CC BY
15
••• Известия ДГПУ. Т. 11. № 1. 2017
••• DSPU JOURNAL. Vol. 11. No. 1. 2017
Химические науки / Chemical Science Оригинальная статья / Original Article УДК 54
Определение железа в бронзах и магнитных сплавах
электролитическим осаждением на никелированном платиновом катоде
© 2017 Османов Х. А., Магомедов А. Г., Абакаргаджиева П. Р., Муртазалиева М. К.
Дагестанский государственный педагогический университет, Махачкала, Россия; e-mail: halid8@mail.ru; anvar-magomedov@mail.ru;
patimat_ram@ mail.ru; astra60@yandex.ru
РЕЗЮМЕ. Цель исследования - разработка простого и доступного любой заводской лаборатории метода электролитического осаждения и отделения железа от сопутствующих элементов в различных природных, технических и производственных образцах. Методы. Осаждение железа проводили на никелированном платиновом электроде Фишера. Выводы. Данный метод может быть использован не только для осаждения железа, но и для его отделения от микроколичеств различных редких и рассеянных элементов в целях точного определения последних в различных сплавах и производственных образцах.
Ключевые слова: электролиз, катод, поляризация, перенапряжение, энергия активации.
Формат цитирования: Османов Х. А., Магомедов А. Г., Абакаргаджиева П. Р., Муртазалиева М. К. Определение железа в бронзах и магнитных сплавах электролитическим осаждением на никелированном платиновом катоде // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2017. Т. 11. № 1. С. 34-38.
Determination of Iron in Bronze and Magnetic Alloys by Galvanizing on the Nickel-Plated Platinum Cathode
© 2017 Khalid A. Osmanov, Anver G. Magomedov, Patimat R. Abakargadzhieva, Madina K. Murtazalieva
Dagestan State Pedagogical University, Makhachkala, Russia; e-mail: halid8@mail.ru; anvar-magomedov@mail.ru;
patimat_ram@ mail.ru; astra60@yandex.ru
ABSTRACT. The aim of this study is to develop a simple and accessible for any industrial laboratory method of galvanizing and iron separation from accompanying elements in various natural, technical and industrial samples. Methods. Iron precipitation is carried out on Fischer nickel-plated platinum electrode. Conclusions. This method can be used not only for iron precipitation, but also to separate it from various trace amount of less-common and dispersed elements in order to accurately determination the last in various alloys and industrial samples.
Keywords: electrolysis, the cathode polarization, overvoltage, the activation energy.
For citation: Osmanov Kh. A., Magomedov A. G., Abakargadzhieva P. R., Murtazalieva M. K. Determination of Iron in Bronze and Magnetic Alloys by Galvanizing on the Nickel-Plated Platinum Cathode. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2017. Vol. 11. No. 1. Pp. 34-38. (In Russian)
Естественные и точные науки •••
Natural and Exact Sciences •••
Введение
В наши государственные стандарты вошли способы электролитического осаждения железа на ртутном катоде. Этим методом железо отделяют при анализе руд, металлов, сплавов с целью дальнейшего определения микроколичеств различных металлов. Но электролитическое осаждение железа на ртутном катоде обладает существенными недостатками: вредность паров ртути, малая поверхность катода, вследствие чего приходится пользоваться большими количествами ртути; технически сложная операция по очистке значительных количеств загрязняющейся в ходе анализа ртути; длительность разделения металлов (2-3 часа), особая дорогостоящая аппаратура и др. [5].
В обычной практике при электролитическом осаждении металлов на твердых электродах особенностью реакций разряда металлических ионов на катоде является возникновение новой твердой фазы. Ионы металлов благодаря диффузии переносятся из раствора к катоду, восстанавливаются на нем до атомов металлов, затем происходит построение кристаллической решетки [4].
Обычно затруднения, вызванные переходом ионов металлов межфазной границы, называют «перенапряжением металлов».
Металлическое перенапряжение не обязательно должно быть лишь отражением кристаллизационного пересыщения. В отличие от кристаллизации из расплава или раствора электролитическая кристаллизация представляет собой вынужденный процесс, навязанный системе при смещении потенциала электрода в отрицательную сторону от его равновесного значения. Поэтому уровень свободной энергии конечного состояния (ионы металла в его решетке) не всегда ниже исходного (ионы металла в растворе), как это наблюдается при обычной кристаллизации.
Существенную роль при электролитической кристаллизации играет стадия разряда ионов. При электролизе металлов группы железа наиболее замедленной стадией является разряд ионов [1].
