phân tích và đánh giá hàm lượng sắt, mangan trong nước giếng khoan bằng phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử ngọn lửa (f-aas)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM





TƢỜNG THỊ CẨM NHUNG




PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HÀM LƢỢNG
SẮT, MANGAN TRONG NƢỚC GIẾNG KHOAN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ
NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA (F-AAS)




LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC





THÁI NGUYÊN - 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




TƢỜNG THỊ CẨM NHUNG



PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HÀM LƢỢNG SẮT, MANGAN
TRONG NƢỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP
QUANG PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ NGỌN LỬA (F-AAS)



Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH
Mã số: 60.44.29



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC


Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS.Trần Thị Hồng Vân

THÁI NGUYÊN - 2011\
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các tài
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ
công trình nào.
Tác giả


Tƣờng Thị Cẩm Nhung












Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Thị Hồng Vân – Cô đã
tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tôi có thể
hoàn thành được luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo, cán bộ Khoa Hoá học – trường Đại
học Sư phạm Thái Nguyên đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong thời gian
học tập và nghiên cứu khoa học tại trường.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ, viên chức công tác tại Trung tâm Y tế Dự
phòng tỉnh Thái Nguyên đã hỗ trợ máy móc cũng như trang thiết bị làm thực
nghiệm và tài liệu liên quan trong quá trình tôi làm luận văn.
Tôi xin cảm ơn Trung tâm Y tế Dự phòng tỉnh Thái Nguyên đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong thời gian học Cao học.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã
luôn cổ vũ, động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Trong quá trình thực hiện luận văn do còn hạn chế về mặt thời gian,
kinh phí cũng như trình độ chuyên môn nên không tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong nhận được những ý kiến quý báu của các thầy cô, các nhà khoa
học, bạn bè và đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 8 năm 2011
Tác giả



Tƣờng Thị Cẩm Nhung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC

Trang
MỞ ĐẦU
1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
4
1.1. MANGAN VÀ HỢP CHẤT CỦA MANGAN
4
1.1.1. Mangan
4
1.1.2. Các hợp chất của mangan
5
1.1.2.1. Hợp chất của Mn(II)
5
1.1.2.2. Hợp chất của Mn(III)
5
1.1.2.3. Hợp chất của Mn(IV)
6
1.1.2.4. Hợp chất của Mn(VI)
6
1.1.2.5. Hợp chất của Mn(VII)
7
1.1.3. Ứng dụng của Mangan
8
1.1.4. Sự xuất hiện của Mangan và khả năng gây ô nhiễm của
mangan trong nƣớc ngầm
8
1.2. SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT
9
1.2.1. Sắt
9

1.2.1.1. Vị trí và tính chất của nguyên tử sắt
9
1.2.1.2. Trạng thái tự nhiên
10
1.2.1.3. Tính chất lí học của sắt
10
1.2.1.4. Tính chất hóa học của sắt
11
1.2.2. Một số hợp chất của sắt
12
1.2.2.1. Sắt(II) oxit (FeO)
1.2.2.2. Sắt(II) hiđroxit: Fe(OH)
2

13
1.2.2.3. Muối sắt(II)
13
1.2.2.4. Sắt(III) oxit: Fe
2
O
3

14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.2.2.5. Sắt(III) hiđroxit: Fe(OH)
3

15
1.2.2.6. Muối sắt(III)

16
1.2.2.7. Phức chất của sắt(III)
17
1.2.3. Vai trò của sắt đối với cơ thể con ngƣời
17
1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MANGAN VÀ SẮT
18
1.3.1. Các phƣơng pháp hóa học
18
1.3.1.1. Phân tích khối lượng
18
1.3.1.2. Phân tích thể tích
19
1.3.2. Các phƣơng pháp phân tích công cụ
20
1.3.2.1. Các phương pháp điện hóa
20
1.3.3. Các phƣơng pháp quang học
22
1.3.3.1. Phương pháp trắc quang
22
1.3.3.2. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử…………………………….
26
1.3.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử…………………………….
27
1.3.4. Phƣơng pháp sắc ký……………………………………………….
28
1.3.4.1. Phương pháp sắc ký lỏng cao áp và phương pháp dòng chảy sử
dụng detector điện hóa……………………………………………………
28

