sych (739315), страница 3
Текст из файла (страница 3)
_
SmBi2 (GSm = -247,8 + 71,9(10-3T ( 0,2 (кДж/моль) ( 8 )
С учетом зависимостей ( 7 ), ( 8 ) и результатов измерений ЭДС гальванического элемента ( 4 ), получены новые значения термодинамических характеристик соединений самария с ЛПМ.
рис. 2.4.
Электропроводность трихлоридов РЗМ.
рис. 2.5.
Изотерма молярной электропроводности расплава LiCl - KCl - SmCl3 при 1050К.
рис. 2.6.
Изотерма поверхностного натяжения системы LiCl - KCl - SmCl3 (Т=1050К).
2.4 Электрохимическое поведение ионов РЗМ в галогенидных расплавах.
Первые попытки электролитического получения РЗМ из их расплавленных соединений были сделаны в конце 19в. Были получены Ce и La в довольно чистом состоянии и больших количествах. Трудности получения тяжелых РЗМ связаны, главным образом, с высокой летучестью расплавов их соединений [ 35 ].
Дальнейшие исследования связаны, в основном, с усовершенствованием технологии получения чистых РЗМ.
Для получения металлов группы лантана, имеющих сравнительно низкую температуру плавления (La, Ce, Pr, Nd) используется процесс электролиза в расплаве хлоридов [ 36 ]. Металлы с более высокой температурой плавления (Sm, Gd, Dy, Y) получают из оксидов методом электролиза в расплаве фторидов. Фториды Sm, Eu, Tm и Yb восстанавливаются не полностью, поэтому эти металлы получают восстановлением оксидов с помощью La или мишметалла, имеющих более низкое давление паров.
Предложено получать РЗМ [ 37 ], преимущественно Nd или сплавы Nd - La, Nd - Ce, Nd - Pr, а также сплавы РЗМ с переходными металлами, методом электролиза солевой ванны, состоящей из 10-70% (предпочтительно 15-45%) хлорида РЗМ, хлоридов и фторидов ((15%) щелочных и щелочно-земельных металлов (в частности, лития), при температуре 650-1100(С (предпочтительно 700-900(С), напряжении 4-10 В и Da = 100-250 A/дм2 и Dk = 70-700 А/дм2. Степень извлечения металла достигает 80%.
Также был проведен ряд исследований по изучению механизма электровосстановления ионов РЗМ из расплавов солей.
Показано [ 38 ], что электровосстановление ионов La3+ до металла происходит в одну трехэлектронную стадию. Электродный процесс контролируется скоростью переноса заряда и осложнен последующей быстрой необратимой химической реакцией. Длительная выдержка металла в расплаве NaCl - KCl - LaCl3 не приводит к образованию ионов лантана низшей валентности.
Изучено влияние условий электролиза (ik, t, состав расплава) на выход по току церия при его электролитическом производстве электролизом хлоридного расплава на основе эвтектической смеси LiCl - KCl (42 мол.% KСl) или NaCl - KCl (50 мол.% каждого) [ 39 ],
При увеличении температуры расплава от 850 до 1000(С выход по току церия сначала возрастает, а затем уменьшается; максимальный выход по току наблюдался при температуре 900(С. При увеличении содержания CeCl3 в раплаве от 10 до 50% выход по току церия возрастает от 0 до (61,8% (расплав NaCl - KCl, ik = 9 А/см2, 900(С). Оптимальный диапазон концентраций CeCl3 составляет 30-50%. При повышении п*********************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************************
**********************************************************************************************************************************************************ку процесса осаждения зависит от i и соcтава электролита, уменьшаясь с ростом плотности тока (0,22-0,86 А/см2) от 92 до 89 и от 81 до 32 % при использовании MgZn и Mg3Cd2 - катодов соответственно. Более резкий спад выхода по току в случае Mg - Cd катода связывается с замедленностью растворения неодима в данном металлическом расплаве.
Анодным растворением жидких сплавов Zn - Ln установлено [ 22 ], что Y, La, Nd, Er, Dy окисляются с образованием трехзарядных, Sm и Yb - двухзарядных ионов, а при окислении церия, наряду с ионами Ce3+ образуются ионы Ce2+, доля которых с ростом температуры увеличивается. Учитывая способность лантаноидов к комплексообразованию можно предположить, что коррозия и анодное растворение Y, La, Nd, Er, Dy сопровождается образованием в расплаве ионов LnCl63-, Sm и Yb - LnCl53-, a Ce - смесью CeCl63- и CeCl53-.
Анализ литературы показывает, что электрохимические свойства расплавленных систем, содержащих ионы ионы самария, практически не исследованы.
В частности, исследованию электрохимического поведения трехвалентного самария в хлоридных расплавах посвящена всего одна работа [ 41 ].
