Определение содержания меди в различных средах, минералах и горных породах

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

Федеральное агентство  по образованию

 

Вятский государственный  гуманитарный университет

 

Химический факультет

 

Кафедра химии и методики обучения химии

 

 

 

 

Выпускная квалификационная работа

 

Определение содержания меди в различных средах, минералах и горных породах

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент 5 курса

химического факультета М. А. Мурин

____________________     (подпись)

Научный руководитель:

старший преподаватель И. А. Токарева

____________________     (подпись)

Рецензент:

ассистент О. В. Огородникова

____________________     (подпись)

 

 

 

 

Допущена к защите в ГАК:

 

Зав. кафедрой, д.т.н., профессор        _________________     (Т. Я. Ашихмина)

 

Декан факультета, к.п.н., доцент       _________________      (М. А. Зайцев)

 

 

                                                                                                        ___      _______________

 

Киров

2006

 

Содержание

	стр.
Введение…………………………………………………………………………	4
1. Литературный обзор…………………………………………………………	6
1.1. Общие сведения  о меди…………………………………………………	6
1.1.1. Положение в периодической  системе Д. И. Менделеева……….	6
1.1.2. Распространение в природе……………………………………….	7
1.1.3. Получение…………………………………………………………..	9
1.1.4. Физические свойства……………………………………………....	10
1.1.5. Химические свойства……………………………………………...	13
1.1.6. Химико-аналитическая характеристика соединений меди……..	17
1.1.6.1.Соединения меди с неорганическими лигандами…………..	17
1.1.6.2. Комплексы меди с органическими лигандами……………..	26
1.2. Классификация методов определения меди…………………………...	38
1.2.1. Качественное обнаружение меди………………………………....	38
1.2.1.1. Реакции с неорганическими реагентами…………………....	39
1.2.1.2. Реакции с органическими реагентами……………………....	41
1.2.1.3. Обнаружение меди другими методами……………………..	43
1.2.2. Количественное определение  меди……………………………....	44
1.2.2.1. Титриметрические методы определения меди…………….	44
1.2.2.2. Фотометрические методы определения меди……………....	51
1.2.2.3. Гравиметрические методы определения меди……………...	59
1.3. Определение меди  в различных средах………………………………..	68
1.3.1. Определение меди в природных и промышленных объектах…..	68
1.3.2. Животные и биологические пробы, пищевые продукты, корма..	77
1.3.3. Природные, питьевые, котловые и сточные воды……………….	81
1.4. Физиологическая роль меди…………………………………………....	90
2. Экспериментальная  часть…………………………………………………...	94
2.1. Методика эксперимента………………………………………………...	94
2.2. Результаты эксперимента……………………………………………….	99
Заключение……………………………………………………………………..	100
Литература………………………………………………………………………	101

 

Введение

Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами является одной из актуальнейших на сегодняшний день. Бурное развитие химической промышленности привело к огромному числу отходов различных видов, которые в большинстве случаев не являются безвредными для растительного и животного мира, человека. Токсичные элементы (в частности, тяжелые металлы) образуют обширную и весьма опасную в токсикологическом отношении группу веществ. Обычно рассматривают 14 элементов: Hg, Pb, Cd, As, Sb, Sn, Zn, Al, Be, Fe, Cu, Ba, Cr, Tl. Разумеется, не все перечисленные элементы являются ядовитыми, некоторые из них являются биогенными, то есть необходимы для нормальной жизнедеятельности человека и животных. Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав некоторых витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвует в процессах обмена веществ, в тканевом дыхании и т.д. Медь имеет большое значение для поддержания нормальной структуры костей, хрящей, сухожилий (коллаген), эластичности стенок кровеносных сосудов, легочных альвеол, кожи (эластин). Превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) меди автоматически переводит её в группу токсичных элементов, поэтому часто трудно провести четкую границу между биологически необходимыми и вредными для здоровья человека элементами.

Содержание меди нормировано  в природных и сточных водах, а в некоторых биологических объектах, например, в крови, она является важным диагностическим показателем. Отсюда вытекает необходимость контроля содержания меди в природных средах и объектах. Также качественное и количественное определение меди в минералах и горных породах используется в аналитических целях и заводских лабораторий. Источником же загрязнения медью может быть не только деятельность человека, но и естественное загрязнение (привнесение из минералов и горных пород).

Исходя из вышесказанного, нами была поставлена цель работы: обобщение сведений о характерных свойствах меди, систематизация и анализ методов её определения в природных средах, минералах и горных породах, отработка одной из методик количественного определения ионов меди в почве.

Для решения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучение литературных данных по свойствам меди и методикам её определения.
2. Систематизация методов качественного и количественного определения меди в природных средах и объектах.
3. Отработка эксперимента по количественному определению содержания меди на территории г. Киров, в точках с наибольшим антропогенным воздействием.
4. Обработка результатов эксперимента.

 

1. Литературный обзор

 

1.1. Общие сведения о меди

 

1.1.1. Положение в периодической системе Д. И. Менделеева

 

Медь (Cuprum), Сu – химический элемент побочной подгруппы первой группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Латинское название происходит от острова Кипр, где древние греки добывали медную руду. Порядковый номер 29, относительная атомная масса 63,54. Распределение электронов в атоме меди – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹, для возбуждённого состояния характерно следующее распределение электронов – 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹4s².

Природная медь состоит  из смеси 2-х стабильных изотопов с  массовыми числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%). Путем бомбардировки никеля протонами или дейтронами искусственно получают радиоактивные изотопы меди ⁶¹Сu и ⁶⁴Сu с периодами полураспада 3,3 и 12,8 ч соответственно. Эти изотопы обладают высокой удельной активностью и используются в качестве меченых атомов.