1.3.4.2. Phương pháp sắc ký điện di mao quản…………………………
28
CHƢƠNG II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
30
2.1. GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ ….
30
2.1.1. Nguyên tắc của phép đo AAS……………………………………
30
2.1.2. Trang bị của phép đo AAS
31
2.1.3. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp
32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.2. HOÁ CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
33
2.2.1. Trang thiết bị………………………………………………………
33
2.2.2. Dụng cụ……………………………………………………………
34
2.2.3. Hóa chất…………………………………………………………
34
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………………….
34
2.3.1. Phƣơng pháp đƣờng chuẩn……………………………………….
34
2.3.2. Phƣơng pháp thêm chuẩn………………………………………
36
2.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU………………………………………

38
2.4.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định Fe, Mn bằng
phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa
38
2.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của cation khác
39
2.4.3. Khảo sát vùng tuyến tính của Fe, Mn
39
2.4.4. Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo
39
2.4.5. Lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu
39
2.4.6. Phân tích mẫu thực tế theo phƣơng pháp đƣờng chuẩn và
phƣơng pháp thêm chuẩn
39
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU…………………………….
40
3.1. KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH
CÁC KIM LOẠI SẮT VÀ MANGAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP
F-AAS
40
3.1.1. Khảo sát các thông số máy
40
3.1.1.1. Khảo sát vạch phổ hấp thụ
40
3.1.1.2. Khảo sát cường độ dòng đèn
41
3.1.1.3. Khảo sát lưu lượng khí axetylen
43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.1.1.4. Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử
44
3.1.1.5. Khảo sát chiều cao của đèn nguyên tử hóa mẫu
45
3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của các loại axit và nồng độ axit
46
3.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với sắt…………………………
47
3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với Mn
49
3.2. KHẢO SÁT SƠ BỘ THÀNH PHẦN MẪU
51
3.3. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC CATION
52
3.4. KHẢO SÁT KHOẢNG TUYẾN TÍNH CỦA Fe VÀ Mn
54
3.5. XÂY DỰNG ĐƢỜNG CHUẨN, XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN PHÁT
HIỆN VÀ GIỚI HẠN ĐỊNH LƢỢNG
57
3.5.1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định sắt
58
3.5.2. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định mangan
60
3.6. TỔNG HỢP CÁC ĐIỀU KIỆN ĐO PHỔ F-AAS CỦA SẮT VÀ
MANGAN
61
3.7. SAI SỐ VÀ ĐỘ LẶP LẠI CỦA PHÉP ĐO
62
3.7.1. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo Fe

63
3.7.2. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo Mn
64
3.8. PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ BẰNG PHƢƠNG PHÁP
ĐƢỜNG CHUẨN
66
3.8.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
66
3.8.2. Xử lý mẫu…………………………………………………………
71
3.8.3. Kết quả xác định hàm lƣợng kim loại sắt, mangan trong nƣớc
giếng khoan bằng phép đo F – AAS
71
3.9. PHÂN TÍCH MẪU NƢỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƢƠNG
PHÁP THÊM CHUẨN
75
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………
79
TÀI LỆU THAM KHẢO………………………………………………
81

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng
Tên bảng
Trang
Bảng 3.1
Kết quả khảo sát các bước sóng hấp thụ khác nhau
của Fe
41
Bảng 3.2
Kết quả khảo sát các bước sóng hấp thụ khác nhau
của Mn
41
Bảng 3.3
Khảo sát cường độ dòng đèn đối với Fe
42
Bảng 3.4
Khảo sát cường độ dòng đèn đối với Mn
42
Bảng 3.5

Khảo sát tốc độ dẫn khí axetylen của Fe
43
Bảng 3.6
Khảo sát tốc độ dẫn khí axetylen của Mn
43
Bảng 3.7
Kết quả khảo sát khe đo đối với Fe
44
Bảng 3.8
Kết quả khảo sát khe đo đối với Mn
45
Bảng 3.9
Khảo sát chiều cao đèn nguyên tử hóa đối với Fe
45

Bảng 3.10
Khảo sát chiều cao đèn nguyên tử hóa đối với Mn
46
Bảng 3.11
Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép
đo Fe
47
Bảng 3.12
Khảo sát ảnh hưởng của HNO
3
0,13% và HCl 0,13%
48
Bảng 3.13
Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit tới phép
đo Mn

49
Bảng 3.14
Khảo sát ảnh hưởng của HNO
3
0,13% và HCl 0,13%
50
Bảng 3.15
Kết quả sơ bộ thành phần mẫu nước
51
Bảng 3.16
Ảnh hưởng của các kim loại kiềm
52
Bảng 3.17
Ảnh hưởng của các kim loại kiềm thổ
53
Bảng 3.18
Ảnh hưởng của các kim loại nhóm 3
53
Bảng 3.19
Ảnh hưởng của các kim loại nặng khác
53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bảng 3.20
Ảnh hưởng của các ion kim loại khác
54
Bảng 3.21
Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Fe
55
Bảng 3.22