В результате разряда ионов появляются адсорбированные атомы металлов, которые затем включаются в решетку, или разряд
происходит непосредственно на участках роста решетки.
Проходя путь из гидратированного состояния в растворе до кристаллического состояния на катоде, ионы после разряда должны принять в металле определенное ориентированное положение исходя из предпосылки, что процесс электрокристаллизации является частным случаем фазового превращения. Плотность тока здесь играет такую же роль, как пересыщение при кристаллизации из раствора или величина температурного градиента при кристаллизации из расплава.
Наиболее замедленной при электролизе железа является стадия разряда, с которой связано и перенапряжение, оно зависит от плотности тока и описывается уравнением Тафеля [2].
В электрометаллургии, а особенно в гальванотехнике, главной задачей является получение мелкокристаллических, плотных и блестящих осадков металлов. Размеры кристаллов осадков металлов зависят от различных факторов и прежде всего от природы электролита и поляризации электродов.
Как известно, факторы, способствующие повышению катодной поляризации, ведут к увеличению скорости зарождения центров кристаллизации. Это связано с тем, что энергия активации, необходимая для образования зародыша, значительно больше энергии, затрачиваемой на рост уже имеющихся кристаллов. Преобладание процесса возникновения новых зародышей кристаллов над скоростью роста уже имеющихся кристаллов особенно характерно для комплексных электролитов, а также для растворов простых солей, содержащих поверхностно активные добавки [10].
На структуру катодного осадка воздействует также кристаллическая форма материала электрода (подложки) [3].
Результаты и их обсуждение
Нами изучены возможности электролитического осаждения железа на твердых электродах из различных сред с использованием различных комплексообразующих компонентов: пирофосфатов, оксалатов, цитратов, тартратов и гидротартратов. Удовлетворительные результаты дали электролиты на основе гидротартратов.
Была показана возможность электролитического выделения железа на омедненном платиновом катоде из пирофосфатных растворов. Однако этот метод не всегда дает
удовлетворительные результаты. Электролиз идет больше часа, а пирофосфат-ионы мешают последующему определению многих катионов после отделения железа [6].
Таблица 1
Количественное электролитическое выделение железа из серновиннокислых растворов на никелированном платиновом катоде
Осаждено железа РН Качество осадка
мг % до электролиза после электролиза
103,0 99,6 5,60 4,20 Ровный, плотный, блестящий
103,0 99,6 5,60 4,20 Ровный, плотный, блестящий
103,4 100,0 5,60 3,80 Ровный, плотный, блестящий
102,9 99,5 5,60 3,75 Ровный, плотный, блестящий
103,2 99,8 5,60 3,70 Ровный, плотный, блестящий
Взято железа 103,4 мг; t = 36°С; время электролиза 30 мин
Исследования по электролитическому осаждению железа на таком же омедненном катоде из виннокислых растворов тоже не привели к успеху [7]. Из этих электролитов железо выделяется на омедненном платиновом катоде в виде рыхлого, неровного осадка темного цвета. Это объясняется тем, что осаждение железа происходит на поверхности меди, структура кристаллов которой значительно отличается от структуры кристаллов железа.
А изучение возможности осаждения никеля на омедненном платиновом катоде показало, что из виннокислых растворов при рН 5,4-5,6, температуре 36-38 С, концентрации сегнетовой соли 0,05 н, умеренном перемешивании и потенциале катода Е = -1,05 В (н. к. э.) никель осаждается на катоде в виде плотного и блестящего осадка [9].
Затем покрытый никелем катод был применен для осаждения железа в тех же условиях при Е = -1,10 В. Железо выделяется при этом в виде блестящего осадка.
Рассматривая кристаллические структуры меди, никеля и железа под металлографическим микроскопом МИМ-7, мы обнаружили, что диаметр кристаллов осажденного осадка никеля (1,7 мк) занимает промежуточное положение по размерам между кристаллами меди (3-5 мк) и железа (0,9-1,0 мк) [8]. Поэтому железо осаждается на никелевой поверхности. Вследствие близости микроструктуры поверхности кристаллической решетки никеля и железа, последнее хорошо кристаллизуется на поверхности никелевой « подложки», о бр азуя плотные, светлые, блестящие осадки, равно-
мерно покрывающие всю катодную поверхность.
