Metode de investigare a factorilor de mediu

METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI

17

Curs 2.

CUPRINS

CAPITOLUL 3. METODE DE INVESTIGARE A FACTORILOR DE MEDIU ...................... 18

3.1. METODE CALITATIVE DE INVESTIGARE A FACTORILOR DE MEDIU ............. 18

3.1.1. Legea acţiunii maselor ................................................................................................ 22

3.1.2. Principiul produsului solubilităţii ................................................................................ 22

3.1.3. Efectul ionilor comuni ................................................................................................. 24

3.1.4. Moduri de dirijare a echilibrului chimic ..................................................................... 26

3.1.5. Alte metode calitative .................................................................................................. 28


18

CAPITOLUL 3. METODE DE INVESTIGARE A FACTORILOR

DE MEDIU

3.1. METODE CALITATIVE DE INVESTIGARE A FACTORILOR DE

MEDIU

Introducere

Metodele calitative constau în determinarea prezenței unor anumiţi

compuşi pe baza anumitor indicii care apar în factorii de mediu.

Aceste metode nu conduc la determinări cu precizie mare ale

concentraţiilor în substanţe poluante ale apei, aerului sau solului. Cel

mult, se pot obţine informaţii în legătură cu ordinul de mărime al

concentraţiilor (ex. măsurarea pH-ului cu ajutorul hârtiei indicatoare). În

general, se semnalează prezenţa anumitor substanţe în factorii de mediu,

dar nu se măsoară cantităţi ale acestora. Metodele calitative de investigare

pot servi la orientarea măsurătorilor în cea de a doua etapă, când este

necesară aplicarea metodelor cantitative de măsurare.

Obiective

După parcurgerea capitolului va trebui să:

cunoașteți senzitivitățile fiziologice pe care se bazează metodele

calitative;

știți ce sunt bioindicatorii și care sunt speciile reprezentative;

știți legea acțiunii maselor;

cunoașteți principiul produsului solubilității.

Durata medie de studiu individual: 80 minute

Metodele calitative de investigare se bazează aproape în exclusivitate pe senzitivităţile

fiziologice ale cercetătorilor. Există următoarele senzitivităţi:

- vizuală – ex. culoarea roşie a apei denotă prezenţa fierului, culoarea albăstruie a

gazelor de eşapament ale autovehiculelor – lipsa funinginei (suspensiilor) sau prezenţa

unor culori ale probelor de apă după anumite dozări de reactivi – prezenţa anumitor

ioni;

- olfactivă – excitaţie provocată de acţiunea moleculelor substanţelor având proprietatea

de a volatiliza sau moleculelor de gaze din atmosferă, care exercită o anumită acţiune

asupra nervului olfactiv. Ex: mirosurile de H2S din apa conţinând sulfuri (S-2

) tratată cu

acid, mirosul de amoniac din atmosferă sau mirosurile de hidrocarburi din solurile

poluate cu ţiţei;


19

- gustativă – o modalitate de recepţie a proprietăţilor chimice ale substanţelor solubile în

apă cu care organismul vine în contact. Ex: gustul sălciu al apei este dat de duritatea ei

sau gustul sărat – de prezenţa clorurii de sodiu, etc;

- somestezia este funcţia informaţională de recepţie îndeplinită de învelişul cutanat al

corpului (pielea). Temperaturile apei, aerului, solului determină efecte în legătură cu

această formă de sensibilitate;

- auditivă – presiunea exercitată de propagarea undelor sonore asupra timpanului

urechii. Ex: aprecierea poluării sonore prin nivelul puterii (intensităţii) sonore.

O categorie aparte a metodelor calitative de investigare a factorilor de mediu o constituie

determinarea prezenţei unor poluanţi în mediu prin senzori biologici sau bioindicatori.

Un avantaj important al metodelor calitative de investigare a factorilor de mediu este

rapiditatea constatării prezenţei poluării. De aceea unele metode se aplică în semnalarea poluării

accidentale a factorilor de mediu.

3.1.1. Bioindicatori

Bioindicatorii sunt specii, populaţii, sau ansambluri de specii care, datorită variabilităţii lor

(biochimice, fiziologice, etologice sau ecologice), permit caracterizarea stării unui ecosistem şi pun

în evidenţă, cât mai precoce posibil, modificările naturale sau antropice ale acestuia. Ideea speciilor

bioindicatoare este vehiculată încă din secolul trecut, când a fost observată capacitatea indicatoare a

lichenilor în ceea ce priveşte compoziţia, puritatea şi umiditatea aerului. În a doua jumătate a

secolului XX, cercetările au vizat în general găsirea unor indicatori şi punerea la punct de metode

care să ofere informaţii legate de poluanţi (ai aerului, solului, apelor). Ulterior, pe măsura apariţiei

preocupărilor legate de alte tipuri de degradare a ecosistemelor, s-a căutat identificarea unor

bioindicatori care să ofere informaţii legate de stabilitatea ecosistemelor, de menţinerea

biodiversităţii, de gestionarea durabilă a unor ecosisteme forestiere sau agricole (efectul anumitor

măsuri sau tehnici de gestionare asupra acestor ecosisteme), sau informaţii legate de răspunsul

ecosistemelor la modificarea globală a climei.

