Laboratorium nr 5 - Wydział Chemii UJ
Transkrypt
Laboratorium nr 5 - Wydział Chemii UJ
Zakład Chemii Środowiska Panel Chemia Środowiska Pracownia Specjalizacyjna Ćwiczenie 5 Data: 1. kwietnia 2016 r. Synteza i usuwanie z fazy ciekłej środowiskowo toksycznych kompleksów niklu(II) Prowadzący: dr hab. Andrzej Adamski ([email protected]) 1. Wprowadzenie W zależności od poziomu przyswajania przez organizmy żywe, nikiel zalicza się do mikroelementów lub pierwiastków śladowych a jego rola biologiczna wiąże się z aktywacją takich enzymów, jak hydrogenaza, katalizująca konwersję H2 i CO2 do CH4 i H2O czy też dehydrogenaza, katalizująca redukcję CO2 do CO. I tak, około 108 ton CO2 rocznie jest konwertowane do CO przez bakterie acetogeniczne. Nikiel jest ponadto niezbędny do stabilizacji struktur kwasów nukleinowych, prawidłowego metabolizmu lipidów oraz wchłaniania żelaza, wapnia i cynku. Nikiel występuje także w ureazie, enzymie odpowiedzialnym za hydrolizę mocznika do amoniaku i CO2. Zapotrzebowanie organizmu człowieka na nikiel jest niewielkie, rzędu 16 g/100 kcal [1], przy czym zawartośd niklu w tkankach człowieka o wadze 70 kg wynosi nie więcej, niż 15 mg [2]. Wyższe stężenia mogą działad toksycznie (szczególnie w przypadku połączeo organometalicznych) lub uczulająco. Sądzi się, że ok. 10 % przypadków egzem skórnych wywołanych jest obecnością niklu. Potwierdzone zostało także kancerogenne działanie niklu, szczególnie występującego w aerozolach w formie metalicznej, tlenku, octanu, węglanu, siarczków lub wodorotlenku [1,2]. Przenikanie niklu do środowiska wiąże się z jego stosowaniem do wyrobu stopów specjalnych, barwników czy też wytwarzaniem antykorozyjnych powłok ochronnych. Istotne źródło zanieczyszczeo niklem stanowią zatem huty żelaza i zakłady galwanizerskie. Inne zagrożenie emisją niklu wiąże się z szerokim wykorzystywaniem katalizatorów Ni/SiO2 w procesie uwodornienia tłuszczów nienasyconych, na którym opiera się produkcja margaryny. Głównym źródłem zanieczyszczenia środowiska niklem jest jednak spalanie paliw, głównie ropy naftowej i węgla. Zawierają one odpowiednio 50-350 i 4-60 mg Ni na kg paliwa [1]. Występowanie niklu w zbiornikach wodnych ma dwojaki charakter, z jednej strony występuje on w wodach powierzchniowych (cmax > 0.02 mg/dm3) i głębinowych (cmax > 0.1 mg/dm3) a także w osadach dennych [3]. W tej ostatniej postaci akumulacji ulega znacznie więcej niklu, niż pozostaje w wodach. Obecnośd tego metalu w wodzie wywołuje niekorzystne zmiany w ekosystemach. I tak, nikiel może ulegad przyswajaniu przez bezkręgowce, skorupiaki i ryby, zaburzając ich cykle rozwojowe *3].. Niejednokrotnie nikiel występuje w zbiornikach wodnych w formie związków kompleksowych o zróżnicowanej rozpuszczalności i koordynacji cztero-, pięcio- i sześciokrotnej. Geometrie kompleksów są różnorodne: od tetraedrycznej, poprzez płaską kwadratową, bipiramidalną do oktaedrycznej, zależnie od siły pola wytwarzanego przez ligandy lub specyficznych wymagao sterycznych w obrębie struktury danego kompleksu. W związku z możliwością występowania centrów niklowych na stopniach utlenienia od –I do +IV, kompleksy niklu wykazują bogate właściwości redoksowe [2]. Właściwości fizykochemiczne i reaktywnośd koordynacyjnych połączeo niklu mogą zostad skutecznie wykorzystane w procesach jego usuwania z wód i osadów, co istotnie wpisuje się w strategię usuwania zanieczyszczeo środowiska tym pierwiastkiem. 2. Literatura [1] M. Siemioski, Środowiskowe zagrożenia zdrowia, Wyd. Nauk. PWN, Warszawa, 2008. [2] Experiments in Green and Sustainable Chemistry, H.W. Roesky & D.K. Kennepohl Eds., Wiley-VCH, Weinheim, 2009. [3] E. Kociołek-Balawejder, E. Stanisławska, Chemia środowiska, Wyd. UE, Wrocław, 2012. 