014 – Estrazione di metalli pesanti

Il piombo e il rame raggiungono le acque reflue a causa della corrosione delle tubazioni, dei bagni di decapaggio e galvanica esauriti e dello smaltimento negligente di vernici e solventi. Nessun elemento viene distrutto dalla diluizione o dal trattamento biologico ed entrambi sono tossici a basse concentrazioni; motivo per cui gli impianti di trattamento municipali e industriali rimuovono i metalli disciolti chimicamente prima che l'acqua venga scaricata. Il metodo standard è quello qui utilizzato: aggiungere un controione che forma un sale insolubile con il metallo, per poi filtrare il solido.

La chimica si basa sulla solubilità. Un sale precipita quando il prodotto delle concentrazioni dei suoi ioni supera il suo prodotto di solubilità K_SP; al di sotto di tale valore rimane disciolto. Sia il solfato di piombo che il carbonato di rame sono molto poco solubili, quindi l'aggiunta di solfato rimuove il piombo come PbSO₄ e l'aggiunta di carbonato rimuove il rame come CuCO3₃. L'ordine non è arbitrario. Il carbonato precipiterebbe sia il piombo che il rame, quindi se venisse aggiunto per primo i due metalli verrebbero giù insieme e non potrebbero essere separati. Il solfato, al contrario, lascia il rame in soluzione — il solfato di rame è liberamente solubile — quindi prima il solfato e poi il carbonato danno due frazioni ben distinte.

In questo laboratorio tratterete un campione da 100 mL di acqua reflua contenente entrambi i metalli. Peserete una carta da filtro, aggiungerete solfato di sodio al campione e osserverete la formazione del solfato di piombo bianco, lo filtrerete e peserete nuovamente la carta per ottenere la massa del precipitato. Aggiungerete poi carbonato di potassio al filtrato, precipiterete il rame come carbonato di rame verde-azzurro, filtrerete e peserete di nuovo. Dalle due masse risalirete alla quantità di piombo e di rame contenuta nel campione originale e valuterete con quale completezza ciascuno è stato rimosso.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Individuare e utilizzare le attrezzature di un banco gravimetrico: la bilancia digitale e la capsula di pesata, la spatola, il cilindro graduato, le tre beute Erlenmeyer, l'imbuto e i filtri di carta.

Uso di dispositivi di protezione e manipolazione sicura dei metalli pesanti

• Indossare guanti e protezione per gli occhi per tutta la durata e trattare ogni soluzione in questo laboratorio come contaminata.
• I rifiuti contenenti piombo e rame vengono raccolti per lo smaltimento anziché essere versati nello scarico perché sono metalli pesanti tossici che inquinano le falde acquifere, danneggiano gli ecosistemi acquatici e persistono nell'ambiente, oltre a corrodere le tubature e ostacolare i processi biologici negli impianti di depurazione delle acque reflue.

Precipitazione selettiva

• Scegli un agente precipitante in base al metallo che rimuoverà e a quello che non rimuoverà.
• Giustificare l'ordine delle due aggiunte e prevedere cosa andrebbe storto se il carbonato venisse aggiunto prima del solfato.

Tecnica di filtrazione gravimetrica

• Assemblare un imbuto e della carta da filtro, bagnando la carta con acqua distillata in modo che aderisca alle pareti dell'imbuto.
• Pesare la carta da filtro prima dell'uso e la carta con il precipitato in seguito, e ricavare la massa del solido per differenza.

Trattamento quantitativo dei risultati

• Convertire la massa di un precipitato in moli usando la massa molare del sale.
• Usa la stechiometria 1:1 di ciascuna precipitazione per ottenere le moli, e quindi la massa, del metallo che è stato sciolto nel campione originale.

Valutazione dell'efficacia di un trattamento

• Confronta la massa di precipitato recuperato con la quantità massima che la quantità di reagente aggiunta potrebbe produrre, e identifica quale specie era limitante.
• Indica le fonti di errore in una determinazione gravimetrica e la direzione in cui ciascuna di esse distorce il risultato.