În ceea ce priveşte indicatorii poluării, aceştia sunt de două tipuri: specii sensibile, care indică

prezenţa unui poluant prin apariţia unor leziuni sau malformaţii şi specii acumulatoare, care

concentrează poluantul în corpul lor. Mai există şi o altă categorie, şi anume specii care proliferează

şi devin abundente în zonele poluate.

Indicatorii poluării pot fi animali sau vegetali, aceştia din urmă mai numeroşi. Bioindicatorii

pentru poluare au ca avantaj, faţă de monitorizarea instrumentală, faptul că pot oferi un răspuns la

efectul combinat al anumitor poluanţi, spre deosebire de instrumente care măsoară separat cantităţile

fiecărui poluant) şi pot da indicaţii, în urma analizei de ţesuturi, legate de cantităţi foarte mici de

poluanţi din mediu, precum şi de evoluţia poluantului în timp, pe perioade mai îndelungate. Aşa cum s-a menţionat, primele şi cele mai cunoscute specii folosite ca indicatoare ale calităţii

aerului au fost speciile de licheni. Valoarea lor ca bioindicatori a fost recunoscută încă de acum 100

de ani, dar metode concrete de monitorizare a poluării aerului cu dioxid de sulf, prin intermediul

lichenilor, au fost puse la punct şi îmbunătăţite în ultimii 30 de ani.

Alte specii de plante au fost utilizate ca indicatori ai poluării cu ozon; aceşti bioindicatori

(împreună cu alţi indicatori ai poluării aerului) pot fi încadraţi în două categorii:

1) specii introduse, în general plante ierbacee, repede-crescătoare, uniforme genetic, numite

generic „specii santinelă” (utilizarea lor face obiectul metodei active de biomonitorizare)

Exemplu: tutunul (Nicotiana tabacum L.) şi urzicuţa (Urtica urens L.). Speciile-santinelă

reacţionează de obicei rapid la creşterea concentraţiei de ozon din aer, fiind folosite pentru a

semnala de timpuriu prezenţa acestuia. Reacţia rapidă este însă caracteristică doar stadiilor


20

juvenile şi de aceea plantele trebuie reintroduse periodic. Ele sunt în prealabil cultivate în aer

curat, lipsit de poluanţi şi transplantate apoi în zonele monitorizate; fiind uniforme genetic, şi

reacţia lor la poluant este relativ uniformă. Trebuie menţionat că doar unii indivizi dintr-o

populaţie şi anume cei sensibili, reacţionează la concentraţii ridicate de ozon. De asemenea,

reacţia indivizilor este condiţionată şi de celelalte condiţii staţionale. Printre alte specii de plante

care sunt utilizate ca bioindicatori pentru diferiţi poluanţi se pot menţiona: sunătoarea

(Hypericum perforatum L.) pentru acid fluorhidric, zâzania (Lolium multiflorum Lam.) pentru

acid fluorhidric şi metale grele, fetica (Valerianella locusta Betke.) pentru metale grele, lucerna

(Medicago sativa L.) pentru dioxidul de sulf, orzul (Hordeum vulgare L.) pentru metale grele şi

compuşi ai florului, porumbul (Zea mays L.) pentru acid fluorhidric, dioxid de sulf, metale grele

etc.

2) specii care cresc natural într-o anumită zonă, sunt plante perene, arbuşti sau arbori, cu creştere

înceată şi care au o reacţie lentă la creşterea concentraţiei de poluant, efectele apărând mai

târziu în decursul perioadei de creştere; aceste specii sunt numite generic „specii detector” sau

biomonitori (utilizarea lor face obiectul metodei pasive de monitorizare). Exemplu: mălinul

american (Prunus serotina Ehrh.), pinul galben (Pinus ponderosa Laws.), frasinul american

(Fraxinus americana L.), frasinul de Penssylvania (Fraxinus pennsylvanica Marsh.), plopul

temurător (Populus tremuloides L.), arborele lalea (Liriodendron tulipifera L.). Speciile-

detector nu fac obiectul unor măsuri speciale de îngrijire în mediul natural în care cresc.