Так как в образовании  металлической связи принимают  участие и электроны d-оболочки, температура плавления меди – 1083 ^oC, значительно выше, чем у щелочных металлов (температура плавления натрия – 98 ^oC), что обусловливает более «благородный» характер меди по сравнению с последними.

В химическом отношении  медь занимает промежуточное положение между элементами первой плеяды VIII группы и щелочными элементами I группы периодической системы. Ниже приведены значения потенциалов ионизации атомов меди (в эВ) [1]:

1-й	2-й	3-й	4-й	5-й	6-й	7-й	8-й
7,72	20,29	36,83	58,9	82	106	140	169

 

Заполненная d-оболочка меди менее эффективно экранирует s-электрон от ядра, чем оболочка инертного газа, поэтому первый потенциал ионизации меди выше, чем у щелочных металлов:

	1-й	2-й	3-й
Li	5,39	75,64	122,4
Na	5,14	47,30	71,7
K	4,34	31,82	46,0

 

Второй и третий потенциалы ионизации меньше, чем у щелочных металлов, что в значительной степени объясняет проявление свойств меди как переходного элемента, который в степени окисления II и III имеет парамагнитные свойства окрашенных ионов и комплексов. Медь(I) также образует многочисленные соединения по типу комплексов переходных металлов (табл. 1).

Таблица 1

Состояние окисления  и стереохимия соединений меди

Состояние окисления	Координационное число	Геометрия	Примеры соединений
Cu(I) d10	2	Линейная	Cu2O, [Cu(NH3)2]+
	3	Плоская	K[Cu(CN)2]
	4*	Тетраэдр	Cu(I), [Cu(CN)4]3–
Cu(II) d9	4	Тетраэдр (искаженный)	Cs2[CuCU]
	5	Тригональная бипирамида	[Cu(Dipy)2I]+
	5	Квадратная пирамида	[Сu(ДМГ)2]2(тв.)
	4*	Квадрат	CuO, (NH4)2[CuCl4]
	6*	Октаэдр (искаженный)	K2CuF4, CuCl2
Cu(III) d8	4	Квадрат	KCuO2
	6	Октаэдр	K3CuF6

Примечания: Dipy — дипиридил; ДМГ — диметилглиоксим. *Наиболее распространенные состояния.

 

1.1.2. Распространение в природе

 

Содержание меди в  земной коре составляет около 0,01%. Она  встречается в свободном состоянии в виде самородков, достигающих значительных размеров (до нескольких тонн). Однако руды самородной меди сравнительно мало распространены, и в настоящее время из них добывается не более 5% меди от общей ее мировой добычи. До 80% ее присутствует в земной коре в виде соединений с серой. Около 15% меди находится в виде карбонатов, силикатов, оксидов и т.п., являющихся продуктами выветривания первичных сульфидных медных руд. Мировое производство (т/год): >7∙10⁶⁽⁸⁾.

Медь образует до 240 минералов, однако лишь около 40 имеют промышленное значение (табл. 2).

Таблица 2

Основные минералы и  руды меди

Название	Формула	Название	Формула
Медь самородная	Сu	Купродеклуазит	(Сu, Zn)Pb[VO4][OH]
Халькозин	Cu2S	Дигидрит	Сu5[РО4]2[ОН]4
Халькопирит	CuFeS2	Клапротит	Cu6Bi4S9
Борнит	Cu5FeS4	Виттихенит	Cu3BiS3
Азурит	Сu3[СО3]2[ОН]2	Зелигманит	CuPbAsS3
Кубанит	CuFe2S3	Бурнонит	CuPbSbS3
Карролит	CuCo2S4	Айкинит	CuPbBiS5
Теннантит	Cu3AsS3	Атакамит	CuCl2∙3Cu[OH]2
Тетраэдрит	Cu3SbS3	Тагилит	Cu2[PO4][OH]∙H2O
Энаргит	Cu3AsS4	Элит	Cu5[PO4][OH]4∙H2O
Фаматинит	Cu3SbS4	Халькофиллит	Cu4[AsO4][OH]5∙9H2O
Сульванит	Cu3VS4	Бандилит	Cu[BO2]Cl∙2H2O
Халькостибит	CuSbS2	Узбекит	Cu3[VO4]2∙3H2O
Эмплектит	CuBiS2	Тиролит	Cu9Ca2[As04]4[OH]10 ∙10H2O
Тенорит	CuO
Ковеллин	CuS	Эринит	Cu5[AsO4]2[OH]4
Хризоколла	CuSiO3∙nH2O	Делафоссит	CuFeO2
Куприт	Cu2O	Малахит	Сu2[СО3][ОН]2
Домейкит	Cu3As	Псевдомалахит	Cu3[PO4][OH]3
Лангит	Cu4[SO4][OH]6∙H2O	Клиноклазит	Cu3[AsO4] [OH]3
Вернадскит	Cu4[SO4],[OH]2∙4H2O	Розазит	(Сu, Zn)2[CO3][OH]2
Цианотрихтит	Cu4Al2[SO4][OH]12∙2H2O	Аширит (диоптаз)	Cu6[Si6O18]∙6H2O
Долерофанит	Cu2[SO4]O	Бирюза	CuAl6[PO4]4[OH]8∙4H2O
Линдгренит	Сu3[МоО4]2[ОН]2	Халькосидерит	CuFe6[PO4]4[OH]8∙4H2O
Либетенит	Cu2[PO4][OH]	Пизанит	(Fe, Cu)SO4∙7H2O
Оливенит	Cu2[AsO4][OH]	Бутит	CuSO4∙7H2O
Фольбортит	CuCa[VO4][OH]	Халькантит	CuSO4∙5H2O