Бор және оның қосылыстары
КІРІСПЕ
ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1Бор және оның қосылыстары
1.2 Құрамында бор қышқылы бар көп компонентті жүйелерді зерттеу
1.3Натрий бораттары және олардың қолданылуы
1.4 Жасанды бораттар
2 ЭКСПЕРИМЕНТТІК БӨЛІМ
2.1Қолданылған реактивтер мен құрылғылар сипаттамасы
2.2 Химиялық және физикалық анализ әдістері
2.3 Зерттеу нәтижелерін өңдеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1Бор және оның қосылыстары
1.2 Құрамында бор қышқылы бар көп компонентті жүйелерді зерттеу
1.3Натрий бораттары және олардың қолданылуы
1.4 Жасанды бораттар
2 ЭКСПЕРИМЕНТТІК БӨЛІМ
2.1Қолданылған реактивтер мен құрылғылар сипаттамасы
2.2 Химиялық және физикалық анализ әдістері
2.3 Зерттеу нәтижелерін өңдеу
ҚОРЫТЫНДЫ
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
Жұмыстың өзектілігі:Өзінің қоры бойынша Индер кен орны Қазақстандағы ең үлкені болып келеді, алайда бор кенінің терең орналасуы мен өндіру технологиясының тиімсіздігі кесірінен қазіргі уақытта өндірілмеуде. Сол себептен бүгінгі күні елімізде бор шикізатының қоры азаюда. Ал бор және оның қосылыстары 100 ден астам өндіріс орындарында, ауыл шаруашылығында, ғылымда, техникада, медицинада, қатты балқымалар өндірісінде, қара металлургияда легирлеуші қоспа ретінде және тағы басқа салаларда кең қолданылады. Соңғы жылдары Қазақстан Республикасының экономикасының өсуі, сонымен қатар халық санының көбеюі бор шикізатына деген сұранысты жылдан-жылға арттыруда.
1 Бетехтин А.Г. Курс минерологии. – М.: Химия, 1961. - С. 150.
2 Кунанбаева Г.С. Растворимость в многокомпонентных системах, сожержащих борную и фосфорную кислоты, бораты и фосфаты натрия: Автореф.Хим. ғыл. канд.дис,1999. - C.22.
3 Кешан А.Д.Синтез боратов в водном растворе и их исследование. –Рига. АН Латв.ССР,1955. - C.180.
4 Кашкаров О.Д., Аникина Л.Б. Вопросы добычи и переработки галургического сырья. Труды ВНИИГ. –1974.- C.791
5Ткачев К.В., Плышевский Ю.С. Технология неорганических соединений бора. – Л.: Химия, 1983. - С. 27-32.
6 Бораты и боратные системы. -Рига:Зинатне,1978.- С. 148.
7 Звиедре И.И.,Иевиньш А.Ф. Бораты и боратные системы.–Рига:Зинатне,1978. - С.48-59
8 Adams R.M. Boron, metallo-boron compounds and borates. 1964.- p. 765
9 Каражанов Н.А. Кинетика растворения боратов и других природных солей // Журнал прикладной химии.-1983. - Т.36, № 12. - С.2642-2649.
10 Курнаков А.Г.Тройные и четверные системы с борной кислотой.В сб.:Химия боратов. – Рига:АН Латв.ССР,1953. - С.45-66.
2 Кунанбаева Г.С. Растворимость в многокомпонентных системах, сожержащих борную и фосфорную кислоты, бораты и фосфаты натрия: Автореф.Хим. ғыл. канд.дис,1999. - C.22.
3 Кешан А.Д.Синтез боратов в водном растворе и их исследование. –Рига. АН Латв.ССР,1955. - C.180.
4 Кашкаров О.Д., Аникина Л.Б. Вопросы добычи и переработки галургического сырья. Труды ВНИИГ. –1974.- C.791
5Ткачев К.В., Плышевский Ю.С. Технология неорганических соединений бора. – Л.: Химия, 1983. - С. 27-32.
6 Бораты и боратные системы. -Рига:Зинатне,1978.- С. 148.
7 Звиедре И.И.,Иевиньш А.Ф. Бораты и боратные системы.–Рига:Зинатне,1978. - С.48-59
8 Adams R.M. Boron, metallo-boron compounds and borates. 1964.- p. 765
9 Каражанов Н.А. Кинетика растворения боратов и других природных солей // Журнал прикладной химии.-1983. - Т.36, № 12. - С.2642-2649.
10 Курнаков А.Г.Тройные и четверные системы с борной кислотой.В сб.:Химия боратов. – Рига:АН Латв.ССР,1953. - С.45-66.
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
n- сыну көрсеткіші
D-таралу коэфиценті
ИҚ- спектрлері-инфрақызыл спектрлері
РФА- рентгенофазалық анализ
КІРІСПЕ
Жұмыстың өзектілігі: Өзінің қоры бойынша Индер кен орны Қазақстандағы ең үлкені болып келеді, алайда бор кенінің терең орналасуы мен өндіру технологиясының тиімсіздігі кесірінен қазіргі уақытта өндірілмеуде. Сол себептен бүгінгі күні елімізде бор шикізатының қоры азаюда. Ал бор және оның қосылыстары 100 ден астам өндіріс орындарында, ауыл шаруашылығында, ғылымда, техникада, медицинада, қатты балқымалар өндірісінде, қара металлургияда легирлеуші қоспа ретінде және тағы басқа салаларда кең қолданылады. Соңғы жылдары Қазақстан Республикасының экономикасының өсуі, сонымен қатар халық санының көбеюі бор шикізатына деген сұранысты жылдан-жылға арттыруда. Осыған байланысты бор шикізатын мейлінше үнемдеп, аз уақытта бітіп қалуын болдырмау үшін органикалық қышқылдардың тұздарынан, бор қышқылының ерітіндісінен және судан тұратын жүйелерден бораттарды синтездеп алу технологиясын мейлінше жақсартып дамыту керек.
Жұмыстың мақсаты: Бор қышқылы-натрий ацетаты-су жүйесінің 50oC және 60oC температурадағы изотермиялық ерігіштігін зерттеу.
Жұмыстың міндеті:
1. Бор қышқылы және натрий ацетатының 50oC, 60оС температурадағы изотермиялық ерігіштігін зерттеу.
2. Бор қышқылы - натрий ацетаты - су жүйесінің 50oC және 60оС температурада ерігіштігін зерттеп, натрий бораттарын синтездеудің тиімді жолдарын қарастыру
3. Жаңа қосылыстың түзілу аймағы мен рН және сыну көрсеткішін анықтау
4. Натрий бораттарын жедел синтездеу әдісінің физика- химиялық негіздерін анықтау
5. Синтезделген натрий боратының технологиялық сызбасын жасау.
Зерттеу нысаны: Н3ВО3-NaCH3COO-H2O үштік жүйесі.
Практикалық маңызы
Бұл ғылыми-зерттеу жұмысының құндылығы халық шаруашылығында маңызды болып табылатын аса таза бораттарды алудың технологиялық процесін жеделдететін әдістің физика-химиялық шарттарын анықтауды және аса таза бораттарды синтездеудің шағын аз тонналы минитехнологиясын құрудың жолдарын ұсынады.
Жұмыстың ғылыми жаңалығы
Алғаш рет Н3ВО3-NaCH3COO-H2O жүйесінің 50oC температурадағы изотермиялық ерігішітігі зерттеліп, натрий пентаборатын NaB5O8.5H2O 50oC температурада синтездеудің оңтайлы шарттары анықталды және натрий пентабоартын синтездеудің технологиялық сызба-нұсқасы ұсынылды.
ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Бор және оның қосылыстары
Бордың жер қыртысындағы орташа мөлшері 4 гт. Соған қарамастан бордың 100-ге жуық минералдары белгілі. Айтарлықтай барлық минералдарында бор оттекпен байланысқан, ал фтормен қосылыстары тіптен аз болып келеді. Элемент ретінде бор табиғатта кездеспейді. Ол аз концентрацияда бораттар және боросиликаттар түрінде көптеген қосылыстардың құрамына кіреді. Ферсман бойынша жер қойнауында бор атомдық салмағы (7x10-3%) бойынша 22-ші орында және кларкты салмақ бойынша 27-ші (5x10-3%) орында. Соған сәйкес бор сирек емес элемент.
Француз физиктері Ж.Гей-Люссак және Л.Тенор 1808 жылы бор ангидридін B2O3 металдық калиймен қыздыру арқылы ең алғаш рет борды алды. Элементтің атауы бура атауына қолданылатын арабтың бурак сөзінен шыққан 1.
Жалпы бор өндірісі 1912 жылдан бастап дами бастады. Бор өндірісінің маңызды және қызықты облысында көп еңбек сіңірген кеңес заманының ғалымдары. Бор қосылыстарының оттекпен қосылыстарын алу жеңіл емес, алайда тенденция мен технологияның дамуына байланысты ол ұтымды процесс. Ең алғаш Е.Штокпен зерттелген. Ол кезең 1950 жылдардың аяғы еді. Көптеген реакциялар 300-500оС температурамен 1-5 атм қысымда жүргізіледі.
Бор перспективті материал болып саналады, әсіресе микроэлектронды өндірісте қолданылады. Бор, оның қасиеттері, таралуы мен қолданылуы 1959 жылы Асбери-Парке, 1964 жылы Парижде, 1968 жылы Варшавада халықаралық симпозиумдерде талқыланған. Көптеген жұмыстар бордың оптикалық қасиеттеріне байланысты, тек кейбір жұмыстарда ғана механикалық қасиеттер қарастырылады. 1972 жылы 9-11 қазан аралықтарында Тбилисиде борға анализ, структурасына, кристаллохимиясы мен термодинамикасына сипаттама берілді. Ол симпозиумде 70-тен астам ғылыми баяндама мен хаттар оқылып талқыланды 16.
Бордың периодтық жүйедегі орнына байланысты қасиеті, оның табиғатта кездесу түрі мен таралуын анықтауға мүмкіндік береді. Бор нағыз бейметалл, оның аниогенді элементтерге, соның ішінде ең алдымен оттек пен фторға ынтықтылығы өте жоғары. Оттек және фтор элементтерімен, бор тұрақты қосылыстар түзеді, сондықтан ол табиғатта бос күйінде кездеспейді. Көбінесе оттекті қосылыстар түрінде кездеседі 5.
Ғалымдар бордың жер қыртысындағы салмақтық кларкін 3.10-4 % - 1,3.10-2 % деп бағалайды. Литосфера қабатындағы жыныстарда бордың мөлшері 0,3.10-3 %, негізгі жыныстар мен ультрабазитте 3,5.10-3 % маңында болады. Осындай аз таралғандығына қарамастан бор ірі өнеркәсіптік кен орындарын түзген 1.
Қазіргі кезде шамамен 150-ге жуық бор минералдары белгілі. Солардың ішінде маңыздылары сассолин, кальций және магний бораттары.
Барлық бор минералдары негізгі екі класқа бөлінеді: бораттар және боросиликаттар. Бораттардағы бор комплекстүзуші катион ретінде басты роль атқарады. Көптеген бораттар Mg, Ca, Na, Sr және Mn сияқты элементтерден тұратын бірнеше катиондар тобының тұздары болып табылады. Бораттар құрамындағы су молекулаларының мөлшеріне байланысты, сусыз және сулы бораттар болып бөлінеді. Бораттардың кристалдық торынан шамамен он беске жуық бор қышқылды аниондардың құрылысы табылып, олардың жиырма екісінің полимерлену түрі есептелген 10.
Бор минералдары табиғатта әртүрлі эндогенді, экзогенді және метаморфогенді процестердің негізінде түзіледі. Осыған байланысты жер қыртысында пайда болған бор кен орындарының түрі бірнеше геологиялық кластарға бөлінеді. Олардың ішінде өнеркәсіптік маңызы ең жоғарысына жанартаулы аймақтарда түзілген бор кендері жатады. Ондай кен орындарында-улексит, пандермит, тинкал-кернит сияқты минералдар жатады. Бұл минералдар өздерінің сапасы жағынан дүние жүзі бойынша жоғары сортты минералдар болып табылады. Жанартаулы бор кен орындары -Түркия, Калифорния, Иран, Аргентина, Чили, Перу мемлекеттеріне тиісті.
Барлық бораттардың физикалық қасиеттері өзара ұқсас: олар түссіз, шынылы жылтыры бар, тығыздығы (1,7-3,0) тең. Сыну көрсеткіші 1,47 мен 1,69 арасында ауысып отырады. Ал сусыз бораттардан қаттылығы 7 ден аспайды. Көптеген бораттар түссіз немесе ақ түсті болып келеді 18.
Бор қосылыстарының бағалы және алуан түрлі физикалық және басқа қасиеттері бордың халық шаруашылығының барлық салаларында кеңінен қолданылуының негізі болады. Адамзаттың қызмет істейтін аумағында бордың қолданбайтын саласын атап айту өте қиын. Қазіргі заманда өте сирек қасиеттері бар жаңа материалдарды алуда.
