Понятие редкоземельных элементов. Их физические и химические свойства. Экстракция легких РЗЭ в присутствии азотной кислоты, аммиачной селитры и трибутилфосфата. Определение термодинамических констант и параметров неидеальности экстрагируемых комплексов.
Аннотация к работе
Научно-технический процесс, достигнутый за последние годы в химии во многом обязан успешному применению материалов, в основе которых лежат редкие элементы. Успешное решение проблемы охраны биосферы, снижение отрицательного влияния индустриализации на состояние природной среды и многие другие глобальные проблемы непосредственно связаны с разработкой эффективных методов анализа. Постоянно ощущается необходимость в простых по выполнению, точных, чувствительных методиках, которые позволяли бы определять компонент в сложной по составу смеси. Для решения этой проблемы ученые привлекли методы концентрирования, которые позволили в значительной степени устранить сложные ситуации. Более того, в некоторых случаях концентрирование расширило пределы применимости инструментальных методов (атомно-абсорбционной спектрометрии, хроматографии, спектрофотометрии, вольтамперометрии).Таким образом, редкоземельные элементы - это группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды, относящаяся к редким элементам. У церия, лантана, празеодима, скандия, а также, вероятно, у неодима, самария, эрбия и иттербия имеются аллотропические модификации. Необходимо отметить весьма высокие сечения захвата тепловых нейтронов у некоторых элементов: гадолиния, самария, европия. Редкоземельные металлы - хорошие восстановители ; восстанавливают многие окиси до металла (окись железа, окись марганца и др.). Лантан, церий и другие металлы уже при обычной температуре реагируют с водой и кислотами - не окислителями, выделяя водород.Энергии электронных уровней 5d и 4f близки, однако 5d-электроны имеются только у четырех элементов - лантана, церия, гадолиния и лютеция. У ионизированных атомов f-электроны связаны с ядром более прочно, чем d-электроны. По этой причине трижды ионизированные атомы РЗМ имеют только 4f-электроны, а 5d и 6s электроны удаляются.[2] У цезия и бария - элементов, предшествующих лантану, электроны заполняют внешний 6s уровень, в то время как слои 4f, 5d и 5f остаются незаполненными. Степень окисления 3 лантана обусловлена участием в валентных связях двух 6s-электронов и одного 5d-электрона.Использование РЗМ в металлургии основано на их высоком химическом сродстве к кислороду, сере, азоту и водороду, примеси которых ухудшают свойства сталей, сплавов и цветных металлов. При взаимодействии РЗМ с этими элементами происходит очистка расплава за счет образования прочных тугоплавких соединений, что вызывает в свою очередь резкое повышение механических свойств легируемых металлов у сплавов. Успешному применению РЗМ в металлургии способствуют также невысокое давление насыщенного пара при температуре плавления чугунов и сталей, высокие температуры кипения и плотность, близкая к плотности железа. Таким образом, РЗМ в настоящее время широко используют для получения высокопрочных чугунов, улучшения свойств низколегированных, коррозионностойких и других сортов сталей, увеличения жаропрочности магниевых и алюминиевых сплавов, а также для повышения свойств целого ряда других металлов и сплавов. Широкое применение РЗМ в стекольной и керамической отраслях промышленности основано на целом комплексе физико-химических свойств этих элементов и их соединений, прежде всего большой термической прочности, твердости и высокой температуре плавления оксидов РЗМ, окислительных свойствах некоторых из них, например, диоксида церия, высокой абсорбционной способности в разных частях спектра.Экстракционные методы широко применяют как для получения редкоземельных элементов (РЗЭ), так и для выделения индивидуальных элементов. В качестве экстрагентов обычно используют фосфорорганические соединения или карбоновые кислоты. ТБФ широко используют для экстракции. Редкоземельные элементы, обладающие переменной валентностью, например Ce4 , могут быть отделены от остальной массы РЗЭ с очень большими факторами разделения. Экстракция нитратов редкоземельных металлов(III) (РЗМ(III)) ТБФ или другими нейтральными фосфорорганическими соединениями (НФОС) широко используется в технологии разделения и тонкой очистки РЗМ.