Ảnh hưởng của PH tới sự tạo phức sắt III với axit sunfosalixitic

1 Ảnh Hưởng Của Ph Tới Sự Tạo Phức Sắt III Với Axit Sùnosalixitic 2 MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN......................................................................................................... MỤC LỤC........................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 4 1. Lí do chọn đề tài ............................................................................................ 4 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài......................................................... 4 3. Các phương pháp nghiên cứu......................................................................... 4 4. Đối tượng và khách thể của đề tài nghiên cứu ................................................ 5 5. Giả thuyết khoa học ....................................................................................... 5 6. Lịch sử đề tài nghiên cứu ............................................................................... 5 7. Giới hạn đề tài nghiên cứu ............................................................................. 5 NỘI DUNG ........................................................................................................ 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về nguyên tố sắt ............................................................................. 1.1.1 Vị trí và cấu tạo của sắt ................................................................... 6 1.1.2 Tính chất vật lý và tính chất hóa học............................................... 6 1.1.3 Trạng thái thiên nhiên và phương pháp điều chế ........................... 9 1.1.4 Một số ứng dụng của sắt................................................................. 10 1.2 Sự tạo phức của sắt với thuốc thử hữu cơ ............................................... 11 1.2.1 Khả năng tạo phức của Fe3+ với thuốc thử axit sunfosalixilic ....... 11 1.2.2 Khả năng tạo phức của Fe với các thuốc thử khác ........................ 11 1.2.2.1 . Thuốc thử SCN- .............................................................................. 11 1.2.2.2 .Thuốc thử o – phenantrolin ............................................................. 13 1.2.2.3 .Thuốc thử bato – phenantrolin ........................................................ 13 1.2.2.4 .Thuốc thử 1– (2–pyridylazo) –2–naphthol (PAN) ........................... 14 1.2.2.5 . Thuốc thử 4– (2–pyridylazo) –rezocxin (PAR) ............................... 14 1.2.2.6 .Thuốc thử trioxyazobenzen (TOAB)............................................... 15 3 1.3 Nghiên cứu về thuốc thử axit sunfosalixilic ............................................. 16 1.3.1 Tính chất của thuốc thử axit sunfosalixilic .................................... 16 1.3.2 Khả năng tạo phức của axit sunfosalixilic ..................................... 17 1.4 Các phương pháp xác định sắt ................................................................. 17 1.4.1 Phương pháp khối lượng ................................................................ 17 1.4.2 Phương pháp trắc quang ................................................................ 17 1.4.3 Phương pháp chuẩn độ oxi hoá khử .............................................. 