Бор қосылыстарының әртүрлі өндіріс салаларындағы қолдану үлесі мынадай: шыны талшықтар мен борсиликат шынылары өндірісінде 31%, оттан қорғану құралында 8%, жуғыш тауарларда 10%, қалған бораттар эмаль, бояу, керемика, ауыл шаруашылығы өндірісінде қолданылады 15.
Соңғы жылдары біздің елімізде әртүрлі материалдардың бораттарын алу технологиясы құрылды және олардың халық шаруашылығының әртүрлі салаларында қолдану мүмкіншіліктері анықталды. Кальций, калий, мырыш, қорғасын, барий, аммоний және басқа бораттардың тұздары өндірісінің және ауыл шаруашылығының әртүрлі салаларында тексеріліп, пайдалы қасиеттері анықталды.
Еліміздің ғалымдары әртүрлі сортты шыныларды дайындауда, синтетикалық бораттарды қолдану мүмкіншілігін анықтау үшін ізденіс жұмыстарын жүргізді. Осы зерттеудің негізінде кальций боратын терезе және ыдыс шыныларын, түссіз шыны ыдыстарын, термометрлік және химлабораториялық шыныларды дайындау өндірісінде қолдануға болатындығы анықталды.
Шынының әртүрлі сорттарын алу өндірісінде калий, барий және қорғасын бораттарын қолданғанда алынатын шынылар түссіз, біртекті, оптикалық қасиеттері жоғары болатындығы анықталды.
Бораттарды қолданудың ең бір маңызды салалары болып металл бұйымдарының бетін қаптайтын тоңазытқыштар, газ плиталары, химиялық аппараттар, бура және бор қышқылы қолданылатын, эмаль өндірісі болып табылады. Эмальдың құрамындағы бораттар металдың беттік қабатын жақсы дымқылдатады, олар грунтті эмальдар үшін өте маңызды болып саналады.
Қазіргі таңда бораттардың көпшілігі ағартқыш компонент ретінде, синтетикалық жуғыш заттардың құрамына кіретін натрий пербораты өндірісінде қолданылады. Пербораттың ағыртқыш қасиеті жұмсақ келеді, сондықтан оларды синтетикалық материалдарды ақтауда қолданады.
Бордың өсімдіктер өмірінде маңызы үлкен. Мақта, қант қызылшасы, темекі және т.б.. Өсімдіктер жақсы шығуы үшін бор тұздары тыңайтқыш ретінде қолданылады. Өсімдіктер борды анион түрінде сіңіреді, сонан соң бор анионы реакцияға қатысады. Өсімдіктер борды қайта пайдалана алмайды, сондықтан олар барлық уақытта борға мұқтаж болады. Сонымен қатар бор орын ауыстыра алады. Ол тамырдан жапырақтарға, әсіресе, жас жапырақтар мен өсу нүктелеріне тез өтеді. Бор клеткаларға біркелкі бөлініп таралмаған. Ол митохондриялар мен рибосомдарда өте аз, ал ядрода, пластидтер мен қабықшада көбірек кездеседі. Бор құрамында көптеген қосылыстары бар элемент. Осыған орай бор қосылыстарына деген көптеген ғалымдардың қызығушылықтары артуда.
Қазіргі уақытта бор заттарының өндіру технологиясын әрі қарай жетілдіру, қасиеттері алдын ала белгілі жаңа бор қосылыстарын алу және олардың физико-химиялық қасиеттерін зерттеу, минитехнологиялық әдістерді қолданып, аз тонналы бораттар өндірісін ұйымдастыру, тамақ өндірісі мен медицинада қолданылатын аса таза бораттарды алу әдістерін қарастыру, құрамына бораттар бар сұйық және қатты өндіріс қалдықтарын іске қосудың пәрменді әдістерін зерттеу тәуелсіз Қазақстанның алдында тұрған негізгі міндеттерінің бірі болып табылады 19.
1.2 Құрамында бор қышқылы бар көп компонентті жүйелерді зерттеу
Су мен тұздар жүйесіндегі фазалық тепе-теңдікке жүргізілген зерттеулер қазіргі таңда өте көп, алайда бір мезгілде органикалық және бейорганикалық компонеттер бар жүйелер аз зерттелген. Мысалы, бордың аминдермен және амидтермен әрекеттесуіне жүргізілген жұмыстар көп емес 17.
К.В. Ткачев және Ю.С. Плышевский термиялық, термогравиметриялық, ИК-спектрометрлік, рентгенографиялық және химиялық анализ әдістерімен бор қышқылы мен карбамидтің қатты күйіндегі және сулы ортада қыздырған кезде әрекеттесуін зерттеген. Олар 75оC дейін қыздырған кезде бор қышқылы мен карбамид H3BO3∙2CO(NH2)2 қосылысын түзіп әрекеттесе бастайтынын байқаған. Авторлар сол қосылыстың ИК-спектрін алып, ерекшеліктерін көрсеткен. Олардың айтуы бойынша карбамид пен бор қышқылының әрекеттесуі NH2 тобы бойынша жүзеге асады 5.
2007 жылы Жаңа көміртек материалдарының технологиясы деп аталатын институттың рентгенография және микроскопия лабораториясында бор қышқылы және мочевина құймасына рентгеноструктуралық анализ жасалған. Бұл анализ бор қышқылы және мочевина құймасында бор қышқылы мен мочевинадан басқа олардың әрекеттесуінен түзілетін өнімдер болатынын көрсеткен. Құйманың рентгенограммасында тек қана бор қышқылы мен мочевинаның рефлекстері ғана емес, сонымен қатар бор қышқылының ыдырау өнімі-метабор қышқылының да (HBO2) рефлекстері байқалған 34.
Әдеби мәліметтер бойынша Индер бор кен орны ашылғаннан кейін осы минералдардың генезисін, физика-химиялық қасиеттерін анықтау мақсатында академик Н.С. Курнаковтың басқаруымен арнайы ғылыми зерттеу жұмыстары басталды. Бұл ғылыми зерттеу жұмыстар Вант-Гофф бастаған бор қышқылы негізіндегі көп компонентті жүйелерді зерттеу жұмыстарының жалғасы болды 10.
Құрамында бор қышқылы бар үш және төрт компонентті жүйелерді зерттеу, ғалымдарды екі жағынан қызықтырды:
Бірінші жағы жоғарыды айтылып өткен табиғи бор минералдарының генезисін анықтау мақсатында, құрамы Na2O-K2O-CaO-MgO-B2O3-H2O компоненттерінен тұратын жүйелерді зерттеу негізінде бор кенінің құрамына кіретін бораттарды синтездеу жолдарын табу болса; екінші жағы бор қышқылы -электролит (NaCI, KCI, CaCI2, MgСІ2, Na2SO4, MgSO4, K2SO4, Н2SO4, НСІ )-су жүйесін зерттеу болды. Мұндай жүйелердегі компоненттер арасындағы өзара ерігіштікті зерттеу, бор кендерінен бор қышқылын алу технологиясын жақсартудың тиімді жолдарын табуға мүмкіндік береді.
Алғашқы кездерде үштік жүйе компоненттерінің негізінде калиборит (К2О.4MgO.11B2O3.18H2O), колеманит (2CaO.3B2O3.5H2O), боронатрокальцит (Na2O.2CaO.3B2O3.5H2O) сияқты табиғи бораттарды синтездеу жұмыстары жүргізіліп, бораттардың өзара бір-біріне ауысу мен түзілу заңдылықтары зерттелді 25.
А.В. Николаев пен А.Г. Курнаковалардың басшылығымен Индердің табиғи бор минералдарын құрайтын Na2O-K2O-CaO-MgO-B2O3-H2O алтылық жүйесінің негізінде, үшкомпонентті СаО-В2О3-Н2О және MgO-В2О3-Н2О жүйелерінің изотермиялық ерігіштігін 25оС температурада зерттелген.
Кальцийлі жүйені осы авторларға дейін 1913 ж Сброджи зерттеген. Ол метастабильді тепе-теңдік аймағында жұмыс істеді. Ерітіндіні термостатта бірнеше күн ұстайды, ал тепе-теңдік бірнеше айлардың ішінде орнайды 26.
MgO-В2О3-Н2О жүйесінің изотермиялық ерігіштігі, осы авторлармен 25оС температурада алғаш рет зерттелген. Жүйе компоненттері Mg(OH)2, H3BO3, H2O қосылыстарынан тұрады. Бұл ерігіштік жүйеден үш жаңа қосылыс бөлінеді. Олар: индерит MgO.3В2О3.15Н2О (В2О3MgO=1,5), бура тәріздес магний дибораты MgO.2В2О3.9Н2О немесе MgB4O7[.]9H2O, қышқылдық ерітіндіден магний трибораты MgO.3В2О3.7,5Н2О. Изотермиялық ерігіштік қисығы 5 кристалдану бұтағынан тұрады. Олар: 1) магний гидроксиді Mg(OH)2; 2) индерит; 3) магний дибораты; 4) магний трибораты; 5) бор қышқылы кристалдану бұтақтары. Мұндағы ерігштік қисығының минимумы табиғи борат индеритке сәйкес келеді. Бұл жүйенің тепе-теңдік уақыты 4-5 аптада орнаған.
Жоғарыда айтылып өткен алтылық жүйелердегі калий мен натрийге қатысты К2O-В2О3-Н2О және Na2O-В2О3-Н2О үштік жүйелері, NaOH, КОН, Н3ВО3 негізінде 1907 жылы М.П.Дукельскийдің жұмыстарында зерттелінген. Бұл жүйелерден натрий пентабораты Na2O.5B2O3.10H2O және екі түрлі натрий монобораттары Na2O.B2O3.8H2O, Na2O.B2O3.4H2O түзіледі.
А.В. Николаев пен А.Г. Курнаковалар бастаған бұл жұмыстардың жалғасы бор қышқылына қатысты төрттік жүйені зерттеумен жалғасты.
Алғаш зерттелген төрттік жүйе Na2O - СаО-В2О3-Н2О. Оны құраушы негізгі компоненттер алдыңғы үштік жүйеден синтезделіп алынған натрий және кальций бораттары болды.
Зерттеу нәтижелері бойынша алынған деректерден кальций бораты және боронатрийкальцит Na2O.2СаО.5B2O3.16H2O бөлініп алынды. Авторлардың зерттеу мәліметтері бойынша натрий пентабораты мен бор қышқылының қаныққан ерітінділерінде кальций және натрий бораттарының арасында өзара әрекеттесу болмайды. Фазада кальций трибораты (СаО.3В2О3. 4Н2О), натрий пентабораты (Na2O.5B2O3.10H2O) және бор қышқылының өздері қалады.
Осылайша Na2O - СаО-В2О3-Н2О жүйесінің 25оС температурадағы ерігіштігін зерттегенде, тек бір ғана кальций-натрий боратының боронатрийкальциттің түзілетіндігі анықталды. Боронатрокальцит Индер кен ауданында ең жиі кездесетін минерал.
Сонымен қатар, А.В. Николаев, А.Г. Курнаковалардың зерттеулерімен 25оС температурада калиборатты К2O - MgО-В2О3-Н2О және индерборитті деп аталатын СаО-MgО - В2О3-Н2О жүйелері зерттелінген 25, 26.
Бұл төрттік жүйелерді меңгеру үшін зерттеушілер жоғарыда айтылғандай үштік жүйелерден калий және магний бораттарын синтездеп алды.
Олар:
1) Индерит (2MgО.3В2О3. 15Н2О);
2) магний дибораты (MgB4O7.9H2O);
3) магний трибораты (MgО.3В2О3. 7,5Н2О);
4) калий монобораты (К2O.В2О3. 2,5Н2О);
5) калий пентабораты (К2O. 5В2О3. 8Н2О).
Бастапқы заттар ретінде магний және калий бораттарымен бірге калий гидроксиді, құрышталған магний оксиді және бор қышқылы алынған.
Төрттік жүйелер құру үшін компоненттер құрамын ауыстыра отырып авторлар бірнеше тәжірибелік жүйелерді құрастырған. Олар: 1) К2O - MgО - Н3ВО3; 2) калий пентабораты-магний трибораты-су; 3) 2% КВО2 ерітіндісі - индерит; 4) КOН - Н3ВО3 - К2B4O7.6H2O - Н2О - индерит.
Зерттеу нәтижелері бойынша бұл жүйелерден калий-магнийлі бораттардың түзілмейтіндігі анықталды. Мұндай жүйелерде бор қышқылымен тепе-теңдіктің өте баяу орнайтындығы анықталған.
Сондай-ақ, осы ғалымдармен СаO - MgО-Н3ВО3-Н2О жүйесі 25оС температурада зерттелген. Мұнда да бастапқы заттар ретінде табиғи және синтетикалық бораттар, кальций, магний гидроксидтері және бор қышқылы алынды. Мұндағы тепе-теңдік уақыты жоғарыда айтылған жүйелерден де баяу орнаған. Бұл төрттік жүйеден 2СаO.MgО.6В2О3.15Н2О түріндегі диборат түзілген.
