МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.АЛЬ- ФАРАБИ
Химический факультет
Кафердра неорганической химии
Выпускная работа
ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ФОСФАТОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ.
Исполнитель
студент 4 курса : Калинина А.В.
Научный руководитель:
д.х.н., профессор
«___» июня 2010г. Куанышева Г.С.
Нормоконтролер: Рыскалиева Р.Г.
Допущена к защите «___» июня 2010г.
Зав.кафедрой неорганической химии
д.х.н., профессор Абрамова Г.В.
Алматы 2010г
Р Е Ф Е Р А Т
Выпускная работа состоит из введения, трех разделов , выводов , списка использованных источников, состоящего из 40 наименований. Работа изложена на ___ страниц машинописного текста, включает __ рисунков и ___ таблиц.
Перечень ключевых слов: дифосфаты, сорбция, ионный обмен, комплексообразование ...
Работа посвящена проблеме изучения и исследования полимерных фосфатов в качестве новых неорганических сорбентов и обнаружению факторов влиящих на их сорбционные свойства. Также поставлена задача установления механизма протекающего процесса.
Во время проведения работы использованы следующие аналитические методы: фотоколометрический метод, рентгенофазовый и ИК-спектроскопический и химический анализ.
Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1. Краткие сведения о конденсированных фосфатах. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2. Общие сведения о неорганических ионитах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.Селективные и комплексообразующие иониты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4. Основные характеристики ионообменников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5. Ионообменные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1. Характеристика исходных веществ. Методика химических и физико-химических методов исследования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2. Синтез дифосфатов Со, Ni и Fe и их характеристика. . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3. Идентификация синтезированных фосфатов Со,Ni и Fe и определение
их свойств. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4. Исследование сорбицонных свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2.5. Химизм ионного процесса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3. ВЫВОДЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Введение
Казахстан занимает ведущее место в стране по запасам фосфоритов. Фосфатное сырье республики – один из главных источников фосфора для производства фосфорных удобрений кормовых фосфатов, фосфорно-кислых солей, моющих средств и других ценных продуктов, применяемых в сельском хозяйстве технике, биологии, медицине и т.п.
Исследование адсорбции, комплексообразования и ионного обмена в растворах фосфатов позволяет изучать химизм превращений фосфорных удобрений в почве и изыскивать пути повышения их эффективности. Работы в области химии и технологии фосфатов различного назначения ведутся также в Казахском Национальном университете им. аль-Фараби на кафедре неорганической химии. Это прежде всего создание технологии удобрений на базе актюбинских фосфоритов совместная переработка фосфатного и калийного сырья с получением продуктов типа ренанита и полифосфатов.
В последние годы неорганические ионообменные материалы привлекают все большее внимание, главным образом вследствие их способности удовлетворять ряду требований, предъявляемых современной техникой; к ним относятся, в частности, устойчивость при повышенных температурах и достаточно интенсивном радиоактивном излучении. Как известно, существующие многочисленные органические ионообменные смолы, применение которых хорошо разработано, неустойчивы в указанных условиях.
Существует огромное множество неорганических веществ, которые, как кажется с первого взгляда, могли бы выполнять функции ионообменников в определенных экстремальных условиях. К ним относится прежде всего многочисленные природные минералы с силикатным скелетом. Включающие в свой состав наряду с такими типичными для них катионами, как алюминий, кальций, железо, магний и т.д., катионы щелочных металлов, чаще всего натрия, и калия, наиболее способные к ионному обмену. Не меньшее значение имеют силикаты, в которых способные к обмену ионы водорода находятся в форме гидроксильных групп или анионов.
Вопросы сорбции тяжелых металлов неорганическими сорбентами представляют самостоятельный интерес. Большое разнообразие сфер применение этого явления делает актуальным всестороннее изучение кинетики сорбции ионов с осадками различного типа. Среди многочисленных труднорастворимых соединений-сорбентов внимание исследователей постоянно привлекают фосфаты металлов, поскольку они обладают большей емкостью и избирательностью по отношению ко многим ионам. Сведения по сорбции ионов марганца (II) дифосфатами железа, цинка и кобальта в литературе весьма ограничены.Поэтому целью настоящей работы является восполнение этих данных: осуществить синтез дифосфатов Со, Zn, Ni, и Fe2+изучить их ионообменную емкость.
