Nghiên cứu phản ứng tạo phức của sắt (III) với axit salixilic trong môi trường axit yếu bằng phương pháp trắc quang ứng dụng để xác định hàm lượng sắt trong xi măng luận văn tốt nghiệp đại học

Trờng đại học vinh
Khoa hóa học
=== ===

lê thị phợng

Nghiên cứu phản ứng tạo phức của sắt(III)
với axit salixilic trong môi trờng axit yếu
bằng phơng pháp trắc quang. ứng dụng để xác định
hàm lợng sắt trong xi măng

khóa luận tốt nghiệp đại học
Chuyên ngành: hóa phân tích


Vinh - 2011

2


Trờng đại học vinh
Khoa hóa học
=== ===

Nghiên cứu phản ứng tạo phức của sắt(III)
với axit salixilic trong môi trờng axit yếu
bằng phơng pháp trắc quang. ứng dụng để xác định
hàm lợng sắt trong xi măng

khóa luận tốt nghiệp đại học
Chuyên ngành: hóa phân tích

Cán bộ hớng dẫn:

pgs. ts. nguyễn khắc nghĩa

Sinh viên thực hiện: lê thị phợng
Lớp:

48B Hóa


Vinh - 2011

4


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành khóa luận này, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn tới:
- Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Khắc Nghĩa đã giao đề tài, tận tình hướng
dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho việc nghiên cứu và hồn thành
khóa luận này.
- Các thầy cơ giáo trong Tổ Hóa phân tích, cùng các thầy cơ giáo trong
Ban chủ nhiệm Khoa Hóa đã nhiệt tình giúp đỡ.
- Các thầy cơ giáo phụ trách phịng thí nghiệm, đặc biệt là các thầy cơ
phụ trách thí nghiệm của Tổ Hóa phân tích.
- Sự động viên giúp đỡ của bạn bè, gia đình đã tạo mọi điều kiện để tơi
hồn thành khóa luận này.
Vinh, tháng 5 năm 2011
Sinh viên
Lê Thị Phượng

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU...............................................................................................10
PHẦN I: TỔNG QUAN........................................................................12
I.1. SẮT.................................................................................................12
I.1.1. Sơ lược về nguyên tố sắt [1,2,11].................................................12
I.1.1.1. Vị trí cấu tạo của sắt..................................................................12
I.1.1.2. Tính chất vật lý, hóa học của sắt...............................................12
I.1.1.3. Trạng thái tự nhiên và phương pháp điều chế...........................16
I.1.1.4. Một số ứng dụng của sắt..........................................................17
I.1.2. Các phương pháp tách và làm giàu sắt [5]...................................19
I.1.2.1. Phương pháp chiết.....................................................................19
I.1.2.2. Phương pháp kết tủa..................................................................20
I.1.3. Các phương pháp xác định sắt [6,8,9]..........................................20
I.1.3.1. Phương pháp khối lượng...........................................................20
I.1.3.2. Phương pháp thể tích ................................................................20
I.1.3.3. Phương pháp chuẩn độ penmanganat........................................21
I.1.3.4. Phương pháp trắc quang............................................................21
I.1.3.5.Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang...........22
I.1.4. Một số thuốc thử dùng trong phương pháp trắc quang định lượng
sắt [3,11]...................................................................................28
I.1.4.1. Thuốc thử axit sunfosalixilic.....................................................28
I.1.4.2. Thuốc thử thioxianat (SCN-).....................................................29
I.1.4.3. Thuốc thử o-phenantrolin (1,10- phenantrolin hay phen).........31
I.1.4.4. Thuốc thử bato-phenantrolin.....................................................32
I.1.4.5. Thuốc thủ 8-hidroxi quinolin....................................................33
I.1.4.6. Thuốc thử 1-(2-piridylazo) -2- naphtol (PAN)..........................33
I.1.4.7. Thuốc thử 1 - ( 2 – piridylazo) – rezocxin (PAR).....................34

I.1.4.8. Thuốc thử trioxyazo benzen (TOAB).......................................34
I.1.4.9. Thuốc thử 3-metoxy nitrosophenol...........................................35
I.1.4.10. Thuốc thử axit cacboxylic8-quinolin......................................35
I.2. THUỐC THỬ AXIT SALIXILIC [5,14]........................................36
I.2.1. Cấu tạo, tính chất và phương pháp điều chế axit Salixilic...........36
I.2.2. Khả năng tạo phức và ứng dụng...................................................37
I.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN NGHIÊN CỨU PHỨC MÀU
[4,9]...........................................................................................38
I.3.1. Phương pháp trắc quang...............................................................38
I.3.2. Phương pháp chiết - trắc quang....................................................40