Alături de plante, ca bioindicatori ai poluării se folosesc insectele, cum sunt albina (Apis

mellifera L.) pentru acid fluorhidric, sau păduchele socului (Aphis sambucci L.) pentru dioxid de

sulf, iar dintre mamifere, şobolanul (Rattus rattus L.) pentru dioxidul de azot. După cum s-a

menţionat, indicatorii biologici nu sunt utilizaţi doar în cazul poluării, ci și pentru alte scopuri.

Astfel, furnicile (Formicidae, Hymenoptera) sunt utilizate ca bioindicatori în condiţiile

reconstrucţiei ecologice în anumite zone (zone degradate de activităţi miniere, zone distruse de

incendii) sau ca bioindicatori ai diversităţii. În general, se studiază ansamblul de specii de furnici din

zonele respective şi relaţiile lor cu prada sau prădătorii. Alte specii de insecte, şi anume carabidele

(Carabidae, Coleoptera), sunt un fidel indicator al modului de distribuţie a vegetaţiei: există specii

caracteristice mediului alpin, subalpin sau forestier. Aceste specii au, faţă de condiţiile abiotice (şi

implicit biotice), exigenţe foarte stricte (de altfel, o condiţie a alegerii speciilor bioindicatoare este

ca ele să fie stenotope); în plus carabidele sunt caracterizate printr-o mare mobilitate, astfel încât

orice perturbare a microclimatului lor specific determină o reacţie rapidă şi deplasarea indivizilor

spre alt habitat, mai convenabil. Răspunsul insectelor la modificările mediului este mai rapid ca al

vegetaţiei, de exemplu. Inventarierea, la un anumit interval de timp, a ansamblului de specii de

carabide şi stocarea acestor informaţii în baze de date poate oferi, prin comparaţie, informaţii

privitoare la dinamica ecosistemelor. Alte insecte, cum sunt libelulele (Odonata), pot oferi, în urma

studierii evoluţiei distribuţiei acestora în spaţiu, indicaţii despre apariţia unei perturbări în

funcţionarea ecosistemului din care acestea fac parte. Fluturii (Lepidoptera) pot oferi informaţii

despre reapariţia şi succesiunea speciilor vegetale pe teren denudat. De asemenea, păianjenii

(Araneide) pot fi utilizaţi ca bioindicatori ai echilibrului ecosistemelor.

Păsările sunt foarte buni bioindicatori (şi în unele cazuri, singurii) ai schimbărilor de mediu,

la care reacţionează prin modificarea compoziţiei speciilor din cadrul unei biocenoze, prin

modificarea comportamentului sau a aspectului şi a capacităţii de reproducere. Păsările pot fi

utilizate pentru a examina efectele pe termen lung ale fragmentării habitatelor lor, efectul

introducerii de noi specii în ecosistem, pentru monitorizarea calităţii apelor, pentru obţinerea de

informaţii privind sănătatea populaţiilor de peşti, pentru identificarea unor poluanţi, cum sunt

pesticidele organoclorurate, metalele grele sau substanţele radioactive. Un avantaj al utilizării


21

păsărilor ca bioindicatori este reprezentat de faptul că au fost în amănunt studiate în trecut şi, ca

urmare, se dispune deja de numeroase date privitoare la răspândirea lor naturală, la ecologia şi

etologia lor, care pot fi comparate cu date noi, obţinute din ecosisteme afectate eventual de

degradare sau perturbări diverse. Astfel, pentru supravegherea calităţii apelor izvoarelor de munte

din ecosisteme forestiere, în Statele Unite este utilizat ca bioindicator sturzul de apă (Seiurus

motacilla L). El a fost ales ca bioindicator pentru stabilitatea ecosistemelor forestiere care

adăpostesc izvoare, pentru stabilirea măsurilor prioritare de conservare a acestor ecosisteme şi

stabilirea unor obiective pentru reconstrucţia ecologică, acolo unde este cazul (ecosistemele

respective fiind afectate de fragmentarea suprafeţelor forestiere şi de acidificarea apelor datorită

tehnicilor de drenare miniere). Sturzul de apă a fost selectat ca bioindicator deoarece este legat atât

de calitatea apelor de munte, cât şi de suprafeţe întinse de pădure matură. Diferite specii de bufniţe

au fost şi ele utilizate ca specii santinelă, pentru avertizare precoce în cazul degradării ecosistemelor.