Бор қышқылы, кальций гидроксиді және магний гидроксидтерімен өзара әрекетттескенде 110 өткеннен соң табиғи борат құрамына кіретін кальций мен магнийдің қос бораты болып табылатын индерборит түзілген. Мұндай құрамдағы бұл минерал алғаш рет индерден табылған. Оның сыну көрсеткішін, құрамын анықтап сипаттама берген Г.С. Горшков болды. Шыққан жеріне байланысты бұл минералды Г.С. Горшков-индерборит деп атаған.
Индерборит ерітіндісіне кальций гидроксиді мен кальций моноборатын қосса кальцийлі борат-иньоит (2СаO.3В2О3. 15Н2О) түзіледі, керісінше индерборит ерітіндісіне магний гидроксидін қосса магний бораты-индерит 2MgО.3В2О3. 15Н2О түзіледі 7.
Бор қышқылымен қаныққан жаңа қатты фазада Н3ВО3 басқа, кальций трибораты (СаO.3В2О3. 4Н2О) және магний трибораты (MgО.3В2О3.7,5Н2О) болады. Бұл қосылыс бор қышқылының қаныққан ерітіндісімен кальций және магний гидроксидтерінің өзара әрекеттесуінен түзіледі.
Сондай-ақ, бор қышқылды көп компонентті жүйелерді зерттеу өз кезегінде Қазақстандық ғалымдардың еңбектерімен де жалғасты.
Б.Х. Хазиханова, Б.А. Бірімжанов, Р.Ф. Савич, В.Г. Калачевалардың жұмыстарында Н3ВО3-Са(СН3СН2СОО)2-Н2О жүйесі 60оС температурада зерттеліп, компоненттердің изотермиялық ерігіштігі, рН және сыну көрсеткіштері анықталған. Нәтижеде жүйеден қатты фазаға Н3ВО3, СаB6O7.6H2O, СаB6O7.5H2O, СаB4O7.6H2O және Са(СН3СН2СОО)2.H2O қосылыстары бөлінеді 13.
Осы авторлармен Н3ВО3-Са(СН3СН2СОО)2-Н2О жүйесі сондай-ақ 25, 30, 50оС температура аралықтарында зерттелінген. Ондағы зерттеу мәліметі бойынша 25оС температурада жүйе жай эвтоникалық болады, 35, 50оС температураларда изотермиялық жүйеден Н3ВО3, СаB4O7.6H2O және Са(СН3СН2СОО)2.H2O қосылыстары бөлінеді.
Сонымен қатар, Н3ВО3 - Mg(СН3СН2СОО)2 - Н2О жүйесі 25, 50оС температура аралықтарында да зерттелген. 25oС температурада жүйе жай эвтоникалық болады. Қатты фазаға бор қышқылымен бірге магний пропионаты Mg(СН3СН2СОО)2.Н2О кристалданады. 50оС температурада қатты фазаға жаңа қосылыс сегіз молекулалы суы бар магний гексабораты MgB6O10.8H2O кристалданады.
Осы авторлармен Н3ВО3-KCI-NaCI-H2O төрт компонентті жүйесі зертелді. Мұнда бор қышқылының кристалдану өрісі NaCI және KCI ерітінділерінен кристалданған қисықтармен шектеледі. 25оС температурадағы Н3ВО3+KCI және Н3ВО3+NaCI қанығу сызықтары үш компонентпен қаныққан нүктеде түйіседі: Н3ВО3 - 4,82%, NaCI -19,1%, КСІ - 11,5%. Қатты фазаның бұл нүктесінде бор қышқылы, калий хлориді, натрий хлориді болады. Температураның жоғарылауына сәйкес бор қышқылының ерігіштігінің артуынан КСІ және NaCI қосылыстарының кристалдану өрісі артады. NaCI кристалдану өрісі температураның жоғарылауынан КСІ концентрациясы жоғары аймаққа ығысады.
Н3ВО3-KCI-NaCI-H2O жүйесінің 50оС температурасында барлық үш зат қаныққан ерітіндінің құрамындағы тұнбада болады. Н3ВО3-9,11%, NaCI -19,0%, КСІ -14,6% болады. 70оС температурада қаныққан ерітндінің құрамы мынадай: Н3ВО3-13,25%, NaCI -18,30%, КСІ -17,90% .
КСІ және NaCI қоспаларынан тұратын ерітінділердегі бор қышқылының ерігіштігі осы тұздардың қатынасына тәуелді болады. Ерітіндіде тұрақты концентрациядағы КСІ мөлшері көбейген сайын бор қышқылының ергіштігі төмендейді. Дәл осы сәтте натрий хлоридінің тұрақты концентрациясындағы калий хлоридінің мөлшерінің көбеюі бор қышқылының ерігіштігіне әсер етпейді. Кейбір жағдайларда бор қышқылының ерігіштігінің жоғарылауына ерітіндіде КСІ мөлшерінің артуына сәйкес келеді. Осыдан Н3ВО3 ерігіштігіне тұздағы катион табиғаты әсер етуі мүмкін деген болжам туындайды.
Мұндай фактілер сондай-ақ, басқа жұмыстарда да көрсетілген. Бұл жұмыстың авторлары мұндай құбылысты катионның гидратталуға қабілеттілігінің әртүрлі әдістермен байланыстырады. Катионның гидратталу энергиясы неғұрлым жоғары болса, бор қышқылының қатысында оның ерігіштігі соғұрлым төмен болады 3.
Бор қышқылының 25оС температурадағы ерігіштігі 5,46% 90оС температурада 23,3 %. Тұз қосқанда бұл көрсеткіштер төмендейді. Мысалы, NaCI қаныққан ерітіндісінде 250С температурада ол 21,28% дейін азайса, 90оС температурада 19,82%-ке дейін азаяды. Яғни 1,2 есе. Осы ерітіндідіге калий хлоридін қосса, бор қышқылының ерігіштігі артып, үш компонентте те бір нүктеде жататын қатты фазада бор қышқылының ең жоғары ерігіштігі 25оС температурада 4,82%, 90оС температурада 21,12% болады. Бұл температураларда қатты фазаға жаңа қосылыс бөлінбейді.
Басқа минералдық қышқылдардың ерітіндісінде бор қышқылының ергіштігі туралы мәліметтер бор кендерін қышқылдық өңдеуде маңызы зор. Байытылған кендерді күкірт қышқылымен ыдыратуға байланысты Н3ВО3- Н2SO4-H2O жүйесі бірнеше температура арлықтарында зерттелінген.
Р.Ф. Наймушинаның жұмысы 0оС және 50оС температура аралықтарында Н3ВО3-MgSO4-H2O жүйесінің изотермиялық ерігіштігі зерттелінген. Жүйеде температура жоғарылаған сайын бор қышқылының судағы және магний сульфаты ерітіндісінің ерігіштігі артады. Изотермиялық жүйенің қатты фазасы: MgSO4.7H2O+Н3ВО3; MgSO4.6H2O+Н3ВО3; MgSO4.6H2O; MgSO4.7H2O; MgSO4.H2O; MgSO4.5H2O қосылыстарынан тұрады 22.
Қорыта айтқанда, бор қышқылы - электролит - су жүйелеріндегі компоненттердің өзара ерігіштігі, электролит катиондарының табиғатына және осы электролит ерітінділеріндегі судың активтілігіне байланысты болады. Мысалы, NaCI және КСІ ерітінділеріне Н3ВО3 қосу олардың ерітінділерінің активтілігін өзгертпейді. Ал кальций хлориді мен магний хлориді су молекуласымен, натрий хлориді мен калий хлоридімен салыстырғанда күшті байланысады. MgCI2 және CaCI2 ерітінділеріне Н3ВО3 қосу судың активтілігін бірден өзгертеді.
Әдебиеттік деректер бойынша бор қышқылының органикалық ертікіштерде жақсы еритіндігіне байланысты бор қышқылы-органикалық еріткіштер (бір және көп атомды спирттер, моно, ди-карбон қышқылдары, амидтер т.б.)-су жүйелерін зерттеу де көптеген ғалымдардың қызығушылығын туғызған. Мұндай жүйелерді зерттеу бор химиясы саласындағы едәуір қордаланған мәселелерді шешуге мүмкіндік береді. Себебі, табиғатта кездесетін бор кендерінің барлығы дерлік борға бай емес. Әсіресе Индер кен орындағы бор минералдарының көпшілігіндегі В2О3 мөлшері 20% аспайды. Сонымен қатар, бор табиғи тұздықтар мен өзен, теңіз, көл суларында болады. Ондағы бор мөлшері аса жоғары болмайды. Мысалы, Индердің тұзды көлдерінде бордың мөлшері 0,35%-ке дейін жақындайды. Бораттарды күкірт қышқылды ыдыратудан алған ерітінділерде (Алға химкомбинаты) 3%-ке дейін бор қышқылы болады. Мұндай жағдайда бор қоршаған ортаға экологиялық қауіп туғызады. Бордың артық мөлшері адам және жануарлар ағзасына зиянын тигізеді, су қоймаларындағы биохимиялық процестерге әсер етіп, өсімдіктердің өсуін тоқтатады. Яғни, осы деректерден мынадай мәселелер туындайды: кедей бораттардан, су тұздықтарынан бордың аз мөлшерін бөліп алу және бормен ластанған суларды тазарту 23.
Бордың аз мөлшерін бөліп алудың бірден-бір жолы әдебиеттік мәліметтер бойынша-экстракция әдісі. Бор қышқылын экстракциялаудың физика-химиялық заңдылықтарын зерттеу саласында Қазақстандық ғалымдар Б.А. Бірімжанов, М.Р. Танашевалар жұмыс жасаған 24.
Латвиялық ғалымдар Шварц пен оның шәкірттері бор қышқылының оксиқышқылдармен әрекеттесу заңдылықтарын зерттеумен айналысып, бор қышқылының табиғаты әртүрлі гидроксил топтармен реакциясы бор химиясындағы ең маңызды реакциялардың бірі екендігін дәлелдеген 27.
Олардың негізінде бор қышқылының жоғары алкоголдар мен -диолдарда экстракциялануының тиімді әдістері алынады. -диолды топшасы бар қосылыстармен сілтілік ортада пайдалы қасиеттері бар комплекстік қосылыстар түзіледі. Полиолдармен күшті комплекстік қышқылдар түзу, мысалы, маннитпен борды алколометриялық, о-немесе хинондардың пери-гидрокситуындылары борды фото-, спектрофотометриялық және люминесценттік әдістермен анықтауға мүмкіндік береді.
Соңғы жылдардағы әдеби мәліметтер бойынша құрамында бор қышқылы бар көп компонентті жүйелер көптеген жұмыстарда қарастырылған .
Осылайша бор қосылыстарының химиясы мен технологиясына қатысты жұмыстардың ғылыми жариялынымдарына қысқаша әдеби шолу жасай отырып, төмендегідей тұжырымға келуге болады:
- қышқылдық және негіздік ыдырату әдістерін қолдана отырып, бор шикізатын бор қышқылына өңдеу саласында айтарлықтай жетістіктерге жеткен;
- бордың жаңа комплекстік қосылыстарын синтездеуге алып келген, бордың полиоксиқосылыстармен комплекстік қосылыстар синтездеу саласындағы табыстар;
- еру механизмі мен синтездің оңтайлы жағдайларын алуға мүмкіндік беретін еру жылдамдығының кинетикасын зерттеу мәселелеріне айтарлықтай көңіл бөлінген;
Термодинамикалық мәліметтер бойынша қиын еритін бораттардың еріткіштерінің еріткіштік қабілетінің төмендеуі бойынша қатар құрылды. Бірақ Индер кен орнының кедей бор шикізатын комплексті қолдану өте аз зерттелінген. Осы кезге дейін әдебиеттерде кедей бор шикізатынан борды бөліп алу жолдары жоқ.
Отандық кедей бор шикізатынан комплексті қолдану арқылы борды бөліп алудың жолдарын қарастыру бүгінгі таңда ең өзекті мәселелердің бірі болып табылады.
Қазіргі физика-химиялық анализдеу әдістерін қолдана отырып Индер кен орнының қиын еритін бораттарынан борды бөліп алу үшін экстрагенттерді таңдау мәселесі аса өзекті мәселелердің бірі болып табылады.
Индер кен орнының кедей бор шикізатын комплексті қолдану негізінде аса маңызды бораттарды жедел синтездеу әдістерін зерттеу тәуелсіз Қазақстанның экономикалық жағдайын шешуде перспективті және рационалды болып табылады 25.
Жоғарыда зерттелген жүйелердің бірде-бірінде нашар еритін табиғи борат қосылыстары, мысалы, Индер кен орнының минералдары болып табылатын колеманит, ашарит, гидроборацит және т.б түзілмеген.
Қорыта айтқанда А.Г. Курнакова, А.В. Николаевтар ұсынған бұл зерттеу жұмыстарының мәні бор қышқылы қатысындағы үштік, төрттік жүйелер негізінде табиғи және табиғатта жоқ бораттарды синтездеудің жолдарын анықтап, олардың физика-химиялық негізін талдау болды.