Kết quả khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn
56
Bảng 3.23
Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ sắt
59
Bảng 3.24
Sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ Mn
60
Bảng 3.25
Tổng kết các điều kiện đo phổ F – AAS của sắt và
mangan
62
Bảng 3.26
Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo
Fe
64
Bảng 3.27
Kết quả xác định sai số của phương pháp với phép đo
Mn
65
Bảng 3.28
Địa điểm, thời gian và kí hiệu mẫu phân tích
66
Bảng 3.29
Nồng độ kim loại Fe và Mn trong nước giếng khoan
(Tháng 5/2011)
72
Bảng 3.30
Nồng độ kim loại Fe và Mn trong nước giếng khoan
(Tháng 6/2011)

73
Bảng 3.31
Giới hạn tối đa nồng độ kim loại trong mẫu nước
75
Bảng 3.32
Kết quả phân tích hàm lượng Fe tháng 5/2011
76
Bảng 3.33
Kết quả phân tích hàm lượng Fe tháng 6/2011
77
Bảng 3.34
Kết quả phân tích hàm lượng Mn tháng 5/2011
77
Bảng 3.35
Kết quả phân tích hàm lượng Mn tháng 6/2011
78

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
Hình 2.1
Đồ thị của phương pháp đường chuẩn
35
Hình 2.2
Đồ thị phương pháp thêm chuẩn
38

Hình 3.1
Độ hấp thụ của Fe trong các axit tối ưu
48
Hình 3.2
Độ hấp thụ của Mn trong các axit tối ưu
50
Hình 3.3
Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Fe
56
Hình 3.4
Đồ thị khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của Mn
57
Hình 3.5
Đường chuẩn xác định hàm lượng Fe
59
Hình 3.6
Đường chuẩn xác định hàm lượng Mn
61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
MỞ ĐẦU
Trong quá trình sinh sống và phát triển con người càng khai thác nhiều
nguồn tài nguyên thiên nhiên hơn, trong đó có những tài nguyên không tái tạo
được thì sẽ đi đến chỗ cạn kiệt như: nạn chặt phá rừng quá nặng nề, khai thác
tài nguyên khoáng sản, khai thác nước … Mặt khác con người cũng sản sinh
ra nhiều chất thải hơn và càng làm cho môi trường bị ô nhiễm và suy thoái.
Sự suy thoái của môi trường đang đe dọa tới sức khỏe và tính mạng của hàng
trăm triệu người dân trên thế giới nhất là các nước đang phát triển.
Chính vì vậy mà trong thời đại hiện nay, trên phạm vi toàn thế giới và
trong từng quốc gia nổi lên vấn đề cơ bản nhất có ảnh hưởng trực tiếp tới sức
khỏe của con người đó là vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm
môi trường nước nói riêng.
Như chúng ta đã biết, nước cũng như không khí rất cần thiết cho sự
sống và các hoạt động của cơ thể con người, cho sự tồn tại và phát triển của
môi trường xung quanh. Trong cơ thể mỗi con người lượng nước sạch cần
thiết trong một ngày dùng để ăn uống từ 2,5 – 3 lít nước và dùng cho các nhu
cầu khác như tắm giặt … bình quân cần phải từ 100 – 120 lít/ngày.
Nguy cơ khan hiếm nước và tình trạng các nguồn nước sạch bị ô nhiễm
dẫn đến tình trạng thiếu nước sạch phục vụ cho ăn uống và cho sinh hoạt của
con người càng ngày càng trầm trọng. Ở nước ta đang bước vào thời kỳ đẩy
mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa cùng với sự gia tăng về dân số, do vậy
mà vấn đề nước sạch đã trở lên cấp bách hơn bao giờ hết. Tổ chức Y tế thế
giới (WHO) đã tiến hành nghiên cứu cơ cấu bệnh tật ở Châu Á và đã đi đến
kết luận như sau: “ Tại một số nước ở Châu Á có 60% bệnh nhiễm trùng và
40% tử vong là do nước dùng sinh hoạt không hợp vệ sinh”. Quỹ nhi đồng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
Liên Hiệp Quốc (UNICEF) lại cảnh báo: “ Hàng năm, tại các nước đang phát
triển có khoảng 14 triệu trẻ em dưới 5 tuổi bị chết và 5 triệu trẻ em bị tàn tật
do dùng nước bị ô nhiễm”.
Có rất nhiều chỉ tiêu để đánh giá chất lượng nước như: độ pH, độ kiềm,
độ axit, hàm lượng oxi (DO, BOD, COD), hàm lượng chất hữu cơ, chất bảo
vệ thực vật, hàm lượng các cation, anion… Nước sạch đưa vào cơ thể nhiều
nguyên tố cần thiết cho sự sống như: Iot, Sắt, Flo, Kẽm, Đồng, Mangan …
Tuy nhiên khi nồng độ của chúng trong nước vượt quá mức cho phép thì nó
sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo. Do đó nước dùng cho cuộc sống phải đủ về số
lượng và đảm bảo an toàn về chất lượng.
Sắt là một trong những kim loại có nhiều trong vỏ trái đất. Nồng độ của
nó trong nước thiên nhiên có thể từ 0,5 - 50 mg/l. Nhu cầu tối thiểu về sắt
hàng ngày tùy thuộc vào độ tuổi, giới tính, thể chất thay đổi từ 10 - 15
mg/ngày. Còn mangan thì nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày đối với cơ thể con
người từ 30 – 50 µg/kg thể trọng. Nếu dư thừa, mangan thì sẽ gây ra các bệnh
hiểm nghèo như: viêm túi mật, ảnh hưởng đến vị giác và tuyến giáp trạng…
Người ta đã ghi nhận được chứng cứ về tính nhiễm độc thần kinh do tiếp xúc
lâu với bụi có chứa mangan là tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn
thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng có thể dẫn tới tử vong
[17]. Vì vậy, việc xác định chính xác hàm lượng các kim loại nặng độc hại
(Fe, Mn …) trong nước là vô cùng cần thiết. Nó góp phần bảo vệ sức khỏe
cộng đồng, đồng thời cũng góp phần xây dựng quy trình phục vụ kiểm tra
chất lượng nước.
Xuất phát từ mục tiêu đó chúng tôi lựa chọn đề tài:
“Phân tích và đánh giá hàm lƣợng Sắt, Mangan trong nƣớc giếng khoan
bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F – AAS)”.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
Chúng tôi tiến hành xác định hàm lượng sắt, mangan trong nước sinh
hoạt bằng kỹ thuật F – AAS để từ đó xác định mức ô nhiễm sắt, mangan và có
biện pháp xử lý thích hợp.
Để thực hiện đề tài này, chúng tôi tập trung giải quyết các nhiệm vụ sau:
+ Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định sắt, mangan bằng máy
quang phổ hấp thụ nguyên tử Shimadzu AA-6300.
+ Chọn nền và môi trường phân tích.
+ Khảo sát ảnh hưởng của các cation khác.
+ Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt và mangan trong phép đo
F-AAS và xây dựng đường chuẩn xác định các nguyên tố này.
+ Xác định hàm lượng các kim loại sắt, mangan trong nước giếng
khoan ở một số phường của thành phố Thái Nguyên và đánh giá mức độ ô
nhiễm của chúng.












Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4

Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. MANGAN VÀ HỢP CHẤT CỦA MANGAN
1.1.1. Mangan [8]
Mangan là nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm VII trong bảng
HTTH của Menđeleep:
- Khối lượng nguyên tử: 54,938
- Tỷ trọng: 7,44
- Nhiệt độ nóng chảy: 1244
0
C
- Nhiệt độ sôi: 2120
0
C
- Cấu hình electron lớp ngoài cùng: 3d
5
4s
2

- Mangan có các trạng thái oxi hóa từ +2 đến +7
Trong thiên nhiên Mn là nguyên tố tương đối phổ biến, đứng hàng thứ
3 trong số các kim loại chuyển tiếp sau Fe và Ti. Trữ lượng của Mn trong vỏ
trái đất là0,032%. Mangan không tồn tại ở trạng thái tự do mà tồn tại chủ yếu
trong các khoáng vật. Khoáng vật chính của Mn là hausmanit( Mn
3
O
4
) chứa
khoảng 72% Mn, pirolusit(MnO
2

) chứa khoảng 63% Mn, braunit (Mn
2
O
3
) và
manganit MnO
2
.Mn(OH)
2
. Nước ta có mỏ pirolusit lẫn hemantit ở Yên Cư và
Thanh Tứ ( Nghệ An), mỏ pirolusit lẫn hêmantit ở Tốc Tác và Bản Khuôn
(Cao Bằng).
Trong cơ thể con người Mn có khoảng 4.10
-10
% nằm trong tim, gan và
tuyến thượng thận, ảnh hưởng đến sự trưởng thành của cơ thể và sự tạo máu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
Mangan có nhiều đồng vị từ
49
Mn
đến
55
Mn
trong đó chỉ có
55
Mn
là đồng