Процесс электролитического восстановления железа на никелированном платиновом катоде из виннокислых растворов при Е = -1,10В, рН 5,4-5,6 и температуре 36-38°С сопровождается химической поляризацией (В = 10200 кал/моль). Железо полностью выделяется в этих условиях в течение 30 мин. Результаты представлены в таблице 1.
Если в растворе вместе с ионами железа присутствуют ионы кобальта и никеля, то при электролизе происходит совместное выделение всех металлов вследствие близости их потенциалов.
Если же вместе с ионами металлов группы железа в растворе присутствуют еще и ионы меди, то вначале электролизом на платиновом катоде осаждают медь по заранее разработанной нами методике при рН 1,01,7, температуре 36-38°С и Е = - 0,20 В [7]. Медь выделяется в этих условиях полностью в течение 20 мин. Затем раствор нейтрализуют до рН 5,4-5,7 разбавленным раствором аммиака и на покрытом медью катоде выделяются кобальт, никель и железо. При потенциале -1,00 В (напряжение V = 3 В) выделяется кобальт, через 10 мин потенциал изменяют до -1,05 В (напряжение V = 3,7 В), при этом выделяются остатки кобальта и никель, еще через 20 мин потенциал доводят до -1,10 В и ведут электролиз железа. К концу электролиза напряжение падает до 3,2 В.
Таким образом, электролиз можно вести, контролируя только напряжение, что дает
возможность проводить работу в любой заводской лаборатории.
Метод был испытан нами при анализе бронзы марки БрАЖМц 10-3-1,5. Образцы бронзы растворяли в смеси концентрированной азотной и серной кислот, затем растворы упаривали до полного удаления N02 и начала выделения паров БОз. Далее растворы переносили в мерные колбы, разбавляли дистиллированной водой, доводили рН до 1,4-1,7 разбавленным раствором НС1, доводили водой до метки, брали соответствующие алик-воты и при температуре 36-38°С и Е= - 0,20 В в течение 20 мин выделяли медь. После выделения меди растворы нейтрализовали до рН 5-5,7, катод покрывали никелем из раствора для никелирования, промывали, высушивали его, взвешивали и на нем осаждали железо, как указано выше, и после высушивания взвешивали. Относительная погреш-
1. Антропов Л. И. Теоретическая электрохимия. М. : Высшая школа, 1965. 434 с.
2. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. Введение в электрохимическую кинетику. М., 1983. 238 с.
3. Левин А. И. Теоретические основы электрохимии. М. : Металлургиздат, 1963. 368 с.
4. Ляликов Ю. С. Физико-химические методы анализа. Изд. 5-е, перераб. и доп. М. : Химия, 1974. 306 с.
5. Османов Х. А., Багдасаров К. Н. Способ электролитического осаждения железа // Сборник научных трудов Дагестанского государственного педагогического института. Махачкала, 1969. С. 68-70.
6. Османов Х. А., Казаренко Л. В. Характеристики металлов группы железа в аммиачных виннокислых растворах и условия электролиза железа // Межвузовский сборник научных трудов Ростовского государственного университета.
1. Antropov L.I. Teoreticheskaja jelektrohimija [Theoretical electrochemistry]. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1965. 434 p. (In Russian)
2. Damaski n B. B., Petriy O. A. Vvedenie v jel-ektrohimicheskuju kinetiku [Introduction to the electrochemical kinetics]. Moscow, 1983. 238 p. (In Russian)
3. Levin A. I. Teoreticheskie osnovy jelektro-himii [Theoretical basis of electrochemistry]. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1963. 368 p. (In Russian)
4. Lyalikov Y. S. Fiziko-himicheskie metody analiza [Physical-chemical methods of analysis]. Ed.
ность определения железа не превышает 1,61,8 %.
Заключение
Данный метод может быть использован не только для выделения и определения железа, а также меди, кобальта и никеля в различных природных и технических объектах, но и для их отделения от микроколичеств различных редких и рассеянных элементов в целях точного определения содержания последних в различных сплавах и производственных образцах. В частности, метод был применен для определения титана и ниобия в титаномагнитных сплавах марки ЮНДК-35Т5. Результаты анализа вполне удовлетворительные. Время полного анализа не превышает 2,5-3 ч, тогда как в заводских условиях для этого по ГОСТ требуется 2-3 дня.
Ростов н/Д., 1970. С. 45-47.
7. Османов Х. А. Электролитическое осаждение железа на твердых электродах // Актуальные проблемы современной науки. Махачкала: Изд-во ДГПИ, 1982. С. 82-83.
