014 – Ekstrakcja metali ciężkich

Ołów i miedź trafiają do ścieków z korodujących rurociągów, ze zużytych kąpieli galwanicznych i trawiennych oraz w wyniku niedbałej utylizacji farb i rozpuszczalników. Żaden z tych pierwiastków nie ulega zniszczeniu w wyniku rozcieńczenia ani oczyszczania biologicznego, a oba są toksyczne w niskich stężeniach – dlatego komunalne i przemysłowe oczyszczalnie usuwają rozpuszczone metale chemicznie przed odprowadzeniem wody. Standardową metodą jest ta zastosowana tutaj: dodanie przeciwjonu, który tworzy z metalem sól nierozpuszczalną, a następnie odfiltrowanie substancji stałej.

Chemia opiera się na rozpuszczalności. Sól wytrąca się, gdy iloczyn stężeń jej jonów przekracza jej iloczyn rozpuszczalności K_sp; poniżej tej wartości pozostaje rozpuszczony. Zarówno siarczan ołowiu(II), jak i węglan miedzi są bardzo trudno rozpuszczalne, więc dodanie siarczanu usuwa ołów w postaci PbSO₄ a dodanie węglanu usuwa miedź jako CuCO3₃. Kolejność nie jest przypadkowa. Węglan strąciłby zarówno ołów, jak i miedź, więc gdyby węglan dodano jako pierwszy, oba metaly wytrąciłyby się razem i nie można byłoby ich rozdzielić. Siarczan natomiast pozostawia miedź w roztworze — siarczan miedzi jest łatwo rozpuszczalny — więc najpierw siarczan, a potem węglan daje dwie czyste frakcje.

W tym laboratorium poddasz obróbce próbkę ścieków o objętości 100 mL zawierającą oba metale. Zważysz bibułę filtracyjną, dodasz siarczan sodu do próbki i zaobserwujesz powstawanie białego siarczanu ołowiu, odsączysz go i ponownie zważysz bibułę, aby uzyskać masę osadu. Następnie dodasz węglan potasu do przesączu, strącisz miedź w postaci niebiesko-zielonego węglanu miedzi, odsączysz i znowu zważysz. Na podstawie obu mas obliczysz, ile ołowiu i ile miedzi zawierała pierwotna próbka, oraz ocenisz, jak całkowicie usunięto każdy z tych pierwiastków.

Cele edukacyjne

Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym

• Znajdź i użyj sprzętu z ławy grawimetrycznej: wagi cyfrowej i naczynka wagowego, spatuły, cylindra miarowego, trzech kolb Erlenmeyera, lejka oraz bibuły filtracyjnej.

Stosowanie środków ochrony indywidualnej oraz bezpieczne postępowanie z ciężkimi metalami

• Przez cały czas noszenie rękawic i okularów ochronnych jest obowiązkowe, a każdy roztwór w tym laboratorium należy traktować jako skażony.
• Odpadów zawierających ołów i miedź nie wylewa się do odpływu, lecz zbiera do utylizacji, ponieważ metale ciężkie są niezwykle toksyczne dla środowiska wodnego i dzikiej przyrody, nie ulegają biodegradacji oraz mogą kumulować się w organizmach żywych. Wprowadzenie ich do kanalizacji prowadzi do skażenia wód gruntowych i zbiorników wodnych, co zagraża zdrowiu ludzi, a także zakłóca procesy biologiczne w oczyszczalniach ścieków. Ponadto substancje te mogą niszczyć rury i infrastrukturalne urządzenia wodne.

Wtrącanie selektywne

• Wybierz środek strącający na podstawie tego, które metale usunie, a których nie.
• Uzasadnij kolejność obu dodatków i przewidź, co poszłoby nie tak, gdyby węglan dodano przed siarczanem.

Technika filtracji grawimetrycznej

• Złóż lejek i bibułę filtracyjną, zwilżając bibułę wodą destylowaną tak, aby przylegała do ścianki lejka.
• Zważyć bibułkę filtracyjną przed użyciem, a bibułkę wraz z osadem po zakończeniu, a następnie wyznaczyć masę substancji stałej przez różnicę.

Ilościowa analiza wyników

• Przelicz masę osadu na mole za pomocą masy molowej soli.
• Użyj stechiometrii 1:1 każdego strącania, aby wyznaczyć liczbę moli, a następnie masę metalu, który został rozpuszczony w oryginalnej próbce.