Protocollo

Precipitazione con solfato di sodio.

1. Pesare una carta da filtro e trovare la sua massa nella tabella dei risultati.
2. Misurare 100 mL di acque reflue con il cilindro graduato e versare il campione nella beuta 1.
3. Pesare 79,8 g (30 mL) di solfato di sodio.
4. Versare il solfato di sodio nel pallone di Erlenmeyer 1.
5. Mescolare il contenuto del pallone di Erlenmeyer 1 e osservare il precipitato che si forma sul fondo del contenitore.

Il solfato di sodio ha la capacità di formare un precipitato con il piombo (PbSO4).

6. Posiziona un imbuto sul pallone aErlenmeyer 2.
7. Posizionare la carta da filtro nell'imbuto.
8. Incolla la carta da filtro alla parete dell'imbuto con un po' di acqua distillata.
9. Versare la miscela dall'erlenmeyer 1 attraverso la carta da filtro posta sull'erlenmeyer 2 per estrarre il precipitato.
10. Lasciare asciugare la carta da filtro per 10 secondi, quindi rimuovere l'insieme carta da filtro + precipitato e pesarlo. La massa si trova nella tabella dei risultati.
11. Rimuovi l'imbuto dal matraccio di Erlenmeyer 2.

Precipitazione con carbonato di potassio

1. Pesare 60,75 g (25 mL) di carbonato di potassio.
2. Versare il carbonato di potassio nel matraccio di Erlenmeyer 2.
3. Mescolare il contenuto della beuta 2 e osservare il precipitato che si forma sul fondo del recipiente.

Il carbonato di potassio ha la capacità di formare un precipitato con il rame (CuCO3).

4. Posizionare un imbuto sul matraccio 3.
5. Posiziona l'altro cono filtro nell'imbuto.
6. Incolla la carta da filtro alla parete dell'imbuto con un po' di acqua distillata.
7. Versare la miscela dal pallone Erlenmeyer 2 attraverso la carta da filtro posta sul pallone Erlenmeyer 3 per estrarre il precipitato.
8. Lasciare asciugare la carta da filtro per 10 secondi, quindi rimuovere l'insieme carta da filtro + precipitato e pesarlo. La massa si trova nella tabella dei risultati.

Queste 2 reazioni possono essere utilizzate per rimuovere metalli pesanti dalle acque reflue.

Risultati Previsti

Le due precipitazioni. Ciascun metallo viene rimosso da una reazione di doppio scambio in un'unica fase e ciascuno presenta una stechiometria 1:1 tra lo ione metallico e il sale che precipita:

Piombo²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄₄(s) — un solido bianco denso

Rame²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃₃(s) — un solido blu-verde

Misure previste. Le cifre seguenti sono quelle riportate dalla simulazione per un campione da 100 mL.

Dalla massa del precipito al metallo sciolto. Le masse molari sono M(PbSO₄) = 303.26 g/mol e M(CuCO₃) = 123.56 g/mol. Per il piombo:

n(PbSO₄)₄) = 140,48 g ÷ 303,26 g/mol = 0,463 mol, e poiché un PbSO₄ contiene un Pb²⁺, n(Pb²⁺) = 0,463 mol. La massa di piombo recuperata è quindi 0,463 mol × 207,2 g/mol = 95,9 g, e la sua concentrazione nel campione da 100 mL era 0,463 mol ÷ 0,100 L = 4,63 mol/L.

Gli stessi tre passaggi per il rame: n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mol, quindi n(Cu²⁺) = 0,437 mol, una massa di 0,437 mol × 63,55 g/mol = 27,8 g e una concentrazione di 4,37 mol/L. Questa è l'intera logica dell'analisi gravimetrica: una quantità che non può essere pesata — uno ione in soluzione — viene misurata catturandolo in un solido di composizione nota e pesando quest'ultimo.

