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.