Курсовая Методы определения сурьмы в объектах окружающей среды
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
от 25%
договор
Казанский государственный технологический университет
Заочное отделение
Курсовая работа
по аналитической химии
по теме « Методы определения сурьмы в объектах окружающей среды».
Выполнила:
Порошина О.В.
пищ. ф-т
105 группа
Проверила:
Бурангулова
Содержание.
Введение………………………………………………………..3
Характеристика вещества………………………………..4
Сурьма в объектах окружающей среды………………..9
Металл или неметалл……………………………………..10
Качественное определение сурьмы……………………13
Количественное определение сурьмы…………………17
Методы осаждения………………………………………25
Методы соосаждения…………………………………..26
Литература………………………………………………..28
Введение.
О сурьме можно рассказывать много. Это элемент с интересной историей и интересной свойствами; элемент, используемый давно и достаточно широко; элемент, необходимый не только технике, но и общечеловеческой культуре. Историке считают , что первые производства сурьмы появились на древнем Востоке чуть ли не 5 тыс. лет назад для изготовления сосудов. В Древнем Египте уже 19 века до н.э. порошок сурьмяного блеска (природный Sb2S3) под названием mesten или stem применялся для чернения бровей. В древней Греции он был известен как stimi и stibi, отсюда лат. Stibium. Около 12-14 веков н.э. появились название antimonium. В 1789 году А. Лавуазье включил Сурьму в список химических элементов под названием animoine. Русское "сурьма" произошло от турецкого surme; им обозначался порошок свинцового блеска PbS, также служивший для чернения бровей по других данным, "сурьма" – от персидского сурме – метал. Свойства и способы получения сурьмы и ее соединения впервые дано алхимиком монахом - бенедиктинец Василием Валентином в 1604 году. Однако еще в прошлом веке было установлено , что среди монахов ордена бенедиктинцев такого никогда не бывало. Ученые пришли к выводу, что « Василий Валентин»- это псевдоним неизвестного ученого, написавшего свой тракт не раньше середины XVI в. В дореволюционной России не было ни одного завода, ни одного цеха, в которых бы выплавляли сурьму. А она была нужна- прежде всего полиграфии ( как компонент материала для литер) и красильной промышленности. В начале
XX
в. Россия ежегодно ввозила из-за границы около тысячи тонн сурьмы. В 1934г. на опытном заводе выплавили первую советскую металлическую сурьму. К 1936г. производство этого вещества достигло таких масштабов, что страна полностью освободилась от необходимости возить его из-за рубежа.
Характеристика вещества.
Сурьма «от тур. Stibium» Sb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 51, атомная масса 121,75, плотность 6620 кг/м³ , электроотрицательность 1.9., ковалентный радиус 1,40А, Металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком. Природная сурьма-смесь двух изотопов: ¹²¹Sb (57,25%) и ¹²³Sb(42,75%). Из искусственно получения радиоактивных изотопов важнейшие ¹²²Sb(T½ =2,8 сут), ¹² Sb(T½ =60,2 сут), ¹² Sb(T½ =2 года).,
Физические свойства Сурьмы .
Сурьма известна в в кристаллической и трех аморфных формах (взрывчатая, черная и желтая). Взрывчатая сурьма (плотность 5,6-5,97 г/см³) взрывается при любом соприкосновении, образуется при электролизе раствора SbCI3 ; черная (плотность 5,3 г/см³)- при быстром охлаждение паров сурьмы; желтая – при пропускании кислорода в сжиженный SbH3. желтая и черная сурьма неустойчива, при пониженных температурах переходят в обыкновенную сурьму. Наиболее устойчивая кристаллическая сурьма, кристаллизируется в тригональной системе, а=4,5064 А; плотность 6,61-6,73 г/см³, температура давления 630,5 ºC, температура кипения 1635-1645 ºC, удельная теплоемкость при 20-100 ºC 0,210 кдж/(кгК) [0,0498 кал/(г ºC)]. Сурьма диамагнитная, удельная магнитная восприимчива. В отличие от большинства металлов, сурьма хрупка, легко раскалывается по плоскости спайности, истирается в порошок и не подается ковке. Механические свойства зависит от чистоты метала. Твердость по Бринеллю для литого металла 325-340 Мн/м².