1.3 Натрий бораттары және олардың қолданылуы
Натрий бораттарының ішінде ең маңыздысы, халық шаруашылығанда көп қолданылатыны натрий тетрабораты Na2B4O7 болып табылады. Оның дека -, пента -, тетра -, ди -, моногидрат және сусыз тұз түрлері болады . (1-кесте)
Декагидрат натрий тетрабораты Na2B4O7 ∙10H2O (бура минералы немесе тинкал) немесе Na2[B4O5(OH4)]∙8H2O сутектік байланыстың әсерінен тізбектеліп қосылған аниондардан тұрады.
Тізбектің араларында натрий иондары және су молекулалары орналасады. Олар өз кезегінде бір-бірімен иондардың тартылыс күшімен және сутек иондарымен байланысады.
Декагидрат натрий тетрабораты құрғақ ауада желдетілінеді. Балқу температурасы 60,8oC. Ауада қыздыру барысында декагидрат құрылымы Na2[B4O5(OH4)]∙3H2O түрінде болатын метатұрақты пентагидратқа Na2B4O7 ∙5H2O (тинкалконит минералы)айналады. Пентагидрат гигроскопты, ауадағы ылғалды жұту барысында декагидратқа, ал 136oC дейін қыздырған кезде тетрагидратқа Na2B4O7∙4H2O (кернит минералы) айналады. Тетрагидраттың құрылымы келесідей болады: Na2[B4O6(OH2)]∙3H2O. Сулы ерітінділерден ол 60oC -тен жоғары температурада кристаллизацияланады. Температураны 161oC дейін көтерген кезде тетрагидрат құрылымы Na2[B4O5(OH4)] түрінде болатын дигидратқа (метакернит минералы) ауысады. Ал 260oC болғанда аморфты моногидрат түзіліп, температураны 380oC дейін ары қарай көтергенде сол сол аморфты моногидрат сусыз шыны тәріздес натрий тетраборатына Na2B4O7 айналады.
Сусыз натрий тетрабораты Na2B4O7 метатұрақты β(ромбылы) және γмоноклинді модификацияларға ие. Олардың балқу температуралары сәйкесінше 664 және 710оC, қайнау температуралары 1575оC. Суыту процесі кезінде балқыма тығыздығы 2.76 гсм3 болатын шынылар түзеді. Су буының қатысында HBO2 мен NaBO2 қоспасы түрінде буланады. Бура балқымасы металл оксидтерін оңай ерітеді. Суда ерігіштігі 3.1% (25oC), 9.5% (50oC). Натрий тетраборатының сулы ерітінділері буферлі қасиеттерге ие. 25oC кезінде этанолдағы ерігіштігі-0.05%, ацетонда-0.006%, глицерин мен диэтил эфирінде ерімейді, ал метанолмен борорганикалық қосылыстар түзеді.
Өндірістік жағдайларда натрий тетраборатын табиғи бураны қайта кристалдау арқылы немесе табиғи бораттардың, соның ішінде боронатрийкальцит, ашарит және т.б бораттарды натрий карбонаты, гидрокарбонаты қоспасымен әрекеттестіру арқылы алады. Бұрынғы Вавилон мен Египетте бураны шыны жасауда, алтынның пайкасында қолданған.
1-кесте. Натрий тетрабораты және оның кристаллогидраттарының қасиеттері
Көрсеткіш
α- Na2B4O7
Na2B4O7 ∙10H2O
Na2B4O7 ∙5H2O
Na2B4O7 ∙4H2O
Сингония
Тор пара - метрлері, нм:
a
b
c
α, град
β, град
γ, град
Кеңістік тобы
Тығыздығы, гсм[3]
Np*
Nm
Ng
Триклинді
0,65445
1,058
1,04855
93,279
94,870
90,843
P1
2,279
1,471
1,493
1,528
Моноклинді
1,18790
1,06440
1,22012
-
108,617
-
C2c
1,705
1,446
1,468
1,472
Тригональді
1,109
-
2,107
-
-
-
R32
1,88
1,401
-
1,474
Моноклинді
0,70172
0,91582
1,56774
-
108,861
-
P21c
1,903
1,445
1,473
1,488
Np*, Nm, Ng- сәйкесінше кіші, орташа, жоғары сыну көрсеткіштері
2-кесте. Натрий бораттарының құрамдық мөлшері
Натрий бораттарының химиялық атауы
Химиялық формуласы
Құрамындағы компоненттер мөлшері, %
B2O3
Na2O
H2O
декагидраттетраборат
Na2B4O7 ∙10H2O
36,5
16,3
47,2
пентагидраттетраборат
Na2B4O7 ∙5H2O
47,8
21,3
30,9
тетрагидраттетраборат
Na2B4O7 ∙4H2O
50,9
22,7
26,4
Дигидраттетраборат
Na2B4O7 ∙2H2O
58,82
26,05
15,13
моногидраттетраборат
Na2B4O7 ∙H2O
63,64
28,18
8,18
Дигидраттриборат
Na2B3O5 ∙2H2O
68,18
20,13
11,68
пентагидратпентаборат
Na2B5O8 ∙5H2O
71,14
12,6
16,26
гептагидратдекаборат
Na2B10O17 ∙7H2O
58,33
20,66
21
Натрий пербораты-формуласы Na2[B2(O2)2(OH)4]∙6H2O болатын комплексті қосылыс. Натрий бораттарының осы түрі ақ түсті кристаллды ұнтақ түрінде болады. Балқу температурасы 65+-0,5oC, тығыздығы 1731 кгм3. Герметикалық қорапта бөлме температурасында бір жыл бойы сақтаса белсенді оттектің тек 0,1% -ын жоғалтады. Фосфор ангидриді немесе концентрлі күкірт қышқылымен кептіру процесінде натрий пербораты үш молекула суын жоғалтып, құрамында 16% активті оттек бар Na2BO2∙H2O2 қосылысын түзеді. Ол жарылыс түзіп ыдырауы мүмкін. Ары қарай сусыздандырса NaBO2∙H2O2,
NaBO2∙xH2O және [(NaBO2)2O2] комплексті қосылысының қоспасын түзеді. Бұл қоспа оттек бөле отырып сумен жақсы әрекеттеседі және натрий метаборатын түзеді.
Натрий перборатын 30%-дық сутек пероксидімен төмен температурада буландырғын кезде төрт молекулалы сутек пероксиді бар қосылыс алынған.
Натрий перборатының судағы ерігіштігі айтарлықтай аз болып келеді. 100г суда 20oС температурада шамамен 2г, ал 38оС-та шамамен 3г ериді. Натрий пербораты суда еріген кезде сутек пероксидін түзе отырып гидролизденеді:
NaBO2∙H2O2∙3H2O -- NaBO2+H2O2+3H2O
Нарий перборатының сулы ерітіндісін 50-60oC дейін қыздырған кезде оттек айтарлықтай жылдамдықпен бөлінсе, 100oC температурада өте үлкен жылдамдықпен бөлінеді.
Сусыз кристалды метаборатта циклді үшборатты топтар анықталған. Натрий пербораты ағартқыш, тотықтырғыш және синтетикалық жуғыш заттардың басты компоненті ретінде кеңінен қолданылады.
1.4 Жасанды бораттар
Табиғи бораттар міндетті түрде әртүрлі қоспалармен бірге кездеседі. Бірақ, табиғатта таза бораттар да кездеседі. Сондықтан табиғи бораттарлың қасиеттерін тереңірек зерттеу үшін, алуан түрлі жасанды бораттарды алу жолын зерттеу өте маңызды.
Соңғы уақытта бор химиясына, әсіресе әртүрлі бораттарды синтездеуге арналған мақалалардың көбеюі, бор проблемалары химияның маңызды салаларына айналғанын көрсетеді. Бор химиясының соңғы жетістіктеріне шолу жасаған Адамстың, Г.К.Годенің фундаменталды еңбектерін атап өту керек. Фармер мен Хеллердің, Звиеде, Шварц, Белькийдің бор химиясына шолу жасаған мақалаларын атап өту керек 8, 28, 16,18, 11.
Бораттардың құрылысына шолу жасаған мақалалар жарық көрді, мысалы, Бокий мен Кравченконың, Крайтс пен Кларктың жұмыстары. Ткачев пен Плышевскийдың жұмысы бораттардың технологиясына арналған 4, 5.
Бор қышқылы және басқа әлсіз қышқылдар күрделі аниондар түзуге бейім болады. Д.И. Менделеев осы қасиеттерді былай деп тұжырымдаған болатын: әлсіз қышқылдар оңай және жылдам қышқыл тұздар түзуге бейім, өйткені әлсіз негіздер негіздік тұздарды оңай түзетін сияқты қышқылдар да қышқылдық оксидтер көп болғандықтан, қышқылдық тұздарды оңай түзеді. Борат- иондардың химиялық құрамына байланысты, ерітіндіде өзінің құрамын өзгерте алатын мүмкіншілігі, борат-иондарының өзіне тән қаситеттері болып табылады. Бор ионының екінші ионға оңай ауыса алатын қасиеті бойынша бор элементі ерекше орын алады. Бораттарды синтездеуде бордың осы қасиетін әрқашан есте ұстау керек. Салыстыру ретінде сульфат ионы мен барий иондарын әрекеттестірін қарайтын болсақ, барлық жағдайларда тек қана барий сульфаты алынады.
Борат қосылыстарымен жағдай өте күрделі. Мысалы, натрий боратымен орын ауыстыру реакциясы арқылы кальций хлоридімен әрекеттестіргенде, кальций боратынының орнына NaB4O7 басқа зат алынады. Бұл жағдайда кальций боратының сұйық түрі алынады, ол ұзақ уақыт кристалданбай тұра береді. Осыған орай, бораттардың тұздары кристалданбайды деген қате ұғым бастапқы кезде орын алады. Бірақ кейіннен борат тұздарының кристалды формалары табиғатта табылды және синтездеу әдісімен де бораттардың кристалды формалары алынды.
Бор элементінің периодтық жүйедегі орнына байланысты ерекше қасиеттерді меншіктейді. Бұл қасиеттер -ядро заряды мен электрондар саны өте аз, үш валентті ионның радиусы қысқа. Сондықтан әртүрлі бораттарды синтездеу барысында, сұйық және қатты фазада тепе-теңдікте тұрған борат-иондардың құрамының арасындағы байланысты білу керек.
Жасанды бораттар кристаллогидрат түрінде ғана түзіледі. Судың кристалданған формасының саны көпшілік жағдайда синтездеу әдісіне байланысты. Бораттар аморфты, кристалды формада немесе үлкен кристалды түрде бөлініп шығуы мүмкін. Бірақ, көпшілік жағдайда бораттар ұсақ кристалды түрде алынады. Бораттардың алғашқы алу жолдары орын алмастыру реакциясы бойынша натрий боратының ерітіндісін сілтілік жер металдарының тұздарымен немесе ауыр металдармен әрекеттестіру арқылы алынды. Бордың шығысы аз болғандықтан, бұл әдістің ұғымдылығы аса көп емес. Соңғы уақытта бор қосылыстарын және басқа пайдалы компоненттерді көп шығынғы ұшыратпайтын бораттарды алу әдістері ұсынылған.
Бораттардың сілтілік металдармен түзілген тұздарының көпшілігі тетраэдрлік формада болады. Егер бораттарды 50оC температурадан төмен және сулы ерітіндіден алатын болса, онда аралды бораттар алынады. Қыздырған кезде біріне-бірі жақын тұрған гидроксил топтары негізінде су молекуласы бөлініп, екі бор атомының арасын оттегі атомдары қосып, күрделі бораттар алынады. Жоғары температурада (200oC дейін) сілтілік бораттардан әртүрлі мөлшерде су молекулалары бөлініп, тізбекті борат қосылыстары алынады. Тізбекті бораттар 75oC төмен температурада сулы ерітінділер ортасынан да түзіледі. Тізбекті бораттарды әрі қарай қыздырса, тағы да су молекулалары бөлініп, қатпарлы бораттар алынады.
Бораттарды синтездеу барысында, бір полиборат анионы екінші түріне ауыспайтындай жағдай туғызу керек. Ол үшін, реакцияның рН, температураны және реагенттердің концентрациясын қадағалап отыру керек. Әсіресе, реакция барысында шыққан өнімдерді тұнбаға түсірген кезде, рН көрсеткішті тұрақты мөлшерде немесе өте аз аралықта өзгеретіндей жағдайда ұстау керек.
А.Д.Кешан реакцияның рН тұрақты ұстағанда әртүрлі таза бораттарды алуға болатынын көрсетті және бораттардың кристалдану процесін ондаған күннен бір күнге, тіпті, бірнеше сағатқа дейін қысқартты. Осының нәтижесінде, құрылысы әртүрлі таза кристалды бораттар алу әдісі табылды 3.