I.4. NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CHO SỰ HÌNH
THÀNH PHỨC MÀU [4,8,9].................................................41
I.4.1. Nghiên cứu hiệu ứng tạo phức màu đơn và đa phối tử................41
I.4.2. Nghiên cứu khoảng thời gian tối ưu.............................................42
I.4.3. Nghiên cứu xác đinh khoảng PH tối ưu.......................................42
I.4.3.1. Xác định PH tối ưu bằng tính tốn............................................42
I.4.3.2. Xác định PHtư bằng thực nghiệm............................................44
I.4.4. Xác định nồng độ thuốc thử và nồng độ ion kim loại tối ưu........44
I.4.5. Xác định nhiệt độ và lực ion của dung dịch.................................45
I.4.6. Nghiên cứu khả năng áp dụng của phức màu để định lượng trắc
quang.........................................................................................45
Để áp dụng một phức màu cho phép xác định định lượng bằng phương
pháp trắc quang sau khi tìm các điều kiện tối ưu, ta cần tiếp tục
nghiên cứu một số điều kiện cho phéo xác định định lượng....46
I.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN PHỨC [4]...46
I.5.1. Phương pháp hệ đồng phân tử mol ..............................................47
I.5.2. Phương pháp tỉ số mol (phương pháp bão hòa)...........................49
I.6. PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC

NGHIỆM [7].............................................................................50
I.6.1. Phương pháp xử lý kết quả phân tích...........................................51
I.6.2. Phương pháp xử lý thống kê đường chuẩn...................................52
I.6.3. Đánh giá kết quả phân tích...........................................................54
I.7. XI MĂNG [12,13]...........................................................................55
Chất kết dính vơ cơ: là loại vật liệu khi nhào trộn nước thì tạo thành
loại hồ dẻo, dưới tác dụng của các q trình hóa lý thì nó có thể
rắn chắc và có thể chuyển sang trạng thái đá............................55
Chất kết dính rắn trong nước: là một loại kết dính vơ cơ phổ biến, có
khả năng rắn chắc và giữ được cường độ lâu dài không những ở
trong môi trường khơng khí mà cả trong mơi trường nước......56
Thành phần hóa học của chất kết dính rắn trong nước là một hệ thống
phức tạp bao gồm chủ yếu các liên kết của bốn oxit: CaO –
SiO2 – Al2O3 – Fe2O3............................................................56
Xi măng là chất kết dính rắn trong nước, được tạo thành khi nghiền mịn
clinker với đá vôi, thạch cao và các phụ gia khác....................56
Xi măng là tên gọi chung của một nhóm chất kết dính có đặc tính
ngưng kết và đông rắn khi phản ứng với nước. .......................56
I.7.1. Thành phần xi măng.....................................................................56
I.7.2. Vật liệu pozzolanic.......................................................................56
I.7.3. Đá vôi...........................................................................................58
I.7.4. Thạch cao.....................................................................................58
I.7.5. Phụ gia cho xi măng.....................................................................58
7


I.7.6. Các mài.........................................................................................58
PHẦN II: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ.................61
II.1. HĨA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ.......................................61
II.1.1. Hóa chất......................................................................................61

Tất cả các hóa chất sử dụng trong khóa luận đều thuộc loại tinh khiết
p.A, nước cất hai lần:................................................................61
II.1.2. Dụng cụ.......................................................................................61
II.1.3. Thiết bị........................................................................................61
II.2. PHƯƠNG PHÁP PHA CHẾ CÁC DUNG DỊCH DÙNG TRONG
PHÂN TÍCH.............................................................................62
II.2.1. Pha dung dịch chuẩn sắt(III) 0,01M...........................................62
II.2.2. Pha dung dịch axit Salixilic 0,1M...............................................62
II.2.4. Pha chế các dung dịch ion gây cản.............................................62
II.2.4.1. Pha dung dịch Al(III)...............................................................62
II.2.4.2. Pha dung dịch Ca(II) 0,1M......................................................63
II.2.4.3.Pha dung dịch Mg(II) 0,1M......................................................63
II.3. NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CHO SỰ TẠO PHỨC
SẮT(III) – SALIXILAT...........................................................63
II.3.1. Nghiên cứu hiệu ứng tạo phức đơn phối tử sắt(III)-salixilat......63
II.3.2. Nghiên cứu nồng độ ion kim loại và nồng độ thuốc thử tối ưu
cho sự tạo phức sắt(III)-salixilat...............................................65
II.3.3. Nghiên cứu pH tối ưu cho sự tạo phức sắt(III)-salixilat.............67
II.3.4. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian dến sự tạo phức sắt(III)salixilat......................................................................................68
II.4. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CỦA PHỨC SẮT(III) – SALIXILAT
..................................................................................................70
II.4.1. Theo phương pháp hệ đồng phân tử mol....................................70
II.4.1.1. Nguyên tắc của phương pháp...................................................70
II.4.1.2. Cách tiến hành..........................................................................71
II.4.1.3. Thảo luận kết quả.....................................................................72
II.4.2. Theo phương pháp tỷ số mol (đường cong bão hòa)..................73
II.4.2.1. Nguyên tắc của phương pháp...................................................73
II.4.2.2. Cách tiến hành..........................................................................73
II.4.2.3. Thảo luận và kết quả................................................................75
II.5. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ION GÂY CẢN TRỞ

..................................................................................................75
II.5.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của Al3+ đối với phép định lượng sắt...75
II.5.2. Khảo sát nồng độ Ca2+ đối với phép định lượng sắt..................76
II.5.3. Khảo sát nồng độ Mg2+ đối với phép định lượng sắt.................78
II.6. XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG CHUẨN SỰ PHỤ
THUỘC MẬT ĐỘ QUANG VÀO NỒNG ĐỘ CỦA PHỨC. .79
8