Химические свойства сурьмы. Конфигурации внешних электронов атома Sb 5s²5p³, степени окисления +3 и
+5, редко-3. В химическом отношение сурьма малоактивна. Углерод незначительно растворяется в расплавленной сурьме. Металл активно взаимодействует с хлором и других галогенами, образуя галогениды сурьмы. С кислородом взаимодействует при температуре выше 630 ºC с образованием Sb2О3. При сплавление с серой получается сульфиды сурьмы, так же взаимодействует с фосфором и мышьяком. Сурьма устойчива по отношению к воде и разбавленным кислотам. Концентрированная соляная и серная кислоты медленно растворяют сурьму с образованием хлорида SbCI3 и сульфата Sb2(SO4)3 ; концентрированная азотная кислота сурьму до высшего оксида, образуется в виде гидратированного соединения xSb2О5·H2О. Практический интерес представляет труднорастворимые соли сурьмяной кислоты- антимониты (MeSbО3·3Н2О, где Мe-Na, K) и соли не выделенной метасурьмянистой кислоты- метаантимониты (MeSbО3·3Н2О) , обладающее восстановительными свойствами. Сурьма соединяется с металлами, образуя антимониды.
Получение сурьмы.
Сурьма получают пирометаллургической и гидрометаллургической переработкой концентратов или руды, содержащий 20-60% Sb. К пирометаллургическим методом относятся осадительной и восстановительная плавки. Сырьем для осадительной плавки служат сульфидные концентраты; процесс основан на вытеснение сурьмы из ее сульфида железом: Sb2S3+3Fe=>2Sb+3FeS. Железо вводится в шихту в виде скрапа. Плавку ведут в отражательных или в коротких вращающихся барабанных печах при 1300-1400ºC. Извлечение сурьмы в черновой металл составляет более 90%. Восстановительная плавка сурьмы основана на восстановление ее оксидов до металлов древесном углем или каменноугольной пылью и ошлаковали пустой породы. Восстановительной плавке предшествует окислительный обжиг при 550 ºC с избытком воздуха. Огарок содержит нелетучий оксид сурьмы. Как для осадительной, так и для восстановительной плавок возможно применение электропечей. Гидрометаллургический способ получения сурьмы состоит из двух стадий: обработка сырья щелочным сульфидным раствором с переводом сурьмы в раствор в виде солей сурьмяных кислот и сульфосолей и выделения сурьмы электролизом. Черновая сурьма в зависимости от состава сырья и способа ее получения содержит от 1,5 до 15% примесей: Fe, As, S и других. Для получения чистой сурьмы применяют пирометаллургическое или электролитическое рафинирование. При пирометаллургическом рафинировании примеси железа и меди удаляют в виде сернистых соединений, вводя в расплав сурьмы антимонит (крудум) - Sb2S3, после чего удаляют мышьяк и серу при продувке воздуха под содовым шлаком. При элетролитическом рафинировании с раствором анодом черновую сурьму очищают от железа, меди и других металлов, остающих в электролите (Cu, Aq, Au остаются в шламе). Элекролитом служит раствор, состоящий из SbF3, H2SO4, HF. Содержание примесей в рафинированной сурьмt не превышает 0,5-0,8%. Для получения сурьмs высокой чистоты применяют зонную плавку в атмосфере инертного газа или получают сурьме из предварительно очищенных оксидов (III) или тоихлорида.
Применение сурьмы. Сурьма находит широкое применение в технике в виде сплавов и соединений – их насчитывается около двухсот. Ещё в трудах крупнейшего металлурга средневековья Георга Агриколы, жившего в
XVI
веке, мы находим такие строки: “Если путем сплавления определенная порция сурьмы прибавляется к олову, получается типографский сплав, из которого изготовляется шрифт, применяемый теми, кто получает книги”. И сегодня сплав свинца с сурьмой и оловом (гарт), где сурьмы от 5 до 30%, непременный атрибут любой типографии. Расплавленная сурьма, в отличие от других металлов (кроме висмута и галлия), при затвердевании увеличивает свой объем. Поэтому при отливке шрифта типографский сплав, содержащий сурьму, застывая в литейной матрице, расширяется, благодаря чему плотно её заполняет и, следовательно, очень точно воспроизводит зеркальное изображение буквы, - цифры или какого иного знака, который затем, при печати, должен быть перенесён на бумагу. Помимо этого, сурьма придаёт типографскому сплаву твёрдость и износостойкость, – весьма важные свойства, если учесть, что каждая литера выполняет свои функции десятки тысяч раз. На склонности остывающей сурьмы к “полноте” основано использование её сплавов для художественного литья, где необходимо сохранять тончайшие детали оригинала.
Твёрдые и коррозионностойкие сплавы свинца с сурьмой (сурьмы от5 до 15%) применяют в химическом машиностроении (для облицовки ванн и другой кислотоупорной аппаратуры), а также для изготовления труб, по которым транспортируются кислоты, щёлочи и другие агрессивные жидкости. Из них же делают оболочки, окутывающие различные кабели (электрические, телеграфные, телефонные), решётки свинцовых аккумуляторов, сердечники пуль, дробь, шрапнель.