Сыртқы жағдай бірдей болған кезде (температура, ортаның рН) таза бораттарды алу факторлары мынадай жағдайларға тәуелді:
1) тұнбаға түсетін бораттардың құрамы;
2) реакцияға алынаған бастапқы заттардың сандық мөлшерінің қатынасы;
3) бастапқы заттардың концентрациясы.
Бастапқы заттардың сандық қатынасының маңызы зор. Кешанның тұжырымдамасы бойынша, әрбір борат-иондар белгілі рН көрсеткіші аралығында ғана тұрақты болады. Егер бораттарды тұнбаға түсірген кезде ортаның рН мәні тұрақсыз болса немесе күрт өзгеріп кетсе, ерітіндідегі борат-иондардың құрамы өзгереді және қатты фазада әртүрлі бораттардың қоспалары алынады. Құрамы белгілі бораттар алу үшін, сұйық фазаның рН мәнін тұрақты ұстау керек. Ол үшін буфер ерітінділерін пайдаланады. Мұндай ерітінділер ретінде ацетат немесе борат буферлерін қолданады.
Бораттарды алуда реакцияға алынған бастапқы заттардың сандық қатынастарына алғашқы кезде үлкен мән берілмеді. Кейіннен борат-иондардың құрылысы реакцияласатын заттардың салыстырмалы мөлшеріне, катиондардың табиғатына, концентрацияға тығыз байланысты екендігі анықталды. Реакциялық ерітіндіде әртүрлі катиондардың тек біреуі ғана белгілі боратпен қосылуға бейім келеді. Сол катионмен қосылған бораттың тұзы қанық ерітінді түзіп, кристалданады.
Құрамында әртүрлі металдардың катионы бар жүйеде (Na+, K+, Mg+, Ca+) сұйық фазаның рН мәнімен кристалдық қатты фазаның арасында тәуелділік бар екендігі анықталды. Мына диаграмманы басшылыққа ала отырып, бораттарды алу процесін жоспарлы жүйеге келтіруге болады.
1-сурет. Сұйық фазаның рН мәнімен қатты фазаның арасындағы тәуелділік
1-бор қышқылы, 2-декаборат, 3-тетраборат, 4-диборат, 5-гексаборат,
6-үшборат, 7-MgOH2
Осы суреттен бораттардың қасиеттері және оларды синтездеу тек бор ангидридіне В2O3 ғана байланысты емес, сонымен қатар, металдың табиғатына да байланысты екендігін ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
n- сыну көрсеткіші
D-таралу коэфиценті
ИҚ- спектрлері-инфрақызыл спектрлері
РФА- рентгенофазалық анализ
КІРІСПЕ
Жұмыстың өзектілігі: Өзінің қоры бойынша Индер кен орны Қазақстандағы ең үлкені болып келеді, алайда бор кенінің терең орналасуы мен өндіру технологиясының тиімсіздігі кесірінен қазіргі уақытта өндірілмеуде. Сол себептен бүгінгі күні елімізде бор шикізатының қоры азаюда. Ал бор және оның қосылыстары 100 ден астам өндіріс орындарында, ауыл шаруашылығында, ғылымда, техникада, медицинада, қатты балқымалар өндірісінде, қара металлургияда легирлеуші қоспа ретінде және тағы басқа салаларда кең қолданылады. Соңғы жылдары Қазақстан Республикасының экономикасының өсуі, сонымен қатар халық санының көбеюі бор шикізатына деген сұранысты жылдан-жылға арттыруда. Осыған байланысты бор шикізатын мейлінше үнемдеп, аз уақытта бітіп қалуын болдырмау үшін органикалық қышқылдардың тұздарынан, бор қышқылының ерітіндісінен және судан тұратын жүйелерден бораттарды синтездеп алу технологиясын мейлінше жақсартып дамыту керек.
Жұмыстың мақсаты: Бор қышқылы-натрий ацетаты-су жүйесінің 50oC және 60oC температурадағы изотермиялық ерігіштігін зерттеу.
Жұмыстың міндеті:
1. Бор қышқылы және натрий ацетатының 50oC, 60оС температурадағы изотермиялық ерігіштігін зерттеу.
2. Бор қышқылы - натрий ацетаты - су жүйесінің 50oC және 60оС температурада ерігіштігін зерттеп, натрий бораттарын синтездеудің тиімді жолдарын қарастыру
3. Жаңа қосылыстың түзілу аймағы мен рН және сыну көрсеткішін анықтау
4. Натрий бораттарын жедел синтездеу әдісінің физика- химиялық негіздерін анықтау
5. Синтезделген натрий боратының технологиялық сызбасын жасау.
Зерттеу нысаны: Н3ВО3-NaCH3COO-H2O үштік жүйесі.
Практикалық маңызы
Бұл ғылыми-зерттеу жұмысының құндылығы халық шаруашылығында маңызды болып табылатын аса таза бораттарды алудың технологиялық процесін жеделдететін әдістің физика-химиялық шарттарын анықтауды және аса таза бораттарды синтездеудің шағын аз тонналы минитехнологиясын құрудың жолдарын ұсынады.
Жұмыстың ғылыми жаңалығы
Алғаш рет Н3ВО3-NaCH3COO-H2O жүйесінің 50oC температурадағы изотермиялық ерігішітігі зерттеліп, натрий пентаборатын NaB5O8.5H2O 50oC температурада синтездеудің оңтайлы шарттары анықталды және натрий пентабоартын синтездеудің технологиялық сызба-нұсқасы ұсынылды.
ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Бор және оның қосылыстары
Бордың жер қыртысындағы орташа мөлшері 4 гт. Соған қарамастан бордың 100-ге жуық минералдары белгілі. Айтарлықтай барлық минералдарында бор оттекпен байланысқан, ал фтормен қосылыстары тіптен аз болып келеді. Элемент ретінде бор табиғатта кездеспейді. Ол аз концентрацияда бораттар және боросиликаттар түрінде көптеген қосылыстардың құрамына кіреді. Ферсман бойынша жер қойнауында бор атомдық салмағы (7x10-3%) бойынша 22-ші орында және кларкты салмақ бойынша 27-ші (5x10-3%) орында. Соған сәйкес бор сирек емес элемент.
Француз физиктері Ж.Гей-Люссак және Л.Тенор 1808 жылы бор ангидридін B2O3 металдық калиймен қыздыру арқылы ең алғаш рет борды алды. Элементтің атауы бура атауына қолданылатын арабтың бурак сөзінен шыққан 1.
Жалпы бор өндірісі 1912 жылдан бастап дами бастады. Бор өндірісінің маңызды және қызықты облысында көп еңбек сіңірген кеңес заманының ғалымдары. Бор қосылыстарының оттекпен қосылыстарын алу жеңіл емес, алайда тенденция мен технологияның дамуына байланысты ол ұтымды процесс. Ең алғаш Е.Штокпен зерттелген. Ол кезең 1950 жылдардың аяғы еді. Көптеген реакциялар 300-500оС температурамен 1-5 атм қысымда жүргізіледі.
Бор перспективті материал болып саналады, әсіресе микроэлектронды өндірісте қолданылады. Бор, оның қасиеттері, таралуы мен қолданылуы 1959 жылы Асбери-Парке, 1964 жылы Парижде, 1968 жылы Варшавада халықаралық симпозиумдерде талқыланған. Көптеген жұмыстар бордың оптикалық қасиеттеріне байланысты, тек кейбір жұмыстарда ғана механикалық қасиеттер қарастырылады. 1972 жылы 9-11 қазан аралықтарында Тбилисиде борға анализ, структурасына, кристаллохимиясы мен термодинамикасына сипаттама берілді. Ол симпозиумде 70-тен астам ғылыми баяндама мен хаттар оқылып талқыланды 16.
Бордың периодтық жүйедегі орнына байланысты қасиеті, оның табиғатта кездесу түрі мен таралуын анықтауға мүмкіндік береді. Бор нағыз бейметалл, оның аниогенді элементтерге, соның ішінде ең алдымен оттек пен фторға ынтықтылығы өте жоғары. Оттек және фтор элементтерімен, бор тұрақты қосылыстар түзеді, сондықтан ол табиғатта бос күйінде кездеспейді. Көбінесе оттекті қосылыстар түрінде кездеседі 5.
Ғалымдар бордың жер қыртысындағы салмақтық кларкін 3.10-4 % - 1,3.10-2 % деп бағалайды. Литосфера қабатындағы жыныстарда бордың мөлшері 0,3.10-3 %, негізгі жыныстар мен ультрабазитте 3,5.10-3 % маңында болады. Осындай аз таралғандығына қарамастан бор ірі өнеркәсіптік кен орындарын түзген 1.
Қазіргі кезде шамамен 150-ге жуық бор минералдары белгілі. Солардың ішінде маңыздылары сассолин, кальций және магний бораттары.
Барлық бор минералдары негізгі екі класқа бөлінеді: бораттар және боросиликаттар. Бораттардағы бор комплекстүзуші катион ретінде басты роль атқарады. Көптеген бораттар Mg, Ca, Na, Sr және Mn сияқты элементтерден тұратын бірнеше катиондар тобының тұздары болып табылады. Бораттар құрамындағы су молекулаларының мөлшеріне байланысты, сусыз және сулы бораттар болып бөлінеді. Бораттардың кристалдық торынан шамамен он беске жуық бор қышқылды аниондардың құрылысы табылып, олардың жиырма екісінің полимерлену түрі есептелген 10.
Бор минералдары табиғатта әртүрлі эндогенді, экзогенді және метаморфогенді процестердің негізінде түзіледі. Осыған байланысты жер қыртысында пайда болған бор кен орындарының түрі бірнеше геологиялық кластарға бөлінеді. Олардың ішінде өнеркәсіптік маңызы ең жоғарысына жанартаулы аймақтарда түзілген бор кендері жатады. Ондай кен орындарында-улексит, пандермит, тинкал-кернит сияқты минералдар жатады. Бұл минералдар өздерінің сапасы жағынан дүние жүзі бойынша жоғары сортты минералдар болып табылады. Жанартаулы бор кен орындары -Түркия, Калифорния, Иран, Аргентина, Чили, Перу мемлекеттеріне тиісті.
Барлық бораттардың физикалық қасиеттері өзара ұқсас: олар түссіз, шынылы жылтыры бар, тығыздығы (1,7-3,0) тең. Сыну көрсеткіші 1,47 мен 1,69 арасында ауысып отырады. Ал сусыз бораттардан қаттылығы 7 ден аспайды. Көптеген бораттар түссіз немесе ақ түсті болып келеді 18.
Бор қосылыстарының бағалы және алуан түрлі физикалық және басқа қасиеттері бордың халық шаруашылығының барлық салаларында кеңінен қолданылуының негізі болады. Адамзаттың қызмет істейтін аумағында бордың қолданбайтын саласын атап айту өте қиын. Қазіргі заманда өте сирек қасиеттері бар жаңа материалдарды алуда.
Бор қосылыстарының әртүрлі өндіріс салаларындағы қолдану үлесі мынадай: шыны талшықтар мен борсиликат шынылары өндірісінде 31%, оттан қорғану құралында 8%, жуғыш тауарларда 10%, қалған бораттар эмаль, бояу, керемика, ауыл шаруашылығы өндірісінде қолданылады 15.
Соңғы жылдары біздің елімізде әртүрлі материалдардың бораттарын алу технологиясы құрылды және олардың халық шаруашылығының әртүрлі салаларында қолдану мүмкіншіліктері анықталды. Кальций, калий, мырыш, қорғасын, барий, аммоний және басқа бораттардың тұздары өндірісінің және ауыл шаруашылығының әртүрлі салаларында тексеріліп, пайдалы қасиеттері анықталды.
Еліміздің ғалымдары әртүрлі сортты шыныларды дайындауда, синтетикалық бораттарды қолдану мүмкіншілігін анықтау үшін ізденіс жұмыстарын жүргізді. Осы зерттеудің негізінде кальций боратын терезе және ыдыс шыныларын, түссіз шыны ыдыстарын, термометрлік және химлабораториялық шыныларды дайындау өндірісінде қолдануға болатындығы анықталды.
Шынының әртүрлі сорттарын алу өндірісінде калий, барий және қорғасын бораттарын қолданғанда алынатын шынылар түссіз, біртекті, оптикалық қасиеттері жоғары болатындығы анықталды.
Бораттарды қолданудың ең бір маңызды салалары болып металл бұйымдарының бетін қаптайтын тоңазытқыштар, газ плиталары, химиялық аппараттар, бура және бор қышқылы қолданылатын, эмаль өндірісі болып табылады. Эмальдың құрамындағы бораттар металдың беттік қабатын жақсы дымқылдатады, олар грунтті эмальдар үшін өте маңызды болып саналады.
Қазіргі таңда бораттардың көпшілігі ағартқыш компонент ретінде, синтетикалық жуғыш заттардың құрамына кіретін натрий пербораты өндірісінде қолданылады. Пербораттың ағыртқыш қасиеті жұмсақ келеді, сондықтан оларды синтетикалық материалдарды ақтауда қолданады.