3. Aparatura i stosowane odczynniki Odczynniki: wodny roztwór NiCl2 ● 6H2O, woda destylowana, stężony i 2M roztwór wodny amoniaku, K2C2O4 ● H2O, 1 %-owy alkoholowy roztwór dimetyloglioksymu (dmg), stężony roztwór H2SO4, wodny roztwór NaOH, wodny roztwór H2O2 o stężeniu ok. 30 %, wodny roztwór BaCl2, lód; Sprzęt: dwuszyjne kolbki wypukłodenne, probówki, statywy, płaszcze grzejne, tryskawka, zlewki, menzurka, waga laboratoryjna, wkraplacze/strzykawki, papierki wskaźnikowe, kolba próżniowa, sączek ze spiekiem, piec muflowy, tygle porcelanowe; 4. Cel ćwiczenia Przyjmuje się, iż stężenie niklu w wodach nie powinno przekraczad poziomu 0.05 mg/m3 [2]. Niejednokrotnie zachodzi zatem koniecznośd usuwania jego nadmiaru ze środowiska wodne. Celem dwiczenia jest zatem synteza następujących kompleksów: *Ni(NH3)6]Cl2, K2[Ni(C2H4)2L2], przy czym L = NH3, H2O oraz [Ni(dmg)2] oraz zbadanie reakcji wymiany liganda i rozpuszczalności a także ocena efektywności odzyskiwania niklu z osadów na drodze chemicznej. 5. Wykonanie ćwiczenia W związku z koniecznością użycia stężonych kwasów i zasad, zachować odpowiednie środki ochrony indywidualnej i ostrożność przy ich stosowaniu. 1. Odważyd dwie 0.2-0.3 porcje NiCl2 ● 6H2O, umieścid każdą w osobnej kolbce wypukłodennej i rozpuścid w objętości 2-3 cm3 wody destylowanej; 2. Do powstałych roztworów wkraplad powoli stężony roztwór amoniaku, obserwowad zachodzące zmiany. 3. Do ogrzanej zawartości jednej z kolbek, umieszczonej pod chłodnicą zwrotną, dodad ostrożnie wodny roztwór szczawianu potasu, powstały przez rozpuszczenie ok. 0.3 g K2C2O4 ● H2O w objętości ok. 5 cm3 wody destylowanej. Powstały roztwór ochłodzid w łaźni lodowej. Obserwowad zachodzące zmiany. 4. Przy pH = 5-12, ogrzaną zawartośd drugiej kolbki, umieszczonej pod chłodnicą zwrotną, zadad alkoholowym roztworem dimetyloglioksymu. Obserwowad zachodzące zmiany. 5. Powstałe w punktach 4 i 5 produkty zadawad ostrożnie stężonym roztworem kwasu siarkowego(VI) do uzyskania pH < 1. Obserwowad zachodzące zmiany. Jeśli pojawi się osad, należy go odsączyd. Do przesączu dodad 2 g sproszkowanego węgla aktywowanego, pod chłodnicą mieszaninę ogrzad do wrzenia i odsączyd fazę stałą. 6. Do przesączu ponownie dodad 1.5 g węgla aktywowanego oraz ok. 5 cm 3 roztworu nadtlenku wodoru. Zawartośd kolby utrzymywad w stanie wrzenia pod chłodnicą zwrotną około godziny. Po ochłodzeniu odsączyd fazę stałą. 7. Przesącz zadad wodnym roztworem wodorotlenku sodu, powstały osad odsączyd, przemywad wodą destylowaną, aż do uzyskania negatywnego wyniku próby na jony siarczanowe. 8. Otrzymany osad wysuszyd, wyprażyd w piecu muflowym w temperaturze 500°C/3 godz. i zważyd. 6. Opracowanie wyników 1. Podad zwięzły opis syntezy badanych kompleksów niklu. 2. Podad zwięzły opis procedury odzyskiwania niklu z roztworów. 3. Zapisz równania reakcji zachodzących w punktach 1 i 2 (w formie jonowej skróconej). 4. W oparciu o szereg spektrochemiczny i znalezione samodzielnie w literaturze wartości stałych trwałości odpowiednich kompleksów i/lub wartości odpowiednich iloczynów rozpuszczalności, wyjaśnij zaobserwowaną wymianę ligandów w badanych kompleksach. 5. Oblicz i przedyskutuj wydajnośd odzysku niklu w zastosowanej metodzie. 6. Wyjaśnij rolę węgla aktywowanego. Zadanie dla poszczególnych podgrup W oparciu o samodzielnie znalezione w literaturze informacje, określid strukturę otrzymanego dimetyloglioksymianowego i szczawianowego kompleksu niklu, ze szczególnym uwzględnieniem geometrii i typu kompleksu.