РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРАТОВ (VI) ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Казтаев Алимжан

Токбанов Бауыржан

класс 10, АОСКТЛИОЮ, г. Актобе, Казахстан

Агишева Алмагуль Абилкаировна

научный руководитель, канд. хим. наук, старший преподаватель, Актюбинский государственный педагогический институт, Казахстан

На основе анализа литературных данных, учета недостатков существующих методов получения ферратов [5, 4] был предложен электролитический метод анодного окисления железа и уточнены рабочие параметры соответствующей установки-электролизера [2]. Целью работы было создание несложного метода получения соединений шестивалентного железа, воспроизводимого в любой промышленной и научной лаборатории.

Как свидетельствуют литературные данные [3], ферраты аммония, меди, железа крайне неустойчивы, феррат калия (VI) более устойчив, чем феррат натрия (VI). Сухой феррат калия довольно стабилен — за двое суток стояния на воздухе следов разложения не наблюдается. Растворимость феррата калия сравнительно мала, при охлаждении раствора осадок можно отделить и высушить. Феррат натрия хорошо растворим. Сухая соль гигроскопична. Выделить ее из раствора достаточно сложно. Калийную соль при сушке можно промывать спиртом. Натриевая соль в этих условиях окисляет спирт.

Таким образом, получение феррата натрия связано с определенными сложностями. С другой стороны, малая растворимость феррата калия в холодных растворах ограничивает его использование в очистных сооружениях [1, 6]. Поэтому в соответствии с целью работы продуктом электролиза нами была выбрана натриевая соль шестивалентного железа. Известно, что газообразный хлор в щелочных растворах соединения железа (III) окисляет его до соединений железа (VI) — то есть до ферратов. Поэтому для более полного окисления железа в реакционный сосуд добавлялся хлорид натрия, при электролизе которого образовывался хлор.

По предлагаемой нами методике были взяты 1 литр дистиллированной воды, 150 граммов гидроксида натрия NaOH марки чда, 2 железных электрода (анод, катод), свинцово-кислотный аккумулятор и вольт-амперметр (мультиметр). В последующих опытах в электролит добавляли хлорид натрия марки хч массой 20 грамм.

В качестве электродов служили конденсаторные, аккумуляторные, трансформаторные пластины, металлический лом.

Время электролиза варьировалось от получаса до трех часов.

Сила тока составляла 2—15 Ампер.

Плотность тока 0,2—0,4 А/см² и выше.

Качественное определение феррата (VI) натрия проводилось по наличию-отсутствию характерного фиолетового цвета раствора, по реакции вытеснения хлора из раствора концентрированной соляной кислоты, по обменной реакции с хлоридом бария.

Количественное определение выхода продукта заключалось в проведении обменной реакции 10 мл анолита с избытком 0,1 М хлорида бария, фильтровании образовавшегося темно-красного осадка феррата бария, промывании его спиртом, сушке на воронке Бюхнера водоструйным насосом и выдерживании в течении суток в вакуум-эксикаторе с последующим взвешиванием.

В процессе электролиза после подачи тока от анода начинают идти фиолетовые разводы, затем появляется устойчивое лёгкое фиолетовое окрашивание. Спустя пять минут окраска уже тёмно-фиолетовая в случае разделения анодного и катодного пространства. При этом в катодном пространстве можно наблюдать выделение пузырьков газа.

Анодный процесс: Fe⁰ + 8 OH^- - 6e^- = FeO₄^2- + 4H₂O

Катодный процесс: 2H⁺ + 2 e^- = H₂↑

Суммарно реакция выглядит так: Fe⁰+2NaOH+2H₂O→Na₂FeO₄+2H₂↑

После прекращения электролиза анолит был перелит в открытую емкость. При стоянии наблюдалось медленное выделение пузырьков газа — феррат натрия неустойчив. Идет реакция гидролиза, сопровождающаяся восстановлением железа и выделением кислорода.

4Na₂FeO₄ + 10 H₂O = 8NaOH + 4Fe(OH)₃ + 3O₂↑

При разбавлении анолита водой разложение более заметно, поскольку появляются хлопья Fe(OH)₃, фиолетовое окрашивание феррата превращается в ржавую окраску, и через 4 часа на дне посуды собирается осадок гидроксида железа (III). Разбавление щелочью стабилизирует феррат. Сухой феррат натрия выделить не удалось из-за быстрого разложения и высокой растворимости соли.

При приливании к анолиту концентрированной соляной кислоты выделяется хлор, который можно определить по резкому характерному запаху.

2Na₂FeO₄ + 16HCl = 3Cl₂ + 4NaCl + 2FeCl₃ + 8H₂O

Обменной реакцией K₂FeO₄ с хлоридом бария был получен розово-коричневатый осадок нерастворимого феррата бария. Он более устойчив и был выделен фильтрованием и последующей сушкой.

Чтобы щелочь не поглощала из воздуха СО₂ с переходом в карбонат и ускорением гидролиза, в последующем анолит содержался в колбе с притертой крышкой для ограничения доступа воздуха.

По результатам нескольких экспериментов были рассчитаны массы образовавшегося феррата натрия.

1)  m (BaFeO₄)= 0,8013 г

Na₂FeO₄ — BaFeO₄

166 г/моль — 257г/моль

Х г — 0,8013

Х= 0,5175г

m (Na₂FeO₄)_анолит= 31,05 г

2)  m (BaFeO₄)= 0,9763 г

Na₂FeO₄ - BaFeO₄

166 г/моль — 257 г/моль

Х г — 0,9763

Х= 0,6300г

m (Na₂FeO₄)_анолит= 37,8 г

3)  m (BaFeO₄)= 0,8905 г

Na₂FeO₄ - BaFeO₄

166 г/моль — 257 г/моль

Х г — 0,8905

Х= 0,5750 г

m (Na₂FeO₄)_анолит= 34,5 г

Для обменной реакции анолит брался объемом 10 мл, объем анолита всего 600 мл. Учитывая это соотношение, была рассчитана масса синтезированного феррата натрия. Результаты показывают определенную сходимость (31,05 г; 37,8 г; 34,5 г).

По закону Фарадея масса феррата натрия:

m= 0,0002867x10800x15=46,450 г

Вычисленное значение отличается от рассчитанного аналитическим методом. Это связано с неустойчивостью продукта и высокой степенью его гидролиза, кроме того могут происходить неучтенные электродные процессы.

Таким образом, полученный щелочной раствор феррата натрия не подлежит длительному хранению и должен использоваться в течение четырех часов после приготовления. Осадки феррата бария, высаженные через 1 час после приготовления, приблизительно в четыре раза меньше по массе осадков, высаженных сразу после прекращения электролиза. В результате высокой окисляющей способности уже за 1 час феррат натрия в щелочном растворе разлагается на 25 %.

В результате проведенной работы был разработан новый анодный метод получения феррата натрия. Метод характеризуется использованием недорогих реактивов, металлического лома, подручных источников тока. Планируется продолжение данной работы для получения воспроизводимых результатов, усовершенствования конструкции электролизера и последующего предложения области его применения в зависимости от запросов потенциальных пользователей.

Список литературы:

1.Армоэс П., Хенце М., Лякурянсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод // М.: Мир, 2004. — С. 20—60.

2.Казтаев А.Е., Дуйсен А.Б., Рахметова Г.Т., Агишева А.А. Перспективность получения соединений шестивалентного железа методом анодного окисления // Мат. II М-нар. интернет-конф. «Современные проблемы естественно-математического образования», Актобе, 2012. — С. 368—372.

3.Кокаровцева И.Г. Кислородные соединения железа (VI, V, IV) // Успехи химии. — 1972. — Т. 41. — С. 1978—1993.

4.Куликов Л.А., Юрченко А.Ю., Перфильев Ю.Д. Получение феррата (VI) цезия из металлического железа // Вестн. Моск.ун-та. Сер. 2 химия. — 1999. Том 40. — № 2. — С. 137—138.

5.Рылов Ю.Б., Дворецкий С.И. Разработка энергосберегающего процесса и аппаратурно-технологического оформления производства регенеративного продукта с ферратом (VI) калия // Вестник ТГТУ. 2012. Том 18. № 3. — С. 656—663.

6.Cтупин Д.Ю. Удаление Ni(II) из водных растворов в присутствии ЭДТА ферратом (VI) натрия // Журнал прикладной химии. — 2004. — № 8. — С. 1327—1330.