Сирек жер элементтері

РЕФЕРАТ

Дипломдық жұмыс 44 беттен, 12 кестеден, 15 суреттен және 37 әдебиеттер тізімінен тұрады.

Түйін сөздер: Се - церий, ЦВА - циклдік вольтамперометрия, ДВА - дифференциалды вольтамперометрия, вольтамперограмма, потенциостат, модифицирленген электродтар, редокс-потенциал, разрядтанy, ионданy, катодтық шың, анодтық шың, күріш қаyызы, модифицерленген күріш қаyызы, градyирлеy графигі.

Жұмыстa aлғaш рeт күріш қаyызы негізінде церийдің наноөлшемді бөлшектері бар композитті мaтериaлдар дaйындалды. Физикалық және физика-химиялық әдістер көмегімен олардың құрылымдары зерттеліп, композиттегі құрамында церий бар бөлшектердің өлшемдері бағаланды.

Цeрий(ІІІ) иондарының модифицирленген электродтағы электрхимиялық қасиеттері әр түрлі фонды электролиттер қoлдaнылып циклдік вoльтaмпeрoмeтрия әдiсiмeн зeрттелді.

Церий(III) - дің модифицерленген электродтағы тотығy-тотықсызданy үрдістеріне Се ³⁺ ионының ерітіндідегі концентрациясының (1* $10^{- 3} \div 4*10^{- 5}$ моль/л) әсері зерттеліп, оның аналитикалық анықталатын концентрациялар аумағы табылды.

РЕФЕРАТ

Дипломная работа изложена на 44 листах, содержит 12 таблицы, 15 рисyнков, использовано 37 источников отечественных и зарyбежных авторов

Ключевые слова : Се - церий, ЦВА- циклическая вольтамперометрия, ДВА- дифференциальная вольтамперометрия, вольтамперограмма, потенциостат, модифицированные электроды, редокс-потенциал, разряжение, ионизация, катодный пик, анодный пик, рисовая шелyха, модифицированная рисовая шелyха, градyировочный график.

Впервые в работе изготовлены композитные материалы на основе рисовой шелухи содержащие нано частицы церия. С помощью физика и физико-химических методов изучены структуры и оценены размеры частиц церия в композите.

Электрохимические свойства ионов церий(ІІІ) на модифицированным электроде на разных фоновых электролитов были изучены методом циклической вольтамперометрии.

В окислительно-восстановительном процессе церия(ІІІ) на модифицированным электроде были изучены влиние концентрации (1* $10^{- 3} \div 4*10^{- 5}$ моль/л) на ионов Се ³⁺ в растворе

REPORT

Diploma thesis is presents on 44 sheets, contains 12 tables, 16 figures, applied 37 sources of domestic and foreign authors.

Keywords: Се - cerium, CVA - cyclic voltammetry, differential voltammatry, voltammogram, potentiostat, modified electrode, redox potential, rank, ionization, chatodic peak, anode peak, rice husks, modified rice husks, the calibration curve.

First manufactured in composite materials based on rice husk containing nano particles of cerium. With the help of physics and physico-chemical methods to study the structure and estimated the size of the particles of cerium in the composite.

The electrochemical properties of ion cerium (III) on the modified electrode in different background electrolytes were studied by cyclic voltammetry.

The redox process of cerium (III) on the modified electrode were studied vlinie concentration (1* $10^{- 3} \div 4*10^{- 5}$ mol / L) in the Ce ³⁺ ions in solution.

БЕЛГІЛЕУЛЕР ЖӘНЕ ҚЫСҚАРТУЛАР

КІРІСПЕ

Соңғы уақытта сирек жер металдарына(СЖМ) деген сұраныс олардың өзіндік қайталанбас қасиеттеріне байланысты артып отыр. СЖМ көп жағдайда осы металдарға өте кедей металлургиялық қалдықтардан өндіріледі. Осыған байланысты өндіріс барысында олардың іздік мөлшерлеріне электраналитикалық бақылау жүргізу қажеттігі туындайды. Сирек жер элементтері алдыңғы қатарлы өндіріс салаларында кең қолданылатын және де кез келген мемлекеттің экономикалық және қорғаныс қауіпсіздігін қамтамасыз ететін болашағы зор металдар ретінде зерттеушілердің назарын аударуда. СЖМ ірі өндірушісі -Қытай мемлекеті. СЖМ нарығындағы орын алған келеңсіз жағдайларға байланысты Қытай бұл металдарды экспорттауды азайтқан болатын. Бірқатар мемлекеттер туындаған мәселелерді шешуге тырысуда. Бүкіләлемдік нарықта Қазақстанда өндірілетін сирек кездесетін металдарға деген сұраныс арта түсуіне орай «Қазатомпром» тағы бір жапон фирмасымен сирек металдарды өндірумен айналысатын бірлескен кәсіпорын құру жөніндегі келісімге қол қойған болатын. Болашақта еліміз СЖМ өндіріп, техника мен технологияның алдыңғы қатарына шығатынына сенімдімін.

