Опробование растворов

Лекция 13. Опробование растворов

План

1. Выпаривание растворов в чашечках из пробирного свинца.
2. Цементация золота и серебра цинковой пылью с последующей кислотной обработкой.
3. Осадительные методы.
4. Сорбционные методы.

            Для определения содержания благородных металлов в жидких пробах могут быть использованы пробирные, титриметрические и спектральные методы анализа. Рассмотрим только пробирные методы анализа, которые подразделяются на: 1) выпаривание растворов в чашечках из пробирного свинца с последующим шерберованием и купелированием сухого остатка;  2) цементацию золота и серебра цинковой пылью с последующей кислотной обработкой цементного осадка и купелированием свинцового остатка; 3) осадительные методы;  4) сорбционные способы.

Выпаривание растворов в чашечках из пробирного свинца

            100-150 мл золотосодержащего раствора аккуратно выпаривают на песчаной бане досуха в тонкостенной чашечке из пробирного свинца, не содержащего благородные металлы. Чтобы не произошло разбрызгивания растворов, в конце выпаривания в чашечку добавляют 2 г глета. Сухой остаток заворачивают вместе с чашечкой в компактный комочек и опускают на дно глазурованного шербера, куда добавляют 0,5 г плавленой буры и 10 15 мг серебра (или его соли) и покрывают сверху пробирным свинцом в количестве 10-15 г. Заполненный шербер помещают в разогретую муфельную печь и подвергают операции шерберования. Полученный свинцовый сплав шерберной плавки купелируют. Способ привлекает своей простотой, но требует много времени (для выпаривания, шерберования и купелирования) и особой внимательности для недопущения возможного разбрызгивания пробы при выпаривании.

            В настоящее время поступают по-другому: точно измеренный раствор (1-2 мл) добавляют в готовую навеску шихты, подсушивают и проводят стандартную пробирную  плавку.

Цементация золота и серебра цинковой пылью с последующей кислотной обработкой

            Это главный метод определения золота и серебра в цианистых растворах. В основе процесса цементации лежит способность более электроотрицательного металла вытеснять (или замещать) из раствора более электроположительные металлы. Наиболее эффективным цементатором для золота и серебра из цианистых растворов является металлический цинк:

2Na[Au(CN)₂] + Zn = Na₂[Zn(CN)₄]  + 2Аu;

Рекомендуемые материалы

2Na[Ag(CN)₂] + Zn = Na₂[Zn(CN)₄]  + 2Ag.

Цементация –  это типичный электрохимический процесс, где можно выделить анодный участок (процесс окисления цинка):

Zn = Zn²⁺ + 2ē; Zn²⁺ + 4CN^- = Zn(CN)₄^2- (E⁰ = - 1,26 В)

и катодный участок:

2Au(CN)₂^- + 2ē = 2Аu + 4CN^- (E⁰ = - 0,54 В).

Разность величин потенциалов этих процессов относительно велика (E⁰=0,72 В), поэтому цементация протекает быстро и полно.

Однако при цементации благородных металлов из цианистых растворов цинковой пылью одновременно с процессом восстановления золота могут идти побочные процессы, а именно:

1. Восстановление цинком водорода воды:

Zn + 4CN^- + 2Н₂O = Zn(CN)₄^2- + 2OН^-  + Н₂ (E⁰ = 0,43 В),

2. Восстановление цинком растворенного молекулярного кислорода:

2Zn + 8CN^- + 2H₂O + O₂ = 2Zn(CN)₄^2- + 4OН^- (E⁰ = 1,66 В).

При сопоставлении разности потенциалов анодного и катодного участков рассмотренных восстановительных процессов очевидна следующая их последовательность:

1. Восстановление цинком кислорода (E⁰ = 1,66 В),

2. Восстановление цинком золота (E⁰ = 0,72 В),

3. Восстановление цинком водорода (E⁰ = 0,43 В).

Следовательно, в присутствии кислорода осаждение благородных металлов цинком прекращается. Поэтому перед цементационным осаждением золота и серебра обязательно проведение операции обескислороживания растворов. Учитывая, что цементация является гетерогенным процессом, протекающим на границе раздела жидкой и твердой фаз, для интенсификации осаждения целесообразно использовать очень тонкий порошкообразный цинк, так как Sуд. = k/d, где Sуд. –  удельная поверхность цинка, м²/г; d – диаметр частиц цинка, мм; k – константа пропорциональности. При отсутствии достаточной концентрации растворов по цианиду и наличии кислорода в процессе цементационного выделения благородных металлов могут образовываться так называемые белые осадки, покрывающие поверхность осадителя и нарушающие контакт с ней золотосодержащих растворов, что прекращает процесс осаждения. Основными составляющими этих осадков являются гидроксид и простой цианид цинка:

2Zn + 4OН^- +O₂ = 2ZnO₂^2- + 2H₂O;

Zn + 2OН^- = ZnO₂^2- + H₂;

ZnO₂^2- + 2Н₂O = Zn(OH)₂ + 2OН^-;

Zn(OH)₂ + [Zn(CN)₄]^2- = 2 Zn(CN)₂ + 2OН^-.

