способ получения растворов различной концентрации сернокислого кадмия

Формула изобретения

Способ получения раствора сульфата кадмия обработкой амальгамы кадмия раствором сернокислой меди в соотношении ионов меди в растворе и кадмия в амальгаме, равном 1:2,5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения очищенных от примесей сульфатных растворов кадмия точно заданной концентрации. Способ представляет интерес для гальваностегии и, в частности, для аналитической химии при анализе кадмия в производственных материалах и продуктах различными методами, используя для приготовления титрованных и стандартных растворов, а также для других препаративных работ.

Известны способы получения реактива сернокислого кадмия, на основе которого в практике лабораторных работ приготавливают различные растворы [1].

Известен кислотный способ получения сернокислого кадмия путем растворения его металла марки чистый смесью азотной и серной кислот с последующим удалением азотной кислоты серной выпариванием по реакции

2HNO₃+3Cd+3Н₂SO₄=3CdSO₄ +4Н₂О+2NO

Метод получения препарата трудоемок, проходит при температуре раствора 70°С, включает в себя две фильтрации. Затем после дополнительной очистки раствора избытком кадмия путем его выпаривания, охлаждения и фильтрации кристаллов получают твердую соль сульфата кадмия обычно марки ч.д.а.

Известен также способ получения сернокислого кадмия с применением реакции взаимодействия металлического кадмия с водным раствором сульфата меди: Cd+CuSO₄=CdSO ₄+Сu. Получение реактива отличается большой длительностью. На его синтез необходимо затратить около пяти суток. Полученный по реакции раствор проходит дополнительную очистку, в том числе активированным углем и затем избытком кадмия в виде металлической стружки. В дальнейшем раствор проходит двукратную фильтрацию сначала для извлечения из него активированного угля, а затем избытка стружки кадмия. Полученный раствор выпаривают при температуре 80-90°С до образования слабой мути. Затем его охлаждают и фильтрацией отделяют полученные кристаллы сернокислого кадмия. Этим методом часто удается получить продукт марки ч.д.а., используя для получения реактивы квалификации чистые.

На основе препарата сульфата кадмия, полученного по первому и второму методу, можно приготовить сульфатные растворы сернокислого кадмия необходимой концентрации.

Цель настоящего изобретения заключается в разработке простого, эффективного способа получения сернокислых растворов кадмия заданной концентрации, очищенных от примесей, присутствующих в исходных реактивах.

