Реферат: Исследование электрохимического поведения ионов самария в хлоридных и хлоридно-фторидных расплавах

i = nFAC0*     Dkf                                                    ( 22 )

в котором показатели предельного тока, как и в уравнении ( 19 ), для больших значений kf/a не зависят от скорости развертки потенциала.

Метод единичной развертки.

Поскольку уравнение ( 24 ) есть интегральное уравнение Абеля, оно может быть решено способом, подобным решению уравнения для случая обратимого переноса заряда (уравнение ( 23 ) ).

             L(0)      1   at    1        dL(at)

((at) = (( + (  ( ((( [ (((]at=Z dZ                   ( 23 )

             (  at     (   0   at-Z       d(at)

     at    X(Z)dZ                     at    e-(kf/a)(at-Z)((Z)dZ

1 - ( ((((( = eSa((at)  ( (((((((((        ( 24 )

     0        at-Z                        0               at-Z

Это приближение применили Сейвент и Вианелло [ 52 ]. Расчеты, выполненные численным методом, точно совпадают с результатами Сейвента и Вианелло (в катодной части развертки); типичные кривые приведены на рис.  3.1. Однако значения ((at), представленные Сейвентом и Вианелло, не перекрывают восходящую часть и пик стационарной электродной полярограммы.

Функция катодного тока ((at) может быть соотнесена с кинетическим параметром kf/a сравнением экспериментальных и теоретических полярограмм. Однако более подходящим вероятно было бы применить рабочую кривую, на которой отношение величины каталитического тока пика к величине обратимого тока пика является функцией (kf/a)1/2 (рис. 3.2). Для значений kf/a, больших 1,0, зависимость является линейной, которая определяется степенью применимости уравнений ( 21 ) и ( 22 ). Для значений kf/a, меньших 0,06, пик соотношения ik/id довольно незаметно преобразуется в kf/a. Метод кажется очень подходящим, но для точной работы с малыми значениями kf/a требуется большая шкала оси абсцисс.

Варьирование потенциала пика с изменением скорости развертки потенциала также может быть использовано для получения кинетических данных. Для малых значений kf/a потенциал пика не зависит от kf/a и является постоянным: на 28,5/n мВ отрицательнее Е1/2 для случая обратимого переноса заряда. По мере роста kf/a потенциал пика становится отрицательнее Е1/2 на 60/n мВ (для десятикратного увеличения kf/a), но одновременно пик становится более резким и для значений kf/a, больших 1,0, пик не наблюдается. Таким образом, более полезно соотносить потенциалы полупика с kf/a (по предложению Сейвента [ 53 ] ), поскольку эта корреляция может быть расширена в область, где пик не наблюдается. Согласно уравнению ( 21 ), когда kf/a больше 10, потенциал, при котором ток равен половине предельного тока (потенциал полупика), не зависит от изменения kf/a и равен полярографическому потенциалу полуволны. Для промежуточных значений kf/a полярографические кривые приведены на рис. 3.3.

Метод циклической треугольной волны.

При условии выключения потенциал выбран по крайней мере на 35/n мВ отрицательнее потенциала пика, анодная кривая (по мере поляризации катодной кривой) и катодная кривая не зависят от выключения потенциала и kf/a.

Соотношение катодного тока пика с анодным имеет много общего со случаем обратимого переноса заряда. При больших значениях kf/a - более чем 1,0 - когда не наблюдается катодного пика, анодные пики также не наблюдаются, и на анодной развертке ток просто возвращается к нулю при потенциалах, соответствующих шагу катодной волны.

Поскольку анодная часть развертки точно повторяет другие параметры катодной части, никакой дополнительной количественной кинетической информации получить нельзя.

2. Каталитические реакции с необратимым переносом заряда.

Для каталитических систем, в которых и реакция переноса заряда и химическая реакция необратимы

                                                          k

                                           Ox + ne ( Red

                                                          kf                 ( 25 )

                                           Red + Z ( Ox

теория стационарной электродной полярографии не рассмотрена и предварительно. Качественно предполагается, что полярограммы должны быть сходны со случаем каталитической реакции с обратимым переносом заряда, кроме того, что кривые более низкие и простираются далее по оси потенциала. В дополнение на экспериментальной циклической триангулирующей волне анодный ток не наблюдается.