Появление белых осадков свидетельствует о недостаточной концентрации в растворах свободного циан-иона, так как при значительной концентрации последнего эти осадки растворяются с образованием комплексного цианида цинка:

Zn(OH)₂ + 4NaCN = Na₂[Zn(CN)₄] + 2NaOH ;
Zn(CN)₂ + 2NaCN = Na₂[Zn(CN)₄].

Поскольку после окончания цементации избыток цементатора растворяют в кислоте, имеется опасность потери с растворами тонкодисперсного золота, находящегося в виде тонких отложений на поверхности цинка. Кроме того, при повышенной щелочности растворов обильное выделение водорода создает газовую подушку вокруг частиц цинка, что ухудшает течение процесса. Обе эти проблемы решаются при освинцевании цементатора. Для этого в раствор вводят уксуснокислый свинец, который, реагируя с цинком, выделяет металлический свинец. Последний оказывается в тесном контакте с металлическим цинком. С одной стороны, этот свинец выступает в качестве коллектора благородных металлов при последующем кислотном растворении избытка цинка, а с другой – развитие катодной поверхности (пара Zn-Pb) способствует перераспределению выделяющихся газов на большей площади. Помимо отмеченных положений для полного выделения благородных металлов при цементации необходимо, чтобы цементирующий металл (цинк) был в твердой фазе в значительном избытке, и чтобы осуществлялось интенсивное движение раствора относительно поверхности цементатора (диффузионная кинетика).

            Учитывая отмеченное, анализ цианистых растворов на содержание благородных металлов проводится следующим образом (методом Альфреда-Чидди). В колбу объемом 250 мл заливается 100 мл золотосодержащего цианистого раствора, который подкрепляется (если это необходимо) до концентрации NaCN 0,05 %. Пробу раствора нагревают и кипятят в течение 10-15 минут (для удаления кислорода), затем вводят в раствор 10 мл насыщенного раствора ацетата свинца и 2 г цинковой пыли, взбалтывая (перемешивая) содержимое колбы после каждого прибавления. Пробу прогревают в течение 30 минут при перемешивании. Выделение на частичках цементатора пузырьков газообразного водорода является индикацией конца цементационного осаждения золота. Затем добавляют 15 мл разбавленной соляной кислоты (HCl:H₂O = 1:1), и медленно кипятят до полного растворения цинка (до прекращения выделения пузырьков газообразного водорода). Выделяющуюся очень пористую свинцовую губку, содержащую благородные металлы, после растворения цинка собирают стеклянной палочкой в комочек. Отдельно подготавливают пустую чистую колбу с воронкой, в которую укладывают фильтр из тонкой свинцовой фольги, основание которого накалывают иголкой. Через этот фильтр отфильтровывают полученную свинцовую золотосодержащую губку от раствора, которую тщательно промывают на фильтре горячей дистиллированной водой и сушат. Сухую губку заворачивают в свинцовый фильтр в виде компактного комочка, который направляют на купелирование.

            Осадительные методы

            Эти способы рекомендуются для определения содержания золота в сбросных обеззолоченных растворах или в рудничных водах, когда необходимый для анализа объем раствора так велик, что нагревать его становится неудобно. Из этих методов наиболее применимы ртутно-хлоридный и осаждение золота хлоридом меди Cu₂Cl₂.

            Ртутно-хлоридный метод. К отмеренному количеству анализируемого раствора (один или несколько литров) для связывания избыточного цианида добавляют 40-100 мл раствора сульфата железа (II), содержащего восьмикратное количество FeSO₄·7H₂O по отношению к свободному KCN, и 50 мл насыщенного раствора хлорной ртути HgCl₂. Затем в раствор вводится в качестве восстановителя 5 г металлического магния, предварительно смоченного водой. Содержимое сосуда перемешивается до начала процесса гидролиза железа (появления оранжевого осадка гидрата Fе(ОН)₃). Обычно это наблюдается через 20-45 минут в зависимости от крупности используемого порошка магния. Затем в раствор вводится около 70 мл соляной кислоты (HCl:H₂O = 1:1) порциями по 10-20 мл через интервалы времени 5 - 10 минут. Общая длительность перемешивания составляет 45 - 50 минут. После растворения всего магния раствор отстаивается до полной прозрачности. Отстоявшийся прозрачный раствор удаляется из сосуда с помощью сифона, а остаток (сгущенный продукт) отфильтровывается через бумажный фильтр с красной полоской, с последующей тщательной промывкой на фильтре полученного осадка. Промытый осадок высушивается и подвергается тигельному плавлению с последующим купелированием свинцового сплава.