Ocena skuteczności leczenia

• Porównaj masę odzyskanego osadu z maksymalną ilością, jaką mogłaby wyprodukować dodana ilość odczynnika, i określ, która substancja była czynnikiem ograniczającym.
• Wymień źródła strat w oznaczaniu grawimetrycznym oraz kierunek, w jakim każde z nich zniekształca wynik.

Protokół

Wydzielanie strątu z siarczanem sodu.

1. Zważ bibułkę filtracyjną i odczytaj jej masę z tabeli wyników.
2. Odmierzyć 100 ml ścieków cylindrem miarowym i przelać próbkę do kolby stożkowej 1.
3. Odmierz 79,8 g (30 ml) siarczanu sodu.
4. Wsyp siarczan sodu do kolby stożkowej 1.
5. Wymieszaj zawartość kolby stożkowej 1 i zaobserwuj osad tworzący się na dnie naczynia.

Siarczan sodu ma zdolność tworzenia osadu z ołowiem (PbSO₄).

6. Umieść lejek na kolbie stożkowej 2.
7. Umieść bibułę filtracyjną w lejku.
8. Przyklej bibułę filtracyjną do ścianki lejka za pomocą niewielkiej ilości wody destylowanej.
9. Przelej mieszaninę z kolby stożkowej 1 przez bibułę filtracyjną umieszczoną nad kolbą stożkową 2, aby oddzielić osad.
10. Pozostaw bibułę filtracyjną do wyschnięcia na 10 sekund, następnie wyjmij zespół bibuły filtracyjnej i osadu i zważ go. Masę znajdziesz w tabeli wyników.
11. Wyjmij lejek z kolby stożkowej 2.

Zasypywanie węglanem potasu

1. Odmierzyć 60,75 g (25 ml) węglanu potasu.
2. Umieść węglan potasu w kolbie stożkowej numer 2.
3. Zmieszaj zawartość kolby stożkowej 2 i zaobserwuj osad tworzący się na dnie naczynia.

Węglan potasu ma zdolność do tworzenia osadu z miedzią (CuCO3).

4. Umieść lejek na kolbie stożkowej 3.
5. Umieść drugi papier filtracyjny w lejku.
6. Przyklej bibułę filtracyjną do ścianki lejka za pomocą niewielkiej ilości wody destylowanej.
7. Wlać mieszaninę z kolby Erlenmeyera nr 2 przez bibułę filtracyjną umieszczoną na kolbie Erlenmeyera nr 3 w celu oddzielenia osadu.
8. Pozostaw bibułę filtracyjną do wyschnięcia na 10 sekund, następnie wyjmij zespół bibuły filtracyjnej i osadu i zważ go. Masę znajdziesz w tabeli wyników.

Te 2 reakcje można wykorzystać do usuwania metali ciężkich ze ścieków.

Przewidywane wyniki

Dwa opady. Każdy metal jest usuwany w jednostopniowej reakcji podwójnej wymiany, a każdy z nich ma stechiometrię 1:1 między jonem metalu a strącającą się solą:

Ołów²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) — gęsta biała substancja stała

Cu²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃(s) — niebiesko-zielona substancja stała

Oczekiwane pomiary. Poniższe dane to te, które symulacja raportuje dla próbki o objętości 100 mL.

Od masy osadu z powrotem do rozpuszczonego metalu. Masy molowe wynoszą M(PbSO₄) = 303,26 g/mol i M(CuCO₃) = 123.56 g/mol. Dla ołowiu:

n(PbSO₄₄) = 140.48 g ÷ 303.26 g/mol = 0.463 mol, ponieważ jeden PbSO₄ zawiera jeden Pb²⁺, n(Pb²⁺) wynosi również 0,463 mol. Masa odzyskanego ołowiu wynosi zatem 0,463 mol × 207,2 g/mol = 95,9 g, a jego stężenie w próbce o pojemności 100 ml wynosiło 0,463 mol ÷ 0,100 l = 4,63 mol/l.

Te same trzy kroki dla miedzi: n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mola, więc n(Cu²⁺) = 0,437 mola, masę 0,437 mol × 63,55 g/mol = 27,8 g oraz stężenie 4,37 mol/L. Na tym polega cała logika analizy grawimetrycznej: ilość, której nie można zważyć — jon w roztworze — mierzy się poprzez ujęcie go w ciało stałe o znanym składzie i zważenie go zamiast tego.