II.7. ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ XÁC ĐỊNH HÀM
LƯỢNG SẮT TRONG XI MĂNG..........................................81
Đã ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định hàm lượng sắt trong mẫu
nhân tạo cho phép phân tích với sai số ±1,75%. Do vậy có thể
ứng dụng kết quả nghiên cứu định lượng sắt trong mẫu thật.. .81
KẾT LUẬN CHUNG............................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................85

9


MỞ ĐẦU

Trong cơng nghệ Hóa học thì hóa học phân tích đã khẳng định được vai
trị của mình qua việc sử dụng các phương pháp hóa học, vật lý, hóa lý khi
nghiên cứu thành phần của chất. Một trong những phương pháp đạt được
những thành tựu to lớn trong khoa học nghiên cứu là phương pháp trắc quang
khi xác định hàm lượng của các nguyên tố, các chất và hợp chất.
Với những thành tựu đạt được từ phương pháp trắc quang đó mở ra
những cơ hội mới cho việc nghiên cứu, đi sâu hơn tìm hiểu và ứng dụng của
phương pháp này trong thực tiễn, tìm ra các yếu tố ảnh hưởng,…. Vì vậy mà

tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu phản ứng tạo phức của sắt(III) với axit salixilic
trong môi trường axit yếu bằng phương pháp trắc quang.Ứng dụng để xác
định hàm lượng sắt trong xi măng” làm bài khóa luận tốt nghiệp .
Từ lâu người ta đã biết sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất
trong vỏ quả đất. Sắt gắn liền với cuộc sống của mọi sinh vật nói chung và
con người nói riêng. Sắt và hợp chất của nó được sử dụng ngày càng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Ngày nay, khi nền kinh tế và khoa
học kĩ thuật ngày càng phát triển thì việc nghiên cứu và sử dụng sắt, hợp chất
của nó ngày càng được mở rộng và mang lại lợi ích to lớn. Vì vậy, vấn đề xác
định chính xác lượng nhỏ sắt trong mọi đối tượng nghiên cứu vẫn được sự
quan tâm của nhiều ngành khoa học.
Hiện nay người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để xác
định sắt, nhưng phương pháp trắc quang thường được sử dụng khá phổ biến vì
nó có những ưu điểm như: độ lặp lại của phép đo cao, độ chính xác và độ
nhạy đạt yêu cầu của phương pháp phân tích, máy móc đơn giản dễ sử dụng,
giá thành phân tích mẫu rẻ… vì vậy tơi chọn phương pháp trắc quang để
nghiên cứu đề tài này.
10


Trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu những nội dung sau:
- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu cho sự tạo phức giữa ion sắt(III) với
axit salixilic trong môi trường axit yếu.
- Xác định thành phần phức.
- Áp dụng kết quả nghiên cứu để xác định hàm lượng sắt trong xi măng.
Tôi hi vọng rằng, với kết quả nghiên cứu của mình sẽ góp phần làm
phong phú thêm trong nhiều lĩnh vực phân tích xác định vi lượng sắt.

11

PHẦN I: TỔNG QUAN
I.1. SẮT
I.1.1. Sơ lược về nguyên tố sắt [1,2,11]
I.1.1.1. Vị trí cấu tạo của sắt
Sắt là một nguyên tố kim loại phổ biến (sau nhôm), đứng thứ tư về hàm
lượng trái đất, chiếm 1,5% khối lượng vỏ trái đất.
Kí hiệu :

Fe

Số thứ tự:

26

NTK:

55,847

Cấu hình electron:

1s22s22p63s23p63d64s2

Sắt ở ơ thứ 26, thuộc chu kỳ 4 và ở phân nhóm phụ VIII B
I.1.1.2. Tính chất vật lý, hóa học của sắt
I.1.1.2.1. Tính chất vật lý
Sắt là kim loại màu trắng xám, dễ rèn, dễ dát mỏng và gia công cơ học.
Tính chất cơ học của sắt phụ thuộc vào độ tinh khiết của nó và hàm lượng các
nguyên tố khác có trong sắt, thậm chí với lượng rất nhỏ. Sắt có tính dẫn điện,
dẫn nhiệt tốt. Dưới 800 0C sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút và trở thành

nam châm (tạm thời).
Sắt có 4 dạng thù hình (dạng α; β; γ; δ ) bền ở những khoảng nhiệt độ
nhất định:
7000 C
Fe(α)

9110C
Fe(β)

13900C
Fe(γ)

15380C
Fe(δ)

Fe lỏng

Những dạng α và β có kiến trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối
nhưng có cấu trúc electron khác nhau nên Fe(α) có tính sắt từ và Fe(β) có tính
thuận từ. Fe(α) khác Fe(β) là khơng hịa tan C. Dạng Fe(γ) có cấu trúc tinh thể
12


lập phương tâm diện, dạng Fe(δ) có cấu trúc lập phương tâm khối như dạng α
và β nhưng tồn tại đến nhiệt độ nóng chảy.
Các hằng số vật lý quan trọng của sắt :
Độ dẫn điện

T0s

T0nc

0

BKNT

0

Độ âm

0

(Hg =1)

( C)

( C)

(A )

điện

10

2870

1539

1,26

Độ cứng
KLR(g/cm3)