Aceste specii, la fel ca şi alte specii de prădători, au fost utilizate ca biomonitori deoarece sunt larg

răspândite, au un comportament teritorial, nu sunt migratoare, au o rată de înmulţire ridicată şi un

metabolism rapid. Fiind consumatori de ordin superior, bufniţele pot concentra în corpul lor, datorită

prăzii consumate, diverse substanţe poluante. Bufniţele s-au dovedit sensibile la o variată gamă de

poluanţi, cum sunt pesticidele (organoclorurate sau organofosforice), metalele grele, floruri, şi

concentrează în corp, datorită hranei consumate, pesticide. Speciile folosite ca indicatori în diverse

zone ale globului, mai ales în America de Nord (Canada şi S.U.A.), Europa (Norvegia, Olanda,

Spania, Marea Britanie) şi Africa (Africa de sud) sunt reprezentate de ciuful de pădure (Asio otus L),

striga (Tyto alba L.), buha (Bubo bubo L., Bubo virginianus L.), ciuful de câmp (Asio flameus L.),

ciuvica (Glaucidium perlatum L.). Utilizarea acestor specii ca bioindicatori presupune studii privind

modificare a comportamentului legat de reproducere, studii ale grosimii cojii ouălor, studii legate de

enzimele de detoxifiere din ficat şi analize nedistructive, cum sunt cele ale penelor, sângelui sau

excreţiilor. Un alt bioindicator care a fost frecvent utilizat şi bine studiat este şoimul călător (Falco

peregrinus L.), ale cărui populaţii au înregistrat în trecut o drastică diminuare datorită expunerii la

D.D.T şi la alte insecticide organoclorurate. După interzicerea acestor insecticide, populaţiile speciei

s-au refăcut în numeroase ţări şi interesul pentru această specie ca bioindicator a mai scăzut, locul ei

fiind luat de diferitele specii de bufniţe menţionate anterior. Se fac cercetări, de asemenea, pentru

punerea la punct a metodelor de folosire a chiţcanilor (Soricidae, Insectivora) şi liliecilor

(Chiroptera) ca bioindicatori ai efectelor fragmentării habitatelor, defrişărilor, utilizării pesticidelor,

diminuării diversităţii biotopurilor. Se urmăreşte, concomitent, găsirea de măsuri pentru protejarea

acestor specii şi implicit pentru conservarea biodiversităţii ecosistemelor din care fac parte.

Bioindicatorii deschid un câmp larg de cercetare; numeroase proiecte de cercetare sunt în curs de

desfăşurare şi definitivare, deoarece sunt încă numeroase aspecte de clarificat şi este necesară

punerea la punct a unor metode coerente de supraveghere a mediului prin intermediul

bioindicatorilor. Pentru ca aceştia să poată fi utilizaţi în mod concret, în practică trebuie alese specii

capabile să furnizeze informaţiile necesare scopului urmărit prin monitorizare şi ale căror relaţii cu

factorii de mediu şi cu celelalte specii din biocenoză să fie foarte bine cunoscute. La elaborarea

metodelor concrete de monitorizare trebuie să se ţină cont de scara la care se fac determinările şi de

datele exacte care se culeg, precum şi de modalitatea de prelucrare şi stocare a acestor date, pentru

ca ele să fie relevante, iar interpretările realizate pe baza lor să fie cât mai apropiate de realitate.

Ţinând cont de dificultăţile financiare existente în ţara noastră şi de alte motive obiective, care fac

dificilă supravegherea instrumentală a ecosistemelor forestiere, biomonitoringul reprezintă o

alternativă (sau o eventuală completare) deosebit de interesantă.


22

3.1.2. Legea acţiunii maselor

Studierea metodelor chimice de analiză calitativă sunt ideale pentru a învăţa anumite faze ale

chimiei, în special aplicaţiile legii acţiunii maselor. Aceasta deoarece lucrările de laborator cuprind,

în principal precipitarea selectivă a ionilor.

Aproape toate reacţiile chimice sunt reversibile într-un anumit grad. Prin urmare,

concentraţiile reactanţilor (A şi B) şi ale produselor acestora (C şi D) sunt importante pentru a

determina starea finală de echilibru:

DCBA

Creşterea concentraţiilor reactanţilor A sau B va conduce la deplasarea reacţiei spre dreapta.

Dacă se măreşte concentraţia produsului reacţiei C sau a produsului D echilibrul se va deplasa spre

stânga. Aceasta schimbare a echilibrului, ca răspuns la schimbarea concentraţiilor constituie un

exemplu de aplicare a principiului lui Le Chatelier.

O reacţie chimică aflată într-un echilibru real poate fi exprimată astfel:

C DK

A B

unde „K” este „constanta de echilibru”, iar semnul [ ] reprezintă concentraţia molară (mol/l) a

substanţelor aflate în reacţie.