18 1.4.4 Các phương pháp khác xác định sắt............................................... 19 1.5 Các phương pháp xác định thành phần phức ......................................... 19 1.5.1 Phương pháp hệ đồng phân tử gam ............................................... 19 1.5.2 Phương pháp tỷ số mol ................................................................... 19 1.6 Các phương pháp xác định hệ số hấp thụ phân tử của phức.................. 19 1.6.1 Phương pháp hệ đồng phân tử gam ............................................... 19 1.6.2 Phương pháp xử lí thống kê đường chuẩn ..................................... 20 1.6.3 Phương pháp Komar ...................................................................... 20 1.7 Đánh giá các kết quả phân tích ................................................................ 21 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1 Dụng cụ và thiết bị .................................................................................... 22 2.2 Hóa chất và cách pha ............................................................................... 22 2.3 Cách tiến hành .......................................................................................... 23 2.4 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 23 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát phổ hấp thụ của phức ............................................................... 24 3.2 Khảo sát pH tối ưu và ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức .................... 26 3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian đến sự tạo phức ........................... 27 3.4 Xác định thành phần phức ....................................................................... 29 3.4.1. Xác định thành phần phức ở khoảng pH thứ nhất............................. 29 4 3.4.2. Xác định thành phần phức ở khoảng pH thứ hai............................... 33 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 38 Tài liệu tham khảo............................................................................................. 39 5 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Trong công nghệ Hóa học thì hóa học phân tích đã khẳng định được vai trò của mình qua việc sử dụng các phương pháp hóa học, vật lý, hóa lý khi nghiên cứu thành phần của chất. Một trong những phương pháp đạt được những thành tựu to lớn trong khoa học nghiên cứu là phương pháp trắc quang khi xác định hàm lượng của các nguyên tố, các chất và hợp chất. Với những thành tựu đạt được từ phương pháp trắc quang đó mở ra những cơ hội mới cho việc nghiên cứu, đi sâu hơn tìm hiểu và ứng dụng của phương pháp này trong thực tiễn, tìm ra các yếu tố ảnh hưởng,…. Vì vậy mà tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức của Fe3+ với axit sunfosalixilic (SSal) ” làm bài khóa luận tốt nghiệp . 