Царська вода

1.Актуальність  питання.

Благородні метали, такі як платина, паладій, золото і срібло, з кожним роком все цінніші  через зростання виробництва  екологічних пристроїв, на зразок автомобільних  каталізаторів або паливних елементів. Однак на планеті є обмежена кількість цих матеріалів, вже сьогодні на деякі з них попит перевищує пропозицію. Очевидно, що найближчим часом виробники будуть змушені шукати способи ефективної переробки дорогоцінних відходів.

Існуючі процеси переробки  засновані на розчиненні благородних  металів сумішшю з двох концентрованих неорганічних кислот (нітратної і хлоридної) відомої як "царська горілка". Проте ця технологія дуже складна через токсичність розчинника, крім того, розчинення різних металів разом дає на виході матеріал з різними домішками, що знижує ефективність каталізаторів, вироблених з перероблених матеріалів.

2 «Царська вода»

 Виробники спиртних  напоїв, бажаючи привернути покупців, дають різним сортам горілки  звучні назви. «Царська горілка» - звучало б розкішно, але хімік  такий напій навряд чи купить. Адже це словосполучення означає  щось зовсім неапетитне- суміш двох кислот, що розчиняють навіть «царя металів» золото.

Царська горілка з'явилася  за часів алхімії - це суміш концентрованої хлоридноїї та нітратної кислот (3:1), яка перетворює метали в хлориди. Причому не тільки ті, які взаємодіють з цими кислотами окремо, але й ті, які нерозчинні у кожній з них, наприклад золото і платину.

Це відбувається тому, що царська горілка - не просто суміш  кислот, а продукт їхньої взаємодії, в результаті якого виходять нітрозілхлорид і хлор.

HNO₃ + ЗНСl = NOCl + Сl₂ + 2Н₂O

Ще стародавні алхіміки знали, що царська горілка повинна бути свіжоприготованою - при тривалому  зберіганні з неї випаровується  хлор, і вона перестає «працювати». Але якщо вона свіжа, то обидва реагенти царської горілки взаємодіють з металевим золотом, і воно перетворюється на хлорид.

2Au + 2NOCl₂ + Сl₂ = 2AuCl₃ + 2NO

Цей хлорид золота приєднує молекулу HCl, і утворюється тетрахлорзолота кислота H (AuCl₄). Хіміки називають ці світло-жовті кристали хлорним золотом. З платиною реакція протікає так само, тільки хлорид платини приєднує не одну, а дві молекули HCl, даючи платінохлористоводневу кислоту

H2 (PtCl6). При концентруванні розчину вона утворює червоно-бурі кристали складу

 H₂ (PtCl6) 6H₂O.

Треба відразу зазначити, що термін «розчинення» ми використовуємо умовно - просто так прийнято називати взаємодію з царською горілкою. Насправді це не справжнє розчинення, при якому після видалення розчинника сполука залишається в тому ж вигляді, в якому вона була до цього. У тих же випадках, які ми тут обговорюємо, метали не просто розчиняються, а перетворюються на хлориди - це така ж хімічна реакція, як і взаємодія більш активних металів (цинку або заліза) з хлоридною кислотою.

Протягом майже всієї  історії хімії властивості металів  були об'єктом пильної уваги вчених: їх реакції з кислотами, після  чого виходять солі, окислення з  утворенням оксидів, сплавлення з сіркою, що дає сульфіди, і т. д. Але поступово  з'ясувалося, що метали взаємодіють  не тільки з неорганічними кислотами.

 

 

  2. Сучасна технологія « розчинення» благородних металів в неводному середовищі.

Дослідники з Технологічного інституту Джорджії розробили органічний розчинник. Новий розчинник складається з тіонілхлориду і різних органічних реагентів, таких як піридин, N, N-диметилформамід, піримідин або імідазол.

Головна якість нового сімейства  розчинників - можливість вибрати поєднання  речовин для розчинення певного  металу. З відходів, в яких присутні, наприклад, золото і платина, можна витягти тільки золото. Це дозволяє отримувати чисту сировину, придатну для використання у виробництві.

Саме відкриття було зроблене випадково в 2007 році під час дослідів з вуглецевими нанотрубками на золотий підкладці. Один з дослідників помістив зразок в тіонілхлорид, вийшов на обід і затримався довше звичайного. Коли він повернувся, золота на вуглецевих нанотрубках не було. Вчені були заінтриговані цим явищем і останні три роки шукали йому пояснення. В результаті в ході експериментів з іншими реагентами, змішаними з тіонілхлоридом, вдалося знайти пропорції, необхідні для виборчого розчинення паладію та золота. (додаток 1. мал.1.)

Ще у 90-х роках ХХ століття дослідники виявили, що метали можна розчиняти в органічних розчинниках. Причому зовні це виглядає приблизно так само, як «розчинення» металу в кислоті. Найбільш універсальною виявилася пара диметилсульфоксид (ДМСО, Me2S = O) - чотирихлористий вуглець (CCl4). Така суміш здатна розчиняти багато металів: Co, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Mo, W. Замість ДМСО можна використовувати диметилформамід (ДМФА, Me2N-C (O) H) - у результаті утворяться комплекси хлориду металу з ДМФА (додаток 1, мал. 2.).