1. Литературный обзор.
1.1. Краткие сведения о конденсированных фосфатах.
Конденсированные фосфаты издавна были объектом многих исследований. Эти соединения многочисленны и существуют в виде специфических кристаллических солей и в виде аморфных стекол, последние являются смесью веществ. Все разновидности образованы в результате неоднократной конденсации тетраэдрических групп РО4, которые через общие атомы кислорода могут иметь общие вершины с подобными же тетраэдрами.
О- О-
||
-О – Р – О – Р – О-
| |
О О
Простейшим представителем конденсированных фосфатов является дифосфат (пирофосфат-) анион, который образуется при конденсации двух ортофосфатных анионов. Одним из наиболее простых способов получения полимеризованных фосфатов является процесс поликонденсации. Это процесс состоит в усложнении фосфорных анионов за счет межмолекулярного выделения воды согласно по схеме:
О- О- О- О-
| | | |
-О – Р – ОН + НО – Р – О- → О – Р – О – Р – О- +Н2О
| | | |
О- О- О- О-
В этом процессе теряются два отрицательных заряда и образуется новый анион и образуется новый анион Р2О74-. Тетраэдры РО4 в конденсированных фосфатах никогда не соединяются через общие ребро или грань, но каждый тетраэдр может иметь максимально три общие вершины с соседними тетраэдрами.
Конденсированные фосфаты разделяются на три основных типа:
1. Линейные фосфаты (полифосфаты), образующие бесконечный ряд солей, анионы которых состоят из РО4- тетраэдров, соединенных друг с другом атомами кислорода в неразветвленные цепи. Общий состав полифосфатов соответствует формуле МIn+2PnO3n+1.
2. Циклические фосфаты (метафосфаты) состава МInPnO3n, которые при n=(3,4) имеют кольцевую структуру;
3. Разветвленные фосфаты (ультрафосфаты) представляют собой комбинации колец и цепей с общей формулой аниона PnO3n+m.
Все конденсированные фосфаты можно представить в виде общей формулы МnPnO(5+R/2), где М – эквивалент катиона, R – молярное отношение оксида металла пентоксида фосфора, т.е. R = МеО/Р2О5, n – степень полимеризации. Величина R определяет вид конденсированного фосфата (линейных, циклических, разветвленных фосфатов).
Существуют несколько структурных блоков, с помощью которых можно представить структуру цепных разветвленных и кольцевых полимерных соединений. Наиболее распространенными являются:
О – М
|
– О – Р = О – концевая группа,
|
О – М
О – М
|
– О – Р – О-– срединная группа,
| |
O
О-
|
– О – Р – О-–точка разветвления.
| |
О
Вследствие трудностей разделения образующихся полимерных продуктов, каждая группа конденсированных фосфатов изучена недостаточно, хотя из практики известно, что некоторые из них, например, метафосфаты используются в качестве концентрированных удобрений.
Конденсированные фосфаты содержат атомы Р в полностью окисленном состоянии, поэтому химически они довольно устойчивы. Однако хорошо известна их гидролитическая неустойчивость и в определенных условиях все связи Р – О – Р в структуре могут быть разрушены. Конечным продуктами гидролиза являются дискретные ортофосфат – ионы, хотя ход и скорость гидролиза характерны для определенных конденсированных анионов и применяемых условий.
В зависимости от степени полимеризации n (степени конденсации, длины цепочки) полифосфаты подразделяются на низкомолекулярные фосфаты, где n<10, и высокомолекулярные (высокополимерные, длинноцепочечные), где n>50.
Фосфаты, содержащие более одного катиона, названы двойными, тройными и т.д. (в общем случае – разнокатионными), а в случае более сложного анионного состава – смешанными фосфатами.
Разнообразие состава возможных фосфатов двухвалентных металлов, характеризуемое, в частности, величиной замещенности фосфата, его гидратностью, степенью поликонденсации фосфатного аниона, природой катиона и т.д., предопределяет существенные различия в способах и конкретных условиях получения заданного фосфата. Следует отметить, что получение многих фосфатов поли валентных металлов, свободных от примеси других фосфатов, до настоящего времени в некоторых случаях химической промышленностью не реализовано. Многие фосфаты двухвалентных металлов, выпускаются химической промышленностью только квалификации «чистые» [1, 2].