Как и ранее, можно рассмотреть два предельных случая. Для малых значений kf/b уравнение ( 26 ) преобразуется:

            1  (                           j-1   

((bt) = ( (   (-1)j+1 [ (  ()j/   (  (kf/b)+i ] x

             (   j=1                        i=1

                j(naF                      RT           (Db 

x exp [ - ((( ( E - E0 + ((( ln ((() ]                                       ( 26 )

                 RT                       (naF            ks

            1   (

((bt) = (  (   (-1)j+1 (  ( )j  kf/b x

             (    j=1

                j(naF                     RT            (Db         RT             kf 

x exp [ - ((( (E - E0 + ((( ln  ((( + ((( ln   (() ]       ( 27 )            

                 RT                      (naF             ks          (naF           (a

   и аналогично предыдущему случаю по этим условиям ток прямо пропорционален    kf  и не зависит от b.

Аналогично, неявный вид решения описывает сплошную волну, уравнение которой может быть получено преобразованием уравнения ( 27 ):

nFAC0*   Dkf  / i = 1 +

             (naF                    RT           (Db         RT             kf

+ exp [ (( ( E - E0 + ((( ln ((( + ((( ln    (( ) ]           ( 28 )

              RT                    (naF           ks           (naF           (a

Типичные кривые для отдельных значений kf/b изображены на рис. 3.4, кроме того ((bt), kf/b и потенциал полностью зависят от (na.

Для количественной характеристики кинетики данные могут быть обработаны способом, аналогичным случаю каталитической реакции с обратимым переносом заряда. В этом случае, однако, отношение величины каталитического тока к величине необратимого тока для данной системы является параметром. Рабочая кривая для этого случая приведена на рис. 3.2. В общем случае, отношение ik/id довольно незаметно преобразуется в kf/b меньше 0,06.

Варьирование потенциала полупика вместе с изменением kf/b также можно использовать для характеристики системы. Рабочая кривая для этого метода приведена на рис. 3.3.

                        рис. 3.1.                                                                        рис. 3.2.

      Стационарные электродные                                    Отношение кинетического

   полярограммы (каталитическая                               тока пика к диффузионному

           реакция с обратимым                                                           току пика;

             переносом заряда).                                                       случай 1: (= kf/a

                                                                                        случай 2: (= kf/b

                      рис. 3.3.                                                                          потенциал, мВ                                                                                                        

Изменение потенциала полупика как                                                 рис. 3.4.

   ф-ция кинетических параметров;                                    Стационарные электродные

               случай 1: (= kf/a;                                                 реакция с необратимым перено-

      шкала потенциала (Ep/2 - E1/2)                                                       сом заряда).

               случай 2: (= kf/b                                                 Шкала потенциала

      шкала потенциала (Ep/2 - E0)(na+                             (E - E0)(na+(RT/F)ln  (Db/ks

              +(RT/F)ln  (Db/ks

 3.3   Приборы и оборудование, применяемые в работе.

В наших исследованиях вольтамперные зависимости получали с помощью импульсного потенциостата ПИ-50-1. Стационарные I - (  кривые регистрировались x - y потенциометрическим двухкоординатным самописцем ЛКД 4-003.

В нашей работе использовалась печь сопротивления, нагревательным элементом которой служили стержни из карбида кремния. Вблизи силитовых стержней в корундовом чехле помещался датчик температуры (платино - платино-родиевая термопара).

Автоматическое регулирование температуры осуществлялось с помощью электронного потенциометра А 565-001-02. Для включения и выключения печи использовали бесконтактный электронный быстродействующий выключатель. Он был выполнен на основе кремниевого семистора типа ВКДУС-150. Приняв указанные  здесь меры, нам удалось достичь точности измерения температуры (1(С.

Получение и сушку солей осуществляли в кварцевой ячейке (рис. 3.5) под вакуумом либо в атмосфере аргона. Все операции взвешивания производились на аналитических весах марки ВЛР-200.

3.4  Конструкция высокотемпературной кварцевой электрохимической ячейки и электродов.

Вольтамперное исследование  электровосстановления SmCl3  в расплаве  NaСl - KCl  проводилось в высокотемпературной кварцевой ячейке, схематично представленной на рис. 3.5.

Электрохимическая ячейка состояла из кварцевого стакана (1) со штуцером (2), в верхней части которого было приклеено стальное кольцо с резьбой (3) и съемной крышки. Крышка состояла из фторопластовой втулки (4) и стальной накидной гайки (5). Герметизация ячейки достигается использованием плотно прилегающих к втулке колец из вакуумной резины (6) и фторопласта (7). Во фторопластовой втулке имеется шесть отверстий, в которых при помощи плотно подогнанных пробок из вакуумной резины (8) крепятся индикаторный электрод (9), электрод сравнения (10), токоподводы к аноду (11), термопара (12), загрузочное устройство для вводимых добавок (13).