Чому потрібні одночасно  два розчинника? У них різні функції: CCl4 - галогенуючий агент, а ДМФА утворює комплекс і утримує отриману сполуку в розчині. Втім, якщо замість ДМФА взяти амід мурашиної кислоти H2N-C (O) H, він буде грати роль не тільки комплексоутворювача, але і реагенту - при цьому утворюється мідна сіль мурашиної кислоти.

Благородні метали теж  не встояли. При дії на золото суміші диметилсульфоксиду Me2S = O (ДМСО) та бутілбромідом C4H9Br утворюється AuBr3.

2Au + 9Me2S = O + 6C4H9Br → 2AuBr3 + 6C3H7C (O) H + 3H2O + 9Me2S

Але є ще більш активна суміш, яка розчиняє навіть паладій і платину - для цього треба одне із «розчинюваних» компонентів C4H9Br замінити бромоводнем HBr.

У 2010 році професор Вон Цзінбін (Технологічний інститут, штат Джорджія, США) разом з колегами знайшов  ще один спосіб переводити в розчин благородні метали. Спочатку він виявив, що золото розчиняється в суміші піридину C5H5N і діхлорсульфоксиду (тіонілхлориду)  Cl2S = O. Молекули піридину утворюють катіон з трьох з'єднаних молекул, і цей катіон об'єднується зі знайомим нам вже аніоном AuCl4-   (додаток 1. мал..3 ). Експерименти показали, що така органічна суміш розчиняє і інші благородні метали; причому замість піридину можна використовувати диметилформамід (ДМФА), піразин N2 (CH2) 4 і деякі інші сполуки. Тільки тіонілхлорид виявився незамінним компонентом (додаток2.мал. 1)

Нагадаємо ще раз, що мова йде про умовне «розчинення», оскільки насправді відбувається окислення металу і точніше це називати «окислювальним розчиненням».

Основна перевага нових систем в тому, що, змінюючи склад розчинників, їх можна «налаштувати» на певний метал. Наприклад, в суміші SOCl2-ДМФА розчиняється тільки золото, а платина не розчиняється. Композиція SOCl2-піридин розчиняє золото і паладій, але не платину. Міняючи температуру і тривалість процесу, можна домогтися ще більш тонкого розділення металів. Все це можна використовувати при очищенні благородних металів від домішок, витягувати їх таким чином з відслужили свій термін деталей електроніки або відпрацьованих каталізаторів. Нова технологія, можливо, стане в нагоді і для формування нанопокриття.

3.Висновок.

Знайдені нові композиції «SOCl2 - органічна сполука» - це зручна і до того ж порівняно безпечна заміна традиційної царської горілки, яка розчиняє всі метали підряд, і допоможе вирішити проблему переробки , відкриє нові можливості для використання благородних металів в лікуванні раку. Такі розчинники допоможуть створити нові способи виробництва протиракових реагентів нанометрового масштабу. Благородні метали є основою для широко використовуваних засобів хіміотерапії. Новий розчинник американських учених, можливо, дозволить створити нові сполуки, які збільшать терапевтичний ефект протиракових препаратів.Широке застосування розчинники знайдуть і в електронній промисловості, яка потребує видалення благородних металів після деяких технологічних процесів. Зокрема, у виробництві напівпровідників використовують реакції з застосуванням води, яка порушує цілісність напівпровідникових оксидів. Використання нових розчинників дозволяє уникнути цієї проблеми.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток 1.

 

 

Мал. 1. Винахідники нового розчинника демонструють розчин золота, на задньому фоні знаходиться монітор, на якому видно обложене на підкладку перероблене золото.

 

 

 

Мал.2. Розчинення  металу із застосуванням диметилформаміду

 

 

мал.3. Розчинення золота в системі SOCl2-піридин.

 

Додаток 2.

 

Мал.1.Модель молекули тіоніл хлориду , модель молекули диметилформаміду

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Житомирське територіальне  відділення малої академії наук  України

 

 

Житомирське міське наукове  товариство школярів

Полянківська  загальноосвітня  школа І-ІІІ ступенів

 

 

 

Обласний турнір юних хіміків

«Царська вода»

Відомо, що царська вода є  занадто агресивним середовищем  і дозволяє «розчиняти» навіть благородні метали. Запропонуйте сучасну технологію, що дозволяла б «розчиняти» благородні метали в менш агресивному неводному середовищі.

 

                                                         Автор:

                                Карпова Юлія Олександрівна

             Учениця 11 класу

                                Полянківської ЗОШ І-ІІІ ст..

                                                     Кандидат в дійсні члени Житомирського

                                                      територіального відділення МАН України

                       Педагогічний керівник:

                                 Залуцька Оксана Михайлівна

                    Вчитель хімії і біології

 

 

 

 Баранівський район.

2012р

Використана література: