014 – Extrakce těžkých kovů

Olovo a měď se dostávají do odpadních vod z koroze potrubí, z použitých galvanických a leptacích lázní a z nešetrné likvidace barev a rozpouštědel. Ani jeden prvek není zničen zředěním ani biologickým čištěním a oba jsou toxické v nízkých koncentracích – proto městské a průmyslové čistírny odstraňují rozpuštěné kovy chemicky před vypuštěním vody. Standardní metodou je ta, která se používá zde: přidání protiontu, který s kovem tvoří nerozpustnou sůl, a následné odfiltrování pevné látky.

Chemie je založena na rozpustnosti. Sůl se srazí, když součin koncentrací jejích iontů překročí součin její rozpustnosti K._sp; pod tuto hodnotu zůstává rozpuštěný. Síran olovnatý a uhličitan měďnatý jsou oba velmi málo rozpustné, takže přidání síranu odstraní olovo jako PbSO₄ a přidáním uhličitanu se odstraní měď jako CuCO₃₃. Porřadí není libovolné. Uhličitan by srazil olovo i měď, takže pokud by byl uhličitan přidán jako první, oba kovy by se vyloučily společně a nešlo by je oddělit. Síran naproti tomu ponechává měď v roztoku — síran měďnatý je volně rozpustný —, takže síran jako první a uhličitan jako druhý poskytují dvě čisté frakce.

V této laboratoři zpracujete 100ml vzorek odpadní vody obsahující oba kovy. Zvážíte filtrační papír, do vzorku přidáte síran sodný a budete sledovat, jak se tvoří síran olovnatý, zfiltrujete ho a papír znovu zvážíte, abyste získali hmotnost sraženiny. Poté k filtrátu přidáte uhličitan draselný, srazíte měď jako modrozelený uhličitan měďnatý, zfiltrujete a opět zvážíte. Z obou hmotností zpětně spočítáte, kolik olova a kolik mědi původní vzorek obsahoval, a posoudíte, jak úplně byl každý z nich odstraněn.

Vzdělávací cíle

Seznámení s laboratorním prostředím

• Vyhledejte a použijte vybavení gravimetrického stolu: digitální váhy a lodičku na vážení, lžičku (špachtli), odměrný válec, tři Erlenmeyerovy baňky, nálevku a filtrační papíry.

Použití ochranných prostředků a bezpečná manipulace s těžkými kovy

• Po celou dobu používejte rukavice a ochranu očí a s každým roztokem v této laboratoři zacházejte jako s kontaminovaným.
• Vysvětlete, proč se odpad obsahující olovo a měď sbírá k likvidaci, místo aby se vyléval do kanalizace.

Selektivní srážení

• Zvolte srážedfulé činidlo na základě toho, který kov odstraní a který neodstraní.
• Zdůvodněte pořadí těchto dvou přídavků a předpovězte, co by se stalo špatně, kdyby byl uhličitan přidán před síranem.

Gravimetrická filtrační technika

• Sestavte nálevku a filtrační papír a navlhčete papír destilovanou vodou tak, aby přilnul ke stěně nálevky.
• Zvažte filtrační papír před použitím a papír se sraženinou po něm a získejte hmotnost pevné látky rozdílem.

Kvantitativní zpracování výsledků

• Převeďte hmotnost sraženiny na moly pomocí molární hmotnosti soli.
• Využijte stechiometrický poměr 1:1 pro každou srážku k výpočtu počtu molů a následně hmotnosti kovu, který byl rozpuštěn v původním vzorku.

Hodnocení účinnosti léčby

• Porovnejte hmotnost získané sraženiny s maximálním množstvím, které by bylo možné získat při přidání daného množství činidla, a určete, která látka byla limitujícím faktorem.
• Uveďte zdroje ztrát při gravimetrickém stanovení a směr, kterým každý z nich zkresluje výsledek.

Protokol

Srážení síranem sodným.

1. Zvažte filtrační papír a zapište jeho hmotnost do tabulky výsledků.
2. Odeberte 100 ml odpadní vody pomocí odměrného válce a nalijte vzorek do Erlenmeyerovy baňky 1.
3. Naváž.
4. Nasyťte síran sodný do Erlenmeyerovy baňky 1.
5. Smíchejte obsah Erlenmeyerovy baňky 1 a pozorujte sraženinu, která se tvoří na dně nádoby.

Síran sodný má schopnost vytvářet s olovem sraženinu (PbSO4).

6. Položte nálevku na Erlenmeyerovu baňku 2.
7. Vložte filtrační papír do nálevky.
8. Přilepte filtrační papír k povrchu nálevky pomocí malého množství destilované vody.
9. Směs z Erlenmeyerovy baňky 1 nalijte přes filtrační papír umístěný na Erlenmeyerově baňce 2, abyste extrahovali sraženinu.
10. Nechte filtrační papír sušit 10 sekund, poté vyjměte sestavu filtračního papíru a sraženiny a zvažte ji. Hmotnost naleznete v tabulce výsledků.
11. Vyjměte nálevku z Erlenmeyerovy baňky 2.

Srážení uhličitanem draselným

1. Navážte 60,75 g (25 ml) uhličitanu draselného.
2. Vložte uhličitan draselný do Erlenmeyerovy baňky 2.
3. Smíchejte obsah Erlenmeyerovy baňky 2 a pozorujte sraženinu, která se tvoří na dně nádoby.

Uhličitan draselný má schopnost tvořit s mědí (CuCO3) sraženinu.

4. Položte nálevku na Erlenmeyerovu baňku 3.
5. Vložte druhý filtrační papír do nálevky.
6. Přilepte filtrační papír k povrchu nálevky pomocí malého množství destilované vody.
7. Směs z Erlenmeyerovy baňky 2 přelijte přes filtrační papír umístěný na Erlenmeyerově baňce 3, abyste extrahovali sraženinu.
8. Nechte filtrační papír sušit 10 sekund, poté vyjměte sestavu filtračního papíru a sraženiny a zvažte ji. Hmotnost naleznete v tabulce výsledků.

Tyto 2 reakce lze použít k odstranění těžkých kovů z odpadní vody.

Předvídané výsledky

Tyto dvě srážky. Každý kov se odstraňuje jednokrokovou reakcí dvojitého nahrazení a u každé z nich platí stechiometrický poměr 1:1 mezi kovovým iontem a sraženinou:

Olovo²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) — hustá bílá pevná látka

Cu²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃₃(s) — modrozelená pevná látka

Očekávané naměřené hodnoty. Níže uvedené hodnoty jsou výsledky simulace pro vzorek o objemu 100 ml.

Od hmotnosti sraženiny zpět k rozpuštěnému kovu. Molární hmotnosti jsou M(PbSO₄) = 303,26 g/mol a M(CuCO₃) = 123,56 g/mol. Pro olovo:

n(PbSO₄₄) = 140,48 g ÷ 303,26 g/mol = 0,463 mol, a protože jeden PbSO₄ obsahuje jedno Pb²⁺, n(Pb²⁺) = 0,463 mol. Hmotnost získaného olova je tedy 0,463 mol × 207,2 g/mol = 95,9 g a jeho koncentrace v 100ml vzorku byla 0,463 mol ÷ 0,100 L = 4,63 mol/L.

Stejné tři kroky pro měď: n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mol, takže n(Cu²⁺) = 0,437 mol, hmotnost 0,437 mol × 63,55 g/mol = 27,8 g a koncentraci 4,37 mol/l. V tom spočívá celá podstata gravimetrické analýzy: množství, které nelze zvážit – iont v roztoku – se změří tak, že se zachytí v pevné látce o známém složení, která se místo toho zváží.

Které reagencie byla limitující?. Stojí za to to zkontrolovat, protože tak zjistíte, zda bylo odstranění úplné. Přidaný síran sodný představuje 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mol síranu oproti 0,463 mol olova: síran je v přebytku asi o 20 %, takže v podstatě veškeré olovo je vysráženo a výsledek pro olovo je omezen přítomným množstvím olova, jak bylo zamýšleno. Přidaný uhličitan draselný činí 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol uhličitanu, oproti 0,437 mol získané mědi — téměř přesně stechiometrické. Fáze s mědí tedy nemá žádnou rezervu: malý nedostatek uhličitanu by způsobil, že by se měď nezreagovala, a jakýkoli uhličitan spotřebovaný jinou reakcí by se přímo projevil jako nízký výsledek.

Co byste měli cestou vidět. Nezpracovaný vzorek je modravý, má barvu hydratovaného Cu²⁺; olověnaté ionty v roztoku jsou bezbarvé a ničím nepřispívají. Vysrážením olova tak filtrát zůstává stále modrý — barva není způsobena olovem. Teprve po kroku s uhličitanem, kdy se měď odstranila jako pevná látka, voda zprůhlední. Tento vývoj sám o sobě je kvalitativním důkazem, že druhé ošetření dokázalo to, co první nedokázalo.

Proč na pořadí záleží, vyjádřeno číselně. Uhličitan olovnatý je ještě méně rozpustný než síran olovnatý, takže uhličitan přidaný do původního vzorku by vyloučil oba kovy společně a tyto dvě hmotnosti by nebylo možné nikdy oddělit. Přidání síranu jako prvního využívá jediný rozdíl, na kterém zde záleží: PbSO₄ je málo rozpustný, zatímco CuSO₄ je velmi rozpustný, takže krok se síranem je pro olovo selektivní. To je princip každého schématu selektivního srážení v analytické chemii – najít činidlo, jehož součiny rozpustnosti se mezi oběma ionty dostatečně liší, aby je bylo možné oddělit.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Zaměření srážení jako způsob odstranění rozpuštěné látky a vážení nadváhou.
• Aktivity: Zvažte každý filtrační papír před použitím; proveďte obě srážení a popište barvu a vzhled každé sraženiny; zfiltrujte, zvažte a získejte hmotnost každé sraženiny odečtením; popište, jak se mění barva vody v každé fázi, a uveďte, co to indikuje.

11. ročník

• Zaměření kvantitativní vazba mezi zváženou pevnou látkou a rozpuštěným iontem.
• Aktivity: Napište a vyvažte obě srážecí rovnice v molekulární a čisté iontové formě; převeďte hmotnost každé sraženiny na moly a poté na hmotnost a koncentraci kovu v původním vzorku; určete, které činidlo bylo v každém kroku v přebytku; vysvětlete, proč je nutné přidat síran sodný před uhličitanem draselným.

12. ročník / Úroveň college

• Zaměření selektivní srážení, rovnováhy rozpustnosti a analýza chyb.
• Aktivity: vyjádřete každou srážku v závislosti na K_sp a vypočítejte koncentraci zbytkového kovu v roztoku po dokončení srážení; kvantitativně vysvětlete, proč nelze uhličitan použít k oddělení olova od mědi; diskutujte o důsledku toho, že krok s mědí je téměř přesně stoichiometrický, a uveďte, kolik uhličitanu byste přidali, abyste zaručili úplné odstranění; porovnejte zde získané koncentrace s regulatorními limity pro olovo a měď v odpadních vodách a komentujte rozdíl v měřítku.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Digitální rovnováha
• Vážicí lodička
• Obracečka
• Skleněná tyč
• Trychtýř
• Filtrační papíry ×2
• Erlenmeyerovy baňky 250 mL ×3
• Odměrný válec (100 ml)
• Promývací láhev s destilovanou vodou
• Rukavice a ochrana očí

Produkty

• Odpadní voda obsahující Pb²⁺ a Cu²⁺ (100ml vzorek)
• Síran sodný, Na₂automóvil₄ (prášek, 79,8 g / použitých 30 ml)
• Uhličitan draselný, K₂CO₃ (prášek, použito 60,75 g / 25 ml)
• Deminerializovaná voda