Który odczynnik był ograniczający?. Warto to sprawdzić, bo dzięki temu dowiesz się, czy usunięcie przebiegło całkowicie. Dodana siarczan sodu odpowiada 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mola siarczanu, przy 0,463 mola ołowiu: siarczan występuje w nadmiarze wynoszącym około 20 %, więc zasadniczo cały ołów został wytrącony, a wynik dotyczący ołowiu jest ograniczony przez ilość obecnego ołowiu, zgodnie z zamierzeniami. Dodany węglan potasu wynosi 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mola węglanu, przy 0,437 mola odzyskanej miedzi — prawie dokładnie stechiometrycznie. Etap dotyczący miedzi nie ma zatem żadnego marginesu: niewielki niedobór węglanu spowodowałby pozostawienie miedzi, a każdy węglan zużyty w innej reakcji przełożyłby się bezpośrednio na niski wynik.

Co powinieneś zobaczyć po drodze. Nietraktowana próbka jest niebieskawa, ma kolor uwodnionego Cu²⁺; ołów(II) w roztworze jest bezbarwny i nic nie wnosi. Wytrącenia ołowiu pozostawia zatem filtrat wciąż niebieski – barwa nie pochodzi od ołowiu. Dopiero po etapie węglanowym, gdy miedź została usunięta w postaci ciała stałego, woda staje się czysta. Ten postęp sam w sobie jest dowodem jakościowym na to, że drugi zabieg dokonał tego, czego pierwszy nie mógł.

Dlaczego kolejność ma znaczenie, przedstawione numerycznie. Węglan ołowiu jest jeszcze mniej rozpuszczalny niż siarczan ołowiu, więc węglan dodany do oryginalnej próby wytrąciłby oba metale razem i obu mas nigdy nie udałoby się rozdzielić. Dodanie najpierw siarczanu wykorzystuje tę jedną różnicę, która ma tutaj znaczenie: PbSO₄ jest słabo rozpuszczalny, podczas gdy CuSO₄ jest bardzo dobrze rozpuszczalny, więc etap z siarczanem jest selektywny względem ołowiu. Jest to zasada stojąca za każdym schematem precypitacji selektywnej w chemii analitycznej — znaleźć odczynnik, którego iloczyny rozpuszczalności różnią się wystarczająco między obydwoma jonami, aby je rozdzielić.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

• Skupienie: trącanie jako sposób usuwania rozpuszczonej substancji oraz ważenie przez różnicę.
• Aktywności: zważyć każdy papier filtracyjny przed użyciem; przeprowadzić oba strącenia i opisać kolor oraz wygląd każdego ciała stałego; odsączyć i zważyć, a masę każdego osadu uzyskać poprzez odjęcie; opisać, jak zmienia się kolor wody na każdym etapie i określić, co to oznacza.

Klasa 11

• Skupienie: ilościowy związek między ważoną substancją stałą a rozpuszczonym jonem.
• Aktywności: Napisz i zbilansuj oba równania strąceniowe w formie cząsteczkowej i nettom jonowej; przelicz masę każdego osadu na mole, a następnie na masę i stężenie metalu w oryginalnej próbce; określ, który odczynnik był w nadmiarze w każdym etapie; wyjaśnij, dlaczego siarczan sodu musi być dodany przed węglanem potasu.

Klasa 12 / Poziom akademicki

• Skupienie: selektywne strącanie, równowagi rozpuszczalności i analiza błędów.
• Aktywności: wyraź każde opadanie w funkcji K_sp i obliczyć stężenie resztkowe metalu pozostające w roztworze po zakończeniu strącania; wyjaśnić ilościowo, dlaczego węglan nie może być użyty do oddzielenia ołowiu od miedzi; omówić konsekwencje tego, że etap miedziowy jest prawie dokładnie stechiometryczny, oraz określić, ile węglanu należałoby dodać, aby zagwarantować całkowite usunięcie; porównać uzyskane tutaj stężenia z limitami regulacyjnymi dla ołowiu i miedzi w ściekach oraz skomentować różnicę w skali.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Cyfrowa równowaga
• Naczynko wagowe
• Łopatka
• Szklany pręt
• Lejek
• Bibułki filtracyjne ×2
• Kolby Erlenmeyera 250 mL ×3
• Cylindryczny cylinder miarowy (100 ml)
• Butelka do przemywania z wodą destylowaną
• Rękawice i okulary ochronne

Produkty

• Ścieki zawierające Pb²⁺ i Cu²⁺ (próbka 100 mL)
• Siarczan sodu, Na₂Więc₄ (proszek, zużyto 79,8 g / 30 mL)
• Węglan potasu, K₂CO₃ (proszek, zużyto 60,75 g / 25 mL)
• Woda destylowana