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài 2.1 .Mục tiêu: - Biết được vai trò của phương pháp trắc quang trong hóa học phân tích. - Xác định thành phần của phức sắt (III) với axit sunfosalixilic bằng phương pháp trắc quang. - Vận dụng phương pháp này trong việc nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức của Fe3+ với axit sunfosalixilic (SSal) 2.2 .Nhiệm vụ: Đề tài cần thực hiện các nhiệm vụ trọng tâm sau: - Nghiên cứu phương pháp trắc quang trong hóa học phân tích. - Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức của Fe3+ với axit sunfosalixilic (SSal) 3. Các phương pháp nghiên cứu + Nghiên cứu lí luận: nghiên cứu các tài liệu, các trang web, bài viết,….có liên quan + Nghiên cứu thực nghiệm: 6 - Tìm hiểu nguyên lí hoạt động của máy đo mật độ quang + Nghiên cứu toán học: vẽ biểu đồ, đồ thị, phương pháp lấy giá trị trung bình, công thức toán học thống kê,…. 4. Đối tượng và khách thể của đề tài nghiên cứu 4.1 .Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của pH 4.2 .Khách thể: Sự tạo phức của Fe3+ và axit sunfosalixilic (SSal ) 5. Giả thuyết khoa học Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức của Fe3+ với axit sunfosalixilic ( Fe(III) - SSal) bằng phương pháp trắc quang. Nếu đề tài nghiên cứu thành công, có thể áp dụng cho việc xác định hàm lượng Fe trong rau muống và một số chất khác. 6. Lịch sử đề tài nghiên cứu Đề tài này đã được nghiên cứu nhưng chỉ dừng lại ở chỗ xác định thành phần phức của Fe(III) - SSal bằng phương pháp trắc quang. Tôi chọn đề tài này để tiếp tục nghiên cứu về ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức của Fe3+ với axit sunfosalixilic ( Fe(III) – SSal ) và tìm ra một số hệ số thích hợp. 7. Giới hạn đề tài nghiên cứu Đề tài được thực hiện trong phạm vi: - Nghiên cứu phương pháp trắc quang trong hoá học phân tích. - Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến sự tạo phức của Fe(III) – SSal. 7 NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 .Sơ lược về nguyên tố sắt 1.1.1 Vị trí và cấu tạo của sắt Sắt là một nguyên tố kim loại phổ biến (sau nhôm), đứng thứ tư về hàm lượng trái đất, chiếm 1,5% khối lượng vỏ trái đất. Kí hiệu : Fe Số thứ tự: 26 NTK : 55,847 Cấu hình electron: 1s22s22p63s23p63d64s2 Sắt ở ô thứ 26 , thuộc chu kỳ 4 và ở phân nhóm phụ VIIIB 1.1.2 Tính chất vật lý và tính chất hóa học 1.1.2.1. Tính chất vật lí: Sắt là kim loại màu trắng xám, dễ rèn, dễ dát mỏng và gia công cơ học. Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Dưới 8000C sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút và trở thành nam châm (tạm thời). Sắt có 4 dạng thù hình ( dạng α , β , γ ,δ ) bền ở những khoảng nhiệt độ nhất định: Fe (α)   C 0700 Fe (β)   C 0911 Fe (γ)   C 01390 Fe (δ)   C 01538 Fe lỏng Những dạng α và β có kiến trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối nhưng có kiến trúc electron khác nhau nên Fe (α) có tính sắt từ và Fe (β) có tính thuận từ, Fe (α) khác với Fe (β) là không hòa tan C. Dạng Fe (γ) có cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện, dạng Fe (δ) có cấu trúc lập phương tâm khối như dạng α và β nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy. 8 Các hằng số vật lý quan trọng của sắt: Độ dẫn điện(Hg=1) tos (oC) tonc (oC) BKNT (Ao) Độ âm điện KLR (g/cm3) Độ cứng (thang Moxơ) 10 2880 1536 1,26 1,83 7,91 4 - 5 Năng lượng ion hóa: Mức năng lượng ion hóa I1 I2 I3 I4 I5 I6 Năng lượng ion hóa (eV) 7,9 16,18 30,63 56* 79* 103 * Giá trị chưa đủ độ tin cậy. 1.1.2.2. Tính chất hóa học: Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, chúng không tác dụng rõ rệt với những nguyên tố không – kim loại điển hình