Бордың өсімдіктер өмірінде маңызы үлкен. Мақта, қант қызылшасы, темекі және т.б.. Өсімдіктер жақсы шығуы үшін бор тұздары тыңайтқыш ретінде қолданылады. Өсімдіктер борды анион түрінде сіңіреді, сонан соң бор анионы реакцияға қатысады. Өсімдіктер борды қайта пайдалана алмайды, сондықтан олар барлық уақытта борға мұқтаж болады. Сонымен қатар бор орын ауыстыра алады. Ол тамырдан жапырақтарға, әсіресе, жас жапырақтар мен өсу нүктелеріне тез өтеді. Бор клеткаларға біркелкі бөлініп таралмаған. Ол митохондриялар мен рибосомдарда өте аз, ал ядрода, пластидтер мен қабықшада көбірек кездеседі. Бор құрамында көптеген қосылыстары бар элемент. Осыған орай бор қосылыстарына деген көптеген ғалымдардың қызығушылықтары артуда.
Қазіргі уақытта бор заттарының өндіру технологиясын әрі қарай жетілдіру, қасиеттері алдын ала белгілі жаңа бор қосылыстарын алу және олардың физико-химиялық қасиеттерін зерттеу, минитехнологиялық әдістерді қолданып, аз тонналы бораттар өндірісін ұйымдастыру, тамақ өндірісі мен медицинада қолданылатын аса таза бораттарды алу әдістерін қарастыру, құрамына бораттар бар сұйық және қатты өндіріс қалдықтарын іске қосудың пәрменді әдістерін зерттеу тәуелсіз Қазақстанның алдында тұрған негізгі міндеттерінің бірі болып табылады 19.
1.2 Құрамында бор қышқылы бар көп компонентті жүйелерді зерттеу
Су мен тұздар жүйесіндегі фазалық тепе-теңдікке жүргізілген зерттеулер қазіргі таңда өте көп, алайда бір мезгілде органикалық және бейорганикалық компонеттер бар жүйелер аз зерттелген. Мысалы, бордың аминдермен және амидтермен әрекеттесуіне жүргізілген жұмыстар көп емес 17.
К.В. Ткачев және Ю.С. Плышевский термиялық, термогравиметриялық, ИК-спектрометрлік, рентгенографиялық және химиялық анализ әдістерімен бор қышқылы мен карбамидтің қатты күйіндегі және сулы ортада қыздырған кезде әрекеттесуін зерттеген. Олар 75оC дейін қыздырған кезде бор қышқылы мен карбамид H3BO3∙2CO(NH2)2 қосылысын түзіп әрекеттесе бастайтынын байқаған. Авторлар сол қосылыстың ИК-спектрін алып, ерекшеліктерін көрсеткен. Олардың айтуы бойынша карбамид пен бор қышқылының әрекеттесуі NH2 тобы бойынша жүзеге асады 5.
2007 жылы Жаңа көміртек материалдарының технологиясы деп аталатын институттың рентгенография және микроскопия лабораториясында бор қышқылы және мочевина құймасына рентгеноструктуралық анализ жасалған. Бұл анализ бор қышқылы және мочевина құймасында бор қышқылы мен мочевинадан басқа олардың әрекеттесуінен түзілетін өнімдер болатынын көрсеткен. Құйманың рентгенограммасында тек қана бор қышқылы мен мочевинаның рефлекстері ғана емес, сонымен қатар бор қышқылының ыдырау өнімі-метабор қышқылының да (HBO2) рефлекстері байқалған 34.
Әдеби мәліметтер бойынша Индер бор кен орны ашылғаннан кейін осы минералдардың генезисін, физика-химиялық қасиеттерін анықтау мақсатында академик Н.С. Курнаковтың басқаруымен арнайы ғылыми зерттеу жұмыстары басталды. Бұл ғылыми зерттеу жұмыстар Вант-Гофф бастаған бор қышқылы негізіндегі көп компонентті жүйелерді зерттеу жұмыстарының жалғасы болды 10.
Құрамында бор қышқылы бар үш және төрт компонентті жүйелерді зерттеу, ғалымдарды екі жағынан қызықтырды:
Бірінші жағы жоғарыды айтылып өткен табиғи бор минералдарының генезисін анықтау мақсатында, құрамы Na2O-K2O-CaO-MgO-B2O3-H2O компоненттерінен тұратын жүйелерді зерттеу негізінде бор кенінің құрамына кіретін бораттарды синтездеу жолдарын табу болса; екінші жағы бор қышқылы -электролит (NaCI, KCI, CaCI2, MgСІ2, Na2SO4, MgSO4, K2SO4, Н2SO4, НСІ )-су жүйесін зерттеу болды. Мұндай жүйелердегі компоненттер арасындағы өзара ерігіштікті зерттеу, бор кендерінен бор қышқылын алу технологиясын жақсартудың тиімді жолдарын табуға мүмкіндік береді.
Алғашқы кездерде үштік жүйе компоненттерінің негізінде калиборит (К2О.4MgO.11B2O3.18H2O), колеманит (2CaO.3B2O3.5H2O), боронатрокальцит (Na2O.2CaO.3B2O3.5H2O) сияқты табиғи бораттарды синтездеу жұмыстары жүргізіліп, бораттардың өзара бір-біріне ауысу мен түзілу заңдылықтары зерттелді 25.
А.В. Николаев пен А.Г. Курнаковалардың басшылығымен Индердің табиғи бор минералдарын құрайтын Na2O-K2O-CaO-MgO-B2O3-H2O алтылық жүйесінің негізінде, үшкомпонентті СаО-В2О3-Н2О және MgO-В2О3-Н2О жүйелерінің изотермиялық ерігіштігін 25оС температурада зерттелген.
Кальцийлі жүйені осы авторларға дейін 1913 ж Сброджи зерттеген. Ол метастабильді тепе-теңдік аймағында жұмыс істеді. Ерітіндіні термостатта бірнеше күн ұстайды, ал тепе-теңдік бірнеше айлардың ішінде орнайды 26.
MgO-В2О3-Н2О жүйесінің изотермиялық ерігіштігі, осы авторлармен 25оС температурада алғаш рет зерттелген. Жүйе компоненттері Mg(OH)2, H3BO3, H2O қосылыстарынан тұрады. Бұл ерігіштік жүйеден үш жаңа қосылыс бөлінеді. Олар: индерит MgO.3В2О3.15Н2О (В2О3MgO=1,5), бура тәріздес магний дибораты MgO.2В2О3.9Н2О немесе MgB4O7[.]9H2O, қышқылдық ерітіндіден магний трибораты MgO.3В2О3.7,5Н2О. Изотермиялық ерігіштік қисығы 5 кристалдану бұтағынан тұрады. Олар: 1) магний гидроксиді Mg(OH)2; 2) индерит; 3) магний дибораты; 4) магний трибораты; 5) бор қышқылы кристалдану бұтақтары. Мұндағы ерігштік қисығының минимумы табиғи борат индеритке сәйкес келеді. Бұл жүйенің тепе-теңдік уақыты 4-5 аптада орнаған.
Жоғарыда айтылып өткен алтылық жүйелердегі калий мен натрийге қатысты К2O-В2О3-Н2О және Na2O-В2О3-Н2О үштік жүйелері, NaOH, КОН, Н3ВО3 негізінде 1907 жылы М.П.Дукельскийдің жұмыстарында зерттелінген. Бұл жүйелерден натрий пентабораты Na2O.5B2O3.10H2O және екі түрлі натрий монобораттары Na2O.B2O3.8H2O, Na2O.B2O3.4H2O түзіледі.
А.В. Николаев пен А.Г. Курнаковалар бастаған бұл жұмыстардың жалғасы бор қышқылына қатысты төрттік жүйені зерттеумен жалғасты.
Алғаш зерттелген төрттік жүйе Na2O - СаО-В2О3-Н2О. Оны құраушы негізгі компоненттер алдыңғы үштік жүйеден синтезделіп алынған натрий және кальций бораттары болды.
Зерттеу нәтижелері бойынша алынған деректерден кальций бораты және боронатрийкальцит Na2O.2СаО.5B2O3.16H2O бөлініп алынды. Авторлардың зерттеу мәліметтері бойынша натрий пентабораты мен бор қышқылының қаныққан ерітінділерінде кальций және натрий бораттарының арасында өзара әрекеттесу болмайды. Фазада кальций трибораты (СаО.3В2О3. 4Н2О), натрий пентабораты (Na2O.5B2O3.10H2O) және бор қышқылының өздері қалады.
Осылайша Na2O - СаО-В2О3-Н2О жүйесінің 25оС температурадағы ерігіштігін зерттегенде, тек бір ғана кальций-натрий боратының боронатрийкальциттің түзілетіндігі анықталды. Боронатрокальцит Индер кен ауданында ең жиі кездесетін минерал.
Сонымен қатар, А.В. Николаев, А.Г. Курнаковалардың зерттеулерімен 25оС температурада калиборатты К2O - MgО-В2О3-Н2О және индерборитті деп аталатын СаО-MgО - В2О3-Н2О жүйелері зерттелінген 25, 26.
Бұл төрттік жүйелерді меңгеру үшін зерттеушілер жоғарыда айтылғандай үштік жүйелерден калий және магний бораттарын синтездеп алды.
Олар:
1) Индерит (2MgО.3В2О3. 15Н2О);
2) магний дибораты (MgB4O7.9H2O);
3) магний трибораты (MgО.3В2О3. 7,5Н2О);
4) калий монобораты (К2O.В2О3. 2,5Н2О);
5) калий пентабораты (К2O. 5В2О3. 8Н2О).
Бастапқы заттар ретінде магний және калий бораттарымен бірге калий гидроксиді, құрышталған магний оксиді және бор қышқылы алынған.
Төрттік жүйелер құру үшін компоненттер құрамын ауыстыра отырып авторлар бірнеше тәжірибелік жүйелерді құрастырған. Олар: 1) К2O - MgО - Н3ВО3; 2) калий пентабораты-магний трибораты-су; 3) 2% КВО2 ерітіндісі - индерит; 4) КOН - Н3ВО3 - К2B4O7.6H2O - Н2О - индерит.
Зерттеу нәтижелері бойынша бұл жүйелерден калий-магнийлі бораттардың түзілмейтіндігі анықталды. Мұндай жүйелерде бор қышқылымен тепе-теңдіктің өте баяу орнайтындығы анықталған.
Сондай-ақ, осы ғалымдармен СаO - MgО-Н3ВО3-Н2О жүйесі 25оС температурада зерттелген. Мұнда да бастапқы заттар ретінде табиғи және синтетикалық бораттар, кальций, магний гидроксидтері және бор қышқылы алынды. Мұндағы тепе-теңдік уақыты жоғарыда айтылған жүйелерден де баяу орнаған. Бұл төрттік жүйеден 2СаO.MgО.6В2О3.15Н2О түріндегі диборат түзілген.
Бор қышқылы, кальций гидроксиді және магний гидроксидтерімен өзара әрекетттескенде 110 өткеннен соң табиғи борат құрамына кіретін кальций мен магнийдің қос бораты болып табылатын индерборит түзілген. Мұндай құрамдағы бұл минерал алғаш рет индерден табылған. Оның сыну көрсеткішін, құрамын анықтап сипаттама берген Г.С. Горшков болды. Шыққан жеріне байланысты бұл минералды Г.С. Горшков-индерборит деп атаған.
Индерборит ерітіндісіне кальций гидроксиді мен кальций моноборатын қосса кальцийлі борат-иньоит (2СаO.3В2О3. 15Н2О) түзіледі, керісінше индерборит ерітіндісіне магний гидроксидін қосса магний бораты-индерит 2MgО.3В2О3. 15Н2О түзіледі 7.
Бор қышқылымен қаныққан жаңа қатты фазада Н3ВО3 басқа, кальций трибораты (СаO.3В2О3. 4Н2О) және магний трибораты (MgО.3В2О3.7,5Н2О) болады. Бұл қосылыс бор қышқылының қаныққан ерітіндісімен кальций және магний гидроксидтерінің өзара әрекеттесуінен түзіледі.
Сондай-ақ, бор қышқылды көп компонентті жүйелерді зерттеу өз кезегінде Қазақстандық ғалымдардың еңбектерімен де жалғасты.
Б.Х. Хазиханова, Б.А. Бірімжанов, Р.Ф. Савич, В.Г. Калачевалардың жұмыстарында Н3ВО3-Са(СН3СН2СОО)2-Н2О жүйесі 60оС температурада зерттеліп, компоненттердің изотермиялық ерігіштігі, рН және сыну көрсеткіштері анықталған. Нәтижеде жүйеден қатты фазаға Н3ВО3, СаB6O7.6H2O, СаB6O7.5H2O, СаB4O7.6H2O және Са(СН3СН2СОО)2.H2O қосылыстары бөлінеді 13.
Осы авторлармен Н3ВО3-Са(СН3СН2СОО)2-Н2О жүйесі сондай-ақ 25, 30, 50оС температура аралықтарында зерттелінген. Ондағы зерттеу мәліметі бойынша 25оС температурада жүйе жай эвтоникалық болады, 35, 50оС температураларда изотермиялық жүйеден Н3ВО3, СаB4O7.6H2O және Са(СН3СН2СОО)2.H2O қосылыстары бөлінеді.