(thang

7,87

Moxơ)
4-5

1,83

Năng lượng ion hóa:
Mức năng lượng ion hóa

I1

I2

I3

I4

I5

I6

Năng lượng ion hóa

7,9

16,18

30,63

56*

79*

106

(*) giá trị chưa đủ độ tin cậy.
I.1.1.2.2. Tính chất hóa học
Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình. Ở điều kiện thường
nếu khơng có hơi ẩm, chúng không tác dụng rõ rệt với những nguyên tố
khơng kim loại điển hình như O 2 ; S; Cl 2 ; Br2 vì chúng có màng ơxit bảo vệ.
Nhưng khi đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh liệt, nhất là kim loại ở trạng thái
chia nhỏ.
Khi đun nóng trong khơng khí khơ, sắt tạo nên Fe 2O3 và ở nhiệt độ cao
hơn tạo nên Fe3O4:
t0
3Fe

+

2O2

Fe3O4

Khí Cl2 phản ứng rất dễ dàng với sắt tạo thành FeCl 3 là chất dễ bay hơi

nên không tạo được màng bảo vệ:
2Fe

+

3Cl2

2FeCl3
13


Sắt tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại. Sắt tinh
khiết bền trong khơng khí và nước. Ngược lại, sắt có chứa tạp chất bị ăn mịn
dưới tác dụng của hơi ẩm, khí cacbonic và oxi ở trong khơng khí tạo nên gỉ
sắt. Do lớp gỉ sắt xốp và giịn nên khơng bảo vệ sắt tránh bị ơxi hóa tiếp.
Sắt phản ứng với nước: ở nhiệt độ nóng đỏ, sắt phản ứng với hơi nước:
≥ 5700C
Fe +

H2O

FeO +H2
≤5700C

3Fe + H2O

Fe3O4 + H2

Sắt tạo thành hai dãy hợp chất Fe 2+ và Fe3+. Muối sắt Fe2+ được tạo
thành khi hịa tan sắt trong dung dịch axit lỗng trừ HNO 3. Muối của Fe2+ với

axit mạnh như: HCl; H2SO4... dễ tan trong nước, còn muối của các axit yếu
như FeS; FeCO3; ... khó tan. Khi tan trong nước, muối sắt ở dạng [Fe(H2O)6]2+
màu lục nhạt. Màu lục của [Fe(H2O)6]2+. Rất yếu nên thực tế dung dịch của
muối Fe2+ khơng có màu. Muối FeSO 4 là chất tinh thể màu trắng, dễ hút ẩm
và dễ tan trong nước. Khi kết tinh từ dung dịch nước ở nhiệt độ thường, thu
được tinh thể hiđrat FeSO 4.7H2O. Tinh thể FeSO4.7H2O có màu lục nhạt,
nóng chảy ở nhiệt độ 640C, dễ tan trong nước và rượu. Khi đun nóng tinh thể
FeSO4.7H2O mất dần nước và trở thành muối khan FeSO 4 ở nhiệt độ cao hơn
(> 5800C) muối khan bị phân hủy thành oxit:
≥5800C
FeSO4

Fe2O3 +

SO2

Hiđroxitsắt (II) Fe(OH) 2 để trong khơng khí dễ bị oxi hóa để chuyển thành
hiđroxitsắt(III) Fe(OH)3 màu nâu đỏ
Fe(OH)2

+ O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

14


Hiđroxitsắt (III) tuy không tan trong nước nhưng dễ tan trong axit và
tan một phần trong kiềm đặc.
Sắt nằm trong chu kỳ IV, phân nhóm VIII nên số phối trí của ion sắt là
6 như [Fe(CN)6]3-; [FeF6]3-... có cấu trúc bát diện, ngồi ra sắt cịn có số phối
trí là 4 với cấu trúc tứ diện như [FeCl4]2-; [Fe(SCN)4]2-; ...

Phức điển hình của sắt (II) là K4[Fe(CN)6].3H2O kết tinh màu vàng, dễ
tan trong nước. Đây là thuốc thử đặc trưng cho ion sắt (III), khi có mặt ion sắt
(III) tạo thành kết tủa màu xanh Beclin theo phương trình phản ứng sau:4
4Fe3+

+

3[Fe(CN)6]4- = Fe4[Fe(CN)6]3

Mơi trường có ảnh hưởng nhiều đến q trình oxi hóa sắt (II) lên sắt
(III). Trong mơi trường axit, ion sắt (II) bền hơn trong môi trường kiềm.
Trong mơi trường kiềm, sắt (II) dễ bị oxi hóa lên sắt (III). Do sắt (II) dễ bị oxi
hóa như vậy nên để cất giữ nó người ta đưa về dạng muối kép (NH 4)2Fe(SO4)2
.6H2O (muối Mohr). Tinh thể muối Mohr có màu lục dễ kết tinh, khơng hút
ẩm và bền với oxi khơng khí nên được dùng để pha dung dịch chuẩn Fe 2+
trong hóa phân tích.
Ion sắt (III) và hợp chất của nó rất phổ biến. Đa số muối Fe 3+ dễ tan
trong nước, cho dung dịch chứa ion bát diện [Fe(H2O)6]3+ màu tím nhạt. Khi
kết tinh từ dung dịch nước, muối Fe 3+ thường ở dạng tinh thể hiđrat
FeCl3.6H2O; Fe(NO3)3.9H2O màu nâu vàng, phèn sắt (NH4)Fe(SO4).12H2O
màu tím nhạt. Muối Fe3+ bị thủy phân mạnh nên dung dịch có màu vàng nâu.
Trong dung dịch nó có màu vàng nhạt và dễ bị thủy phân tạo dung dịch
màu vàng nâu. Đây cũng là một đặc điểm quan trọng của ion sắt (III).
Các muối sắt (III) cũng dễ bị khử về sắt (II) bằng nhiều chất khử khác
nhau như thiếc (II); sắt kim loại; hiđrarin; hiđroiotđua…
2FeCl3

