Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hoá học: Phân tích và đánh giá hàm lượng Sắt, Mangan trong nước giếng khoan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F – AAS)

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 NGUN TỬ NGỌN LỬA (F-AAS)

Chun ngành: HỐ 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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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
cơng trình nào.
Tác giả

Tƣờng Thị Cẩm Nhung

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




LỜI CẢM ƠN
Tơi xin tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Thị Hồng Vân – Cơ đã
tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu để tơi có thể
hồn thành được luận văn này.
Tơi 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 q trình tơi làm luận văn.
Tơi xin cảm ơn Trung tâm Y tế Dự phịng tỉnh Thái Nguyên đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong thời gian học Cao học.
Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn tới tồn 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 cịn hạn chế về mặt thời gian,
kinh phí cũng như trình độ chun mơn nên khơng 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
8
mangan trong nƣớc ngầm.........................................................................
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...................................................................
1.2.2.1. Sắt(II) oxit (FeO)...........................................................................
1.2.2.2. Sắt(II) hiđroxit: Fe(OH)2................................................................

12
13

1.2.2.3. Muối sắt(II)....................................................................................

13

1.2.2.4. Sắt(III) oxit: Fe2O3.........................................................................

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 cơng 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
28
dụng detector điện hóa……………………………………………………
1.3.4.2. Phương pháp sắc ký điện di mao quản…………………………... 28
CHƢƠNG II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
30
CỨU............................................................................................................
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..................................................

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



32


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
38
phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa..............................
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
39
phƣơng pháp thêm chuẩn..........................................................................
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

40
F-AAS........................................................................................................
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....................................................

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



43


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
57
HIỆN VÀ GIỚI HẠN ĐỊNH LƢỢNG....................................................
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
61
MANGAN...................................................................................................
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
66
ĐƢỜNG CHUẨN......................................................................................
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
71
giếng khoan bằng phép đo F – AAS..........................................................
3.9. PHÂN TÍCH MẪU NƢỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƢƠNG
75
PHÁP THÊM CHUẨN.............................................................................

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
Bảng 3.1
Bảng 3.2

Tên bảng
Kết quả khảo sát các bước sóng hấp thụ khác nhau
của Fe
Kết quả khảo sát các bước sóng hấp thụ khác nhau
của Mn

Trang
41
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 HNO3 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 HNO3 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

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

Bảng 3.30

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 ngun khơng 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 ơ nhiễm và suy thối.
Sự suy thối của mơi 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 ơ nhiễm mơi trường nói chung và ơ nhiễm
mơi trường nước nói riêng.
Như chúng ta đã biết, nước cũng như khơng 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 ơ 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 ơ 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. Cịn 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 tơi 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 ơ 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 mơi 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:

12440C

- Nhiệt độ sơi:

21200C

- Cấu hình electron lớp ngồi cùng: 3d54s2
- 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 khống vật. Khống vật chính của Mn là hausmanit( Mn3O4 ) chứa
khoảng 72% Mn, pirolusit(MnO2) chứa khoảng 63% Mn, braunit (Mn2O3) và
manganit MnO2.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 49Mn đến 55Mn trong đó chỉ có 55Mn là đồng
vị thiên nhiên chiếm 100%. Đồng vị phóng xạ bền nhất là 53Mn có chu kì bán
hủy là 140 năm, và kém bền nhất là 49Mn 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, MnCO3 và Mn3(PO4)2. Khi tan trong nước các muối Mn(II)
phân li tạo phức aquơ kiểu [Mn(OH2)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 mơi trường kiềm Mn(OH)2 bị O2 của khơng khí oxi hóa:
6Mn(OH)2 + O2 → 2Mn2MnO4 + 6H2O
( Đây là một phản ứng dùng để định lượng oxi hịa tan trong nước)
Trong mơi trường kiềm mạnh, Mn2+ có thể bị oxi hóa thành MnO42- :
3MnSO4 + 2KClO3 + 12KOH → 3K2MnO4 + 2KCl + 3K2SO4 + 6H2O
Trong môi trường axit những chất oxi hóa mạnh như PbO2 oxi hóa
Mn2+ thành MnO4- :
2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2PbSO4 + 2H2O
1.1.2.2. Hợp chất của Mn(III)
Mn(III) oxit Mn2O3 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 Mn2O3.xH2O. Ở 1000C hiđrat này mất nước
tạo thành mono hiđrat Mn2O3.H2O thường được biểu diễn là MnOOH và tồn
tại trong tự nhiên dưới dạng khống 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: MnF3,
Mn2(SO4)3, Mn(CH3COO)3. Trong dung dịch Mn3+ dễ bị phân hủy theo phản ứng:
2Mn3+ + 2H2O  MnO2 + Mn2+ + 4H+
Tuy nhiên Mn3+ tồn tại bền hơn khi ở các trạng thái phức chất. Ví dụ
M3[Mn(CN)6] trong đó M là Na+, K+, NH4+.
1.1.2.3. Hợp chất của Mn(IV)
Đối với Mn(IV) hợp chất bền là MnO2 và Mn(OH)4, các muối Mn(IV)
không có nhiều và cation Mn4+ bị thủy phân mạnh trong dung dịch nước tạo
thành MnO2.
MnO2, Mn(OH)4 là những hợp chất vừa có tính oxi hóa, vừa có tính
khử, khơng tan trong nước.
Khi tác dụng với chất khử chúng đóng vai trị chất oxi hóa, Ví dụ:
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O
Khi tác dụng với chất oxi hóa chúng đóng vai trị chất khử, sản phẩm là
những hợp chất Mn(VI), Mn(VII):
3MnO2 + KClO3 + 6KOH → 3K2MnO4 + KCl + 3H2O
2MnO2 + 3PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2H2O
1.1.2.4. Hợp chất của Mn(VI)
Mn(VI) chỉ được biết trong ion manganat (MnO42-) có màu lục thẫm.
Người ta đã tách được tinh thể muối manganat của kim loại kiềm, amơni, kim
loại kiềm thổ, chì, cacđimi.
MnO42- chỉ tồn tại trong dung dịch có dư kiềm, trong trường hợp ngược
lại chúng thủy phân theo phương trình:
3K2MnO4 + 2H2O → 2KMnO4 + MnO2 + 4KOH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7

K2MnO4 + H2SO4 → H2MnO4 + K2SO4
( 3H2MnO4 → 2HMnO4 + MnO2 + 2H2O)
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:
2K2MnO4 + Cl2 → 2KMnO4 + 2KCl
1.1.2.5. Hợp chất của Mn(VII)
Anhiđric pemanganic Mn2O7 là chất lỏng nhờn, màu đen xanh, không
bền. Người ta điều chế nó bằng cách tác dụng H2SO4 đặc lên KMnO4 :
2KMnO4 + H2SO4 → Mn2O7 + K2SO4 + H2O
Mn2O7 là hợp chất oxit axit điển hình, tác dụng mạnh với nước theo
phản ứng:
Mn2O7 + H2O → 2HMnO4
Ion MnO4- có màu đỏ tím tồn tại nhiều dưới dạng muối. KMnO4 là chất
oxi hóa mạnh và được dùng rộng rãi trong phịng thí nghiệm. Sản phẩm khử
pemanganat được tạo thành tương ứng với tính chất của mơi trường.
Trong mơi trường axit mạnh:
MnO-4 + 5e + 8H+ → Mn2+ + 4H2O

0
EMnO
= 1,51 V

/ Mn2
4

Trong mơi trường acid yếu, trung tính:
MnO-4 + 4H+ + 3e → MnO2 + 2H2O

0
EMnO
= 1,231 V

/ MnO
4

2

Mơi trường kiềm:
MnO4- + e → MnO42-

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

E0 = 0,56 V




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 mịn. 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 sơng. Thép khơng rỉ loại khơng có Ni chứa 14% Cr và
15% Mn chịu được axit HNO3 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 q 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 sơng ngịi 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 cơng 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( Mn2+) vì khơng
có mặt ơxi hịa 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:
Phân loại:
Cấu hình electron