Сонымен қатар, Н3ВО3 - Mg(СН3СН2СОО)2 - Н2О жүйесі 25, 50оС температура аралықтарында да зерттелген. 25oС температурада жүйе жай эвтоникалық болады. Қатты фазаға бор қышқылымен бірге магний пропионаты Mg(СН3СН2СОО)2.Н2О кристалданады. 50оС температурада қатты фазаға жаңа қосылыс сегіз молекулалы суы бар магний гексабораты MgB6O10.8H2O кристалданады.
Осы авторлармен Н3ВО3-KCI-NaCI-H2O төрт компонентті жүйесі зертелді. Мұнда бор қышқылының кристалдану өрісі NaCI және KCI ерітінділерінен кристалданған қисықтармен шектеледі. 25оС температурадағы Н3ВО3+KCI және Н3ВО3+NaCI қанығу сызықтары үш компонентпен қаныққан нүктеде түйіседі: Н3ВО3 - 4,82%, NaCI -19,1%, КСІ - 11,5%. Қатты фазаның бұл нүктесінде бор қышқылы, калий хлориді, натрий хлориді болады. Температураның жоғарылауына сәйкес бор қышқылының ерігіштігінің артуынан КСІ және NaCI қосылыстарының кристалдану өрісі артады. NaCI кристалдану өрісі температураның жоғарылауынан КСІ концентрациясы жоғары аймаққа ығысады.
Н3ВО3-KCI-NaCI-H2O жүйесінің 50оС температурасында барлық үш зат қаныққан ерітіндінің құрамындағы тұнбада болады. Н3ВО3-9,11%, NaCI -19,0%, КСІ -14,6% болады. 70оС температурада қаныққан ерітндінің құрамы мынадай: Н3ВО3-13,25%, NaCI -18,30%, КСІ -17,90% .
КСІ және NaCI қоспаларынан тұратын ерітінділердегі бор қышқылының ерігіштігі осы тұздардың қатынасына тәуелді болады. Ерітіндіде тұрақты концентрациядағы КСІ мөлшері көбейген сайын бор қышқылының ергіштігі төмендейді. Дәл осы сәтте натрий хлоридінің тұрақты концентрациясындағы калий хлоридінің мөлшерінің көбеюі бор қышқылының ерігіштігіне әсер етпейді. Кейбір жағдайларда бор қышқылының ерігіштігінің жоғарылауына ерітіндіде КСІ мөлшерінің артуына сәйкес келеді. Осыдан Н3ВО3 ерігіштігіне тұздағы катион табиғаты әсер етуі мүмкін деген болжам туындайды.
Мұндай фактілер сондай-ақ, басқа жұмыстарда да көрсетілген. Бұл жұмыстың авторлары мұндай құбылысты катионның гидратталуға қабілеттілігінің әртүрлі әдістермен байланыстырады. Катионның гидратталу энергиясы неғұрлым жоғары болса, бор қышқылының қатысында оның ерігіштігі соғұрлым төмен болады 3.
Бор қышқылының 25оС температурадағы ерігіштігі 5,46% 90оС температурада 23,3 %. Тұз қосқанда бұл көрсеткіштер төмендейді. Мысалы, NaCI қаныққан ерітіндісінде 250С температурада ол 21,28% дейін азайса, 90оС температурада 19,82%-ке дейін азаяды. Яғни 1,2 есе. Осы ерітіндідіге калий хлоридін қосса, бор қышқылының ерігіштігі артып, үш компонентте те бір нүктеде жататын қатты фазада бор қышқылының ең жоғары ерігіштігі 25оС температурада 4,82%, 90оС температурада 21,12% болады. Бұл температураларда қатты фазаға жаңа қосылыс бөлінбейді.
Басқа минералдық қышқылдардың ерітіндісінде бор қышқылының ергіштігі туралы мәліметтер бор кендерін қышқылдық өңдеуде маңызы зор. Байытылған кендерді күкірт қышқылымен ыдыратуға байланысты Н3ВО3- Н2SO4-H2O жүйесі бірнеше температура арлықтарында зерттелінген.
Р.Ф. Наймушинаның жұмысы 0оС және 50оС температура аралықтарында Н3ВО3-MgSO4-H2O жүйесінің изотермиялық ерігіштігі зерттелінген. Жүйеде температура жоғарылаған сайын бор қышқылының судағы және магний сульфаты ерітіндісінің ерігіштігі артады. Изотермиялық жүйенің қатты фазасы: MgSO4.7H2O+Н3ВО3; MgSO4.6H2O+Н3ВО3; MgSO4.6H2O; MgSO4.7H2O; MgSO4.H2O; MgSO4.5H2O қосылыстарынан тұрады 22.
Қорыта айтқанда, бор қышқылы - электролит - су жүйелеріндегі компоненттердің өзара ерігіштігі, электролит катиондарының табиғатына және осы электролит ерітінділеріндегі судың активтілігіне байланысты болады. Мысалы, NaCI және КСІ ерітінділеріне Н3ВО3 қосу олардың ерітінділерінің активтілігін өзгертпейді. Ал кальций хлориді мен магний хлориді су молекуласымен, натрий хлориді мен калий хлоридімен салыстырғанда күшті байланысады. MgCI2 және CaCI2 ерітінділеріне Н3ВО3 қосу судың активтілігін бірден өзгертеді.
Әдебиеттік деректер бойынша бор қышқылының органикалық ертікіштерде жақсы еритіндігіне байланысты бор қышқылы-органикалық еріткіштер (бір және көп атомды спирттер, моно, ди-карбон қышқылдары, амидтер т.б.)-су жүйелерін зерттеу де көптеген ғалымдардың қызығушылығын туғызған. Мұндай жүйелерді зерттеу бор химиясы саласындағы едәуір қордаланған мәселелерді шешуге мүмкіндік береді. Себебі, табиғатта кездесетін бор кендерінің барлығы дерлік борға бай емес. Әсіресе Индер кен орындағы бор минералдарының көпшілігіндегі В2О3 мөлшері 20% аспайды. Сонымен қатар, бор табиғи тұздықтар мен өзен, теңіз, көл суларында болады. Ондағы бор мөлшері аса жоғары болмайды. Мысалы, Индердің тұзды көлдерінде бордың мөлшері 0,35%-ке дейін жақындайды. Бораттарды күкірт қышқылды ыдыратудан алған ерітінділерде (Алға химкомбинаты) 3%-ке дейін бор қышқылы болады. Мұндай жағдайда бор қоршаған ортаға экологиялық қауіп туғызады. Бордың артық мөлшері адам және жануарлар ағзасына зиянын тигізеді, су қоймаларындағы биохимиялық процестерге әсер етіп, өсімдіктердің өсуін тоқтатады. Яғни, осы деректерден мынадай мәселелер туындайды: кедей бораттардан, су тұздықтарынан бордың аз мөлшерін бөліп алу және бормен ластанған суларды тазарту 23.
Бордың аз мөлшерін бөліп алудың бірден-бір жолы әдебиеттік мәліметтер бойынша-экстракция әдісі. Бор қышқылын экстракциялаудың физика-химиялық заңдылықтарын зерттеу саласында Қазақстандық ғалымдар Б.А. Бірімжанов, М.Р. Танашевалар жұмыс жасаған 24.
Латвиялық ғалымдар Шварц пен оның шәкірттері бор қышқылының оксиқышқылдармен әрекеттесу заңдылықтарын зерттеумен айналысып, бор қышқылының табиғаты әртүрлі гидроксил топтармен реакциясы бор химиясындағы ең маңызды реакциялардың бірі екендігін дәлелдеген 27.
Олардың негізінде бор қышқылының жоғары алкоголдар мен -диолдарда экстракциялануының тиімді әдістері алынады. -диолды топшасы бар қосылыстармен сілтілік ортада пайдалы қасиеттері бар комплекстік қосылыстар түзіледі. Полиолдармен күшті комплекстік қышқылдар түзу, мысалы, маннитпен борды алколометриялық, о-немесе хинондардың пери-гидрокситуындылары борды фото-, спектрофотометриялық және люминесценттік әдістермен анықтауға мүмкіндік береді.
Соңғы жылдардағы әдеби мәліметтер бойынша құрамында бор қышқылы бар көп компонентті жүйелер көптеген жұмыстарда қарастырылған .
Осылайша бор қосылыстарының химиясы мен технологиясына қатысты жұмыстардың ғылыми жариялынымдарына қысқаша әдеби шолу жасай отырып, төмендегідей тұжырымға келуге болады:
- қышқылдық және негіздік ыдырату әдістерін қолдана отырып, бор шикізатын бор қышқылына өңдеу саласында айтарлықтай жетістіктерге жеткен;
- бордың жаңа комплекстік қосылыстарын синтездеуге алып келген, бордың полиоксиқосылыстармен комплекстік қосылыстар синтездеу саласындағы табыстар;
- еру механизмі мен синтездің оңтайлы жағдайларын алуға мүмкіндік беретін еру жылдамдығының кинетикасын зерттеу мәселелеріне айтарлықтай көңіл бөлінген;
Термодинамикалық мәліметтер бойынша қиын еритін бораттардың еріткіштерінің еріткіштік қабілетінің төмендеуі бойынша қатар құрылды. Бірақ Индер кен орнының кедей бор шикізатын комплексті қолдану өте аз зерттелінген. Осы кезге дейін әдебиеттерде кедей бор шикізатынан борды бөліп алу жолдары жоқ.
Отандық кедей бор шикізатынан комплексті қолдану арқылы борды бөліп алудың жолдарын қарастыру бүгінгі таңда ең өзекті мәселелердің бірі болып табылады.
Қазіргі физика-химиялық анализдеу әдістерін қолдана отырып Индер кен орнының қиын еритін бораттарынан борды бөліп алу үшін экстрагенттерді таңдау мәселесі аса өзекті мәселелердің бірі болып табылады.
Индер кен орнының кедей бор шикізатын комплексті қолдану негізінде аса маңызды бораттарды жедел синтездеу әдістерін зерттеу тәуелсіз Қазақстанның экономикалық жағдайын шешуде перспективті және рационалды болып табылады 25.
Жоғарыда зерттелген жүйелердің бірде-бірінде нашар еритін табиғи борат қосылыстары, мысалы, Индер кен орнының минералдары болып табылатын колеманит, ашарит, гидроборацит және т.б түзілмеген.
Қорыта айтқанда А.Г. Курнакова, А.В. Николаевтар ұсынған бұл зерттеу жұмыстарының мәні бор қышқылы қатысындағы үштік, төрттік жүйелер негізінде табиғи және табиғатта жоқ бораттарды синтездеудің жолдарын анықтап, олардың физика-химиялық негізін талдау болды.
1.3 Натрий бораттары және олардың қолданылуы
Натрий бораттарының ішінде ең маңыздысы, халық шаруашылығанда көп қолданылатыны натрий тетрабораты Na2B4O7 болып табылады. Оның дека -, пента -, тетра -, ди -, моногидрат және сусыз тұз түрлері болады . (1-кесте)
Декагидрат натрий тетрабораты Na2B4O7 ∙10H2O (бура минералы немесе тинкал) немесе Na2[B4O5(OH4)]∙8H2O сутектік байланыстың әсерінен тізбектеліп қосылған аниондардан тұрады.
Тізбектің араларында натрий иондары және су молекулалары орналасады. Олар өз кезегінде бір-бірімен иондардың тартылыс күшімен және сутек иондарымен байланысады.
Декагидрат натрий тетрабораты құрғақ ауада желдетілінеді. Балқу температурасы 60,8oC. Ауада қыздыру барысында декагидрат құрылымы Na2[B4O5(OH4)]∙3H2O түрінде болатын метатұрақты пентагидратқа Na2B4O7 ∙5H2O (тинкалконит минералы)айналады. Пентагидрат гигроскопты, ауадағы ылғалды жұту барысында декагидратқа, ал 136oC дейін қыздырған кезде тетрагидратқа Na2B4O7∙4H2O (кернит минералы) айналады. Тетрагидраттың құрылымы келесідей болады: Na2[B4O6(OH2)]∙3H2O. Сулы ерітінділерден ол 60oC -тен жоғары температурада кристаллизацияланады. Температураны 161oC дейін көтерген кезде тетрагидрат құрылымы Na2[B4O5(OH4)] түрінде болатын дигидратқа (метакернит минералы) ауысады. Ал 260oC болғанда аморфты моногидрат түзіліп, температураны 380oC дейін ары қарай көтергенде сол сол аморфты моногидрат сусыз шыны тәріздес натрий тетраборатына Na2B4O7 айналады.