vị thiên nhiên chiếm 100%. Đồng vị phóng xạ bền nhất là
53
Mn
có chu kì bán
hủy là 140 năm, và kém bền nhất là
49
Mn
có chu kì bán hủy là 0,4s [18].
1.1.2. Các hợp chất của mangan [1]
1.1.2.1. Hợp chất của Mn(II)
Đa số hợp chất Mn(II) dễ tan trong nước, ít tan là MnO, MnS,
MnF
2
, Mn(OH)
2
, MnCO
3
và Mn
3
(PO
4
)
2
. Khi tan trong nước các muối Mn(II)
phân li tạo phức aquơ kiểu [Mn(OH
2
)
6
]
2+

làm cho dung dịch có màu hồng.
Khi tác dụng với các chất oxi hóa các hợp chất Mn(II) thể hiện tính
khử. Trong môi trường kiềm Mn(OH)
2
bị O
2
của không khí oxi hóa:
6Mn(OH)
2
+ O
2
→ 2Mn
2
MnO
4
+ 6H
2
O
( Đây là một phản ứng dùng để định lượng oxi hòa tan trong nước)
Trong môi trường kiềm mạnh, Mn
2+
có thể bị oxi hóa thành MnO
4
2-
:
3MnSO
4
+ 2KClO
3
+ 12KOH → 3K

2
MnO
4
+ 2KCl + 3K
2
SO
4
+ 6H
2
O
Trong môi trường axit những chất oxi hóa mạnh như PbO
2
oxi hóa
Mn
2+
thành MnO
4
-
:
2MnSO
4
+ 5PbO
2
+ 6HNO
3
→ 2HMnO
4
+ 3Pb(NO
3
)

2
+ 2PbSO
4
+ 2H
2
O
1.1.2.2. Hợp chất của Mn(III)
Mn(III) oxit Mn
2
O
3
tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật
braunit.
Mn(III) hiđroxit được kết tủa từ dung dịch nước không có thành phần
ứng đúng Mn(OH)
3
mà là hiđrat Mn
2
O
3
.xH
2
O. Ở 100
0
C hiđrat này mất nước
tạo thành mono hiđrat Mn
2
O
3
.H

2
O thường được biểu diễn là MnOOH và tồn
tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật Manganit.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
Những muối Mn(III) đơn giản và tương đối thông dụng là: MnF
3
,
Mn
2
(SO
4
)
3
, Mn(CH
3
COO)
3
. Trong dung dịch Mn
3+
dễ bị phân hủy theo phản ứng:
2Mn
3+
+ 2H
2
O  MnO
2
+ Mn

2+
+ 4H
+

Tuy nhiên Mn
3+
tồn tại bền hơn khi ở các trạng thái phức chất. Ví dụ
M
3
[Mn(CN)
6
] trong đó M là Na
+
, K
+
, NH
4
+
.
1.1.2.3. Hợp chất của Mn(IV)
Đối với Mn(IV) hợp chất bền là MnO
2
và Mn(OH)
4
, các muối Mn(IV)
không có nhiều và cation Mn
4+
bị thủy phân mạnh trong dung dịch nước tạo
thành MnO
2

.
MnO
2
, Mn(OH)
4
là những hợp chất vừa có tính oxi hóa, vừa có tính
khử, không tan trong nước.
Khi tác dụng với chất khử chúng đóng vai trò chất oxi hóa, Ví dụ:
MnO
2
+ 4HCl → MnCl
2
+ Cl
2
+ 2H
2
O
Khi tác dụng với chất oxi hóa chúng đóng vai trò chất khử, sản phẩm là
những hợp chất Mn(VI), Mn(VII):
3MnO
2
+ KClO
3
+ 6KOH → 3K
2
MnO
4
+ KCl + 3H
2
O

2MnO
2
+ 3PbO
2
+ 6HNO
3
→ 2HMnO
4
+ 3Pb(NO
3
)
2
+ 2H
2
O
1.1.2.4. Hợp chất của Mn(VI)
Mn(VI) chỉ được biết trong ion manganat (MnO
4
2-
) có màu lục thẫm.
Người ta đã tách được tinh thể muối manganat của kim loại kiềm, amôni, kim
loại kiềm thổ, chì, cacđimi.
MnO
4
2-
chỉ tồn tại trong dung dịch có dư kiềm, trong trường hợp ngược
lại chúng thủy phân theo phương trình:
3K
2
MnO

4
+ 2H
2
O → 2KMnO
4
+ MnO
2
+ 4KOH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
K
2
MnO
4
+ H
2
SO
4
→ H
2
MnO
4
+ K
2
SO
4