Трибутилфосфат (три - н - бутиловый эфир ортофосфорной кислоты, (C4H9O)3P=O) в настоящее время имеет очень широкое применение для экстракционного разделения элементов. Исключительная склонность ТБФ к сольватации - результат его высокой донорной способности, связанной с наличием фосфорильной группы Р = О, в состав которой входит основной атом кислорода, отличающийся хорошей стерической доступностью. Такое широкое применение трибутилфосфата обусловлено рядом ценных качеств, среди которых, в первую очередь, следует назвать весьма высокие коэффициенты распределения, позволяющие в подавляющем большинстве случаев достигнуть практически полного извлечения за одну экстракцию. Так, например, при экстрагировании урана из 2 М раствора азотной кислоты, содержащего 5 мг урана в 1 мл, коэффициент распределения составляет 33, а в присутствии нитрата натрия (66 г в 100 мл) он повышается до 1800. Кроме того, трибутилфосфат обладает чрезвычайно малой растворимостью в в
План
Содержание
Реферат
Введение
1. Аналитический обзор
1.1 Определение понятия редкоземельных элементов. Их физические и химические свойства
3.1.3 Определение плотности и концентрации раствора суммы РЗЭ
3.2 Проведение экстракции и реэкстракции
3.3 Результаты и их обсуждение
3.3.1 Серия 1 с концентрацией суммы РЗЭ в водной фазе 0,0195 - 1,93 М и концентрацией аммиачной селитры 8,08 - 0 М
3.3.2 Серия 2 с концентрацией суммы РЗЭ в водной фазе 0,030 - 2,52 М и концентрацией аммиачной селитры 5,75 - 0 М
3.3.3 Серия 3 с концентрацией суммы РЗЭ в водной фазе 0,010 - 1,61 М и концентрацией аммиачной селитры 5,79 - 0 М
3.3.4 Серия 4 с концентрацией суммы РЗЭ в водной фазе 0,0542 - 2,52 М и концентрацией аммиачной селитры 2,29 - 0 М
3.3.5 База данных по совместной экстракции РЗЭ в системе H2O - HNO3 - NH4NO3 - Ln(NO3)3 - ТБФ 100%
Заключение и выводы
Список использованных источников
Приложения
Введение
Научно-технический процесс, достигнутый за последние годы в химии во многом обязан успешному применению материалов, в основе которых лежат редкие элементы. Они играют огромную роль в металлургии, машиностроении, атомной промышленности, авиастроении и других отраслях промышленности. РЗЭ обладают многими уникальными свойствами, отличающими их от других металлов.
Успешное решение проблемы охраны биосферы, снижение отрицательного влияния индустриализации на состояние природной среды и многие другие глобальные проблемы непосредственно связаны с разработкой эффективных методов анализа. Состояние методов избирательного определения металлов не всегда удовлетворяет требованиям к нижним границам определяемых содержаний. Постоянно ощущается необходимость в простых по выполнению, точных, чувствительных методиках, которые позволяли бы определять компонент в сложной по составу смеси. Для решения этой проблемы ученые привлекли методы концентрирования, которые позволили в значительной степени устранить сложные ситуации. Более того, в некоторых случаях концентрирование расширило пределы применимости инструментальных методов (атомно-абсорбционной спектрометрии, хроматографии, спектрофотометрии, вольтамперометрии).
Одним из перспективных методов разделения и концентрирования является экстракция.
Экстракция - это процесс распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями. Одним из них обычно является вода, вторым - органический растворитель. Будучи гетерогенным процессом, экстракция подчиняется правилу фаз Гиббса. Выполнение экстракционного разделения и концентрирования обычно не требует сложного и дорогостоящего оборудования, однако, это сложный физико-химический процесс.
Теория экстракции находится на стыке различных разделов химии: химической термодинамики, теории растворов, химической кинетики, органической химии и координационной химии. Для описания экстракционных процессов необходимо также использовать теорию массопереноса. Задача экстракции состоит в том, чтобы полно и селективно перевести компонент из водной фазы в органическую. Для этого необходимо подобрать условия образования подходящих соединений (например, комплексов металлов), в виде которых компонент может находиться в органической фазе.[1]
Современные экстракционные методы достаточно универсальны. Трудно найти типы соединений, которые нельзя было бы экстрагировать. С помощью экстракции можно разделять многокомпонентные системы, причем эффективнее и быстрее, чем это достигается другими методами. Экстракционные методы пригодны для абсолютного и относительного концентрирования, извлечения в экстракт микроэлементов или матрицы, индивидуального и группового выделения элементов.
Приведенные в настоящей работе экспериментальные данные, физико-химические и математические модели, параметры фазовых экстракционных равновесий могут быть использованы при разработке новых технологий экстракционного разделения и очистки РЗМ, а также представляют собой справочный материал.