Жұмыстың мақсаты : церийдің электрхимиялық қасиетін зерттеуге және оны сандық талдауға күріш қауызы негізінде жасалған модифицерленген электродты қолдану.

Жұмыстың өзектілігі :табиғи шикізат құрамынан металдарды бөліп шығарy және өндірістік қалдықтарды қайта өндеy барысында сирек жер элементтерінің төменгі мөлшерлеріне аналитикалық бақылаy жүргізy қажеттілігі тyындайды. Осы мақсатта соңғы жылдары сезімталдығы жоғары қатты электродтар қолданылып жүргізілетін электрхимиялық әдістер кеңінен қолданылады. Церийдің сұйық және қатты графитті электродтардағы қасиеттері әр түрлі химиялық, физика-химиялық және физикалық әдістер қолданылып зерттелген. Электродта жүретін реакциялардың қайтымдылығы, өлшеyлердің қайталанымдылығы және әдістің сезімталдығы көбінесе қолданылатын индикаторлы электродтың беттік қасиеттеріне тәyелді. Осыған орай біз церийдің төменгі мөлшерлерін сандық анықтаy мақсатында оның разрядтанy-ионданy процестерін вольтамперметрлік әдістермен күріш қаyызы негізінде даярланған композитті электродтарда зерттедік.

Жұмыстың міндеттері: күріш қаyызынан композитті материалдарды алy және олардың табиғатын зерттеy; күріш қаyызы негізіндегі композитті материалдардан көмір-пасталы электродтар дайындаy; күріш қаyызы және оның церий иондарымен түрлендірілген электродының электрхимиялық қасиеттерін зерттеy.

1. ӘДЕБИ ШОЛУ

1. 1 Сирек жер элементтері. Церий

Сирек жер элементтері (СЖЭ) - Д. И. Менделеевтің периодтық системасының ІІІ тобында орналасқан 17 металл: скандий, иттрий және лантаноидтар. Сирек жер элементтерінің химиялық қасиеттері бір-біріне ұқсас. Олардың атомының электродтық конфигурациясы қысқаша: скандий үшін [Ar] 3d ¹ 4s ² , иттрий [Kr] 4d ¹ 5s ² , лантан [Xe] 5d ₁ 6s ² (кесте 1) [1] .

Кесте 1

Лантаноидтардың атомдық массасы және әртүрлі тотығу дәрежесіндегі электрон атомы мен иондарының конфигурациясы

Кейбір лантаноидтар ІІІ валенттіліктен басқа, IV валенттілік (Ce, Pr, Tb) және ІІ валенттілікті де (Sm, Eu, Yb) көрсетеді. Церийдің көрсететін IV валенттігі 4f -топшасының тұрақсыздығымен түсіндіріледі. Церийде 4f-топшасында электрондар пайда болады[2] .

1794жылы ең алғаш рет СЖЭ -нің қоспасын иттербит минералынан фин химигі Гадолин бөліп алды [2] . 1803 жылы Клапрот, Берцелиус және Хизинберг Бастенес (Швеция) деген кеніштен алынған "қара тас" көшірмесінен алынған церий минералдарын зерттеп, жаңа жерлер анықталып, оларға церийлі жерлер деген атау берілді[3] . Церий деп кіш планета Церераның атымен қойылған [4] . 1907 жылға қарай барлық 14 СЖЭ-терімен қоса скандий мен иттрий ашылған[2] .