8. Османов Х. А., Алиев И. А. Роль структуры катода при электролизе железа // Актуальн ые п ро-блемы химико-педагогического и химического образования. Материалы Всероссийской научной практической конференции с международным участием. СПб. : РГПУ, 2001. 216 с.
9. Османов Х. А. Кинетика электродных процессов при электроосаждении железа на никелированном платиновом катоде // Материалы юбилейной научной конференции, посвященной 30-летию Дагестанского государственного педагогического института. Махачкала, 1975. С. 57.
10. Хейцев В. Л. Практикум по теоретической электрохимии. М., 1954. 238 с.
5th, revised and enlarged. Moscow, Khimiya Publ., 1974. 306 p. (In Russian)
5. Osmanov Ch. A., Bagdasarov K. N. Method of electrolytic deposition of iron. Sbornik nauch-nyh trudov Dagestanskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo instituta [Proceedings of Dagestan State Pedagogical Institute]. Makhachkala, 1969. Pp. 68-70. (In Russian)
6. Osmanov Ch. A., Kazarenko L. V. Characteristics of the metals of the iron group in ammonium minocyclin solutions and the conditions of iron electrolysis. Mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta [Interuniversity proceedings of Rostov State Uni-
Литература
References
versity]. Rostov-on-Don. 1970. Pp. 45-47. (In Russian)
7. Osmanov Ch. A. Electrolytic deposition of iron on the solid electrodes. Aktual'nye problemy sovremennoj nauki [Actual problems of modern science]. Makhachkala, DGPI Publ., 1982. Pp. 8283. (In Russian)
8. Osmanov Ch. A., Aliev I. A. The structure of cathode role at iron electrolysis. Aktual'nye problemy himiko-pedagogicheskogo i himicheskogo obrazovanija. Materialy Vserossijskoj nauchnoj prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem [Actual problems of chemical-pedagogical and chemical education. Proceedings of the All-Russian scientific practical conference
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Османов Халид Ахмедович, кандидат химических наук, профессор кафедры химии, естественно-географический факультет (ЕГФ), Дагестанский государственный педагогический университет (ДГПУ), Махачкала, Россия; e-mail: halid8@mail.ru
Магомедов Анвер Гусейнович, кандидат химических наук, доцент кафедры химии, ЕГФ, ДГПУ, Махачкала, Россия; e-mail: anvar-magomedov@mail. ru
Абакаргаджиева Патимат Рамазанов-на, кандидат педагогических наук, доцент кафедры химии, ЕГФ, ДГПУ, Махачкала, Россия; e-mail: patimat_ram@ mail.ru
Муртазалиева Мадина Казимагоме-довна, кандидат технических наук, доцент кафедры химии, ЕГФ, ДГПУ, Махачкала, Россия; e-mail: astra60@yandex.ru
with international participation]. Saint Petersburg, RGPU Publ., 2001. p. 216. (In Russian)
9. Osmanov Ch. A. Kinetics of electrode processes at the iron electro deposition on nickel-plated platinum cathode. Materialy jubilejnoj nauchnoj konferencii, posvjashhennoj 30-letiju Dagestanskogo gosudarstvennogo pedagog-icheskogo instituta [Proceedings of the jubilee scientific conference dedicated to the 30th anniversary of Dagestan State Pedagogical Institute]. Makhachkala, 1975. P. 57. (In Russian)
10. Heytsev V. L. Praktikum po teoreticheskoj jelektrohimii [Workshop on theoretical electrochemistry]. Moscow, 1954. 238 p. (In Russian)
INFORMATION ABOUT THE AUTHO RS Affiliations
Khalid A. Osmanov, Ph. D. (Chemistry), professor, the chair of Chemistry, Natural Geographical faculty (NGF), Dagestan State Pedagogical University (DSPU), Makhachkala, Russia; e-mail: halid8@mail.ru
Anver G. Magomedov, Ph. D. (Chemistry), assistant professor, the chair of Chemistry, NGF, DSPU, Makhachkala, Russia; e-mail: an-var-magomedov@mail.ru
Patimat R. Abakargadzhieva, Ph. D. (Pedagogy), assistant professor, the chair of Chemistry, NGF, DSPU, Makhachkala, Russia; e-mail: patimat_ram@ mail.ru
Madina K. Murtazalieva, Ph. D. (Technical Science), assistant professor, the chair of Chemistry, NGF, DSPU, Makhachkala, Russia; e-mail: astra60@yandex.ru
Принята в печать 31.08.2016 г.
Received 31.08.2016.