+

2HI

=

15

2FeCl2

+

I2

+

2HCl


Oxit sắt (III) Fe2O3 có màu nâu, nó được điều chế bằng cách nung kết
tủa hiđroxit sắt (III) Fe(OH) 3. Oxit sắt (III) khơng tan trong nước, có thể tan
một phần trong kiềm đặc hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.
Khi sắt (III) phản ứng với CN cho ta phức Kakiferixianua, đó là một
thuốc thử đặc trưng với ion sắt (II). Kaliferixianua (K3[Fe(CN)6]) là một trong
các phức bền nhất của sắt. Kaliferixianua là chất dạng tinh thể đơn tà, màu đỏ
thường được gọi là muối đỏ máu. Phức này dễ tan trong nước, cho dung dịch
màu vàng rất độc. Kiliferixianua là một thuốc thử trong phịng thí nghiệm để
nhận biết Fe2+ trong dung dịch:
FeCl2

+

K3[Fe(CN)6]

KFe[Fe(CN)6]

+

2KCl

KFe[Fe(CN)6] kết tủa màu xanh chàm và được gọi là xanh tuabin.
Kaliferixianua khi đun nóng trong dung dịch kiềm chuyển thành
Kaliferixianua.
4K3[Fe(CN)6] + 4KOH

4K4[Fe(CN)6] +2H2O + O2

Ngoài ra sắt (III) cịn có thể tác dụng với ion SCN - cho phức màu đỏ
máu mà ion sắt (II) không có phản ứng tương tự. Đây là thuốc thử để nhận
biết ion sắt (III).
I.1.1.3. Trạng thái tự nhiên và phương pháp điều chế
Sắt là kim loại phổ biến thứ hai ( sau nhôm) và là nguyên tố đứng thứ
tư về hàm lượng vỏ trái đất. Người ta cho rằng nhân quả đất chủ yếu gồm sắt
và niken. Sắt chiếm 4% về khối lượng vỏ trái đất.
Sắt tồn tại ở 4 dạng đồng vị bền: 54Fe(5,8%); 56Fe(91,8%); 57Fe(2,15%);
58

Fe(0,25%). Ngoài ra sắt cịn có 8 đồng vị phóng xạ:

52

Fe(τ=8,76 giờ);

60

Fe(τ=1,5.106 năm); 61Fe(τ= 182,5 ngày); 62Fe(τ= 68 giây). Những khoáng vật

53

Fe(τ=258,8 ngày);

55

Fe(τ=2,7 năm);

51

Fe(τ= 0,25 giây);

59

Fe(τ=44,6 ngày);

quan trọng của sắt là:
- Quặng sắt nâu với khoáng vật chủ yếu là Hiđrohetit HFeO 2.nH2O.
16


- Quặng sắt đỏ với khoáng vật chủ yếu là Hematit Fe2O3 chứa 60% sắt.
- Quặng sắt từ với khoáng vật chủ yếu là Manhetit Fe 3O4 chứa đến
72,42% sắt.
- Quặng sắt xiđerit với khoáng vật chủ yếu là FeCO3 chứa đến 35% sắt.
- Quặng pirit với khoáng vật chủ yếu là FeS2 chứa đến 46,76% sắt.

Ngoài những mỏ lớn tập trung, sắt cịn phân tán trong khống vật của
những ngun tố phổ biến như nhơm, titan, mangan...
Sắt cịn có trong nước thiên nhiên, trong các thiên thạch từ không gian
vũ trụ rơi xuống trái đất. Trung bình trong 20 thiên thạch rơi xuống thì có một
thiên thạch sắt (chứa 90% sắt ). Sắt thiên thể thường chứa lượng lớn tạp chất
cacbon ,niken...
Nhiều nước trên thế giới có giàu quặng sắt như: Thụy Điển, Nga, Pháp,
Tây Ban Nha , Trung Quốc, Mỹ, Canada, Cuba, Brazin, Nam Phi,...Cách đây
hơn 4000 năm, loài người đã biết luyện sắt từ quặng. Sắt luyện được cứng và
bền hơn bronzơ nên là vật liệu cạnh tranh với bronzơ. Cách đây khoảng 3000
năm thời đại đồ sắt đã thay đổi thời đại đồ đồng, thiếc và tiếp tục phát triển
cho tới ngày nay.
Mấy thế kỉ nay, sắt được sản suất với quy mô công nghiệp bằng lị cao.
Sắt là thành phần hemoglobin có tác dụng vận chuyển oxi trong máu.
Ngồi ra, sắt cịn có dưới dạng dự trữ Feritin (là phức hợp giữa sắt và
prôtêin). Trong cơ thể động vật, sắt nằm dưới dạng chehutura và nó là thành
phần chính tạo máu động vật.
I.1.1.4. Một số ứng dụng của sắt
Sắt là một nguyên tố vi chất dinh dưỡng quan trọng cho sức khỏe con
người.Hầu hết lượng sắt có trong cơ thể đều tồn tại trong các tế bào máu,
chúng kết hợp với prôtêin tạo thành hemoglobin. Hemoglobin mang oxi đến
các tế bào của cơ thể và chính ở các tế bào này năng lượng được giải phóng.
17