Уровень погружения электродов в исследуемый расплав регулировался с помощью стопорного кольца (14).

Строгая фиксация электродов осуществлялась с помощью трех серпентиновых шайб (15), жестко скрепленных с фторопластовой втулкой двумя фарфоровыми трубками (16). 

В качестве индикаторного электрода применялись полностью погруженные игольчатые платиновые и серебряные электроды.

Анодом и одновременно контейнером для расплава служил стеклоуглеродный тигель. В качестве электрода сравнения использовали платиновый электрод. Платиновый электрод сравнения представлял собой платиновую проволоку диаметром 0,5 мм, опущенную в исследуемый электролит (площадь погружения в расплав 0,18 см2). Такой электрод был исследован рядом авторов [ 54-56 ] в расплавленных оксигалогенидных и галогенидных средах.

Для предотвращения разрушения фторопластовых и резиновых деталей и удобства работы верхняя часть ячейки охлаждалась водой, протекавшей через рубашку охлаждения (17).

                                                          рис. 3.5.

                             Схема высокотемпературной кварцевой

                                         электрохимической  ячейки.

1- кварцевый стакан; 2- штуцер для вакуумирования ячейки; 3- кольцо с резьбой; 4- фторопластовая втулка; 5- стальная зажимная гайка; 6- кольцо из вакуумной резины; 7-  кольцо из фторопласта; 8- пробки из вакуумной резины; 9- индикаторный электрод; 10- электрод сравнения; 11- токоподводы к аноду; 12- термопара; 13- загрузочное устройство; 14- стопорное кольцо; 15- серпентиновые шайбы; 16- фарфоровые трубки; 17- рубашка охлаждения.

3.5  Схемы вакуумной системы и системы очистки

и осушки аргона.

Для исследования расплавов, содержащих ионы РЗМ, необходимо осуществить условия, гарантирующие отсутствие кислорода и влаги. Создание таких условий создает определенные трудности. В связи с этим, нами была применена многоканальная вакуумная линия и линия для очистки аргона от следов влаги и кислорода. Основными составными частями экспериментальной установки явяляются: баллон аргона с редуктором, ротаметр, позволяющий строго дозировать расход газа, колонки с силикогелем (перед засыпкой в осушительные колонки силикогель осушивался в вакууме при температуре 250(С) и оксидом фосфора (V) для очистки аргона от влаги, кварцевые колонки с титановой губкой, вставленные в шахтную печь (отделение кислорода осуществляли при температуре 800 - 850(С) и вакуумная линия.

Вакуумная линия собрана с использованием бронзовых игольчатых вакуумных кранов и трубопроводов из нержавеющей стали и вакуумной резины.

Схема установки приведена на рис. 3.6.

                                                   рис. 3.6.                        

                  Схема вакуумной системы и системы очистки и осушки аргона.

1- источник аргона; 2,2(- редуктор;  3- ротаметр; 4,5- осушительные колонки с силикогелем и оксидом фосфора (V); 6- трубка с титановой губкой; 7- печь; 8- емкость для очищенного и осушенного аргона; 9- краны игольчатые бронзовые; 10- вакуумметр; 11- вакуумный насос.

3.6    Методы получения безводных галогенидов РЗМ.

         Методика получения безводного SmCl3  .

Получение безводных галогенидов РЗЭ, особенно хлоридов- задача непростая. Стабильность оксигалогенидов в ряду РЗЭ повышается с увеличением порядкового номера. В связи с этим особенно большие трудности возникают при получении безводных хлоридов тяжелых РЗЭ.

Трифториды Sc, Y и лантаноидов можно получить с помощью нескольких относительно простых методов и фторированием металла или карбида. Три наиболее распространенных метода, подобных по природе, таковы:

1) прямое гидрофторирование оксида  [ 57-59 ]:

                       700(C

Ln2O3 + 6HF    (   2LnF3 + 3H2O                            ( 28 )

2) реакция между оксидом и бифторидом аммония  [ 57, 58, 60, 2, 4, 1, 61 ]:

                                 300(C 

Ln2O3 + 6NH4HF2    (    2LnF3 + 6NH4F + 3H2O     ( 29 )

3) дегидратация гидрата трифторида, полученного осаждением из водного раствора [ 57-59, 62-65 ]

MeF3(xH2O ( MeF3 + xH2O                  ( 30 )

(x= 0,5(1)  (300(C в вакууме или 600(С в атмосфере HF)

При взаимодействии между трихлоридом итрия или полуторной окисью и фтором [ 66 ], образуется трифторид худшей чистоты. ClF3 даже при 800(С весьма слабо взаимодействует с оксидами лантаноидов в отсутствии влаги [ 67 ],  при наличии влаги по этой реакции можно получить трифториды от La до Sm включительно, однако даже в этих условиях оксиды более тяжелых лантаноидов (Eu2O3 - Er2O3) полностью не превращаются в трифториды, а оксиды от Tm до Lu совсем не реагируют.

