Получение и свойства гидроксохлорида железа (III), текстурированного в полые шарообразные макрочастицы

Московский государственный университетим. М. В. ЛомоносоваХимический факультетПолучение и свойства гидроксохлорида железа (III),текстурированного в полые шарообразныемакрочастицыКурсовая работа студента1ХХ группыХХХХХХХРуководитель: доцент, к. х. н.ХХХХХХХХПреподаватель: к.

х. н. ХХХХХХМосква ХХХХОглавление1. Введение2. Литературный обзор2.1. Гидроксидные фазы железа (III)2.2. Гидроксохлоридные фазы железа (III)2.3. Гидроксоформы других солей железа (III)3. Экспериментальная часть3.1. Синтез макротекстурированного гидроксохлорида железа (III)3.2. Эектронно-микроскопическое исследование образцов3.3. Определение содержания в образцах хлорид-ионов3.4. Рентгенофазовый анализ3.5.

Tермoгравиметрический анализ4. Обсуждение результатов5. Выводы6. Список литературы3556788891415181920Введение2Свойства материалов зависят не только от их внутренней структуры,но и от того, какова текстура материала. Изучению текстуры различныхматериалов посвящено огромное число исследований. Однако в последнеевремя внимание стало привлекать не только микротекстурированиематериалов (масштаб которого обычно составлял 10-20 мкм), но и егомакротекстурирование, т.е. искусственное создание таких макротекстур,масштаб которых составляет от долей миллиметра до 2 - 4 миллиметров.В качестве модельного материала, на примере которогопредполагалось изучить влияние макротекстурирования на свойстваматериала, в лаборатории гетерогенных процессов выбрали гидроксиджелеза(III). Гидроксид железа - широко используемый на практике материал(в качестве сорбента, наполнителя и т.д.). Кроме того, при нагреваниигидроксида железа легко получить другой важный материал - оксиджелеза(III) Fe2O3.

Наконец, при нагревании гидроксида железа ввосстановительной атмосфере получают порошки железа, используемые каккатализатор и т.п.Для макротекстурирования гидроксида железа(III) был выбран метод,связанный с формированием слоя гидроксида железа на поверхности капельраствора хлорида железа(III) за счёт введения этих капель на определённоевремя в атмосферу аммиака.Исследования, выполненные в лаборатории ранее, показали, что привосстановлении таких полых частиц водородом при температуре от 3800С до7500С получаемое α-железо находится в двух формах.

Доминирующейформой выступает форма, связанная с образованием при восстановлениибесформенных частиц α-железа с размером 0.5 - 3 мкм. Но, кроме этойформы, постоянно возникает и вторая форма - нитевидные частицы αжелеза длиной до 150 - 200 мкм и диаметром около 1 мкм (рис.1).Возможно, что формирование нитеобразных частиц железа связано сособенностями состава и строения исходных макротекстурированныхчастиц гидроксохлорида железа.

Поэтому в данной работе была поставленацель - синтезировать и выявить важнейшие характеристики полыхмакротекстурированных частиц гидроксохлорида железа(III).В качестве методов исследования были выбраны: химический анализ(метод прямой потенциометрии с использованием хлорсеребряногоэлектрода), рентгенофазовый анализ и дифференциально-термическийгравиметрический анализ. Кроме того, поверхность полых макрочастицбыла охарактеризована по данным электронно-микроскопического анализа,а их качественный состав - по данным рентгенофлюоресцентногомикроанализа.а3бРис.

1. Нитеобразные частицы α-железа, образующиеся привосстановлении водородом полых макротекстурированных частицгидроксохлорида железа (III)Температуры восстановления:а - 500°С ; б - 600°С4Литературный обзор1. Гидроксидные фазы железа(III)В литературе не существует единого мнения по поводу состава,строения и свойств гидроксидных фаз, получаемых при осажденииразличными основаниями из солей железа(III).Так, в работе [12] сообщено, что при действии аммиака на растворысолей железа(III) выпадает в осадок некристаллизующийся гидроксиджелеза(III) в виде объёмистого геля светло-бурого цвета, содержание воды вкотором обычно больше, чем соответствует формуле Fe(OH)3. С моментаобразования это вещество начинает дегидратироваться, причём процессдегидратации идёт непрерывно и прекращается в тот момент, когда составсоединения отвечает формуле FeO(OH) [12].В других источниках можно найти несколько другой вариантописания процесса осаждения: там указано, что при действии аммиака нараствор солей Fe3+ образуется оксид трёхвалентного железа в виде краснобурого осадка, из которого образуются гели с различным содержанием воды[11].

