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
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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;
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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.
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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 .
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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.
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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.
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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.
METODE ŞI MIJLOACE DE INVESTIGARE A POLUĂRII MEDIULUI
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.