Do vậy khi thiếu sắt hàm lượng hemoglobin cũng bị giảm theo. Bệnh này gọi
là bệnh thiếu máu do thiếu hụt sắt. Các triệu chứng của bệnh thiếu máu do
thiếu hụt sắt là: mệt mỏi, yếu ớt, đau dầu, ăn không ngon và dễ cáu giận.
Việc thừa sắt trong cơ thể cũng có những tác hại như việc thiếu sắt.
Nếu lượng sắt trong cơ thể thừa nhiều, chúng gây ảnh hưởng có hại cho tim,

gan, khớp và các cơ quan khác. Nếu tích trữ q nhiều có thể gây nguy cơ
ung thư.
Trong tất cả các kim loại khai thác được thì sắt có giá trị quan trọng.
Hầu hết kỹ thuật hiện đại đều liên quan đến việc ứng dụng sắt và hợp kim
của sắt.
Trong kỹ thuật hợp kim của sắt được thừa nhận gọi là kim loại đen, còn
việc sản xuất ra chúng được gọi là luyện kim đen. Việc khai thác sắt được
phát triển nhanh chóng trong khoảng 100 năm trở lại đây.
Như chúng ta đã biết, trong công ngiệp các hợp kim của sắt đóng vai
trị chủ chốt trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông vận tải, quốc phịng, chế
tạo máy móc và dụng cụ hàng ngày. Trong nghành luyện kim ngày nay sắt và
các hợp kim của nó đóng vai trị rất quan trọng.
Sắt(II)sunfat được dùng để chống sâu bọ có hại cho thực vật, nó cịn
được dùng trong sản xuất mực viết và sơn vơ cơ, trong nhuộm vải....còn
sắt(III)clorua được dùng làm chất keo tụ trong xử lý nước, dùng trong cơng
nghiệp sợi. Sắt(III)sunfat cịn được dùng để tẩy rỉ kim loại, nó có khả năng
hòa tan Cu2S tạo thành sắt(II)sunfua:
Fe2(SO4)3

+ Cu2S

=

2FeS + 2O2 + CuSO4

Và được dùng dẻ điều chế đồng bằng phương pháp thủy luyện.
Trong kỹ thuật liên lạc phải trang bị, thiết bị tự động và điều khiển từ
xa thì ferit hay vật liệu ferit (là sản phẩm từ sự thiêu kết của bột sắt(III)oxit
với một số oxit của kim loại hóa trị (II) như Nikenoxit NiO, Mangan(II)oxit
MnO,... ở nhiệt độ 1000-1400 0C) có vai trị rát quan trọng. Ferit có tính chất

18


từ lớn, có trị số điện trở lớn gây ra trị số tổn thất điện trở nhỏ trong nó nên
rất quý.
Trong quá trình sản xuất axit sunfuric thì pirit sắt đóng vai trị quan
trọng vì nó là ngun liệu đầu dùng để sản xuất axit sunfuric. Vai trò của sắt
rất quan trọng nên lượng sắt khai thác được bằng 15 lần lượng khai thác tất cả
các kim loại còn lại. Oxit sắt(II) được hình thành khi thiếu oxi tự do trong đất,
khi có đầy đủ oxi thì săt(II) sẽ chuyển thành oxit sắt(III). Việc phân tích
sắt(II) và sắt (III) oxit trong đất là rất cần thiết vì tỷ lệ sắt(II) và sắt(III) cho
biết cường độ oxi hóa khử xảy ra trong đất. Sắt(II)oxit và sắt(III) có thẻ ở
dạng dễ tan hoặc khó tan của các chất vơ cơ hoặc hữu cơ cũng như dạng
cation trao đổi ở trong đất. Ion sắt(II) cũng cần thiết cho thực vật, thiếu ion
sắt(II) cây bị bệnh nhưng quá nhiều cũng gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh
trưởng của cây. Sắt là nguyên tố rất quan trọng trong sự sống và trong cơng
nghiệp vì vậy người ta dùng nhiều phương pháp để tách, làm giàu và xác định
nguyên tố này.
I.1.2. Các phương pháp tách và làm giàu sắt [5]
Để xác định sắt người ta phải xem xét nó trong thành phần của hợp chất
đó, loại trừ các yếu tố ảnh hưởng đến việc tách sắt ra khỏi hợp chất.
Trong trường hợp sắt trong mẫu quá nhỏ người ta phải tìm cách làm
giàu nó lên. Có nhiều phương pháp tách và làm giàu như chiết, kết tủa sắc
ký ...
I.1.2.1. Phương pháp chiết
Khi phân tích sắt ở trong nước, để tách và làm giàu sắt người ta dùng
phương pháp chiết. Sau khi cho sắt tạo phức với thuốc thử, ta dùng dung
mơi thích hợp như CCl 4; CHCl3; ... để chiết. Đây là những dung mơi có tỷ
trọng lớn hơn nước nên có khả năng phân lớp nhanh và dễ dàng tách ra khỏi
nước. Một số tác giả đã chiết sắt(III)cuperot bằng ete và CHCl 3, chiết