Поставленные задачи решались путем применения метода цементации амальгамой. Этот метод следует рассматривать как электрохимический процесс, проходящий при постоянном потенциале на амальгаме цементирующего металла (восстановитель), обладающего более электроотрицательным потенциалом, чем ионы цементируемого (окислитель), находящиеся в растворе. В нашем случае, цементирующим металлом выступает кадмий амальгамы, а цементируемым - взятая нами медь в виде ионов в водном растворе ее сульфата с точным его количеством, необходимом для получения заданной концентрации раствора сернокислого кадмия. Установлено, что восстановление ионов меди и окисление кадмия проходят со 100% выходом продуктов реакции по уравнению: Cd(aм.)+CuSO ₄=CdSO₄+Сu(ам.) Это указывает, что никаких других продуктов в процессе проведения операции (в частности, выделения водорода) не происходит. Большая разница стандартных окислительно-восстановительных потенциалов кадмия и меди (соответственно -0,401 В и +0,337 В) обеспечивает количественное извлечение ионов меди из раствора. При этом одновременно происходит очистка раствора от более электроположительных, чем кадмий, примесей, которые, восстанавливаясь до металла, переходят в амальгаму и остаются в ней совместно с более электроположительными, чем кадмий, примесями. Полученный в результате разработанного способа раствор содержит точное количество в нем сульфата кадмия. На его основе могут быть легко приготовлены титрованные и стандартные растворы, необходимые при анализе содержащих кадмий материалов материалообъемными, колориметрическими, электрохимическими и другими методами. Из электрохимических методов следует особо отметить самый распространенный и важный из них полярографический, разработка которого создала самостоятельное направление в аналитической химии. Для получения растворов сернокислого кадмия применяли его амальгаму, приготовленную на основе перегнанной ртути и чистого кадмия, и водный раствор химически чистого сульфата двухвалентной меди. Реакцию взаимодействия между кадмием амальгамы и сульфатом меди в водном ее растворе проводили в цементационной ячейке, снабженной мешалкой с двумя лопастями, перемешивающей как амальгаму, так и раствор. Мешалка присоединялась к мотору со скоростью вращения 700 об/мин. В состоянии покоя реакционная поверхность амальгамы составляла 10 см². В ячейку заливали амальгаму кадмия, приготовленную на основе 20 мл ртути и металлического кадмия, и 100 мл раствора, содержащего точное количество сернокислой меди, обеспечивающего получение сернокислого кадмия заданной концентрации. Соотношение ионов меди в растворе и кадмия в амальгаме соответствовало 1:2,5. Такое соотношение реагирующих компонентов, поддерживая стабильный потенциал амальгамы кадмия, полностью снимает ограничения доставки его к реакционной поверхности, обеспечивая постоянное присутствие на ней избытка кадмия по отношению к ионам меди, скорость доставки которых и выступает в качестве лимитирующей стадии процесса. В результате протекания сопряженных реакций окисления и восстановления достигается высокая полнота извлечения ионов меди из ее сернокислого раствора с получением очищенного от примесей раствора сернокислого кадмия заданной концентрации. По окончании реакции полученный раствор сернокислого кадмия голубого цвета превращается в бесцветный. Раствор необходимо проверить на полноту извлечения из него ионов меди капельной реакцией с желтой кровяной солью - К₄[Fе(СN)₆)]. Ионы меди образуют с этим реактивом комплексное соединение состава Cu₂[Fe(CN)₆] красно-бурого цвета. Реакция отличается высокой чувствительностью.

Пример 1. Получение раствора сульфата кадмия с содержанием 90 г/л металла.

В цементационную ячейку заливают 100 мл раствора сульфата меди с точным ее количеством 5,0831 г, необходимого для получения заданной концентрации 9,0 г водного раствора сернокислого кадмия. Затем заливают амальгаму кадмия, приготовленную на основе 20 мл ртути и 12,710 г металлического кадмия. При этом соотношение ионов меди к кадмию в амальгаме оставляет 1:2,5. Цементацию проводят в течение 70-ти минут при энергичном перемешивании раствора и амальгамы мешалкой, присоединенной к мотору (700 об/мин) до полного исчезновения голубой окраски. Раствор проверен действием на него желтой кровяной солью. Получена отрицательная реакция (отсутствие красно-бурой окраски), что указывает на высокую полноту извлечения ионов меди из раствора, который отделяют от амальгамы и используют по назначению.

Пример 2. Получение раствора сульфата кадмия с содержанием его 50 г/л проводят, как в примере 1. В цементационную ячейку заливают водный раствор сульфата меди с точным содержанием ее ионов 2,8266 г, которое необходимо для получения 5,0 г кадмия в 100 мл сернокислого его раствора. Затем заливают 20 мл амальгамы, в которой находится 7,067 г кадмия. Цементацию проводят в течение 50-ти минут. Капельная реакция действием на ионы меди желтой кровяной солью показала отрицательный результат. Полученный раствор сульфата кадмия отделяют от амальгамы, сливают в стеклянную колбу с притертой пробкой и по мере надобности используют по назначению.

В полученных растворах рН находились (примеры 1 и 2) в пределах 4,9-5,1. В процессе цементации происходит глубокая очистка растворов сернокислого кадмия от примесей более электроположительных, чем кадмий, мышьяк, сурьма, таллий, свинец и другие. На основе полученных растворов могут быть приготовлены растворы различной концентрации, в том числе титрованные и стандартные растворы.

Литература

1. Ю.В.Карякин, И.И.Ангелов. Чистые химические вещества: руководство по приготовлению неорганических реактивов и препаратов в лабораторных условиях. Издание 4-е. М.: Химия. 1974 г.