Ecuaţia de mai sus este denumită „ecuaţia acţiunii maselor”. Din ecuaţia de mai sus rezultă

că orice modificare de concentraţie a unuia din componenţii reacţiei va produce modificări ale

concentraţiilor celorlalţi reactanţi.

Pentru situaţia generală ...... dDcCbBaA constanta de echilibru se exprimă astfel:

KBA

DCba

dc

...

...

3.1.3. Principiul produsului solubilităţii

Echilibrul care există între cristalele unui compus în stare solidă şi ionii acestuia în soluţie

corespunde legii acţiunii maselor.

Important

Principiului lui Le Chatelier O reacţie, la echilibru, se autoreglează astfel încât să contracareze

orice acţiune care tinde să producă dezechilibrarea.

Exemplu

Considerând cazul clorurii de argint, la echilibru conform ecuaţiei,

ClAgAgCl

KAgCl

ClAg

unde [AgCl] reprezintă concentraţia clorurii de argint care se află în stare

solidă. Aceasta este în legătură cu faptul că suprafaţa unui solid este


23

Constanta Ksp se defineşte ca fiind constanta produsului solubilităţii.

Pentru substanţe mai complexe cum ar fi fosfatul tricalcic care ionizează după ecuaţia:

3

4

2

24 23)( POCaPOCa

produsul solubilităţii se exprimă astfel:

spKPOCa 33

4

22

Constantele produsului solubilităţii pentru diverse substanţe insolubile (precipitaţi), la diverse

temperaturi, se pot obţine din tabele disponibile în diverse publicaţii de specialitate.

singura parte care se poate considera în echilibru cu ionii, iar în soluţii

saturate rata la care aceşti ioni părăsesc suprafaţa este egală cu rata la care

aceştia sunt depozitaţi de către soluţie. Deci [AgCl] se poate aproxima că

este Ks. Atunci:

s spAg Cl K K K .

Exemplu

Dacă se cunoaște (din tabele) pentru clorura de argint, la 25C,

103 10spK se pot deduce concentraţiile ionilor care participă la reacţiile

de precipitare. Deci ecuaţia produsului solubilităţii devine:

5 5 101,73 10 1,73 10 3 10Ag Cl

Exemplu

Dacă se cunoaște (din tabele) pentru hidroxidul de magneziu, 129 10spK , la 25

C, se pot deduce concentraţiile ionilor care participă

la reacţiile de precipitare. Deci ecuaţia produsului solubilităţii devine:

2 22 4 4 121,31 10 2 1,31 10 9 10Mg OH

Concentraţiile molare ale ionilor Mg+2

şi OH- s-au dedus astfel:

2

22Mg OH Mg OH (Ecuaţia disocierii)

Dacă notăm concentraţia molară a ionilor Mg+2

, cu „x”, prin aplicarea

ecuaţiei produsului solubilităţii, avem:

22 2 129 10Mg OH

2 3 12(2 ) 4 9 10x x x

12 439

10 1,31 104

x


24

3.1.4. Efectul ionilor comuni

Avantajul corespondenţei solubilităţii cu legea acţiunii maselor este acela că echilibrul şi

prevederea efectului adăugării unui ion comun la o soluţie conţinând o sare puţin solubilă pot fi

tratate matematic.

Conform expresiei produsului de solubilitate, în momentul în care produsul concentraţiilor

ionilor unui electrolit puţin solubil atinge valoarea produsului de solubilitate la o temperatură dată,

soluţia devine saturată în raport cu acest electrolit.

Dacă produsul ionic este mai mic decât produsul de solubilitate, soluţia nu este saturată, iar

dacă produsul ionic este mai mare decât PS, soluţia devine suprasaturată şi o parte din substanţa

dizolvată va trebui să se depună sub formă de precipitat.

Prin creşterea concentraţiei ionilor electrolitului, vom mări viteza de depunere a ionilor la

suprafaţa fazei solide. Când produsul ionic atinge valoarea Ks, cele două viteze sunt egale. Dacă

produsul ionic creşte mai mult şi depăşeşte valoarea Ks, procesul de depunere depăşeşete procesul de

dizolvare şi are loc precipitarea substanţei din soluţie. Astfel, pentru AgCl,

- în soluţie nesaturată: sAg Cl K

- în soluţie saturată: sAg Cl K

- şi în soluţie suprasaturată: sAg Cl K

Se înţelege uşor din cele prezentate că putem satura sau chiar suprasatura soluţia unui electrolit

oarecare adăugându-i un electrolit cu ion comun.

Dacă vom adăuga mici cantităţi de HCl sau KCl unei soluţii nesaturate de AgCl, produsul

ionic care la început era mai mic decât Ks atinge progresiv această valoare şi apoi o chiar depăşeşte.