Несколько лучше обстоит дело с исследованием электрохимических свойств иона Sm2+ в расплавах солей.
Измерение равновесных потенциалов Sm в расплавленных хлоридах щелочных металлов при высоких температурах практически невозможно из-за интенсивного растворения металла. Специальными исследованиями показано, что необратимый процесс вытеснения щелочного металла из эквимолярного расплава KCl - NaCl самарием протекает с высокой скоростью (например, при 1010К она составляет 3,0 г/cм2(ч).
Поэтому для определения термодинамических характеристик эквимолярного расплава KCl - NaCl, содержащего самарий, измеряли равновесные потенциалы его сплавов с алюминием, активность самария в которых сильно понижена [ 32 ].
Анализ концентрационных зависимостей равновесных потенциалов сплавов при постоянной температуре (с учетом [ 32 ] ) позволил сделать вывод, что в исследуемом интервале температур в равновесии со сплавом находятся ионы Sm(II). По экспериментальным данным рассчитаны условные стандартные потенциалы самария [ 42 ].
RT [Sm2+]
E*Sm2+/Sm = EpSm(Al) - (( ln (((( ( 9 )
2F aSm(Al)
где EрSm2+/Sm(Al) - равновесный потенциал сплава Sm c Al, аSm(Al) - активность Sm в сплаве.
После обработки данных методом наименьших квадратов получена температурная зависимость условного стандартного потенциала самария:
E*Sm2+/Sm = (-4,412 + 9,70(10-4T)( 0,001, В ( 10 )
Сведения о растворимости самария в жидком индии ограничены [ 32, 43 ]. Это связано с чрезвычайно высокой активностью металлического самария и большой электроотрицательностью ионов самария в расплаве солей. Металлический самарий способен восстанавливать щелочные металлы в расплаве. Длительная выдержка самарийсодержащих сплавов может приводить к значительной его коррозии.
Поэтому для точного определения величины растворимости и других характеристик самарийсодержащих систем электрохимическими методами необходимо применять сплавы самария с другими металлами, в которых активность самария понижена.
Определение растворимости самария в жидком индии при кратковременных выдержках сплавов в электролите сводилось к измерениям ЭДС гальванического элемента концентрационного типа [ 44 ]:
Sm - In(н.р.) |KCl - NaCl + 3% мас. SmCl2| Sm - In(разб. р-р) ( 11 )
Температурная зависимость растворимости самария в жидком индии в координатах lg Xнас. - 1000/Т представляет собой прямую линию.
Растворимость самария в жидком индии при 1000 и 1100К составляет 4,67(10-4 и 1,02(10-3 ат.%, по результатам работ выполненных методом ЭДС [ 32 ], фильтрацией [ 43 ] - 1,16(10-3, 1,77(10-3 и 2,95(10-3; 3,87(10-3 ат.% соответственно.
В 60-70-х гг. исследовательский центр PENO Горного бюро США выполнил ряд работ по электролитическому получению РЗМ, иттрия и их сплавов электролизом их оксидов, растворенных в расплавленных смесях фторид РЗМ - LiF (иногда с добавкой BaF2) [ 45 ]. Растворимость оксидов РЗМ в таких электролитах составляет 2-4%. Электролиз для получения Nd, Pr, Gd, Y вели в графитовых тиглях со стержневыми графитовыми анодами и катодами из вольфрама. Электролиз при t ( 1120(C сопровождался заметным взаимодействием РЗМ с электролитом и графитом. С целью снижения рабочей температуры электролиз вели с получением относительно легкоплавких бинарных сплавов РЗМ, используя катоды из Fe, Co, Mn. Этим способом получали сплавы Fe - Y, Fe - Dy, Co - Sm, Co - Y, Co - Nd, Co - Dy, Mn - Y, Mn - Gd.
2.5 Постановка задачи.
Анализ литературных данных показывает, что электрохимическое поведение иона Sm3+ в галогенидных расплавах практически не изучено; в теоретическом аспекте данной проблемы остаются невыясненными механизм и характер электродных процессов восстановления иона самария расплавах, а также кинетические закономерности протекания этих процессов.
Самарий в галогенидных расплавах существует в виде ионов Sm3+ и Sm2+ , что в значительной степени может повлиять на его электрохимическое поведение.
Вместе с тем известно, что переход от хлоридных к хлоридно - фторидным комплексам стабилизирует высшую степень окисления самария (Sm3+ -ион), что также может повлиять на механизм электровосстановления ионов Sm3+.
Поэтому задачей нашей работы является выяснение механизма и характера процесса электровосстановления ионов Sm3+ в хлоридных и хлоридно - фторидных расплавах.
Глава II
Методы исследования и методика проведения эксперимента.
3.1 Выбор электролитических методов исследования электродных процессов в расплавленных средах и применения аппаратуры.
В последние несколько лет наблюдается развитие теории и практики электрохимических методов исследования. Согласно общей классификации электрохимических методов анализа, предложенной ИЮПАК [ 46 ], методы, в которых изучаются электродные реакции, подразделяются на два подкласса:
1. Методы, в которых возбуждаемый электрический сигнал постоянен или равен нулю, как например, потенциометрия;
2. Методы, в которых возбуждаемый сигнал меняется во времени.
Методы второго подкласса в свою очередь можно разделить на две группы. В методах первой группы используются большие переменные сигналы, причем "большие" означает более удвоенного значения 2,3RT/F. В эту группу входят все методы, в которых происходит изменение потенциала или тока, например, вольтамперометрия и ее варианты, полярография и большинство ее вариантов, а также некоторые хронопотенциометрические методы. Во вторую группу входят все методы, в которых используются малые сигналы, где "малые" означает сигналы с амплитудами, меньшими, чем 2,3RT/F: это переменно-токовая и квадратно-волновая полярография.
Методом исследования электровосстановления ионов РЗМ нами выбрана вольтамперометрия (ВА). Она включает группу электрохимических методов, в которых контролируемый параметр - потенциал индикаторного электрода - меняется во времени, а измеряемой величиной является ток, протекающий через индикаторный электрод.
Под вольтамперометрией понимается большая группа методов изучения кинетики электродных процессов, в которых во времени изменяется потенциал исследуемого электрода (обычно по линейному закону) и измеряется ток, протекающий через электрохимическую ячейку. Частью вольтамперометрического метода является полярография. В настоящее время под полярографией понимаются вольтамперометрические исследования с применением жидких капельных электродов (в основном - ртутных).
Применение полярографии к расплавленным средам затруднено по ряду причин, главным образом, высокой летучестью ртути. Полярографические кривые трудно воспроизводятся и на них недостаточно четко выражены области предельных токов. Величины потенциалов разложения не совпадают, как правило, с ЭДС соответствующих обратимых гальванических цепей. Это объясняется отсутствием надежных индикаторных электродов и электродов сравнения, высокой температурой процессов, обусловливающей ускорение деполяризации, неудовлетворительной конструкцией электрохимической ячейки с разделенными приэлектродными пространствами.
Принято различать классическую вольтамперометрию (КВА) (полярографию), в которой потенциал изменяется медленно (1-4 мВ/с) и наблюдаемые явления могут быть качественно описаны на основании равновесных или квазиравновесных зависимостей. При малых скоростях поляризации электродной системы запись вольтамперных кривых осуществляется обычно с помощью электронных потенциометров. Другой разновидностью вольтамперометрического метода является вольтамперометрия с быстрой разверткой потенциала или осциллографическая вольтамперометрия (ОВА) (осциллографическая полярография). В этом случае скорость поляризации рабочего электрода составляет от 10 мВ/с до 100 В/c. При таких высоких скоростях поляризации запись вольтамперных кривых производится с помощью осциллографа или дисплея.
Классическая кривая имеет предельный ток (Iпр.), а осциллографическая кривая - четко выраженный максимум (пик). В качестве основных, экспериментально определяемых параметров в методе классической вольтамперометрии служат предельный ток Iпр. и потенциал полупика (1/2 (при I = I пр./2), а в методе осциллографической вольтамперометрии - ток пика Ip и потенциал полупика (p/2 (при Ip/2).
Теория классической и осциллографической вольтамперометрии применительно к простым и сложным электрохимическим процессам рассмотрена в работах Д.Плэшбэка и З.Галюса [ 47, 48 ]. Методы с быстрой разверткой потенциала, в которых направление изменения потенциала меняется на обратное, называются циклическими. Циклическая вольтамперометрия (ЦВА) представляет собой вольтамперометрический метод, в котором фиксируется изменение во времени тока, протекающего через изучаемую систему при наложении на нее напряжения, изменяющегося во времени по закону треугольника. Теоретические основы ЦВА разработаны Николсоном и Шейном [ 49 ], а хороший обзор теоретических положений дал Адамсон [ 50 ]. Независимыми переменными в этом методе являются скорость и пределы изменения потенциала индикаторного электрода. Предельное значение потенциала, при котором направление его развертки меняется на обратное, называется потенциалом возврата, переключения или обрыва. Рассмотренные выше вольтамперометрические методы являются одними из наиболее нормативных. Но при изучении электрохимического поведения иона Sm3+ нами чаще будут использоваться КВА и ОВА.
Рассмотрим основы теории этих методов [ 51 ].
Классическая вольтамперометрия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