Sắt, Fe, 26
Kim loại chuyển tiếp
[Ar] 3d64s2

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

10

7.874 kg/m3

Khối lượng riêng, độ cứng
Bề ngoài

Kim loại màu xám, nhẹ có ánh kim

Khối lượng ngun tử

55.845 đvc

Bán kính ngun tử (Ao)

1.35

Năng lượng ion hóa (eV)

I1=7.9 ; I2 = 16.18; I3 = 30.63

Thế điện cực chuẩn (V), Eo

E 0 Fe2 / Fe = -0.44V ; E 0 Fe3 / Fe2 = 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 (Fe3O4) chứa

đến 72% sắt, hematit (Fe2O3) chứa 60% sắt, pirit (FeS2) và xiderit chứa 35%
sắt. Có rất nhiều mỏ quặng sắt và sắt nằm dưới dạng khống chất với nhơm,
titan, mangan,...Sắt cịn 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:
700 C
911 C
1390 C
1536 C
 Fe  
 Fe γ 
 Fe  
 Fe lỏng
Fe α 
0

0

0

0

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 khơng hịa 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 : 15360C

Nhiệt thăng hoa :

418kJ/mol
7.91

Nhiệt độ sôi:

28800C

Tỉ khối:

Khối lượng riêng:

7.91g/cm3

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, khơng 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, brơm 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 khơng khí khơ, sắt tạo nên Fe2O3 và ở nhiệt độ cao
hơn tạo nên Fe3O4.
Sắt phản ứng mạnh với các halogen. Khi đun nóng sắt với các halogen
thu được Fe(III) halogenua khan FeX3. Khí clo dễ dàng phản ứng với Fe tạo
thành FeCl3 .
Tuy nhiên khi nghiền bột I2 với Fe sản phẩm tạo thành có thành phần là
Fe3I8 ( hay 2FeI3.FeI2):
3Fe + 4I2 
 Fe3I8
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 – 2000C và áp suất khoảng 100atm:
Fe + 5CO 
 Fe(CO)5
Sắt tinh khiết bền trong khơng khí và nước. Ngược lại sắt có chứa tạp
chất bị ăn mịn dần do tác dụng của hơi ẩm, khí cacbonic và oxi ở trong khơng
khí tạo nên gỉ sắt. Do lớp gỉ sắt xốp và dịn nên khơng bảo vệ được sắt khỏi bị
oxi hóa tiếp.
Sắt tan được trong các axit lỗng. Sắt bị thụ động khi tác dụng với axit
H2SO4 đặc nguội và axit HNO3 đặc nguội. Khi tác dụng với các axit có tính
oxi hóa mạnh như axit H2SO4 và HNO3 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 H2 và các sản phẩm chính là Fe3O4 hoặc Fe(FeO2)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 H2 để khử Fe2O3 ở
3000C:
Fe2O3 + H2 
 FeO + H2O
Hàm lượng sắt trong FeO thường bé hơn so với hàm lượng của nguyên

tố đó ứng với cơng thức phân tử, vì các ngun tử Fe chiếm khơng hồn tồn
các mắt của mạng lưới tinh thể, ứng với công thức Fe0,95O.
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(OH2)6]2+:
2+
FeO + 2H+ + 5H2O 
 [Fe(OH2)6]

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 + O2 + 2H2O 
 4 Fe(OH)3
Chú ý là amoniac khơng thể kết tủa hồn tồn Fe(OH)2 , vì khi có một
lượng lớn muối amoni, kết tủa Fe(OH)2 hầu như khơng có do sự tạo thành
phức chất amoniacat của Fe(II):
FeCl2 + 6NH3 
 [Fe(NH3)6]Cl2

Phức chất Fe(II) amoniacat chỉ bền ở trạng thái rắn, trong dung nước dễ
dàng bị thủy phân:
[Fe(NH3)6]Cl2 + 2H2O  Fe(OH)2 + 2NH4Cl + 4NH3
Fe(OH)2 tan trong dung dịch axit lỗng khơng có khơng khí, tan trong
dung dịch kiềm tạo ra hipoferit:
t
 Na2[Fe(OH)4]
Fe(OH)2 + 2NaOHđặc 
0

1.2.2.3. Muối sắt(II)
Muối của Fe(II) là kém bền đối với oxi của khơng 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

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