Astfel, solubilitatea precipitatelor scade când introducem în soluţia lor electroliţi tari cu ioni

comuni.

Dacă precipităm cationul B+ cu anionul A

- în exces:

B+ + A

-(exces) AB + Aex

concentraţiile [B+] = S şi [A

-] = S + cex unde cex este excesul de A

-.

Înlocuind concentraţiile în produsul de solubilitate obţinem:

s exK A B S S c

Dacă solubilitatea este scăzută vom putea considera S + cex cex. Prin urmare, expresia

devine Ks = S cex, care ne permite să calculăm fie solubilitatea, fie excesul de reactiv necesar pentru

precipitarea cantitativă (completă) a unui ion dat.

Important

Două corolare ale principiului produsului solubilităţii fac posibilă

înţelegerea fenomenului precipitării şi soluţiei precipitaţilor:

1) Într-o soluţie nesaturată produsul concentraţiilor molare a ionilor

este inferior constantei produsului solubilităţii: spA B K ;

2) Într-o soluţie suprasaturată produsul concentraţiilor molare a

ionilor este superior constantei produsului solubilităţii:

spA B K .


25

s

ex

KS

c sau s

ex

Kc

S

Efectul ionului comun este cu atât mai mare, cu cât solubilitatea unui precipitat este mai

scăzută.

Exemplu

De exemplu, în cazul BaSO4:

2 2 10

4 1,2 10spK Ba SO

2 2 10 5

4 1,2 10 1,1 10 /S Ba SO moli l

Dacă se adaugă un exces de 10 ml H2SO4 0,1 M (adică 10-3

moli/l)

concentraţia ionului Ba+2

(solubilitatea) va scădea de 100 de ori:

102 7

5 3

1,2 101,2 10

1,1 10 10

s

ex

KBa

S c

Exemplu

Constanta produsului solubilităţii sulfatului de bariu (BaSO4), la

20C este 101,2 10spK

Prin dizolvarea BaSO4 în apă are loc disocierea conform ecuaţiei:

2

4

2

4

SOBaBaSO

2 2 10

4 1,2 10Ba SO

2 2 10 5

4 1,2 10 1,1 10 /Ba SO moli l

Ecuaţia produsului solubilităţii este, deci:

5 5 101,1 10 1,1 10 1,2 10

Dacă se măreşte concentraţia în Ba+2

prin adăugarea unei alte sări,

de exemplu, clorura de bariu (BaCl2), concentraţia în sulfaţi va descreşte,

iar cantitatea de precipitat va descreşte astfel încât produsul solubilităţii

sa rămână acelaşi.

4

2

4

2

BaSO

SOBaconstant

Presupunem că în soluţia de 4BaSO se adaugă 510 10 /mol l de

2BaCl . Aceasta va conduce la formarea unei cantităţi suplimentare „x”

moli de precipitat de 4BaSO . Vor avea loc următoarele schimbări în

concentraţiile molare de bariu 2Ba şi sulfaţi 2

4SO :

2Ba + 2

4SO 4BaSO


26

Efectul ionilor comuni, expus prin exemplul de mai sus, este folosit pe scară largă în practica

ingineriei mediului, inclusiv în aplicarea diverselor metode calitative şi cantitative de analize, în

vederea precipitării complete a ionilor pentru care se doreşte să treacă din soluţie în faza solidă.

3.1.5. Moduri de dirijare a echilibrului chimic

Inginerii care lucrează în domeniul protecţiei mediului în activitatea lor de rutină au de-a face

cu materiale care sunt în echilibru omogen sau eterogen. La fel ca specialiştii implicaţi în analizele

de laborator, ei trebuie să fie capabili să aplice în sistemele lor metodele care au legătură cu

principiul lui Le Chatelier pentru a obţine schimbările dorite în reacţiile care se desfăşoară între

substanţele pe care le folosesc. Prin urmare este important să cunoască modul de dirijare a

echilibrului reacţiilor, astfel încât acestea să se desfăşoare în direcţia dorită.

Pentru aceasta se folosesc cinci metode:

1) Formarea substanţelor insolubile – metode care folosesc principiul produsului solubilităţii

prezentat anterior;

2) Formarea compuşilor care ionizează slab – care se bazează pe faptul că în unele sisteme

aflate în echilibru, prin dozarea unui reactiv furnizează anumiţi ioni care se combină cu ionii

existenţi şi formează molecule care ionizează slab.

