Определение металлов на примере железа

В малых концентрациях железо всегда встречается практически во всех природных водах (до 1 мг/л при ПДК на сумму железа 0,3 мг/л) и особенно – в сточных водах.

Железо имеет два рода растворимых солей, образующих катионы Fe²⁺ и Fe³⁺, но в растворе железо может находиться и в других формах в виде:

1) истинных растворов (аквакомплексов) [Fe(H₂O)₆]²⁺, содержащих железо (II). На воздухе железо (II) быстро окисляется до железа (III), растворы которого изменяют бурую окраску из-за образования гидроксосоединений;

2) коллоидных растворов из-за пептизации (распада агрегированных частиц) гидроксида железа под воздействием органических соединений;

3) комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами. К ним относятся карбонилы, ареновые комплексы, гексоцианоферраты и др.

В нерастворимой форме железо может быть представлено в виде различных взвешенных в воде твердых минеральных частиц различного состава.

При рН > 3,5 Fe (II) существует в водном растворе только в виде комплекса, постепенно переходящего в гидроксид. При рН > 8 Fe (II) существует в виде аквакомплекса, претерпевая окисление через стадию образования Fe (III):

Fe (II) ® Fe (III) ® FeO(OH)×H₂O

В качестве примера сложного превращения железа можно привести уравнения реакций, протекающих в болотных водоемах и объясняющих часто встречающийся красный цвет воды (феномен «красных рек»). Для болотных вод характерно пониженное значение рН и протекание окислительных реакций с участием растворенного кислорода.

Так, встречающийся в природе нерастворимый в воде пирит (FeS₂) окисляется до сульфата Fe (II):

FeS₂ + 7О₂ + 2Н₂О ® 2Fe²⁺ + 4SO₄^2- + 4H⁺

Затем происходит окисление сульфата Fe (II):

4Fe²⁺ + О₂ +4H⁺ ® 4Fe³⁺ + 2Н₂О

Заключительная стадия гидролиза приводит к образованию красно-бурого осадка гидроксида Fe (III):

Fe³⁺ + 3Н₂О ® Fe(OH)₃¯ + 3H⁺

Таким образом, поскольку соединения железа в воде могут существовать в различных формах, точные результаты могут быть получены только при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого общего железа.

Раздельное определение Fe (II) и Fe (III), их нерастворимых и растворимых форм дает менее достоверные результаты, хотя иногда возникает необходимость определения железа в его индивидуальных формах.

Перевод железа в растворимую форму, пригодную для анализа, проводят, добавляя к пробе определенное количество сильной кислоты (азотной, соляной, серной) до рН = 1-2.

Определение общего железа проводят методом визульно-колориметрическим или фотометрическим согласно ГОСТ-72 «Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа». При незначительном содержании железа в воде используют атомно-абсорбционный метод М 01-29-2006 «Методика выполнения измерений массовой концентрации марганца, кобальта, меди, железа, кадмия, свинца, никеля в пробах природной и сточной воды атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией с использованием атомно-абсорбционного спектрометра «МГА-915».

Метод основан на способности катиона Fe (II) в интервале рН = 3-9 образовывать с 0,1% раствором орто-фенантролина комплексное соединение оранжево-красного цвета:

При наличии в воде Fe (III) оно восстанавливается до Fe (II) 10% раствором гидрохлорида гидроксиламина в нейтральной или слабокислой среде согласно реакции

Fe³⁺ + 2NH₂OH×HCl ® Fe²⁺ + N₂ + 2HCl + 2H₂O + 2H⁺

Таким образом определяется суммарное содержание Fe (II) и Fe (III). Анализ проводится в ацетатном буферном растворе при рН = 4,5 – 4,7.

Концентрацию общего железа в анализируемой воде определяют по интенсивности окраски пробы, визуально сравнивая ее с окраской образцов по контрольной шкале, либо с помощью электро-фотоколориметра с предварительным построением градуировочного графика.

Метод практически селективен при анализе природных поверхностных вод и питьевой воды. Проведению анализа мешают: медь и кобальт в концентрациях более 5 мг/л; никель – более 2 мг/л; марганец – более 50 мг/л; значительное количество цианидов, нитритов, фосфатов. Если проба содержит значительные количества органических веществ, их необходимо предварительно минерализовать.

Диапазон определяемых концентраций общего железа в воде при использовании данного метода – от 0,1 до 1,5 мг/л. Определение возможно и при концентрации железа более 1,5 мг/л, после соответствующего разбавления пробы дистиллированной водой.

ПДК общего железа в воде водоемов составляет 0,3 мг/л, лимитирующий показатель вредности – органолептический.