( 3H

2
MnO
4
→ 2HMnO
4
+ MnO
2
+ 2H
2
O)
Các hợp chất Mn(VI) là những chất oxi hóa mạnh, tuy nhiên khi tác
dụng với các chất oxi hóa mạnh hơn thì sẽ thể hiện tính khử:
2K
2
MnO
4
+ Cl
2
→ 2KMnO
4
+ 2KCl
1.1.2.5. Hợp chất của Mn(VII)
Anhiđric pemanganic Mn
2
O
7
là chất lỏng nhờn, màu đen xanh, không
bền. Người ta điều chế nó bằng cách tác dụng H
2
SO

4
đặc lên KMnO
4
:
2KMnO
4
+ H
2
SO
4
→ Mn
2
O
7
+ K
2
SO
4
+ H
2
O
Mn
2
O
7
là hợp chất oxit axit điển hình, tác dụng mạnh với nước theo
phản ứng:
Mn
2
O

7
+ H
2
O → 2HMnO
4

Ion MnO
4
-
có màu đỏ tím tồn tại nhiều dưới dạng muối. KMnO
4
là chất
oxi hóa mạnh và được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm. Sản phẩm khử
pemanganat được tạo thành tương ứng với tính chất của môi trường.
Trong môi trường axit mạnh:
MnO
-
4
+ 5e + 8H
+
→ Mn
2+
+ 4H
2
O
2
4
0
/MnO Mn
E


= 1,51 V
Trong môi trường acid yếu, trung tính:
MnO
-
4
+ 4H
+
+ 3e → MnO
2
+ 2H
2
O
42
0
/MnO MnO
E

= 1,231 V
Môi trường kiềm:
MnO
4
-
+ e → MnO
4
2-
E
0
= 0,56 V

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
1.1.3. Ứng dụng của Mangan [8]
Gần 95% Mn được sản xuất là dùng để chế thép trong ngành luyện
kim. Mn có khả năng loại oxi, loại lưu huỳnh trong thép, gang và có khả năng
tạo hợp kim với sắt hành thép đặc biệt, truyền cho thép những phẩm chất tốt
như khó rỉ, cứng và chịu mài mòn. Thép Mn chứa 1-2% Mn dùng làm đường
ray, trụ mô tơ, bánh răng. Thép Mn chứa 10-15% Mn dùng để làm những chi
tiết cứng, chịu va đập như búa, má của máy đập đá, bi của máy nghiền quặng
và gàu của tàu nạo vét sông. Thép không rỉ loại không có Ni chứa 14% Cr và
15% Mn chịu được axit HNO
3
và những khí chứa lưu huỳnh. Gang kính chứa
5-20% Mn.
Mangan có hàm lượng nhỏ trong sinh vật và là nguyên tố vi lượng quan
trọng đối với sự sống. Đất thiếu Mn làm cho thực vật thiếu Mn, điều này ảnh
hưởng lớn đến sự phát triển của xương động vật. Ion Mn là chất hoạt hóa một
số enzim xúc tiến một số quá trình tạo thành chất clorofin (chất diệp lục), tạo
máu và sản xuất những kháng thể nâng cao sức đề kháng của cơ thể. Mangan
cần cho quá trình đồng hóa nitơ của thực vật và quá trình tổng hợp protein.
Nhu cầu Mn của người lớn là 8 mg mỗi ngày. Thực phẩm chứa nhiều Mn là
củ cải đỏ, cà chua, đậu tương, khoai tây. Mn làm giảm lượng đường trong
máu nên tránh được bệnh tiểu đường.
1.1.4. Sự xuất hiện của Mangan và khả năng gây ô nhiễm của mangan
trong nƣớc ngầm
Trước khi xét đến sự ô nhiễm của Mn trong nước ngầm ta cũng cần
điểm qua sự xuất hiện của Mn trong tự nhiên và trong nước thải.
Trong tự nhiên ở sông ngòi Mn chứa từ 0,001-0,16mg/l. Trong nước