5 51,1 10 10 10 x 51,1 10 x x

După principiul produsului solubilităţii rezultă:

5 5 1011,1 10 1,1 10 1,2 10spx x K

Rezolvând ecuaţia, rezultă 50,98 10 /x mol l – precipitat de

4BaSO care rezultă suplimentar, iar noul echilibru al concentraţiilor de 2Ba şi 2

4

SO este:

2 5 5 511,1 10 0,98 10 10,1 10Ba mol l

2 5 5 5

4 1,1 10 0,98 10 0,12 10SO mol l

Deci concentraţia molară a sulfaţilor, 2

4SO , este redusă

considerabil.

Exemplu

1. Neutralizarea apelor uzate acide sau alcaline care conduce la

formarea moleculelor de apă care ionizează slab;

2Na OH H Cl H O Na Cl

2. Dizolvarea precipitaţilor rezultaţi din hidroliza metalelor:

3

233 3Fe OH H Fe H O


27

3) Formarea ionilor complecşi

Acest fenomen se foloseşte pentru dizolvarea sărurilor insolubile şi a hidroxizilor.

4) Formarea produşilor gazoşi

Aceasta metodă serveşte în tehnica analizelor pentru forţarea reacţiilor spre completare atunci

când se dizolvă sulfuri metalice, cum ar fi sulfura feroasă, în acid clorhidric:

2

22FeS H H S Fe

Reacţiile în care se formează produşi gazoşi, în general, merg spre finalizare, deoarece gazul separă,

prin degajare, sfera reacţiei.

Aceasta metodă serveşte în epurarea apelor industriale la îndepărtarea cianurilor prin dozarea

acidului sulfuric:

2 2

4 42 2 2CN H SO HCN SO

Acidul cianhidric se degajă, ca gaz, în aer şi se dispersează prin coşurile de ventilaţie, ceea ce

implica probleme serioase de impact asupra mediului, daca nu se iau măsurile adecvate.

5) Oxidarea şi reducerea

Este o metodă sigură de dirijare a reacţiilor spre finalizare. În acest mod, unul sau mai mulţi

ioni implicaţi în reacţie, pot fi distruşi, iar reacţia poate să se desfăşoare spre finalizare. Un exemplu

tipic pentru practica inginereasca din domeniul mediului este oxidarea cianurilor prin dozarea

clorului:

2 2 22 5 8 10 2 4CN Cl OH Cl CO N H O

Reacţia prezentată se va desfăşura, spre completare, ca urmare a două metode:

a) oxidarea cianurilor cu formare de CO2 şi N2;

b) degajarea azotului, ca gaz.

3

233 3Al OH H Al H O

Exemplu

Clorura de argint se dizolvă în soluţie de hidroxid de amoniu. Ionii de

argint se combină cu amoniacul molecular conţinut în hidroxidul de

amoniu:

3 3 2Ag NH Ag NH

ca rezultat, soluţia devine nesaturată, în ceea ce priveşte ionii de argint şi

cloruri şi precipitatul de clorură de argint trece în soluţie în tendinţa de a

forma soluţia saturată.


28

3.1.6. Alte metode calitative

Proprietatea că oxizii şi hidroxizii metalici se dizolvă în acizi şi nu în baze şi că oxizii

nemetalici se dizolvă în baze şi nu în acizi poate servi ca bază în identificarea acestor substanţe. Prin

urmare, oxizii şi hidroxizii metalici au caracter bazic, iar oxizii nemetalici au caracter acid.

Hidroxizii de aluminiu, zinc, crom şi alte câteva elemente sunt solubili atât în acizi, cât şi în

baze. Aceste substanţe sunt denumite hidroxizi „amfoterici”. Astfel de proprietate este un avantaj în

aplicarea unor metode de separare din analizele calitative.

Proprietăţile amfoterice ale hidroxidului de aluminiu sunt factori limitativi în folosirea pentru

procesul de coagulare aplicat în tratarea apelor de alimentare şi a apelor uzate industriale.

Proprietăţile amfoterice ale hidroxizilor de zinc şi crom sunt important de considerat în tratarea

apelor uzate industriale conţinând Zn+2

şi Cr+3

.

În analizele calitative, ca şi în cele cantitative ale apei au apărut tendinţe de modernizare prin

folosirea de aparatură de măsură şi de automatizare.

Experiment 1

Identificarea a patru anioni

Se introduc 4 soluţii de Na2S, Na2SO3, K2CO3 şi MgSO4 în pahare

Berzelius neetichetate. Aceşti anioni se vor identifica prin testele de

tratare cu acid.