như O2 , S , Cl2 , Br2 vì có màng oxit bảo vệ. Nhưng khi đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh liệt, nhất là khi kim loại ở trạng thái chia nhỏ. Khi đun nóng trong không khí khô, sắt tạo nên Fe2O3 và ở nhiệt độ cao hơn, tạo nên Fe3O4: 3Fe + 2O2  0t Fe3O4 Khí Cl2 phản ứng rất dễ dàng với sắt tạo thành FeCl3 là chất dễ bay hơi nên không tạo được màng bảo vệ: 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 Sắt tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại. Sắt tinh khiết bền trong không khí và nước. Ngược lại, sắt có chứa tạp chất bị ăn mòn dưới tác dụng của hơi ẩm, khí cacbonic và oxi ở trong không khí tạo nên gỉ sắt: 4 Fe + 3O2 → 2Fe3O4 do lớp gỉ sắt xốp và giòn nên không bảo vệ sắt tránh bị oxi hóa tiếp. Sắt phản ứng với nước: ở nhiệt độ nóng đỏ, sắt phản ứng với hơi nước: Fe + H2O   C O570 FeO + H2 9 3Fe + 4H2O   C 0570 Fe3O4 + 4H2 Sắt tạo thành hai dãy hợp chất Fe2+ và Fe3+. Muối Fe2+ được tạo thành khi hòa tan sắt trong dung dịch axit loãng trừ axit HNO3. Muối của Fe2+ với axit mạnh như: HCl, H2SO4,… dễ tan trong nước, còn muối của các axit yếu như: FeS, FeCO3,… khó tan. Khi tan trong nước, muối sắt ở dạng [Fe(H2O)6]2+ màu lục nhạt. Màu lục của [Fe(H2O)6]2+ rất yếu nên thực tế dung dịch của muối Fe2+ không có màu. Muối FeSO4 là chất tinh thể màu trắng, dễ hút ẩm và dễ tan trong nước. Khi kết tinh từ dung dịch nước ở nhiệt độ thường, thu được tinh thể hidrat FeSO4.7H2O. Tinh thể FeSO4.7H2O có màu lục nhạt, nóng cháy ở nhiệt độ 640C, dễ tan trong nước và rượu. Khi đun nóng tinh thể FeSO4.7H2O mất dần nước và trở thành muối khan FeSO4. Ở nhiệt độ cao hơn (>5800C) muối khan bị phân huỷ thành oxit: FeSO4   C 0580 Fe2O3 + SO3 + SO2 Quan trọng với thực tế nhất là (NH4)Fe(SO4)2.6H2O, được gọi là muối Mohr. Tinh thể muối Mohr có màu lục, dễ kết tinh, không hút ẩm và bền với oxi không khí nên được dùng để pha dung dịch chuẩn Fe2+ trong hoá học phân tích. Fe(OH)3 bền trong không khí, không tan trong nước và trong dung dịch NH3. Fe(OH)3 tan dễ dàng trong axit tạo thành dung dịch muối Fe3+. Đa số muối Fe3+ dễ tan trong nước, cho dung dịch chứa ion bát diện [Fe(H2O)6]3+ màu tím nhạt. Khi kết tinh từ dung dịch nước, muối Fe3+ thường ở dạng tinh thể hidrat như: FeCl3.6H2O, Fe(NO3)3.9H2O màu nâu vàng, phèn sắt (NH4)Fe(SO4).12H2O màu tím nhạt… Muối Fe3+ bị thuỷ phân mạnh nên dung dịch có màu vàng nâu. Chỉ trong dung dịch có phản ứng axit mạnh (pH<1) sự thuỷ phân mới bị đẩy lùi. Các muối sắt Fe3+ cũng dễ bị khử về muối Fe2+ bằng nhiều chất khử khác nhau như: HI, N2H4 , …. 2FeCl3 + 2HI → 2FeCl2 + I2 + 2HCl Fe2O3 có màu nâu đỏ, được điều chế bằng cách nung kết tủa Fe(OH)3 . Fe2O3 không tan trong nước, có thể tan một phần trong kiềm đặc hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy. 10 Ion Fe3+ trong dung dịch tác dụng với ion SCN- tạo nên một số phức thioxianat. Hoá phân tích thường sử dụng phản ứng này để định tính và định lượng Fe3+ ngay cả trong dung dịch loãng. Kaliferixianua (K3[Fe(CN)6]) là một trong các phức bền nhất của sắt. Kaliferixianua là chất dạng tinh thể đơn tà, màu đỏ thường được gọi là muối đỏ máu. Phức này dễ tan trong nước, cho dung dịch màu vàng và rất độc. Kaliferixianua là một thuốc thử thông dụng trong phòng thí nghiệm để nhận biết Fe2+ trong dung dịch: FeCl2 + K3[Fe(CN)6] → KFe[Fe(CN)6] + 2KCl KFe[Fe(CN)6] kết tủa màu xanh chàm và được gọi là xanh Tuabin. Kaliferixianua khi đun nóng trong dung dịch kiềm chuyển thành Kaliferoxianua: 4K3[Fe(CN)6] + 4KOH → 4K4[Fe(CN)6] + 2H2O + O2 1.1.3. Trạng thái thiên nhiên và phương pháp điều chế Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất, đứng thứ 4 sau O, Si, Al. Sắt ở trạng thái tự do trong các mảnh thiên thạch và các khoáng vật,… Trong tự nhiên sắt có bốn đồng vị bền: 54Fe (5,8%) , 56Fe (91,8%) , 57Fe (2,15%) , 58Fe (0,25%). Ngoài ra sắt còn có tám đồng vị phóng xạ: 51Fe (τ=0,25 giây) , 52Fe (τ=8,27 giờ), 53Fe (τ=258,8 ngày) , 55Fe (τ=2,7 năm) , 59Fe (τ=44,6 ngày) , 60Fe (τ=1,5.106 năm) , 61Fe (τ=182,5 ngày) , 62Fe (τ=68 giây). Những khoáng vật quan trọng của sắt là manhetit (Fe3O4) chứa đến 72,42 % sắt, hematit (Fe2O3) chứa 60% sắt, pirit (FeS2) chứa 46,67 % sắt và xiderit (FeCO3) chứa 35% sắt. Ngoài những mỏ lớn tập trung, sắt còn ở phân tán trong khoáng vật của những nguyên tố phổ biến như nhôm, titan, mangan,… Sắt còn có trong nước thiên nhiên, trong các thiên thạch từ không gian vũ trụ rơi xuống trái đất. Trung bình trong 20 thiên thạch rơi xuống thì có một thiên thạch sắt (chứa 90% sắt). Nhiều nước trên thế giới có giàu quặng sắt như: Thụy Điển, Nga, Pháp, Tây Ban Nha, Trung Quốc, Mỹ, Canada, Cuba, Brazin, Nam Phi,… Cách đây hơn 4000 năm, loài người đã biết luyện sắt từ quặng. Sắt luyện được cứng và bền hơn bronzơ nên là 11 vật liệu cạnh tranh với bronzơ. Cách đây khoảng 3000 năm thời đại đồ sắt đã thay thế thời đại đồ đồng thiếc và tiếp tục phát triển cho đến ngày nay. Mấy thế kỉ nay, sắt được sản xuất với quy mô công nghiệp bằng lò cao. 1.1.4. Một số ứng dụng của sắt Sắt là một nguyên tố vi chất dinh dưỡng quan trọng cho sức khoẻ con người. Hầu hết lượng sắt có trong cơ thể đều tồn tại trong các tế bào máu, chúng kết hợp với protein tạo thành hemoglobin. Hemoglobin mang oxi đến các tế bào của cơ thể và chính ở các tế bào này năng lượng được giải phóng. Do vậy khi thiếu sắt hàm lượng hemoglobin bị giảm làm cho lượng oxi tới các tế bào cũng giảm theo. Bệnh này gọi là bệnh thiếu máu do thiếu hụt sắt. Các triệu chứng của bệnh thiếu máu do thiếu sắt là: mệt mỏi, tính lãnh đạm, yếu ớt, đau đầu, ăn không ngon và dễ cáu giận. Việc thừa sắt trong cơ thể cũng có những tác hại như việc thiếu sắt. Nếu lượng sắt trong cơ thể thừa nhiều, chúng gây ảnh hưởng có hại cho tim, gan, khớp và các cơ quan khác, nếu tích trữ quá nhiều có thể gây nguy cơ bị ung thư. Những triệu chứng biểu hiện sự thừa sắt có thể thấy là: - Tư tưởng bị phân tán hoặc mệt mỏi - Mất khả năng điều khiển sinh lí - Bệnh về tim hoặc tim bị loạn nhịp đập - Chứng viêm khớp hoặc đau các khớp. - Bệnh thiếu máu không phải do thiếu sắt. - Bệnh về gan hoặc ung thư gan. - Tắt kinh sớm (ở nữ giới) hoặc bệnh liệt dương (ở nam giới). Trong hầu hết các ngành kĩ thuật hiện đại đều có liên quan tới việc sử dụng sắt và hợp kim của sắt. Như chúng ta biết, trong công nghiệp các hợp kim của sắt đóng vai trò chủ chốt trong các lĩnh vực: xây dựng, giao thông vận tải, quốc phòng, chế tạo máy, dụng cụ sản xuất và đồ dùng hằng ngày,… FeSO4 được dùng để chống sâu bọ có hại cho thực vật, được dùng trong việc sản xuất mực viết, trong