014 – Extragerea metalelor grele

Plumbul și cuprul ajung în apele uzate din conductele care se corodează, din băile uzate de galvanizare și de gravură, precum și din eliminarea neglijentă a vopselelor și solvenților. Niciunul dintre elemente nu este distrus prin diluție sau prin tratament biologic, iar ambele sunt toxice la concentrații scăzute – motiv pentru care stațiile de epurare municipale și industriale elimină metalele dizolvate chimic înainte ca apa să fie deversată. Metoda standard este cea folosită aici: se adaugă un contra-ion care formează o sare insolubilă cu metalul, apoi solidul este filtrat.

Chimia se bazează pe solubilitate. O sare precipită atunci când produsul concentrațiilor ionilor săi depășește produsul său de solubilitate K_sp; sub aceacea valoare rămâne dizolvat. Sulfatul de plumb și carbonatul de cupru sunt ambele foarte greu solubile, așa că adăugarea de sulfat elimină plumbul sub formă de PbSO₄ și adăugarea de carbonat elimină cuprul sub formă de $\text{CuCO}_3$₃. Ordine aleatorie nu este. Carbonatul ar precipita plumbul la fel ca și cuprul, așa că, dacă s-ar adăuga mai întâi carbonatul, cele două metale ar cădea împreună și nu ar putea fi separate. Sulfatul, prin contrast, lasă cuprul în soluție — sulfatul de cupru este liber solubil — așa că sulfatul mai întâi, carbonatul al doilea, dau două fracțiuni curate.

În acest laborator veți trata o probă de 100 mL de apă uzată care conține ambii metali. Veți cântări o hârtie de filtru, veți adăuga sulfat de sodiu în probă și veți urmări formarea sulfatului de plumb alb, îl veți filtra și veți cântări din nou hârtia pentru a obține masa precipitatului. Apoi veți adăuga carbonat de potasiu la filtrat, veți precipita cuprul sub formă de carbonat de cupru albastru-verde, veți filtra și veți cântări din nou. Din cele două mase veți calcula cantitatea de plumb și de cupru pe care proba originală le-a conținut și veți aprecia cât de complet a fost eliminat fiecare.

Obiective educaționale

Familiarizarea cu mediul de laborator

• Localizați și folosiți echipamentul unei banci gravimetrice: balanța digitală și sticluța de cântărire, spatula, cilindrul gradat, cele trei baloane Erlenmeyer, pâlnia și hârtiile de filtru.

Utilizarea echipamentului de protecție și manipularea în siguranță a metalelor grele

• Purtați mănuși și ochelari de protecție pe parcurs și tratați fiecare soluție din acest laborator ca fiind contaminată.
• Deșeurile care conțin plumb și cupru sunt colectate pentru eliminare, și nu sunt aruncate la canalizare, deoarece aceste metale grele sunt extrem de toxice pentru mediu și viața acvatică, nu se biodegradează și se pot acumula în lanțul trofic, contaminând sursele de apă potabilă și afectând grav sănătatea umană. În plus, ele pot deteriora sistemele de țevi și pot perturba procesele biologice din stațiile de epurare a apelor uzate.

Precipitare selectivă

• Alegeți un agent de precipitare în funcție de metalul pe care îl va îndepărta și pe care nu îl va îndepărta.
• Justifică ordinea celor două adăugări și prezice ce nu ar funcționa dacă s-ar adăuga carbonat înaintea sulfatului.

Tehnica de filtrare gravimetrică

• Asamblați o pâlnie și o hârtie de filtru, umezind hârtia cu apă distilată astfel încât să se etanșeze pe peretele pâlniei.
• Cântăriți hârtia de filtru înainte de utilizare și hârtia împreună cu precipitatul după aceea, și obțineți masa solidului prin diferență.

Tratamentul cantitativ al rezultatelor

• Convertește o masă de precipitat în moli utilizând masa molară a sării.
• Folosiți stoechiometria 1:1 a fiecărei precipități pentru a obține numărul de moli, și apoi masa, metalului care a fost dizolvat în proba originală.

Evaluarea eficacității unui tratament

• Comparați masa precipitatului recuperat cu cantitatea maximă pe care cantitatea de reactiv adăugată o putea produce și identificați specia care a fost limitativă.
• Menționați sursele de eroare (pierdere) într-o determinare gravimetrică și direcția în care fiecare influențează rezultatul.