đường ống thì Mn ở ngưỡng 0,05mg/l [5].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Trong công nghiệp luyện kim chế tạo máy, hóa chất làm giàu quặng
Mn, chế biến quặng thì nồng độ Mn trong nước thải là 1-1,2mg/l. Trong
công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, nước thải chứa 0,05- 0,47mg/l Mn.
Thông thường Mn được thải ra dưới dạng muối tan như muối sunfat, clorua,
nitrat của Mn(II).
Trong nước ngầm Mn thường tồn tại ở dạng hóa trị II( Mn
2+
) vì không
có mặt ôxi hòa tan hàm lượng Mn có thể là 1mg/l [13].
Khi nghiên cứu tác động của hợp chất Mn và độc tính của chúng đối
với cơ thể sống, người ta thấy rằng:
- Ở nồng độ 0,1mg/l Mn làm cho nước đục.
- Ở nồng độ 0,25mg/l Mn nhuộm màu nước thành tối.
- Ở nồng độ 0,2- 0,4 mg/l Mn làm kém chất lượng nước.
- Ở nồng độ 0,5mg/l Mn làm cho nước có mùi kim loại.
- Mangan làm giảm COD của nước. Nồng độ Mn 0,001mg/l làm giảm
2% COD. Nồng độ Mn 0,01mg/l làm giảm 10% COD.
- Ở nồng độ 2mg/l, Mn gây độc tính đối với cây trồng.
Nồng độ giới hạn cho phép của Mn trong nước ngầm là 0,1 - 0,5mg/l [14].
1.2. SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT [1,7,19]
1.2.1. Sắt
1.2.1.1. Vị trí và tính chất của nguyên tử sắt
Tên, kí hiệu, số thứ tự: Sắt, Fe, 26
Phân loại: Kim loại chuyển tiếp
Cấu hình electron [Ar] 3d

6
4s
2


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
Khối lượng riêng, độ cứng 7.874 kg/m
3

Bề ngoài Kim loại màu xám, nhẹ có ánh kim
Khối lượng nguyên tử 55.845 đvc
Bán kính nguyên tử (A
o
) 1.35
Năng lượng ion hóa (eV) I
1
=7.9 ; I
2
= 16.18; I
3
= 30.63
Thế điện cực chuẩn (V), E
o

2
0
/Fe Fe
E


= -0.44V ;
32
0
/Fe Fe
E

= 0.77V
Trạng thái oxi hóa +2, +3
Hóa trị II, III
1.2.1.2. Trạng thái tự nhiên
Sắt là nguyên tố phổ biến đứng hàng thứ 4 về hàm lượng trong vỏ trái
đất sau O, Si, Al. Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền :
54
Fe
,
56
Fe
(91.68%),
57
Fe
và
58
Fe
. Những khoáng vật quan trọng của sắt là manhetit (Fe
3
O
4
) chứa
đến 72% sắt, hematit (Fe

2
O
3
) chứa 60% sắt, pirit (FeS
2
) và xiderit chứa 35%
sắt. Có rất nhiều mỏ quặng sắt và sắt nằm dưới dạng khoáng chất với nhôm,
titan, mangan, Sắt còn có trong nước thiên nhiên và thiên thạch sắt.
1.2.1.3. Tính chất lí học của sắt
Sắt là kim loại có ánh kim, có màu trắng xám, dễ rèn và dễ dát mỏng.
Sắt có 4 dạng thù hình bền ở những khoảng nhiệt độ xác định:
Fe α
0
700 C

Fe 
0
911 C

Fe γ
0
1390 C

Fe 
0
1536 C

Fe lỏng
Những dạng α và  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  có tính

thuận từ, Fe α khác với Fe  là không hòa tan C, Fe γ có kiến trúc lập phương
tâm diện và tính thuận từ, Fe  có kiến trúc lập phương tâm khối như Fe α

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy. Ở điều kiện thường, sắt là một nguyên
tố sắt từ, tức là bị nam châm hút. Ngoài ra dưới tác dụng của dòng điện, sắt
trở thành nam châm.
Một số hằng số vật lí quan trọng của sắt.
Nhiệt độ nóng chảy : 1536
0
C
Nhiệt thăng hoa : 418kJ/mol
Nhiệt độ sôi: 2880
0
C
Tỉ khối: 7.91
Khối lượng riêng: 7.91g/cm
3
Độ dẫn điện (Hg =1) : 10

1.2.1.4. Tính chất hóa học của sắt
Sắt là một kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Ở điều kiện
thường, không có hơi ẩm, sắt là kim loại thụ động. Sắt không tác dụng rõ rệt
với những phi kim điển hình như oxi, lưu huỳnh, clo, brôm vì có màng oxit
bảo vệ.
Khi đun nóng (đặc biệt ở dạng bột nhỏ) sắt tác dụng với hầu hết các phi
kim. Khi đun nóng trong không khí khô, sắt tạo nên Fe
2