Как видно из вышесказанного, общим является мнение, чтогидроксидным фазам железа(III) свойственна интенсивная дегидратация.Также в литературе имеются данные об образовании при действииоснований на растворы солей железа (III) осадков нестехиометрическихосновных солей. Так, например, при действии аммиака на раствор сульфатажелеза (III) образуется осадок, состав которого отвечает формулеNH4Fe3(OH)6(SO4)2 [1]. Это вещество называют ярозитом.

В ярозите ионаммония при определенных значениях рН может легко замещатьсяпротоном [3]. При проведении осаждения не аммиаком, а раствором КОН,состав осадка изменяется лишь качественно - вместо иона аммония в осадкесодержится ион К+ [4].Однако, при проведении осаждения различными осадителями (NH3,КОН, NaOH) одинаковой концентрации, мольные соотношения входящих всостав осадка ионов не изменяются [5].Гораздо более существенное влияние на состав осадков оказываютусловия проведения осаждения. Так, при приливании раствора КОН краствору Fe2(SO4)3, полученное вещество содержит больше сульфат - ионов,чем осадок, полученный при проведении реакции в обратнойпоследовательности [2].Гидроксохлоридные фазы железа (III)При образовании осадка в растворе, в котором присутствуют ионыхлора, в состав образующегося вещества непременновходит хлор.3+могут быть полученыХлорсодержащие оксо- и гидроксосоли Feразличными путями.

Так, сообщено о получении фазы, содержащейоксихлорид железа(III), путём окисления кислородом воздуха смесиFe(OH)Cl и Fe(OH)2 в растворе, содержащем хлорид аммония. Авторыпредполагают, что состав осадка приблизительно выражается формулой3Fe(OH)2∗FeOCl∗xH20 [15]. Соединения подобного типа в литературеназываются «Green Rust» (зелёная ржавчина) из-за того, что они содержатодновременно двух- и трехвалентное железо [21, 22]. Упоминается такжетермическая нестабильность соединений подобного типа: при нагреванииони переходят в Fe3O4 [16].Фаза «Green Rust» может быть стабилизирована вприсутствии хлорид- или сульфат ионов, которые, однако не очень прочно сней связаны.В присутствии достаточно большого количества воды Green Rustобменивает стабилизирующие её анионы на гидроксо-группы, наличиекоторых ускоряет переход этой фазы в гидратированные оксидные формы,менее растворимые, а, следовательно, более устойчивые [14,17, 18, 19].Также сообщено об образовании различных двойных солей,содержащих как ионы аммония и трёхвалентное железо, так и воду:2NH4Cl∗FeCl3∗H2O, NH4Cl∗FeCl3, NH4Cl∗ ∗2FeC3∗4H2O,NH4Cl∗4FeCl3∗6H2O [20].FeOCl имеет тёмно-коричневую окраску, как и все основные солитрёхвалентного железа.

При нагревании до 300 °С он постепенноразлагается:3FeOCl → Fe2O3 + FeCl3При более высоких температурах начинает возгоняться хлориджелеза FeCl3 [10, 11, 13].В общем, оксихлоридные фазы трёхвалентного железа гораздо болееустойчивы к изменениям среды, чем гидроксофазы: они растворяютсятолько в растворах сильных кислот, таких, как Н2SO4, HCl, HNO3. Впроцессе старения гидроксидные фазы железа(III) переходят, отщепляяотносительно слабо связанную кристаллизационную воду, в оксо-соли [9].

Врезультате получается смесь аморфной и кристаллической фаз.Выполнено количественное определение содержания данных фаз наразличных этапах старения гидрогелей Fe(III) [7].При старениигидроксохлоридных фаз происходит постепенный переход сначала в α FeOOH (гётит), а затем в α-Fe2O3 [8].Гидроксоформы других солей железа (III)Существуетбольшоеколичестворазличныхсоединенийтрёхвалентного железа, в состав которых, помимо самого железа, входятатомы кислорода, водорода, хлора, серы, азота и многих других соединений.Разнообразие химии гидроксо- и оксосоединений железа (III) объясняется,во-первых, большим сродством атома железа к кислороду, во-вторых, оченьмалым значением произведений растворимости его гидроксосолей, и, втретьих, ярко выраженной склонностью к гидролизу иона Fe3+:Fe3+ + 2H2O ↔ FeOH2+ + H30+FeOH2+ + 2H2O ↔ Fe(OH)2+ + H3O+Fe(OH)2+ + 2H2O ↔ Fe(OH)3 + H3O+И, несмотря на то, что гидролизом по второй и третьей ступениможно, в принципе, пренебречь (из-за малости значений соответствующихконстант), именно присутствием в растворе гидроксидных формтрёхвалентного железа объясняют бурую окраску водных растворов егосолей [10].Помимо ярозита, к соединениям, содержащим гидроксидную фазутрёхвалентного железа более или менее стехиометрического состава, можноотнести и описанный в литературе аморфный основной сульфат2Fe2O3∗SO3∗x H2O.