Quale reagente era limitante?. Vale la pena controllare, perché così si capisce se la rimozione è stata completa. Il solfato di sodio aggiunto ammonta a 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mol di solfato, a fronte di 0,463 mol di piombo: il solfato è in eccesso di circa 20 %, quindi, in sostanza, tutto il piombo è precipitato e il risultato relativo al piombo è limitato dal piombo presente, come previsto. Il carbonato di potassio aggiunto ammonta a 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol di carbonato, a fronte di 0,437 mol di rame recuperato — quasi esattamente stechiometrico. La fase relativa al rame non presenta quindi alcun margine: una piccola carenza di carbonato lascerebbe del rame non precipitato, e qualsiasi carbonato consumato da un’altra reazione si tradurrebbe direttamente in un risultato basso.

Cosa dovresti vedere lungo il percorso. Il campione non trattato è bluastro, il colore del Cu idratato²⁺; il piombo(II) in soluzione è incolore e non contribuisce a nulla. La precipitazione del piombo lascia quindi il filtrato ancora blu — il colore non è dovuto al piombo. Solo dopo la fase del carbonato, quando il rame è stato rimosso come solido, l'acqua diventa limpida. Questa progressione è di per sé la prova qualitativa che il secondo trattamento ha fatto ciò che il primo non poteva fare.

Perché l'ordine è importante, espresso numericamente. Il carbonato di piombo è ancora meno solubile del solfato di piombo, quindi il carbonato aggiunto al campione originale farebbe precipitare entrambi i metalli insieme e le due masse non potrebbero mai essere separate. Aggiungere prima il solfato sfrutta l'unica differenza che conta qui: PbSO₄ è scarsamente solubile mentre CuSO₄ è molto solubile, quindi la fase del solfato è selettiva per il piombo. Questo è il principio alla base di ogni schema di precipitazione selettiva nella chimica analitica: trovare un reagente i cui prodotti di solubilità differiscano abbastanza tra i due ioni da separarli.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: precipitazione come metodo per rimuovere una sostanza disciolta e pesata per differenza.
• Attività: pesare ciascuna carta da filtro prima dell'uso; eseguire entrambe le precipitazioni e descrivere il colore e l'aspetto di ciascun solido; filtrare e pesare, e ottenere la massa di ciascun precipitato per sottrazione; descrivere come cambia il colore dell'acqua in ogni fase e dire cosa indica.

Undicesimo anno

• Concentrazione: il legame quantitativo tra un solido pesato e uno ione disciolto.
• Attività: Scrivi e bilancia entrambe le equazioni di precipitazione, in forma molecolare e ionica netta; converti la massa di ciascun precipitato in moli e poi nella massa e nella concentrazione del metallo nel campione originale; determina quale reagente era in eccesso in ogni passaggio; spiega perché il solfato di sodio deve essere aggiunto prima del carbonato di potassio.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: precipitazione selettiva, equilibri di solubilità e analisi degli errori.
• Attività: esprimi ciascuna precipitazione in termini di K_SP e calcolare la concentrazione di metallo residuo rimasta in soluzione una volta completata la precipitazione; spiegare quantitativamente perché il carbonato non può essere utilizzato per separare il piombo dal rame; discutere la conseguenza del fatto che la fase del rame sia quasi esattamente stchiometrica e specificare quanto carbonato si aggiungerebbe per garantire la rimozione completa; confrontare le concentrazioni qui ottenute con i limiti normativi per il piombo e il rame nelle acque di scarico e commentare la differenza di scala.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Bilancia digitale
• Navicella di pesata
• Spatola
• Bastoncino di vetro
• Imbuto
• Filtri di carta ×2
• Bevute da 250 mL ×3
• Cilindro graduato (100 mL)
• Spruzzetta di acqua distillata
• Guanti e protezione per gli occhi

Prodotti

• Acque reflue contenenti Pb²⁺ e Cu²⁺ (campione da 100 mL)
• Solfato di sodio, Na₂Sì₄ (polvere, 79,8 g / 30 mL utilizzati)
• Carbonato di potassio, K₂CO₃ (polvere, 60,75 g / 25 mL usati)
• Acqua distillata