Protocol

Precipitare cu sulfat de sodiu.

1. Cântăriți o hârtie de filtru și notați masa în tabelul de rezultate.
2. Măsurați 100 mL de apă uzată cu cilindrul gradat și turnați proba în balonul Erlenmeyer 1.
3. Cântăriți 79,8 g (30 mL) de sulfat de sodiu.
4. Pune sulfatul de sodiu în eprubeta 1.
5. Amestecați conținutul balonului Erlenmeyer 1 și observați precipitatul care se formează pe fundul recipientului.

Sulfatul de sodiu are capacitatea de a forma un precipitat cu plumbul (PbSO4).

6. Pune o pâlnie pe balonul Erlenmeyer 2.
7. Pune hârtia de filtru în pâlnie.
8. Lipește hârtia de filtru de peretele pâlniei cu puțină apă distilată.
9. Toarnă amestecul din balonul Erlenmeyer 1 prin hârtia de filtru așezată pe balonul Erlenmeyer 2 pentru a extrage precipitatul.
10. Lăsați hârtia de filtru să se usuce timp de 10 secunde, apoi scoateți ansamblul hârtie de filtru + precipitat și cântăriți-l. Masa se găsește în tabelul de rezultate.
11. Scoateți pâlnia din balonul Erlenmeyer 2.

Precipitare cu carbonat de potasiu

1. Cântăriți 60,75 g (25 ml) de carbonat de potasiu.
2. Puneți carbonatul de potasiu în balonul Erlenmeyer 2.
3. Amestecați conținutul baloanului Erlenmeyer 2 și observați precipitatul care se formează pe fundul recipientului.

Carbonatul de potasiu are capacitatea de a forma un precipitat cu cuprul (CuCO3).

4. Pune o pâlnie pe balonul Erlenmeyer 3.
5. Puneți.
6. Lipește hârtia de filtru de peretele pâlniei cu puțină apă distilată.
7. Turnați amestecul din balonul Erlenmeyer 2 prin hârtia de filtru așezată pe balonul Erlenmeyer 3 pentru a extrage precipitatul.
8. Lăsați hârtia de filtru să se usuce timp de 10 secunde, apoi scoateți ansamblul hârtie de filtru + precipitat și cântăriți-l. Masa se găsește în tabelul de rezultate.

Aceste 2 reacții pot fi folosite pentru îndepărtarea metalelor grele din apele uzate.

Rezultate anticipate

Cele două precipitații. Fiecare metal este eliminat printr-o reacție de dublă înlocuire într-o singură etapă, și fiecare are o stoichiometrie 1:1 între ionul metalic și sarea care precipită:

Plumb²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄₄(s) — un solid alb dens

Cu²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CuCO₃₃(s) — un solid albastru-verde

Măsurători așteptate. Cifrele de mai jos sunt cele pe care simularea le raportează pentru o probă de 100 mL.

De la masa de precipitat înapoi la metalul dizolvat. Masele molare sunt M(PbSO₄) = 303.26 g/mol și M(CuCO₃) = 123,56 g/mol. Pentru plumb:

n(PbSO₄)₄) = 140,48 g ÷ 303,26 g/mol = 0,463 mol, și deoarece un PbSO₄ conține un Pb²⁺, n(Pb²⁺) = 0,463 mol. Masa de plumb recuperată este, prin urmare, 0,463 mol × 207,2 g/mol = 95,9 g, iar concentrația sa în proba de 100 mL a fost de 0,463 mol ÷ 0,100 L = 4,63 mol/L.

Aceștiași trei pași pentru cupru: n(CuCO₃) = 54,04 g ÷ 123,56 g/mol = 0,437 mol, deci n(Cu²⁺) = 0,437 mol, o masă de 0,437 mol × 63,55 g/mol = 27,8 g și o concentrație de 4,37 mol/L. Aceasta este întreaga logică a analizei gravimetrice: o cantitate care nu poate fi cântărită — un ion în soluție — este măsurată prin capturarea sa într-un solid de compoziție cunoscută și cântărind în schimb acel solid.