Кесте 2

Сирек жер металлдары (СЖМ, СЖЭ) TR = Ln + Y

1. 1. 1 Физикалық қасиеттері

СЖЭ жылтыр -ақ түсті, ұнтақ күйінде сұр түстен қара түске дейін өзгереді. Химиялық таза күйінде олар жоғары электрөткізгіштік қасиетқе ие. Иілімді, Бринелль бойынша қаттылық реті 20-30 бірлік[2] .

СЖЭ -нің меншікті салмағы реттік нөмері артқан сайын өседі. Бұл заңдылыққа самарий, европий және иттербий бағынбайды [3] .

Церий мен лантан жақсы қақталып, пышақпен оңай кесіледі. Металл церий сым түрінде жақсы тартылады[5] .

Металдық церийде төменгі температураларда ферромагниттік қоспалардың ластануымен байланысты гистерезис және кейбір басқада магнитохимиялық қасиеттер байқалады.

Нашар көрсетілген ауытқудың және Ce, Pr, Nd төменгі температурада жылусыйымдылығының өзгеруі негізінде, олардың төменгі температура аймағында антиферромагнитті болатыны туралы болжам айтылған.

Церий ең аз тұтану температурасына ие, осы қасиетімен оның жоғары пирофорлығы түсіндіріледі. Бірақ, ең жоғары тұтану температурасына ие лантан пирофорлы қасиет көрсетпейді. Ол тек өте қатты соққы кезінде ұшқын шығарады[3] .

1. 1. 2 Химиялық қасиеттері

Сирек жер металлдарының химиялық активтілігі жоғары ерекшеленеді. Жеңіл сирек жер металдары қыздарған кезде оттегі атмосферасында жанып, тотықтар түзеді. 1 г металл церий жанса 1603, 2 ккал жылу бөлінеді.

Церийлі лента бунзен жанарғысының жалынында жанып, магнийге қарағанда жарықты қарқынды бөледі. Қалған сирек жер металлдары да жанғанда көп көлемде жарық және жылу бөледі.

Металдық церийдің тотығуы 30-125 ⁰ С аралығында параболалық заңдылық бойынша жүреді, 125 ⁰ С жоғары болса бұл тәуелділік сызықтық болады.

Сұйытылған минералды қышқылдар сирек жер металлдарын оңай ерітіп, сутек бөледі. Суықта, концентрленген азот және күкірт қышқылында металл церий, негізінен церий диоксидінің гидратынан тұратын аморфты қоңыр затқа айналады.

Металдық церий қыздыру кезінде хлорды құрамында хлоры бар органикалық қосылыстардан да бөліп алады. 3CH ₃ Cl+4Ce=CeCl ₃ +3CeH ₃ +3C[3] .

Сирек жер металлдары жақсы тотықсыздандырғыштар, көптеген тотықтарды металлға дейін тотықсыздандырады. СО және СО ₂ цериймен тотықсыздандырылады [2] .

СЖЭ -нің карбонаттары, фторидтері, фосфаттары және оксалаттары қиын еритін тұздардың қатарына жатады [6] .

1. 1. 3 Минералдары

СЖЭ -нің фосфаттар, карбонаттар, фторидтер, силикаттар, сульфидтер, бораттар классына жататын 70 жуық меншікті минералдары бар. Одан басқа, сирек жерлер 280-ге жуық минералдардың құрамына қоспа ретінде кіреді. Құрамындағы элементтерге байланысты СЖЭ мынадай топтарға бөлінеді:

• цeрийлі ( бастнезит, паризит, лопарит, монацит, кноптит, эвдиалит)
• гaдoлинийлі (самарскит және т. б. )
• иттрийлi(эвксенит, ксенотим, иттриалит және т. б)
• иттpий-иттербилі (фергюсонит және т. б)
• кoмплексті (ортит, пирохлор, гадолинит, апатит, сфен және т. б)

Eрeкшe мaңызды сирeк жeр минeрaлдaрының бірі -бастнезит. Бастнезит құрамында цeрийдiң фтopкaрбoнaты бар. Оның кристалдары : қызғылт, сары, қоңыр. Бастнезит құрамында 10% ThO ₂ , 20-46% La ₂ O ₃ , Pr ₂ O ₃ , Nd ₂ O ₃ , 28-75% Ce ₂ O ₃ бар.