Широко применяют подшипниковые сплавы (баббиты), в состав которых входят олово, медь и сурьма (сурьмы от 4 до 15%). Первый сплав такого типа был создан ещё в 1839г американским инженером И.Баббитом. Несмотря на “солидный возраст”, эти материалы до сих пор в большом почёте у конструкторов. Особая структура – наличие твёрдых частиц в мягкой пластичной основе - обусловливает высокие антифрикционные свойства баббитов: малый коэффициент трения в подшипниках, залитых этими сплавами, хорошую прирабатываемость, большое сопротивление истиранию. Неплохой антифрикционный материал – чугун, легированный сурьмой (0,5%).
Большое применение в производстве полупроводниковых приборов находят сурьму высокой чистоты и антимониды. Чистую сурьму (общая сумма примесей 1 10-4 вес %) применяют как донорскую добавку при производстве полупроводников из германия, а также она служит исходным материалом для применения антимонидов (
AlSb
,
CaSb
,
InSb
).
Антимонид индия применяют для построения датчиков Холла, для преобразования неэлектрических величин в электрические, в счетно-решающих устройствах, в качестве фильтра и регистратора инфракрасного излучения. На основе
AlSb
и
CaSb
созданы высокочастотные диоды и триоды. Благодаря большой ширине запрещенной зоны
AlSb
применяют для построения солнечных батарей. Искусственно - радиактивный изотоп
Sb
124
используют в источниках
V
- излучения и источниках нейтронов.
В последние годы сурьма стала оказывать кое-какие “услуги”…криминалистике. Дело в том, что летящая пуля оставляет за собой вихревой поток, в котором имеются микро количества ряда элементов – свинца, сурьмы, бария, меди. Оседая на землю, пол или другую поверхность, они оставляют на ней невидимый след. Невидимый? Оказывается, современная наука позволяет увидеть этот след, а значит, и узнать и направление пули. На обследуемую поверхность накладывают полоски влажной фильтровальной бумаги, затем их помещают в ядерный реактор и подвергают бомбардировка нейтронами. Вследствие “обстрела” некоторые атомы, прихваченные бумагой (в том числе атомы сурьмы), превращаются в радиоактивные изотопы, а степень их активности позволяет судить о содержании этих элементов в пробах и таким образом определить траекторию и длину полёта пули, характеристику самой пули, оружия и боеприпасов.
Разнообразна “деятельность” и соединений сурьмы. В различных областях промышленности применяют трёхокись сурьмы, сульфиды и хлориды. Так трёхокись сурьмы (
Sb
2
O
3
) применяется главным образом как пигмент для красок, глушитель для эмали, протрава в текстильной промышленности, в производстве невозгораемых тканей и красок, её используют также для изготовления оптического (просветлённого) стекла.
Сурьма пятиокись (
Sb
2
O
5
) находит широкое применение в изготовление лечебных препаратов, в производстве стекла, керамики, красок, в текстильной и резиновой промышленности, в качестве составной части люминесцентных ламп дневного света.
Сурьма треххлористая (
SbCl
3
) применяется для воронения стали, чернения цинка, в медицине, в качестве протравы в текстильном производстве и как реактив в аналитической химии.
Сурьма трехфтористая (
SbF
3
) применяется в составе электролита при электролитическом рафинировании сурьмы, а также в текстильной промышленности и при производстве тефлона.
Сульфиды сурьмы – соединения сурьмы с серой (
Sb
2
S
3
и
Sb
2
S
5
) – служат основным сырьём для получения металлической сурьмы из её соединений. Её применяют также в пиротехнике, производстве спичек, а пятисернистая сурьма применяется в резиновой промышленности для производства каучука.
Сурьмянистый водород (стибин)
SbH
3
– применяется
в качестве фумиганта для борьбы с насекомыми – вредителями сельскохозяйственных растений.
И, наконец, сурьмяный электрод – стержень из металлической сурьмы, покрытой тонким слоем малорастворимой окиси (
Sb
(
Sb
2
O
3
) применяют для измерения рн и главным образом при потенциометрических титрованиях.
В 1974г, в СССР было зарегистрировано открытие, в основе которого лежат сложные биохимические процессы, совершаемые… бактериями. Многолетнее изучение сурьмяных месторождений показало, что сурьма в них постепенно окисляется, хотя при обычных условиях такой процесс не протекает: для этого нужны высокие температуры – более 3000С. Какие же причины заставляют сурьму нарушать химические законы? Микроскопическое исследование образцов окислённой руды показало, что они густо “заселены” неизвестными микроорганизмами, которые и были виновниками окислительных “событий” на рудниках. Но, окислив сурьму, бактерии не успокаивались на достигнутом: энергию окисления они тут же “пускали в ход” для осуществления хемосинтеза, т.е. для превращения углекислоты в органические вещества.