19


sắt(III)8oxiquinolin bằng CHCl 3 từ môi trường axit axetic. Phương pháp này
có giá trị trong việc tách các lượng vết sắt.
Các phức sắt(II) với nitroaxetophenol được chiết bằng dung môi
CHCl3, ở PH=8÷9. Khi chiết có thể có một số ion kim loại nặng có thể tạo
phức với thuốc thử và chiết bằng dung môi CHCl 3. Đặc biệt khi nhiều đồng ta
có thể loại bỏ bằng cách chiết với dithizol trong mơi trường axit vơ cơ lỗng.
I.1.2.2. Phương pháp kết tủa
Các tác giả cũng đưa ra phương pháp kết tủa sắt(III) dưới dạng hidroxit
để tách sắt ra khỏi một số kim loại kiềm, kiềm thổ, kẽm, chì và một số kim
loai khác. Các kim loại này kết tủa ở PH cao hơn so với sắt(III) hidroxit hoặc
nó bị giữ lại khi có mặt NH3 trong dung dịch.
I.1.3. Các phương pháp xác định sắt [6,8,9]
I.1.3.1. Phương pháp khối lượng
Phương pháp phân tích khối lượng kết tủa đóng vai trị quan trọng và
có ứng dụng rộng rãi.
Để xác định người ta cân chính xác và chuyển mẫu phân tích vào dung
dịch bằng axit hoặc các chất oxi hóa thích hợp. Làm kết tủa sắt dưới dạng
hợp chất khó tan ( dạng kết tủa) như Fe(OH) 3... sau đó tách ra khỏi một số
kim loại kiềm, kiềm thổ, Zn, Pb,... . Các hiđroxit của các kim loại này sẽ kết
tủa ở pH cao hơn hiđroxit sắt hoặc nó bị giữ lại khi có mặt NH 3 trong dung
dịch. Sấy, nung (nếu cần thiết) để chuyển dạng kết tủa thành dạng cân. Cho
sản phẩm khơ và tính kết quả phân tích. Nhưng phương pháp xác định sắt
như trên ít được dùng trong thực tế vì nhiều ngun tố khác cũng có thể kết
tủa theo được.
I.1.3.2. Phương pháp thể tích
Để phân tích sắt người ta tìm cách chuyển mẫu phân tích vào dung dịch
bằng dung mơi thích hợp như nước, axit, kiềm... Sau đó lấy chính xác V ml

20


dung dịch sắt thu được và thêm dần dần từng ít một thuốc thử R thích hợp vào
cho dến khi R phản ứng hết với sắt. Trong dung dịch không còn dư R hoặc
sắt. Dựa vào các dấu hiệu để xác định điểm kết thúc chuẩn độ (điểm tương
đương ). Chất được dùng để thay đổi tín hiệu trong quá trình chuẩn độ gọi là
chất chỉ thị.
I.1.3.3. Phương pháp chuẩn độ penmanganat
Phản ứng oxi hóa bằng ion penmanganat MnO 4- là cơ sở của phương
pháp penmanganat. Phương pháp này có thể thực hiện trong mơi trường axit,
kiềm và trung tính. Khi thực hiện trong môi trường axit, Mn(VII) bị khử tới
Mn(II) và màu tím của dung dịch bị mất.
Thực hiện chuẩn độ muối sắt(II) bằng KMnO 4: axit hóa dung dịch
bằng dung dịch axit sunfuric và chuẩn độ tới điểm cuối . Sắt(II) bị oxi hóa
thành sắt (III):
5Fe2+

+

MnO4-

+ 8H+

→

5F3+

+ Mn2+ + 4H2O

Biết nồng độ đương lượng và thể tích cần chuẩn độ của KMnO 4 ta dễ
dàng tính được lượng sắt trong dung dịch.
I.1.3.4. Phương pháp trắc quang
Phương pháp trắc quang được dùng phổ biến để xác định sắt. Sau đây
là một số thuốc thử mà các nhà phân tích đã nghiên cứu

21


Xác định sắt bằng phương pháp trắc quang và chiết trắc quang.
Ảnh
Thuốc thử dư

Độ nhạy

λmax(nm)

PH xác

Thời gian

hưởng

định

biến màu

thuốc thử

α ,α - dipyridyl

2,
2’,2’’
–
terpyridyl
Disodium – 1,2
– dihirobenzen
3,5
–
disunfonyl

0,007

522

3–9

1 năm

dư
Không

0,005

552

3 – 10

1 năm

Không

0,09

430

8,5 – 9,5

Vài tháng

Vài tháng

0,015

’

610

2,7 – 3,7

1 – 2 tuần

Khơng

0,003

575

3

1 ngày

Có

0,014

540

7 – 12

Vài giờ

Không

0,0023

720

3,9 – 5,1

6 giờ

Không

0,007

508

2–9

1 ngày

Không

0,03

520

2,5 – 2,7

0,01

430

7

0,008

480

Axit

0,004

482

Axit

ferron
4 – hidroxyl
diphenyl

–

3cacboxylicaxit
Mercapto
axetic axit
Muối nitro – R
O
–
phenantrolin
Axit salixilic
Axit
sunfosalixilic
Thioxianat
Thioxianat
/
nước – axeton