Установлено [ 68 ], что Sc, Y, лантаноиды от La  до Sm включительно и Gd реагируют с безводным HF при 225(С в запаянных сосудах с образованием соответствующих трифторидов.

Оксиды или гидраты трихлоридов постоянно использовались в качестве исходных соединений для получения трихлоридов, хотя реакция между соответствующим металлом или гидридом металла и либо хлором, либо HСl,  несомненно, является наиболее удобным методом [ 69-74 ], если металл доступен и используются подходящие реакционные сосуды, например из молибдена.

Оксиды РЗЭ непосредственно превращаются в трихлориды по реакциям взаимодействия при высокой температуре с парами CCl4 [ 75-77 ], смесями CCl4 и Cl2 [ 78-80 ], монохлоридом серы [ 81,82 ], смесями монохлорида серы с Cl2 [ 79, 80, 83-85 ],HCl [ 86, 87 ], хлористым карбонилом [ 88 ], PCl5 [ 86, 89 ], NH4Cl [ 90-93 ] или хлористым тионилом [ 94, 95 ], а также смешиванием их с углеродом и нагреванием смеси [ 96-98 ]  в потоке Cl2 .

Гидраты трихлоридов лантаноидов часто использовали для получения чистых безводных трихлоридов, дегидратацию осуществляли нагреванием их в сухом  HCl [ 99-104 ], хлоре [ 102 ], хлористом карбониле [ 105 ] или менее удачно на воздухе, перегонкой с хлористым тионилом [ 106 ], или нагреванием на воздухе в смеси  с избытком NH4Cl [ 107 ] или лучше в вакууме  [ 98,  108 ].

Из упомянутых методов приготовления трихлоридов лантаноидов (исключая методы прямого соединения элементов и действия HCl на металл) дегидратация гидратов нагреванием их в  токе HCI или лучше с NH4Cl при пониженном давлении и прямое превращение оксидов нагреванием  их с NH4Cl являются наилучшими методами.  Дегидратация гидратов с применением HCl проводится обычно [ 101 ] в интервале температур 80-400(С; если используются значительные количества гидратов, то важно удалить большую часть воды при низкой температуре,  чтобы свести к минимуму образование оксихлорида.  Опубликована методика [ 109 ] превращения оксалатов La и Er в соответствующие трихлориды с помощью смеси Cl2 - CCl4 при 400-450(С.

Другие менее удачные методики заключаются в обработке сухим HCl бензоата трехвалентного лантаноида в эфире [ 110 ], хлорировании сульфида [ 111 ] или карбида [ 112 ] при высокой температуре.

Хотя многие методы, применяющиеся для получения LnCl3, приводят к образованию нечистых продуктов (если условия их получения тщательно не контролируются), тот факт, что трихлориды могут быть очищены дистилляцией, означает, что менее сложные методы такие, как нагревание смеси оксид - углерод в атмосфере Cl2 или смеси CCl4 с Cl2, можно использовать для получения сырого продукта впоследствии очищаемого вакуумной дистилляцией.

Одним из промышленных методов получения безводных хлоридов РЗЭ является обезвоживание в токе HCl при пониженном давлении ((40 мм. рт. ст.) и медленном подъеме температуры до 400(С).

Более чистый хлорид получается при обезвоживании в присутствии избытка NH4Cl в атмосфере HCl или вакууме. В ходе нагревания отгоняется NH4Cl, что препятствует образованию оксихлорида. В промышленности безводные хлориды РЗЭ получают при 190(С взаимодействием их оксидов (за исключением Pr6O11, CeO2, Tb4O7) с NH4Cl, взятом в двукратном избытке:

Ln2O3 + 6NH4Cl ( 2LnCl3 + 3H2O + 6NH3                  ( 31 )

Избыточный NH4Cl удаляют нагреванием до 300-350(С в вакууме. Выход безводного хлорида 85-95% [ 113 ].

Исходя из имеющихся в наличии реактивов и аппаратуры нами выбрана именно эта методика получения безводного SmCl3 с той разницей, что для подавления гидролиза образующейся безводной соли нами взят шестикратный избыток NH4Cl. Уравнение реакции имеет следующий вид:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5