            Осаждение золота из цианистых растворов хлоридом меди Cu₂Cl₂. Анализ проводится следующим образом. К 600 мл цианистого раствора добавляется 10 мл насыщенного раствора хлористой меди Cu₂Cl₂ и несколько капель 5 %-ного раствора Na₂S. Все хорошо перемешивается, в процессе чего из раствора выпадает осадок. Полученный осадок отфильтровывается через гофрированный фильтр (d = 15 см), наполненный кашицей из фильтровальной бумаги. Отфильтрованный осадок вместе с фильтром высушивается, который затем подвергается тигельному плавлению с использованием следующей шихты: кварца – 8 г, плавленой буры – 5 г, соды – 35 г, глета – 40 г и металлической меди – 1 г. Полученный свинцовый сплав купелируется.

Сорбционные методы

            К ним относятся древесно-адсорбционный способ и метод определения золота с применением ионообменных смол.
            Древесно-адсорбционный способ. К определенному объему пробы раствора добавляется навеска тонко измельченного активированного угля (БАУ, СКТ) крупностью – 0,074-0,1мм в количестве, определяемом следующими соотношениями:

Обратите внимание на лекцию "Сущность призвания и его необходимость в пастырском служении".

Для полной адсорбции золота на тонком угле достаточна продолжительность перемешивания раствора с углем в течение 1 часа. По окончании этого времени в пробу вводится 50 г глета, все энергично перемешивается и фильтруется. Осадок угля с глетом высушивается вместе с фильтром, смешивается с флюсами и плавится по шихте на железонатриевый шлак, добавляя 15 г Fе₂О₃, 10 г SiO₂ и 25 г соды. Проба плавится в шамотовых тиглях с крышкой, помещенных в хорошо разогретую плавильную печь. Через 30-40 минут плавления (когда шлак станет достаточно жидкотекучим) температуру в тигле несколько снижают (открытием печи и снятием крышки тигля) и в тигель щипцами загружают бумажный пакет с промывкой, состоящей из 20 г глета, 5-10 г соды и 3 г крахмала. Затем тигель и печь снова закрывают, и плавку продолжают еще 10 минут, по истечении которых проводят розлив проплава в изложницу. Полученный свинцовый сплав купелируется. Этот способ дает удовлетворительные результаты, особенно при анализе растворов, бедных по золоту.

            Метод определения золота с применением анионообменных смол. Этот метод основан на извлечении цианистого золотосодержащего комплекса из раствора на анионообменную смолу по реакции:

RCl + [Au(CN)₂]^- = R[Au(CN)₂] + Сl^-,

где R - органический радикал смолы.

Для анализа рекомендуется использовать крупнозернистую (0,6-0,7 мм) смолу марок АН-2Ф, ЭДЭ-10П, AM, АМП в количестве 10-15 г на одну пробу раствора. Перед анализом навеска смолы должна быть замочена в воде на время, не менее 1 часа. Отобранную пробу раствора (2-4 л) помещают в чанок с никелированной мешалкой, куда вводят отмеренную дозу предварительно замоченного анионита. С помощью кислоты рН раствора доводят до 3-6, и раствор с анионитом перемешивают в течение 1,5 часов. После этого пробу пропускают через сито с размером отверстий 0,15-0,21 мм. Отделенный анионит переводят в чашку и сушат в сушильном шкафу при температуре 60–80°С или на водяной бане при слабом нагреве, чтобы не вызвать разложение смолы. Высушенный анионит тщательно перемешивают с поставщиком коллектора (глетом) и восстановителем и плавят с промывкой шлака по шихте следующего состава: 35 г глета, 1 г активированного угля, 50 г соды, 10 г буры и 5 г стекла. Необходимое количество серебра для последующего разваривания золотосеребряного королька присаживают либо в эту шихту в виде хлорида серебра (I), либо в свинцовый сплав в виде металла. Плавку проводят в хорошо разогретом горне, чтобы обеспечить быстрое сгорание смолы. При недостаточной температуре горна (900-950°С) происходит медленное тление смолы, вызывающее ее повышенные механические потери. Получаемый свинцовый сплав купелируют. Содержание золота определяют по обычной схеме пробирного анализа с пересчетом на 1 м³ анализируемого раствора. Точность рассматриваемого метода в сравнении с обычным методом осаждения золота цинковой пылью намного выше.

Контрольные вопросы:

1. Какие способы определения содержания благородных металлов в жидких пробах Вы знаете?
2. В чем заключается сущность цементации благородных металлов?
3. Какова методика ртутно-хлоридного метода определения золота в жидких пробах?
4. Каковы достоинства сорбционных методов определения содержания благородных металлов в жидких пробах?