2–3
ngày
Hơn 1
ngày
Giảm
Biến đổi
theo t

Có
Khơng
Có
Có

I.1.3.5.Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang
I.1.3.5.1. Phương pháp đường chuẩn.
Nguyên tắc của phương pháp này cũng giống như trong phép đo phổ
trắc quang phân tử vùng tử ngoại và khả kiến, dựa vào dãy mẫu đầu (ít nhất là
22


3 mẫu) nên còn được gọi là phương pháp ba mẫu đầu. Để lập đồ thị chuẩn
A=f(C), rồi nhờ đường chuẩn này và giá trị A để xác định nồng độ của
nguyên tố cần phân tích.
Ví dụ:
- Pha dung dịch gốc: Cân trên cân phân tích(±0,1mg) một lượng
Fe(NO3)3 tinh khiết phân tích. Pha bằng nước cất hai lần trong bình định mức
có dung tích xác định.
- Chuẩn bị 3 bình định mức dung tích 25ml hoặc 50ml. Dùng pipet hút
vào 5 bình lần lượt 1, 2, 3, 4, 5 ml dung dịch gốc. Cho cùng một lượng thuốc
thử thích hợp và các hóa chất cần thiết khác, sau đó định mức bằng nước cất 2
lần cho đến vạch ta đươc dãy mẫu chuẩn.
- Đo mật độ quang của dãy mẫu chuẩn trên cùng một máy đo tại một
bước sóng λ tối ưu thu được kết quả ở bảng 1:
Bảng 1:
TT
1
2
3
4
5

Ai

A1
A2
A3
A4
A5

Ci(mg/25ml)
C1
C2
C3
C4
C5

- Dựa vào kết quả thu được ta xây dựng đường chuẩn:
Ai = (a ± εa) + (b ± εb)Ci
- Tiến hành đo mật độ quang củadung dịch phân tích tại λ tối ưu ta
được Ax. Thay Ax vào phương trình đường chuẩn ta xác định được C x của
dung dịch cần phân tích:

Cx =

Ax − (a ± ε a )
(b ± ε b )

23


Phương pháp này có thể phân tích được hàng loạt mẫu, nhưng trong nhiều
trường hợp ta không chuẩn bị được các mẫu đầu hồn tồn giống với mẫu phân
tích khi có thành phần phức tạp và khi chưa biết chính xác, khi đó kết quả sai số

lớn. Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng phương pháp thêm.
I.1.3.5.2. Phương pháp thêm.
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng ngay mẫu phân tích làm nền,
để chuẩn bị mẫu bằng cách lấy một lượng mẫu phân tích nhất định (C x) rồi
thêm vào đó những lượng chính xác của ngun tố cần xác định theo từng bậc
nồng độ, chẳng hạn C1, C2, C3, ... (tăng theo cấp số cộng) ta được dãy mẫu đầu:
Cx; Cx+C1; Cx+C2; Cx+C3; ...
A

Đường chuẩn
M
Ax

Cx

0

C1 Cx

A=f(C)

24

C2

C3


Chọn các điều kiện thí nghiệm thích hợp và một vạch phổ của nguyên
tố cần phân tích, tiến hành ghi cường độ hấp thụ của vạch phổ cho tất cả các

mẫu, được các giá trị tương ứng là Ax; A1; A2; A3; ... Dựng đường chuẩn A
(trục tung) theo C1; C2; C3; … (trên trục hoành). Đường này cắt trục tung tại
điểm có tọa độ (Ax,0) .
Để xác định Cx ta làm như sau:
- Kéo dài đường chuẩn về phía trái, nó cắt trục hồnh tại điểm C x, đoạn
OCx chính là giá trị nồng độ Cx cần tìm
- Từ gốc tọa độ kẻ đường song song với đường chuẩn, từ điểm A x kẻ
đường thẳng song song với trục hồnh, nó cắt đường song song với đường
chuẩn tại điểm M. Từ M hạ đường vng góc với trục hồnh tại điểm C x và
đoạn OCx cũng chính là giá trị nồng độ C x phải tìm (hoặc đoạn OC x từ gốc tọa
độ đến điểm cắt của đường chuẩn kéo dài ........... với trục hoành)
Ưu điểm của phương pháp này:
- Quá trình chuẩn bị mẫu rất dễ dàng, loại trừ được ảnh hưởng của
phông nền.
- Phương pháp này dùng để phân tích các lượng vết và cũng để kiểm tra
độ lặp lại và độ chính xác của phương pháp.
I.1.3.5.3. Phương pháp quang phổ vi sai.
Bản chất của phương pháp: Trong phương pháp quang phổ vi sai, dung
dịch so sánh là một trong các dung dịch sau đây:
- Dung dịch có nguyên tố cần xác định với nồng độ bé hơn hay lớn hơn
nồng độ của nó trong dung dịch nghiên cứu làm dung dịch so sánh
- Dùng một phần dung dịch nghiên cứu làm dung dịch so sánh
- Dùng dung dịch chứa tất cả các cấu tử, trừ ion cần xác định làm dung
dịch so sánh
Có thể thực hiên phương pháp bàng 2 cách:

25