Монацит гранитоидтардың және әр түрлі метаморфтық жыныстардың акцессорлық минералдары ретінде кеңінен таралған. Бұл сары-қоңыр түсті фосфаттар классының минералы. Ол химиялық және механикалық берік. Минерал құрамына : 50-68% СЖЭ оксидтері, 5% -иттрийдің оксиді, 5-10% -торийдің оксиді, 7% цироконийдің оксиді, 6%- кремний оксиді, кальций оксиді және күкірт (VІ) оксиді кіреді.

Құрамында церий бар минералдар: монацит, паризит, черчит, рабдофанит, бастнезит, кнопит, пирохлор, самарскит, церианит, эвксенит, гадолинит, ортит, эвдиалит, сонымен қатар беловит, флоренсит, черчит, кордилит, синхизит, мариньякит, эшинит, иттроцерит, флюоцерит, чевки- нинит, церит, стенструпин, ринколит, бритолит (апатит, лопа- рит, пирохлор, циркон) [7] .

1. 1. 4. Табиғатта кездесуі

СЖЭ жер қыртысында қаншалықты кең таралса, космоста да соншалықты кең таралған. Бұндай шешімге күн мен аспан денелерін спектарльды зерттеудің нәтижесінде келген [8] .

СЖЭ өндіруде жетекші орында ҚХР. Онымен бірге СЖЭ өндіретін елдер: Индия, Бразилия, Малайзия. СЖЭ сақтаулы қоры : Австралияда, Бразилияда, Индияда, ҚХР-да, Канадада, Малайзияда, ТМД, АҚШ, ОАР және де басқа елдерде бар [9] .

Ертеректе СЖЭ -ін Норвегияда, Таиландта, БАЭ-да өндірілген.

Қазақстан жерінде СЖЭ-рі Жоғарға Қайрақты, Оңтүстік Жаур, Батыстау, Жанет, Байназар, Ақшатау, Қараоба, Жаңатас, Көксу, Кокджон, Ақсай, Түйесай, Шолақтау, Шоқаш, Шпаковка, Құмкөл, Сандыкөл және т. б. жерлерде кездеседі [10] .

Кесте 3

Сирек жер концентраттары, металдары және олардың оксидтерінің бағасы (долл. /кг, фоб порты АҚШ, Жапония)

3-кестенің жалғасы

1. 1. 5. Қолданылуы

СЖЭ өткен ғасырдың екінші жартысынан бастап қолданыла бастады. Сол уақытта СЖЭ газокалильді торларды және жарықтандырғыш газды қалта шамдардың қалпақшасын жасау өнеркәсібінде қолданылды. ХХ ғасырдың соңғы он жылдығында әр түрлі елдерде зерттеулер жүргізіліп, СЖЭ қосылыстары мен металлдарын көптеген өндіріс салаларында қолдануға болатындығын көрсетілді[2] .

СЖЭ тұздары мен металлдарын әр түрлі облыстарда қолданылуы :

Қара металлургияда: аз көміртекті болат, тот баспайтын болат, шойын, пирофорлі қоспа дайындау өндірісінде;

Түсті металлургияда: магнийлі қоспа, алюминийлі қоспа, титан қоспасы, баяу балқитын металл, мысты қоспа дайындау өндірісінде;

Шыны өнеркәсібінде: полирит, түссіз шыны, түрлі-түсті шыны, оптикалық шыны, фотосезгіш шыны жасау үшін;

Керамика өндірісінде: эмаль мен глазурь, отқа берік материалдар дайындау үшін ;

Жарық техникасы өндірісінде: оптикалық лазерлер үшін материалдар дайындау үшін;

Катализаторлар дайындау және фосфор дайындау өнеркәсібінде;

Электроника өнеркәсібінде: катод, геттерлер, ферриттер, граната, конденсатор, резистор, жартылай өткізгіш материалдар жасауда;

Ядролық техника өнеркәсібінде: жанармай, реттегіш элемент, экрандаушы материалдар және конструкциялық материалдар дайындауда;

Басқа да салалар: жағармай өндірісінде, фармакология, фотография, металлдарды өңдеу, аналитика саласында өз қолданысын тапты[11] .

Аса берік шойын өндірісінде СЖЭ маңызды роль атқарады. Айтарлық, 0, 15% Се шойынның физико-механикалық көрсеткіштерін арттырады.

Шыны өнеркәсібінде СЖЭ шыныны бояу үшін қолданады. Мысалы, СеО ₂ -сары түс, Nd ₂ O ₃ -қызыл түс, Pr ₂ O ₃ -жасыл түс береді [2] .