Явление хемосинтеза впервые обнаружено и описано ещё в 1887г русским ученым С.Н. Виноградским. Однако до сих пор науке были известны всего четыре элемента, при бактериальном окислении которых выделяется, энергия для хемосинтеза: азот, сера, железо и водород. Теперь к ним прибавилась сурьма.
Сурьма в объектах окружающей среды.
Содержание сурьмы ( на 100г сухого вещества) составляет в растениях 0,0006 мг, в морских животных 0,02мг, в наземных животных 0,0006 мг. Роль сурьмы в обмене веществ у человека и животных не установлена. В организме животных и человека сурьма поступает через органы дыхания или желудочно-кишечный тракт. Выделяется главным образом с фекалиями, в незначительном количестве- с мочой. Сурьма избирательно концентрируется в щитовидной железе, печени, селезенке. В эритроцитах накапливается преимущественно сурьма в степени окисления +3, в плазме крови- в степени окисления +5. Предельно допустимая концентрация сурьмы 10- 10г на 100г сухой ткани. При более высокой концентрации этот элемент инактивирует ряд ферментов липидного, углеводного и белкового обмена. Сурьма и ее соединения ядовиты. Отравления возможны при выплавке концентрата сурьмяных руд и в производстве сплавов сурьмы. При острых отравлениях- раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей, глаз, а также кожи.
Сурьма устойчива на воздухе выше ~ 600ºC окисляется с образованием сурьмы оксида (III) . Не реагирует с азотом, углеродом, кремнием, бором. Активно реагирует с галогенами, кроме F2 , измельченная горит в атмосфере CI2 . При сплавлении соединяется с серой селеном, теллуром
фосфором. При сплавление с большинством металлов образуется антимониды. Не реагирует с соляной кислотой и фтористоводородной кислотой, разбавлена серной кислотой. Раствор в концентрации H2SO
4
с образованием Sb
2
(SO
4
)
3
, концентрированной азотной кислотой окисляется до сурьмяной кислоты Н ([SbOH)
6
].
Содержание сурьмы в земной коре 4*10-5 весового %. Мировые запасы сурьмы, оцениваемые в 6 млн. т, сосредоточены главным образом в Китае (52% мировых запасов). Наиболее распространенный минерал – сурьмяный блеск, или стибин (антимонит)
Sb
2
S
3
, свинцово-серого цвета с металлическим блеском, который кристаллизуется в ромбической системе с плотностью 4,52-4,62г/см3 и твердостью . В главной массе сурьмяный блеск образуется в гидротермальных месторождениях, где его скопления создают залежи сурьмяной руды в форме жил и пластообразных тел. В верхних частях рудных тел, близ поверхности земли, сурьмяный блеск подвергается окислению, образуя ряд минералов, а именно: сенармонтит и валентит
Sb
2
O
3
; сервантит
Sb
2
O
4
; стибиоканит
Sb
2
O
4
H
2
O
; кермизит 3
Sb
2
S
3
Sb
2
O
. Помимо собственных сурьмяных руд имеются также руды, в которых сурьма находится в виде комплексных соединений с медью, свинцом ртутью и цинком (блеклые руды). Не смотря на то что содержание сурьмы в земной коре весьма незначительно, следы ее имеются во многоих минералах. Иногда сурьму обнаруживают в метеоритах. В спектре Солнца линии сурьмы не найдены.
Сурьма поступает в поверхностные воды за счет выщелачивания миниралов сурьмы ( стибнит, сенармонтит, валентинит, сервантит, стибиоканит) и со сточными водами резиновых, стекольных, красильных, спичечных предприятий. В природных водах соединения сурьмы находятся в растворенном и взвешенном состоянии. В окислительно-востановительных условиях, характерных для поверхностных вод, возможно существование как трехвалентной, так и пятивалентной сурьмы. В незагрязненных поверхностных водах сурьма находится в субмикрограмовых концентрациях,в морской воде ее концентрация достигает 0,5 мкг/ дм , в подземных водах- 10 мкг/ дм³. ПДК в сурьме составляет 0,05мг/ дм³ (лимитирующий показатель вредности- санитарно-токсикологический) ПДКвр- 0,01мг/ дм³
Сурьма и ее соединения ядовиты
.
