. Pesareu un paper de filtre, afegireu sulfat de sodi a la mostra i veureu com es forma el sulfat de plom blanc, el filtreu i torneu a pesar el paper per obtenir la massa del precipitat. Després afegireu carbonat de potassi al filtrat, precipitareu el coure com a carbonat de coure de color verd bluós, el filtreu i el torneu a pesar. A partir de les dues masses determinareu quant de plom i quant de coure contenia la mostra original, i avaluareu amb quina completitud s'ha eliminat cadascun.

Objectius educatius

Familiarització amb l'entorn del laboratori

• Localitzar i utilitzar l'equip d'un banc gravimètric: la balança digital i el vidre de rellotge (o recipient de pesada), la espàtula, el cilindre graduat, els tres matrassos Erlenmeyer, l'embut i els papers de filtre.

Ús d'equips de protecció i manipulació segura de metalls pesants

• Porteu guants i protecció ocular en tot moment, i tracteu cada solució d'aquest laboratori com a contaminada.
• Els residus que contenen plom i coure es recullen per a la seva eliminació en lloc d'abocar-les per l'aigüera perquè són metalls pesants tòxics que contaminen greument l'aigua i el sòl, danyen els ecosistemes aquàtics i posen en perill la salut humana i les infraestructures de depuració d'aigües.

Precipitació selectiva

• Trieu un agent precipitant basant-se en quin metall eliminarà i quin no.
• Justifiqueu l'ordre de les dues addicions i predeieu què aniria malament si s'afegís carbonat abans que sulfat.

Tècnica de filtració gravimètrica

• Munteu un embut i un paper de filtre, i humitegeu el paper amb aigua destil·lada perquè s'adhereixi a la paret de l'embut.
• Peseu el paper de filtre abans d'utilitzar-lo i el conjunt de paper més precipitat després, i obteniu la massa de sòlid per diferència.

Tractament quantitatiu dels resultats

• Converteix la massa d'un precipitat en mols utilitzant la massa molar de la sal.
• Utilitzeu la estequiometria 1:1 de cada precipitació per obtenir els mols, i després la massa, del metall que s'havia dissolt en la mostra original.

Avaluar l'efectivitat d'un tractament

• Compareu la massa de precipitat recuperat amb la màxima que la quantitat de reactiu afegida podria produir, i identifiqueu quina espècie era limitant.
• Indiqueu les fonts de pèrdua en una determinació gravimètrica i la direcció en què cadascuna esbiaixa el resultat.

Protocol

Precipitació amb sulfat de sodi.

1. Peseu un paper de filtre i trobeu-ne la massa a la taula de resultats.
2. Mesura 100 ml d'aigües residuals amb el tub d'empeus i aboca la mostra dins del matràs Erlenmeyer 1.
3. Pesar 79,8 g (30 ml) de sulfat de sodi.
4. Aboca el sulfat de sodi al matràs Erlenmeyer 1.
5. Barreja els continguts de l'erlenmeyer 1 i observa el precipitat que es forma al fons del recipient.

El sulfat de sodi té la capacitat de formar un precipitat amb el plom (PbSO4).

6. Col·loca un embut al matràs d'Erlenmeyer 2.
7. Poseu el paper de filtre a l'embut.
8. Enganxa el paper de filtre a la paret de l'embut amb una mica d'aigua destil·lada.
9. Aboca la mescla del matràs d'Erlenmeyer 1 a través del paper de filtre col·locat sobre el matràs d'Erlenmeyer 2 per extreure el precipitat.
10. Deixeu assecar el paper de filtre durant 10 segons, després retireu el conjunt de paper de filtre + precipitat i peseu-lo. La massa es troba a la taula de resultats.
11. Traieu l'embut del matràs d'Erlenmeyer 2.

Precipitació amb carbonat de potassi

1. Pesa 60,75 g (25 ml) de carbonat de potassi.
2. Poseu el carbonat de potassi al matràs Erlenmeyer 2.
3. Barreja el contingut del matràs d'Erlenmeyer 2 i observa el precipitat que es forma al fons del recipient.

El carbonat de potassi té la capacitat de formar un precipitat amb el coure (CuCO3).

4. Col·loca un embut sobre el matràs d'Erlenmeyer 3.
5. Col·loca l'altre paper de filtre a l'embut.
6. Enganxa el paper de filtre a la paret de l'embut amb una mica d'aigua destil·lada.
7. Aboca la barreja del matràs Erlenmeyer 2 a través del paper de filtre col·locat al matràs Erlenmeyer 3 per extreure el precipitat.
8. Deixeu assecar el paper de filtre durant 10 segons, després retireu el conjunt de paper de filtre + precipitat i peseu-lo. La massa es troba a la taula de resultats.

Aquestes 2 reaccions es poden utilitzar per eliminar metalls pesants de les aigües residuals.

Resultats previstos

Les dues precipitacions. Cada metall s'elimina mitjançant una reacció de doble substitució d'un sol pas, i cadascun té una estequiometria 1:1 entre l'ió metàl·lic i la sal que precipita:

Plom²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄₄(s) — un sòlid blanc i dens

Cucu²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃₃(s) — un sòlid verd blau

Mesures esperades. Les dades següents són les que la simulació reporta per a una mostra de 100 mL.

De la massa de precipitat de nou a metall dissolt. Les masses molars són M(PbSO₄) = 303,26 g/mol i M(CuCO₃) = 123.56 g/mol. Per al plom:

n(PbSO₄)₄) = 140,48 g ÷ 303,26 g/mol = 0,463 mol, i perquè un PbSO₄ conté un Pb²⁺, n(Pb²⁺) = 0,463 mol. Per tant, la massa de plom recuperada és de 0,463 mol × 207,2 g/mol = 95,9 g, i la seva concentració a la mostra de 100 mL era de 0,463 mol ÷ 0,100 L = 4,63 mol/L.

Els mateixos tres passos per al coure: n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mol, per tant n(Cu²⁺) = 0,437 mol, una massa de 0,437 mol × 63,55 g/mol = 27,8 g i una concentració de 4,37 mol/L. Aquesta és tota la lògica de l'anàlisi gravimètrica: una quantitat que no es pot pesar — un ion en solució — es mesura capturant-lo en un sòlid de composició coneguda i pesant aquest en lloc seu.

Quin reactiu era el limitant. Val la pena comprovar-ho, perquè t'indica si l'eliminació ha estat completa. La quantitat de sulfat de sodi afegit equival a 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mol de sulfat, enfront de 0,463 mol de plom: el sulfat està en excés en uns 20 molar. per tant, essencialment tot el plom es precipita i el resultat de plom es veu limitat pel plom present, tal com s'havia previst. El carbonat de potassi afegit equival a 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol de carbonat, enfront de 0,437 mol de coure recuperat — gairebé exactament estequiomètric. Per tant, l'etapa del coure no té cap marge: una petita manca de carbonat deixaria coure enrere, i qualsevol carbonat consumit per una altra reacció es veuria directament com un resultat baix.

El que hauríeu de veure pel camí. La mostra no tractada és blavosa, el color del Cu hidratat²⁺; el plom(II) en solució és incolor i no hi contribueix gens. Precipitar el plom, per tant, fa que el filtrat continuï sent blau — el color no és el plom. Només després de la fase del carbonat, quan el coure s'ha extret com a sòlid, l'aigua surt clara. Aquesta progressió és en si mateixa l'evidència qualitativa que el segon tractament va fer el que el primer no podia.

Per què l'ordre importa, expressat numèricament. El carbonat de plom és encara menys soluble que el sulfat de plom, de manera que el carbonat afegit a la mostra original precipitaria ambdós metalls alhora i les dues masses mai no es podrien separar. Afegir primer el sulfat aprofita l'única diferència que importa aquí: PbSO₄ és poc soluble mentre que el CuSO₄ és molt soluble, de manera que l'etapa de sulfat és selectiva pel plom. Aquest és el principi que subjau a tot esquema de precipitació selectiva en química analítica: trobar un reactiu els productes de solubilitat dels quals difereixin prou entre els dos ions per separar-los.

Resum de tasques per rang de qualificació

De 9è a 10è grau

• Enfocament precipitació com a manera d'eliminar una substància dissolta, i pesatge per diferència.
• Activitats: Pes cada paper de filtre abans d'utilitzar-lo; realitza ambdós precipitacions i descriu el color i l'aspecte de cada sòlid; filtra i pesa, i obtén la massa de cada precipitat per subtracció; descriu com canvia el color de l'aigua en cada etapa i diu què indica.

11è curs

• Enfocament l'enllaç quantitatiu entre un sòlid pesat i un ion dissolt.
• Activitats: Escriu i equilibra ambdues equacions de precipitació, en forma molecular i en forma iònica neta; converteix cada massa de precipitat a mols i després a massa i concentració del metall de la mostra original; determina quin reactiu va sobrar en cada pas; explica per què s'ha d'afegir el sulfat de sodi abans del carbonat de potassi.

12è curs / Nivell universitari

• Enfocament precipitació selectiva, equilibris de solubilitat i anàlisi d'errors.
• Activitats: expressar cada precipitació en termes de K_esp i calcular la concentració residual de metall que queda a la solució un cop completada la precipitació; explicar quantitativament per què no es pot utilitzar el carbonat per separar el plom del coure; discutir la conseqüència que l'etapa del coure sigui gairebé exactament estequiomètrica, i especificar quanta quantitat de carbonat afegiríeu per garantir l'eliminació completa; comparar les concentracions obtingudes aquí amb els límits reguladors de plom i coure en aigües abocades i comentar la diferència d'escala.

Equipament de laboratori

Instruments

• Balança digital
• Nau de pesada
• Espàtula
• Barra de vidre
• Emmbutxacador
• Paper de filtre ×2
• Erlenmeyers de 250 mL × 3
• Cilindre graduat (100 mL)
• Pisseta d'aigua destil·lada
• Guants i protecció ocular

Productes

• Aigües residuals que contenen Pb²⁺ i Cu²⁺ (mostra de 100 mL)
• Sulfat de sodi, Na₂SO₄ (polvor, 79,8 g / 30 mL utilitzats)
• Carbonat de potassi, K₂CO₃ (polvor, 60,75 g / 25 mL utilitzats)
• Aigua destil·lada