1. 2. Химиялық талдау әдістері

Химиялық талдау әдістері химиялық реакция жүргізуге негізделген. Реакция жүргізіп, содан кейін аналитикалық әсерін бақылап немесе аналитикалық сигналды өлшейді [12] .

Оксалаттарды тұндыру реакциясы СЖЭ бөгде қоспалардан (кальций, темір және т. б. ) бөлу үшін қажетті маңызды процесс [13] .

Қалыпты жағдайда сирек жер тобының элементтері қалыпты ертіндідегі ионның түсіне ұқсас түске боялған тұздар Ln ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ *nH ₂ O түзеді. СЖЭ-ін қымыздық қышқылы немесе оның тұздарымен бөлу кезінде, бірте-бірте ірі кристалға айналатын, аморфты қалдықтарға ұқсас өте ұсақ кристалды қалдықтар түзеді. Оксалаттарды қымыздық қышқылының эфирімен тұндыру кезінде бірден ірі кристалды қалдықтар түзіледі.

Суы аз гидраттар түзе алатын өте ауыр СЖЭ-нен өзге көптеген оксалаттар қалыпты жағдайда судың 10 молекуласымен кристалданады. СЖЭ-нің сусыз оксалаттары тұрақты болмағандықтан, олар 400 ⁰ С-та тотықтар түзіп ыдырайды. Ал, лантанда аралық өнім ретінде оксикарбонат түзіледі. Ол тұрақты, сондықтан да таразылық анықтауға ұсынылады. Білуімізше, карбонаттар өзге де СЖЭ -мен қосылыстар түзеді, бірақ температураға тұрақсыздығынан олар ұзақ сақталмайды.

Осылайша, оксалаттарды тұндыру барысында соңғы салмақтық өнім ретінде түзілуі 720-750 ⁰ С аяқталатын тотық болады. (La) және (Pr) оксалаттарының толық ыдырауы үшін жоғары температура (-800 ⁰ С) қажет, ал Се оксалатының ыдырауы 360 ⁰ С аяқталады. Бұл жағдайда, Се ³⁺ -тің Се ⁴⁺ -ке тотығуы кристалдық тордың бұзылуын жеңілдетіп, толық ыдырау кезінде температураның төмендеуіне әсер етеді.

Практикалық тұрғыдан қарағанда, белгілі бір шығындарды болдырмас үшін, СЖЭ-ін олардың концентрациясы <0, 01М ерітіндіде тұндырмаған жөн. Аз көлемдегі таза ерітінділерді тұндырған кезде, реакцияны 0-20 ⁰ С-та 2, 5 еселі Н ₂ С ₂ О ₄ артық мөлшерімен жүргізіп, тұнбасы бар ерітіндіні бірнеше минут араластырып және ерітіндіде тұнбаны бір сағаттан кем емес уақыт ұстау керек. Бастапқы ерітіндіде минералды қышқылдар мен комплекс түзуші агенттер артық мөлшерде болмауы қажет. Осы шарттар сақталған болса, тұндыру кезіндегі шығын 0, 03-0, 3% құрауы мүмкін.

Гидрототықтарды тұндыру, СЖЭ-ін қоспалардан бөлу немесе таза үлгілердің регенерациясы кезіндегі бөлінетін өте сезімтал реакция сияқты, алдын-ала жасалатын операция ретінде өткізіледі. Кейбір жағдайларда, оксалаттарды тұндыруға қарағанда гидрототықтарды тұндыру ыңғайлы, себебі, гидрототықтар төмен температураларда ыдырай береді.

Сілтілік ерітіндіде H ₂ O ₂ , (NaOH+Cl ₂ ) гипохлорит немесе NaBiO ₃ көмегімен церийдің төрт валентті гидрототығы алынады. Екі валентті СЖЭ-не сәйкес гидрототықтардан Sm(OH) ₂ алынады [13] .

1. 3. Физика-химиялық талдау әдістері

Физика-химиялық талдау әдістері химиялық реакция кезінде пайда болатын немесе өзгеретін заттардың физикалық қасиетін өлшеуге негізделген. Бұл әдісте ең алдымен реакция жүргізіп, сосын реакция өнімнің физикалық қасиетін өлшейді [12] .

---

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.

• 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