sơn vô cơ và trong nhuộm 12 vải; nó còn dùng để tẩy gỉ kim loại và có khả năng hoà tan Cu2S tạo thành CuSO4 được dùng để điều chế đồng bằng phương pháp thuỷ luyện. Sắt là nguyên tố quan trọng cho sự sống và công nghiệp. Vì thế người ta tìm nhiều cách thức và phương pháp để tách và làm giàu nguyên tố này. 1.2. Sự tạo phức của sắt với thuốc thử hữu cơ 1.2.1 Khả năng tạo phức của Fe3+ với thuốc thử axit sunfosalixilic Fe3+ + m SSal  [ Fe(SSal)m ](3-2m)+ Đối với Fe2+ axit sunfosalixilic tạo phức với Fe2+ có màu phụ thuộc vào nồng độ axit của dung dịch và có: pH λmax ( nm ) 1,5 500 5 460 SSal được sử dụng rộng rãi để xác định Fe2+ trong khoảng pH = 2,0 – 2,8; trong môi trường axit, hoặc xác định tổng lượng Fe2+ và Fe3+ trong môi trường kiềm. Đối với Fe3+ , tùy thuộc vào pH mà phức tạo thành có thành phần như thế nào và ở các bước sóng khác nhau: pH Môi trường Phức Màu λmax (nm) 1,8 - 2,5 axit Fe[SSal] + Đỏ tím 510 4 - 8 Đệm axetat [Fe(SSal)2] - Đỏ da cam 490 9 - 11 Đệm amoni [Fe(SSal)3] 3- Vàng da cam 420 - 430 > 12 Ba zơ Phân hủy Ở pH > 12 phức bị phân hủy do xảy ra sự hình thành phức hidroxo. 1.2.2 Khả năng tạo phức của Fe với các thuốc thử khác 1.2.2.1 .Thuốc thử thioxianat (SCN-) Thioxianat là một thuốc thử nhạy đối với Fe3+, được dùng để định tính và định lượng hàm lượng sắt. Vì axit thioxianat là một axit mạnh nên nồng độ SCN- ít bị ảnh 13 hưởng bởi pH trong dung dịch. Cường độ màu của Fe3+ – SCN- hấp thụ cực đại ở bước sóng λ = 480 nm, dung dịch phức Fe3+ – SCN- bị giảm màu khi để ngoài ánh sáng, tốc độ giảm màu chậm trong vùng axit yếu và nhanh khi nhiệt độ tăng. Khi có mặt H2O2 hoặc (NH4)S2O8 càng làm cho cường độ màu và độ bền màu của phức giảm đi. Khi nồng độ SCN- lớn không những nó làm tăng độ nhạy của phép đo mà còn loại trừ được ảnh hưởng của các ion F-, PO43- và một số anion khác tạo phức được với ion Fe3+. Trong môi trường axit có những ion gây ảnh hưởng đến việc xác định Fe 3+ bằng SCN- như C2O4 , F- . Ngoài ra còn có các ion tạo phức màu hay kết tủa với ion thioxianat như Cu2+, Co2+, Ag+, Hg2+,… Sự cản trở của Co2+ là do màu của bản thân nó ta có thể loại trừ bằng cách đo mật độ quang ở bước sóng thích hợp. Các ion Hg2+, Cd2+, Zn2+ tạo phức với SCN- sẽ làm giảm cường độ màu của Fe3+ - SCN- . Do đó muốn sử dụng phương pháp này cần phải tách các ion ảnh hưởng đến màu của phức. Phương pháp dùng thuốc thử SCN- có giới hạn phát hiện kém, độ chính xác thấp mà được sử dụng rộng vì phương pháp này đơn giản, nhanh, áp dụng được trong các dung dịch axit mạnh và chi phí của nó tương đối thấp. Phương pháp này xác định được hàm lượng sắt từ 1 – 10 ppm. Người ta cũng đã sử dụng phức của Fe3+ với SCN- để chiết lên dung môi hữu cơ nhằm tăng độ chọn lọc và độ nhạy cho phép xác định Fe2+. Trong nghiên cứu này các tác giả đã nghiên cứu thành công phép chiết Fe2+ - SCN- bằng chất chiết tetrabutyl amoni sunfat (TBAS) bằng dung môi clorofom. SCN- là một trong số ít các thuốc thử vô cơ được dùng để xác định sắt. Cũng dựa trên các cơ sở các nghiên cứu trước về sự tạo phức màu của Fe và SCN-, gần đây một số tác giả đã đề xuất một số phương pháp xác định sắt tổng và Fe3+ trong nước mưa ở nồng độ cỡ ppb. Đây là phương pháp xác định sắt đơn giản, có độ nhạy và độ chọn lọc cao. Phương pháp này dựa