Разработка перспективного способа синтеза молибдата железа (III) на основе системы FeSO₄-Na₂CO₃-MoO₃

№125-1,

химические науки

В работе приводится новый экспериментальный материал по разработке рационального способа получения молибдата железа (III) в системе FeSO₄-Na₂CO₃-MoO₃ в высокодисперсном состоянии при низкой температуре и высокой производительности процесса. Собран довольно обширный материал по свойствам и областям применения молибдата железа (III), критический анализ которого указывает на необходимость разработки новых подходов к его синтезу. Полученный в работе экспериментальный материал подтверждает эффективность предлагаемого в работе способа синтеза молибдата кобальта. Разработанный способ можно применить и для получения других молибдатов и вольфраматов d-элементов. Большое внимание в статье уделено всесторонней идентификации полученного молибдата железа (III) в системе FeSO₄-Na₂CO₃-MoO₃ комплексом физико-химических методов (термодинамический, рентгенофазовый, дисперсионный, химический).

Похожие материалы

Молибдаты и вольфраматы являются перспективными функциональными материалами в современном наукоемком производстве, в заметной степени удовлетворяя потребности в лазерных, сегнетоэлектрических, каталитических и других материалах. В частности, молибдат железа (III) — один из значимых представителей молибдатов элементов d-блока, который является эффективным катализатором окисления метанола и метана [1]. Наряду с этим, он обладает интересными магнитными свойствами.

Однако, как показывает критический анализ, известные на сегодня методы синтеза молибдата железа (III) страдают рядом недостатков, например, они высокотемпературны (700-1200°С).

Таким образом, необходимо продолжить поиск оптимальных путей получения молибдата железа (III) и разработку перспективного способа синтеза Fe2(MoO4)3 в высокодисперсном состоянии. Цель настоящей работы — решение этой задачи для достижения которой выбрана рабочая система FeSO4-Na2CO3-MoO3.Прежде чем приступить к синтезу молибдата железа (III) нами на основе метода Темкина-Шварцмана и изотермы химических реакций Вант-Гоффа [2] дана термодинамическая оценка возможности процессов, лежащих в основе синтеза Fe2(MoO4)3. Ниже в таблице 1 приводятся результаты расчета изобарных потенциалов этих обменных реакций.

Таблица 1. Данные по расчету ΔrG0T в системе FeSO4-Na2CO3-MoO3 на основе обобщенного закона Гесса и уравнения ΔG0T=ΔH0T — TΔS0T

Реакции

Уравнения

ΔrG0T= φ(Т)

ΔrG0T, кДж/моль и К0р при температурах, К

298

873

923

2FeSO4+2Na2CO3+

3MoO3+1/2O2=

Fe2(MoO4)3+2Na2SO4+2CO2

ΔrG0T= -324,73-0,2491Т + ΔrCp0М0T

-324,73

- 542,19

- 554,65

6,25*1018

7,88*107

3,53*106

Как видно из данных таблицы 1 процесс, протекающий в рабочей системе FeSO4-Na2CO3-MoO3 термодинамически разрешена и может составить основу для синтеза в ней молибдата железа (III).

Синтез и идентификация молибдата железа (III)

Для синтеза молибдата железа (III) исходные вещества растирали и просеивали через сито (0,25мк), после чего из полученных отсевов в соответствии с уравнением реакции

2FeSO4 + 2Na2CO3 + 3MoO3 +1/2О2 = Fe2(MoO4)3+ 2CO2 +2Na2SO4

составили стехиометрическую смесь заданной массы (3 навески), которые вносились в тигель, куда для их гомогенизации добавлялся ацетон, удаляемый в последующем полностью до начала реакции. Затем тигли с реагентами выдерживались в муфельной печи при температуре 600оС до достижения постоянной массы (140-200 мин). При этом потеря массы по CO2 от теоретического составляла 99,98%. Полученный таким образом спек охлаждали до комнатной температуры, выщелачивали горячей (70-800С) дистиллированной водой, осадок Fe2(MoO4)3 отфильтровывали, промывали на фильтре дистиллированной водой до отрицательной реакции на сульфат — ион. Полученный продукт сушили при 200-250ºС в течение часа, а затем прокаливали в муфельной печи при температуре 300-350оС до постоянной массы. Выход железа (III) молибденовокислого составляет 99,85% от теоретического.

Идентификацию полученного в системе FeSO4-Na2CO3-MoO3 молибдата железа (III) проводили химическим (табл. 2,3) и рентгенофазовым (РФА) методами (рис 1.)

Таблица 2. Данные химического анализа Fe2(MoO4)3 синтезированного в системе FeSO4-Na2CO3-MoO3 по определению железа

Масса навески Fe2(MoO4)3 для анализа, гр.

m(Fe2O3)теор в навеске Fe2(MoO4)3, гр.

m(Fe2O3)эксп в навеске Fe2(MoO4)3, гр.

Содержание Fe2O3 в навеске Fe2(MoO4)3,%

Содержание Fe2(MoO4)3 в синтезированном препарате по железу, %

Теория

Эксперимент

1

2

0,539939

0,535370

26,99

26,78

99,15

2

2

0,539939

0,536010

26,99

26,80

99,27

3

2

0,539939

0,53530

26,99

26,77

99,17

Таблица 3. Данные химического анализа Fe2(MoO4)3 синтезированного в системе FeSO4-Na2CO3-MoO3 по определению молибдена.

Масса навески Fe2(MoO4)3 для анализа, гр

m(MoO3)теор. навеске Fe2(MoO4)3, гр

m(MoO3)эксп в навеске Fe2(MoO4)3, гр

Содержание MoO3 в навеске Fe2(MoO4)3,%

Содержание Fe2(MoO4)3 в синтезированном препарате по молибдену, %

Теория

Эксперимент

1

2

1,46011

1,44872

73,01

72,44

99,22

2

2

1,46011

1,44988

73,01

72,49

99,30

3

2

1,46011

1,44756

73,01

72,38

99,14

Рентгенограмма порошка Fe<sub>2</sub>(MoO<sub>4</sub>)<sub>3 </sub>синтезированного в системе FeSO<sub>4</sub> — Na<sub>2</sub>CO<sub>3 </sub>- МоO<sub>3</sub>
Рисунок 1. Рентгенограмма порошка Fe2(MoO4)3 синтезированного в системе FeSO4-Na2CO3 -МоO3

Как видно из этих результатов, данные химического и РФА анализов хорошо согласуются, указывая на высокие выход и чистоту синтезированного в системе FeSO4 — Na2CO3 - МоO3 молибдата железа (III).

В связи с возможными областями применения Fe2(MoO4)3, на приборе Fritsch Analysette 22 Nanotec Plus определялась дисперсность синтезированного порошков молибдата железа (III) (рис.2).

Гистограмма и интегральная кривая распределения частиц молибдата железа (III) синтезированного в системе FeSO<sub>4</sub>-Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>-МоO<sub>3</sub>.
Рисунок 2. Гистограмма и интегральная кривая распределения частиц молибдата железа (III) синтезированного в системе FeSO4-Na2CO3-МоO3.

Как видно, образец состоит из одной фазы: размер частиц составляет от 3 до 60 микрон, что может представлять практический интерес. Таким образом, анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать вывод о достижений поставленной в работе цели.

Список литературы

  1. Огородников С.К. Формальдегид. — Л.: Химия, 1984 — 280с
  2. Герасимов Я.И. и др. Курс физической химии. т.1.М.: Химия, 1970 — 592с.