Ce reactiv a fost limitant?. Merită verificat, deoarece îți indică dacă eliminarea a fost completă. Sulfatul de sodiu adăugat reprezintă 79,8 g ÷ 142,04 g/mol = 0,562 mol de sulfat, față de 0,463 mol de plumb: sulfatul este în exces cu aproximativ 20 %, așa că, practic, tot plumbul este precipitat, iar rezultatul privind plumbul este limitat de cantitatea de plumb prezentă, așa cum era prevăzut. Cantitatea de carbonat de potasiu adăugată este de 60,75 g ÷ 138,21 g/mol = 0,440 mol de carbonat, față de 0,437 mol de cupru recuperat — aproape exact stoichiometric. Prin urmare, etapa cu cuprul nu are nicio marjă: un mic deficit de carbonat ar lăsa cupru în urmă, iar orice carbonat consumat de o altă reacție s-ar manifesta direct printr-un rezultat scăzut.

Ce ar trebui să vezi pe parcurs. Proba netratată este albăstruie, având culoarea cuprului hidratat²⁺; plumbul(II) din soluție este incolor și nu contribuie cu nimic. Prin urmare, precipitarea plumbului lasă filtratul tot albastru — culoarea nu se datorează plumbului. Abia după etapa cu carbonat, când cuprul a fost extras sub formă solidă, apa devine limpede. Această evoluție este în sine dovada calitativă că al doilea tratament a făcut ceea ce primul nu a putut face.

De ce contează ordinea, exprimat numeric. Carbonatul de plumb este și mai puțin solubil decât sulfatul de plumb, așa că carbonatul adăugat la proba originală ar precipita ambele metale împreună, iar cele două mase nu ar putea fi separate niciodată. Adăugarea sulfatului mai întâi exploatează singura diferență care contează aici: PbSO₄ este puțin solubil în timp ce CuSO₄ este foarte solubil, astfel încât etapa cu sulfat este selectivă pentru plumb. Acesta este principiul din spatele fiecărei scheme de precipitare selectivă din chimia analitică — găsirea unui reactiv al cărui produs de solubilitate să difere suficient între cei doi ioni pentru a-i separa.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Concentrare: precipitarea ca metodă de îndepărtare a unei substanțe dizolvate și cântărirea prin diferență.
• Activități: cântăriți fiecare hârtie de filtru înainte de utilizare; efectuați ambele precipitări și descrieți culoarea și aspectul fiecărui solid; filtrați și cântăriți, și obțineți masa fiecărui precipitat prin scădere; descrieți modul în care se schimbă culoarea apei în fiecare etapă și spuneți ce indică aceasta.

Clasa a XI-a

• Concentrare: legătura cantitativă dintre un solid cântărit și un ion dizolvat.
• Activități: scrieți și echilibrați ambele ecuații de precipitare, sub formă moleculară și ionică netă; convertiți fiecare masă de precipitat în moli, apoi în masa și concentrația metalului din proba originală; determinați care reactiv a fost în exces în fiecare etaj; explicați de ce trebuie adăugat sulfat de sodiu înainte de carbonatul de potasiu.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Concentrare: precipitare selectivă, echilibre de solubilitate și analiza erorilor.
• Activități: exprimați fiecare precipitare în funcție de K_sp și să calculați concentrația de metal rezidual rămasă în soluție odată ce precipitatul este complet; explicați cantitativ de ce carbonatul nu poate fi utilizat pentru a separa plumbul de cupru; discutați consecința faptului că etapa cuprului este aproape exact stoichiometrică și specificați cât carbonat ați adăuga pentru a garanta îndepărtarea completă; comparați concentrațiile obținute aici cu limitele de reglementare pentru plumb și cupru în apa deversată și comentați diferența de scară.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Echilibru digital
• Nacelă de cântărire
• Spatulă
• Baghetă de sticlă
• Pâlnie
• Hârtie de filtru ×2
• Cusoare Erlenmeyer 250 mL ×3
• Cilindru gradat (100 mL)
• Sticlă de spălare cu apă distilată
• Mănuși și protecție pentru ochi

Produse

• Ape uzate conținând Pb²⁺ și Cu²⁺ (probă de 100 mL)
• Sulfat de sodiu, Na₂deci₄ (pudră, 79,8 g / 30 mL utilizat)
• Carbonat de potasiu, K₂CO₃ (pudră, 60,75 g / 25 mL utilizat)
• Apă distilată