Anionul Gazul emis

la tratarea

cu acid

puternic

Mirosul

caracteristic

de gaz degajat

Confirmarea

Hârtie de

acetat de

plumb

Decolorarea cu

soluţii I2

Precipitare

cu soluţie de

Ca(OH)2

S-2

H2S + PbS S-2

S

-

SO3-2

SO2 + - SO3-2

SO4-2

CaSO4

CO3-2

CO2 - - - CaCO3

SO4-2

- - - - CaSO4

Experiment 2

Identificarea unor substanţe prin radiaţiile luminoase emise la

ardere în flacără

Compuşii volatili produc o emisie de lumină caracteristică la

temperaturi înalte. Încălzirea la temperaturi de 1600 – 1800°C, la flăcări

„neluminoase”, a unor cantităţi reduse de soluţii de clorură de sodiu

(NaCl), clorură de potasiu (KCl), clorură de calciu (CaCl2), clorură de

bariu (BaCl2) şi clorură de stronţiu (SrCl2) va demonstra emisii de radiaţii

luminoase de diferite culori. Prin introducerea unei anse din platină

înmuiată în soluţiile concentrate ale substanţelor menţionate se vor

observa diferenţele de culoare în flacără. Fenomenele observate constituie

baza analizelor de flamfotometrie.


29

Experiment 3

Efectul ionilor complecşi

Îndepărtarea cationilor prin formarea de complecşi chimici.

În principal, ionii metalelor reacţionează cu ionii de amoniu pentru

a forma aşa-numiţii ioni complecşi care sunt foarte stabili, de ex.

22

3 3 44Ni NH Ni NH

NH3 se poate alimenta sub forma soluţiei de NH4OH în care există

echilibrul reacţiilor:

3 2 4 4NH H O NH OH NH OH

Adăugând 5 ml de soluţie NH4OH, picătură cu picătură în timpul

amestecării în trei eprubete conţinând soluţie de FeSO4, CaSO4 şi NiSO4

se poate observa schimbarea la culoare a soluţiilor din fiecare eprubetă.

Rezumat

Metodele calitative de investigare se bazează aproape în

exclusivitate pe senzitivităţile fiziologice ale cercetătorilor și anume:

vizuală, olfactivă, gustativă, somestezia și auditivă.

O categorie aparte a metodelor calitative de investigare a factorilor

de mediu o constituie determinarea prezenţei unor poluanţi în mediu prin

senzori biologici.

Un avantaj important al metodelor calitative de investigare a

factorilor de mediu este rapiditatea constatării prezenţei poluării.

Legea acțiunii maselor: orice modificare de concentraţie a unuia

din componenţii reacţiei va produce modificări ale concentraţiilor

celorlalţi reactanţi.

Principiului lui Le Chatelier: o reacţie, la echilibru, se

autoreglează astfel încât să contracareze orice acţiune care tinde să

producă dezechilibrarea.

Principiul produsului solubilităţii: echilibrul care există între

cristalele unui compus în stare solidă şi ionii acestuia în soluţie

corespunde legii acţiunii maselor.

Avantajul corespondenţei solubilităţii cu legea acţiunii maselor este

acela că echilibrul şi prevederea efectului adăugării unui ion comun la

o soluţie conţinând o sare puţin solubilă pot fi tratate matematic.

Moduri de dirijare a echilibrului chimic:

1) Formarea substanţelor insolubile;

2) Formarea compuşilor care ionizează slab;

3) Formarea ionilor complecşi;

4) Formarea produşilor gazoşi;

5) Oxidarea şi reducerea.


30

Bibliografie

1. ALEXEYEV, V. N., Qualitative Chemical Semimicroanalysis,

Mir Publisher, Moscow, 1975 2. MĂNESCU, S., CUCU, M., şi alţii, Chimia sanitară a mediului,

Editura Medicală, 1994 3. MĂRIUCĂ, A., Aspecte privind utilizarea bioindicatorilor în

supravegherea ecosistemelor, Bucovina Foresieră XI, 1, 2003

Test de

autoevaluare

TEST DE AUTOEVALUARE Nr. 4

1. Enumerați senzitivitățile fiziologice:

a) ................................

b) ................................

c) ................................

d) ................................

e) ................................

2. Senzorii biologici sunt o categorie aparte a metodelor calitative

ce determină prezența unor poluanți în mediu.

□ adevărat □ fals

3. Într-o soluție nesaturată, cum este produsul concentraţiilor

molare a ionilor față de constanta produsului solubilităţii:

a) spA B K ;

b) spA B K ;

c) spA B K .

4. În reacția DCBA , dacă crește concentrația reactanților

A sau B va conduce la deplasarea reacției spre.......................

Răspunsuri

corecte

RĂSPUNSURI TEST Nr. 4

1. Vizuală, olfactivă, gustativă, somestezia, auditivă.

2. Adevărat.

3. a.

4. Stânga.

Metode de investigare a factorilor de mediu

Documents

Transcript of Metode de investigare a factorilor de mediu