Отравления возможно при выплавке конценрата сурьмяных руд и в производстве сплавов сурьмы. При острых отравлениях – раздражение слизистых оболочек верхних дыхательных путей , глаз, а также кожи.
Свойства
.Соли сурьмы легко гидролизуются. Осаждение гидроксисолей начинается при pН 0,5-0,8 для Sb(III) и pH 0,1 для Sb(V), полное осаждение достигается соответствия pH 2,2 и 1. Соединение , образующиеся при гидролизе Sb(III), содержат катион анти-монил SbO.
Сульфат Sb2
(SO
4
)
3
бесцветный с шелковистым блеском; 3,62 г/см³; очень гигроскопичен, расплывается на воздухе, водой гидролизуется до сульфата анти-монила Sb
2
(SO
4
)
3
и др. основных сульфатов, при 500ºC полностью разлагается; компонент пиротехн. Составов. Ниобат SbMbO
4-
бесцветные кристаллы с ромбичной решеткой (а=0,5561 нм, b=0,4939нм, с=1,1810 нм, z=4, пространственная группа Рna2
1
); 5,68 г/см³; получает спеканием оксидов Sb u Nb или гидротермальным путем; сег-нетоэлектрик, т-ра Кюри 410ºC
Лактат Sb(СН
3
СНОНСОО)
3
- бесцветные кристаллы, не растворима в воде, получают взаимодействует Sb(OH)
3
с молочной кислотой; фиксатор в ситцепечатании, протрава при гравировании.
Гидроксооксалат Sb(C
2
O
4
)OH- бесцветные кристаллы, выше 275ºC разлагается с получением мелкодисперной
Sb
2
O
3
; не растворима в воде и органических растворителях получают действием щавелевой кислоты на р-р SbCI
3
, протрава при крашении.
Антимонилтартрат калия К(Sb)(О
4
H
4
O
6
)- 0,5Н
2
О (рвотный камень)-бесцветные металлы.
При спекании Sb
2
О
3
с оксидами или карбонатами металлов без доступа воздуха образуется антимонаты (III) щелочные металлы растворимы воде, их р-р сильные восстановители. Все остальные антимонаты в воде не растворимы. При нагревание на воздухе окисляются до антимонаты (V).
Гидрид (стибин) SbH
3
бесцветный газ; температура плавления -92,4ºC, температура кипения -18,3 ºC; получают действием HCI на антимониды Mq или Zn
или солянокислого р-р SbCI
3
на натрий борогидрид; медленно разлагается при комнатной температуре , быстро при 150 ºC; легко окисляется, горит на воздухе, мало растворим в воде; используют для получения сурьмы высокой чистоты; высокотоссичен.
Металл или неметалл?
Для сурьмы небесного тела не хватило, и на этом основании алхимики никак не желали признать ее самостоятельным металлом. Но, как это ни странно, частично они были правы, что нетрудно подтвердить, проанализировать физические и химические свойства сурьмы. Детальный анализ химических свойств сурьмы тоже не дал возможности окончательно убрать ее из раздела «ни то, ни се». Внешний , электронный слой атома сурьмы состоит из пяти валентных электронов s²p³. Три из них (p- электроны)- неспаренные
и два (s- электроны) – спаренные. Первые легче отрываются от атома и определяются характерную для сурьмы валентность 3+. При проявление этой валентности пара неподеленых валентных электронов s² находиться как бы в запасе. Когда же этот запас расходуется, сурьма становится пятивалентной. Короче говоря, она проявляет те же валентности, что и ее аналог по группе – неметалл фосфор.
Проследим, как ведет себя сурьма в химических реакциях с другими элементами, например с кислородом , и каков характер ее соединений.
При нагревании на воздухе сурьма легко превращается в окисел
Sb
2
O
3
- твердое вещество белого цвета, почти не растворима в воде. В литературе это вещество называют сурьмянистым ангидридом, но это неправильно. Ведь ангидрид является кислотообразующий окислом, а у
Sb
(
O
Н)3, ,
гидрита
Sb
2
O
3,
Основные свойства явно преобладают над кислотными. Свойства низшего окисла сурьмы говорят о том, что сурьма- металл. Но высший окисел сурьмы
Sb
2
O
5
это действительно ангидрид с четко выраженными кислотными свойствами. Значит, сурьми все-таки неметалл?
Есть ещё третий окисел -
Sb
2
O
4
. В нем один атом сурьмы трех -, а другой пятивалентен, и этот окисел самый устойчивый. Во взаимодействии ее с прочими остается открытым. Почему же тогда во всех справочниках она фигурирует среди металлов? Главным образом ради классификации: надо же ее куда-то девать, а внешне она похожа на метал