O
3
và ở nhiệt độ cao
hơn tạo nên Fe
3
O
4
.
Sắt phản ứng mạnh với các halogen. Khi đun nóng sắt với các halogen
thu được Fe(III) halogenua khan FeX
3
. Khí clo dễ dàng phản ứng với Fe tạo
thành FeCl
3
.
Tuy nhiên khi nghiền bột I
2
với Fe sản phẩm tạo thành có thành phần là
Fe
3
I
8
( hay 2FeI
3
.FeI
2
):
3Fe + 4I
2


Fe
3
I
8

Nung Fe với S cũng có phản ứng tạo ra sắt sunfua:
Fe + S

FeS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
Sắt tác dụng trực tiếp với CO tạo thành hợp chất cacbonyl khi nung
nóng Fe trong ống chứa CO ở 150 – 200
0
C và áp suất khoảng 100atm:
Fe + 5CO

Fe(CO)
5

Sắt tinh khiết bền trong không khí và nước. Ngược lại sắt có chứa tạp
chất bị ăn mòn dần do tác dụng của hơi ẩm, khí cacbonic và oxi ở trong không
khí tạo nên gỉ sắt. Do lớp gỉ sắt xốp và dòn nên không bảo vệ được sắt khỏi bị
oxi hóa tiếp.
Sắt tan được trong các axit loãng. Sắt bị thụ động khi tác dụng với axit
H
2

SO
4
đặc nguội và axit HNO
3
đặc nguội. Khi tác dụng với các axit có tính
oxi hóa mạnh như axit H
2
SO
4
và HNO
3
thì sắt bị oxi hóa thành Fe(III) và giải
phóng sản phẩm phụ.
Trong dung dịch kiềm khi đun nóng Fe khử được ion H
+
của nước tạo
thành H
2
và các sản phẩm chính là Fe
3
O
4
hoặc Fe(FeO
2
)
2
màu đen.
Sắt tạo thành hai dãy Fe(II) và Fe(III).
1.2.2. Một số hợp chất của sắt
1.2.2.1. Sắt(II) oxit (FeO)

FeO là chất bột màu đen, điều chế bằng cách cho H
2
để khử Fe
2
O
3
ở
300
0
C:
Fe
2
O
3
+ H
2


FeO + H
2
O
Hàm lượng sắt trong FeO thường bé hơn so với hàm lượng của nguyên
tố đó ứng với công thức phân tử, vì các nguyên tử Fe chiếm không hoàn toàn
các mắt của mạng lưới tinh thể, ứng với công thức Fe
0,95
O.
FeO không tan trong nước nhưng có phản ứng với nước đặc biệt khi đun
nóng. Sau khi đun nóng mạnh FeO bị trơ, nghĩa là mất hoạt tính hóa học cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
FeO dễ tan trong dung dịch axit, không tan trong dung dịch kiềm, là
oxit bazơ. Khi tan trong dung dịch axit loãng tạo ra ion [Fe(OH
2
)
6
]
2+
:
FeO + 2H
+
+ 5H
2
O

[Fe(OH
2
)
6
]
2+

1.2.2.2. Sắt(II) hiđroxit: Fe(OH)
2
Phương pháp điều chế Fe(OH)
2
là cho muối Fe(II) tác dụng với dung
dịch kiềm mạnh.
Fe(OH)

2
là chất kết tủa màu trắng, hấp thụ mạnh oxi, màu sắc xanh
thẫm dần và cuối cùng có màu nâu của Fe(OH)
3
:
4Fe(OH)
2
+ O
2
+ 2H
2
O

4 Fe(OH)
3

Chú ý là amoniac không thể kết tủa hoàn toàn Fe(OH)
2
, vì khi có một
lượng lớn muối amoni, kết tủa Fe(OH)
2
hầu như không có do sự tạo thành
phức chất amoniacat của Fe(II):
FeCl
2
+ 6NH
3


[Fe(NH

3
)
6
]Cl
2

Phức chất Fe(II) amoniacat chỉ bền ở trạng thái rắn, trong dung nước dễ
dàng bị thủy phân:
[Fe(NH
3
)
6
]Cl
2
+ 2H
2
O  Fe(OH)
2
+ 2NH
4
Cl + 4NH
3

Fe(OH)
2
tan trong dung dịch axit loãng không có không khí, tan trong
dung dịch kiềm tạo ra hipoferit:
Fe(OH)
2
+ 2NaOH

đặc

0
t

Na
2
[Fe(OH)
4
]
1.2.2.3. Muối sắt(II)
Muối của Fe(II) là kém bền đối với oxi của không khí. Muối của axit
mạnh như clorua, nitrat và sunfat tan dễ trong nước còn muối của axit yếu
như sunfua, cacbonat, phốtphat khó tan. Muối khan có màu khác với muối ở