Сусыз натрий тетрабораты Na2B4O7 метатұрақты β(ромбылы) және γмоноклинді модификацияларға ие. Олардың балқу температуралары сәйкесінше 664 және 710оC, қайнау температуралары 1575оC. Суыту процесі кезінде балқыма тығыздығы 2.76 гсм3 болатын шынылар түзеді. Су буының қатысында HBO2 мен NaBO2 қоспасы түрінде буланады. Бура балқымасы металл оксидтерін оңай ерітеді. Суда ерігіштігі 3.1% (25oC), 9.5% (50oC). Натрий тетраборатының сулы ерітінділері буферлі қасиеттерге ие. 25oC кезінде этанолдағы ерігіштігі-0.05%, ацетонда-0.006%, глицерин мен диэтил эфирінде ерімейді, ал метанолмен борорганикалық қосылыстар түзеді.
Өндірістік жағдайларда натрий тетраборатын табиғи бураны қайта кристалдау арқылы немесе табиғи бораттардың, соның ішінде боронатрийкальцит, ашарит және т.б бораттарды натрий карбонаты, гидрокарбонаты қоспасымен әрекеттестіру арқылы алады. Бұрынғы Вавилон мен Египетте бураны шыны жасауда, алтынның пайкасында қолданған.
1-кесте. Натрий тетрабораты және оның кристаллогидраттарының қасиеттері
Көрсеткіш
α- Na2B4O7
Na2B4O7 ∙10H2O
Na2B4O7 ∙5H2O
Na2B4O7 ∙4H2O
Сингония
Тор пара - метрлері, нм:
a
b
c
α, град
β, град
γ, град
Кеңістік тобы
Тығыздығы, гсм[3]
Np*
Nm
Ng
Триклинді
0,65445
1,058
1,04855
93,279
94,870
90,843
P1
2,279
1,471
1,493
1,528
Моноклинді
1,18790
1,06440
1,22012
-
108,617
-
C2c
1,705
1,446
1,468
1,472
Тригональді
1,109
-
2,107
-
-
-
R32
1,88
1,401
-
1,474
Моноклинді
0,70172
0,91582
1,56774
-
108,861
-
P21c
1,903
1,445
1,473
1,488
Np*, Nm, Ng- сәйкесінше кіші, орташа, жоғары сыну көрсеткіштері
2-кесте. Натрий бораттарының құрамдық мөлшері
Натрий бораттарының химиялық атауы
Химиялық формуласы
Құрамындағы компоненттер мөлшері, %
B2O3
Na2O
H2O
декагидраттетраборат
Na2B4O7 ∙10H2O
36,5
16,3
47,2
пентагидраттетраборат
Na2B4O7 ∙5H2O
47,8
21,3
30,9
тетрагидраттетраборат
Na2B4O7 ∙4H2O
50,9
22,7
26,4
Дигидраттетраборат
Na2B4O7 ∙2H2O
58,82
26,05
15,13
моногидраттетраборат
Na2B4O7 ∙H2O
63,64
28,18
8,18
Дигидраттриборат
Na2B3O5 ∙2H2O
68,18
20,13
11,68
пентагидратпентаборат
Na2B5O8 ∙5H2O
71,14
12,6
16,26
гептагидратдекаборат
Na2B10O17 ∙7H2O
58,33
20,66
21
Натрий пербораты-формуласы Na2[B2(O2)2(OH)4]∙6H2O болатын комплексті қосылыс. Натрий бораттарының осы түрі ақ түсті кристаллды ұнтақ түрінде болады. Балқу температурасы 65+-0,5oC, тығыздығы 1731 кгм3. Герметикалық қорапта бөлме температурасында бір жыл бойы сақтаса белсенді оттектің тек 0,1% -ын жоғалтады. Фосфор ангидриді немесе концентрлі күкірт қышқылымен кептіру процесінде натрий пербораты үш молекула суын жоғалтып, құрамында 16% активті оттек бар Na2BO2∙H2O2 қосылысын түзеді. Ол жарылыс түзіп ыдырауы мүмкін. Ары қарай сусыздандырса NaBO2∙H2O2,
NaBO2∙xH2O және [(NaBO2)2O2] комплексті қосылысының қоспасын түзеді. Бұл қоспа оттек бөле отырып сумен жақсы әрекеттеседі және натрий метаборатын түзеді.
Натрий перборатын 30%-дық сутек пероксидімен төмен температурада буландырғын кезде төрт молекулалы сутек пероксиді бар қосылыс алынған.
Натрий перборатының судағы ерігіштігі айтарлықтай аз болып келеді. 100г суда 20oС температурада шамамен 2г, ал 38оС-та шамамен 3г ериді. Натрий пербораты суда еріген кезде сутек пероксидін түзе отырып гидролизденеді:
NaBO2∙H2O2∙3H2O -- NaBO2+H2O2+3H2O
Нарий перборатының сулы ерітіндісін 50-60oC дейін қыздырған кезде оттек айтарлықтай жылдамдықпен бөлінсе, 100oC температурада өте үлкен жылдамдықпен бөлінеді.
Сусыз кристалды метаборатта циклді үшборатты топтар анықталған. Натрий пербораты ағартқыш, тотықтырғыш және синтетикалық жуғыш заттардың басты компоненті ретінде кеңінен қолданылады.
1.4 Жасанды бораттар
Табиғи бораттар міндетті түрде әртүрлі қоспалармен бірге кездеседі. Бірақ, табиғатта таза бораттар да кездеседі. Сондықтан табиғи бораттарлың қасиеттерін тереңірек зерттеу үшін, алуан түрлі жасанды бораттарды алу жолын зерттеу өте маңызды.
Соңғы уақытта бор химиясына, әсіресе әртүрлі бораттарды синтездеуге арналған мақалалардың көбеюі, бор проблемалары химияның маңызды салаларына айналғанын көрсетеді. Бор химиясының соңғы жетістіктеріне шолу жасаған Адамстың, Г.К.Годенің фундаменталды еңбектерін атап өту керек. Фармер мен Хеллердің, Звиеде, Шварц, Белькийдің бор химиясына шолу жасаған мақалаларын атап өту керек 8, 28, 16,18, 11.
Бораттардың құрылысына шолу жасаған мақалалар жарық көрді, мысалы, Бокий мен Кравченконың, Крайтс пен Кларктың жұмыстары. Ткачев пен Плышевскийдың жұмысы бораттардың технологиясына арналған 4, 5.
Бор қышқылы және басқа әлсіз қышқылдар күрделі аниондар түзуге бейім болады. Д.И. Менделеев осы қасиеттерді былай деп тұжырымдаған болатын: әлсіз қышқылдар оңай және жылдам қышқыл тұздар түзуге бейім, өйткені әлсіз негіздер негіздік тұздарды оңай түзетін сияқты қышқылдар да қышқылдық оксидтер көп болғандықтан, қышқылдық тұздарды оңай түзеді. Борат- иондардың химиялық құрамына байланысты, ерітіндіде өзінің құрамын өзгерте алатын мүмкіншілігі, борат-иондарының өзіне тән қаситеттері болып табылады. Бор ионының екінші ионға оңай ауыса алатын қасиеті бойынша бор элементі ерекше орын алады. Бораттарды синтездеуде бордың осы қасиетін әрқашан есте ұстау керек. Салыстыру ретінде сульфат ионы мен барий иондарын әрекеттестірін қарайтын болсақ, барлық жағдайларда тек қана барий сульфаты алынады.
Борат қосылыстарымен жағдай өте күрделі. Мысалы, натрий боратымен орын ауыстыру реакциясы арқылы кальций хлоридімен әрекеттестіргенде, кальций боратынының орнына NaB4O7 басқа зат алынады. Бұл жағдайда кальций боратының сұйық түрі алынады, ол ұзақ уақыт кристалданбай тұра береді. Осыған орай, бораттардың тұздары кристалданбайды деген қате ұғым бастапқы кезде орын алады. Бірақ кейіннен борат тұздарының кристалды формалары табиғатта табылды және синтездеу әдісімен де бораттардың кристалды формалары алынды.
Бор элементінің периодтық жүйедегі орнына байланысты ерекше қасиеттерді меншіктейді. Бұл қасиеттер -ядро заряды мен электрондар саны өте аз, үш валентті ионның радиусы қысқа. Сондықтан әртүрлі бораттарды синтездеу барысында, сұйық және қатты фазада тепе-теңдікте тұрған борат-иондардың құрамының арасындағы байланысты білу керек.
Жасанды бораттар кристаллогидрат түрінде ғана түзіледі. Судың кристалданған формасының саны көпшілік жағдайда синтездеу әдісіне байланысты. Бораттар аморфты, кристалды формада немесе үлкен кристалды түрде бөлініп шығуы мүмкін. Бірақ, көпшілік жағдайда бораттар ұсақ кристалды түрде алынады. Бораттардың алғашқы алу жолдары орын алмастыру реакциясы бойынша натрий боратының ерітіндісін сілтілік жер металдарының тұздарымен немесе ауыр металдармен әрекеттестіру арқылы алынды. Бордың шығысы аз болғандықтан, бұл әдістің ұғымдылығы аса көп емес. Соңғы уақытта бор қосылыстарын және басқа пайдалы компоненттерді көп шығынғы ұшыратпайтын бораттарды алу әдістері ұсынылған.
Бораттардың сілтілік металдармен түзілген тұздарының көпшілігі тетраэдрлік формада болады. Егер бораттарды 50оC температурадан төмен және сулы ерітіндіден алатын болса, онда аралды бораттар алынады. Қыздырған кезде біріне-бірі жақын тұрған гидроксил топтары негізінде су молекуласы бөлініп, екі бор атомының арасын оттегі атомдары қосып, күрделі бораттар алынады. Жоғары температурада (200oC дейін) сілтілік бораттардан әртүрлі мөлшерде су молекулалары бөлініп, тізбекті борат қосылыстары алынады. Тізбекті бораттар 75oC төмен температурада сулы ерітінділер ортасынан да түзіледі. Тізбекті бораттарды әрі қарай қыздырса, тағы да су молекулалары бөлініп, қатпарлы бораттар алынады.
Бораттарды синтездеу барысында, бір полиборат анионы екінші түріне ауыспайтындай жағдай туғызу керек. Ол үшін, реакцияның рН, температураны және реагенттердің концентрациясын қадағалап отыру керек. Әсіресе, реакция барысында шыққан өнімдерді тұнбаға түсірген кезде, рН көрсеткішті тұрақты мөлшерде немесе өте аз аралықта өзгеретіндей жағдайда ұстау керек.
А.Д.Кешан реакцияның рН тұрақты ұстағанда әртүрлі таза бораттарды алуға болатынын көрсетті және бораттардың кристалдану процесін ондаған күннен бір күнге, тіпті, бірнеше сағатқа дейін қысқартты. Осының нәтижесінде, құрылысы әртүрлі таза кристалды бораттар алу әдісі табылды 3.
Сыртқы жағдай бірдей болған кезде (температура, ортаның рН) таза бораттарды алу факторлары мынадай жағдайларға тәуелді:
1) тұнбаға түсетін бораттардың құрамы;
2) реакцияға алынаған бастапқы заттардың сандық мөлшерінің қатынасы;
3) бастапқы заттардың концентрациясы.
Бастапқы заттардың сандық қатынасының маңызы зор. Кешанның тұжырымдамасы бойынша, әрбір борат-иондар белгілі рН көрсеткіші аралығында ғана тұрақты болады. Егер бораттарды тұнбаға түсірген кезде ортаның рН мәні тұрақсыз болса немесе күрт өзгеріп кетсе, ерітіндідегі борат-иондардың құрамы өзгереді және қатты фазада әртүрлі бораттардың қоспалары алынады. Құрамы белгілі бораттар алу үшін, сұйық фазаның рН мәнін тұрақты ұстау керек. Ол үшін буфер ерітінділерін пайдаланады. Мұндай ерітінділер ретінде ацетат немесе борат буферлерін қолданады.
Бораттарды алуда реакцияға алынған бастапқы заттардың сандық қатынастарына алғашқы кезде үлкен мән берілмеді. Кейіннен борат-иондардың құрылысы реакцияласатын заттардың салыстырмалы мөлшеріне, катиондардың табиғатына, концентрацияға тығыз байланысты екендігі анықталды. Реакциялық ерітіндіде әртүрлі катиондардың тек біреуі ғана белгілі боратпен қосылуға бейім келеді. Сол катионмен қосылған бораттың тұзы қанық ерітінді түзіп, кристалданады.
Құрамында әртүрлі металдардың катионы бар жүйеде (Na+, K+, Mg+, Ca+) сұйық фазаның рН мәнімен кристалдық қатты фазаның арасында тәуелділік бар екендігі анықталды. Мына диаграмманы басшылыққа ала отырып, бораттарды алу процесін жоспарлы жүйеге келтіруге болады.
1-сурет. Сұйық фазаның рН мәнімен қатты фазаның арасындағы тәуелділік
1-бор қышқылы, 2-декаборат, 3-тетраборат, 4-диборат, 5-гексаборат,
6-үшборат, 7-MgOH2
Осы суреттен бораттардың қасиеттері және оларды синтездеу тек бор ангидридіне В2O3 ғана байланысты емес, сонымен қатар, металдың табиғатына да байланысты екендігін ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz