Избирательное экстракционное извлечение кадмия (II) и фотометрическое определение его с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом (ПАН) непосредственно в органической фазе

DOI: 10.32743/UniChem.2021.82.4.39-45

АННОТАЦИЯ

Разработан новый метод избирательного экстракционного извлечения кадмия (II) и фотометрического определение его ПАН (1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом) непосредственно в органической фазе.

Опыты показали, что кадмий (II) из сильнокислой среды в присутствии йодид-ионов и диметилформамида (ДМФА) избирательно экстрагируется хлороформом. После экстракции кадмия (II) хлороформом в оптимальных условиях, отделения водной фазы, добавления к экстракту хлороформного раствора ПАН, ацетатно-аммиачного буферного раствора с рН 8-10 содержащего NaJ, аскорбиновой кислоты и встряхивания фаз в течение 5-10 с. кадмий (II) взаимодействует с ПАН в молярном отношении 1:2 непосредственно в органической фазе. Кажущийся молярный коэффициент поглощения комплекса при 555 нм составляет 4.80∙10⁴. Разработанный метод экстракционного извлечения и фотометрического определения кадмия позволяет определять микросодержание кадмия в присутствии больших количеств других элементов.

Методика экстракционного извлечения и фотометрического определения кадмия с ПАН проверена на анализе производственных растворов, концентратов и руд промышленных образцов Альмалыкского горно-металлургического комбината, рекомендуется для анализа производственных растворов, сточных вод, руд, пород и других сложных по химическому составу материалов без предварительного отделения сопутствующих элементов.

ABSTRACT

As a result of the study, a new method was developed for selective extraction of cadmium (II) and photometric determination of its PAN directly in the organic phase. Experiments have shown that cadmium (II) is selectively extracted with chloroform from a strongly acidic medium in the presence of iodide ions and dimethylpharmamide (DMF). After curing cadmium (II) with chloroform under optimal conditions, separating the aqueous phase, adding a chloroform solution of PAN, an acetate-ammonia buffer solution with pH 8–10 containing NaJ, ascorbic acid to the extract, and shaking the phases for 5–10 s. Cadmium (II) interacts with PAN in a molar ratio of 1:2 directly in the organic phase. The apparent molar extinction coefficient of the complex at 555 nm is 4.80∙10⁴. The developed method of extraction and photometric determination of cadmium makes it possible to determine the microgram content of cadmium in the presence of large amounts of foreign elements.

The method of extraction and photometric determination of cadmium with PAN has been tested on the analysis of industrial solutions, concentrates and ores of industrial samples of the Almalyk Mining and Metallurgical Combine, it is recommended for the analysis of industrial solutions, waste water, ores, rocks and other materials with complex chemical composition without preliminary separation of accompanying elements.

Ключевые слова: экстракция, селективность, чувствительность, максимум светопоглащения, молярный коэффициент поглощения, метод сдвига равновесия.

Keywords: selectivity, sensitivity, maximum light absorption, molar extinction coefficient, equilibrium shift method.

Развитие науки, промышленности и внедрение новых технологических процессов приводит к возрастающему загрязнению окружающей среды. Для предотвращения экологической катастрофы необходимо создание комплексного мониторинга окружающей среды для систематического анализа информации о состоянии природной среды.

Как известно многие химические соединения и токсичные тяжелые металлы в результате работы предприятий, заводов и фабрик с атмосферными осадками растворяясь в капельных влаги в качестве примесей попадают в почву и воду. Среды загрязнений тяжёлые токсичные металлы и их соединения образуют значительную группу экотоксикантов, во многом определяющую антропогенные воздействия на экологическую структуру окружающей нас среды и на самого человека. Учитывая все возрастающие масштабы производства и применения тяжелых токсичных металлов, высокую токсичность, канцерогенность, способность накапливаться в организме человека, оказывать вредное влияние даже в низких содержаниях. Эти химические примеси отнесены к числу приоритетных. К таким экотоксикантам также относятся железо, медь, кадмий, ртуть, сурьма и другие. Поэтому актуальность представленной работы очевидна и современна. Поиск селективных экоаналитических методов извлечения и определения экотоксикантов в сложных по химическому составу материалах является актуальной задачей.

Методы исследования. Современные экоаналитические методы анализа, такие как хромато-спектрометрия, хромато-масс-спектрометрия, атомно-абсорбционная, плазменная, рентгенофлуоресцентная и другие, не всегда позволяют решить эту задачу из-за сложности и малодоступности аппаратуры.

Не утратили своего значения и другие методы анализа, среды которых следует отметить фотометрию и спектрофотомерию. Именно в этом методе возможно применение различных органических реагентов, способных объединять в одной стадии извлечения, концентрирования и определения элементов. Наиболее часто для экстракционного извлечения и определения микроколичеств кадмия рекомендуется использовать основные красители и реагенты других классов.

Существующие фотометрические и экстракционно-фотометрические методы определения кадмия (II) с применением органических красителей являются высокочувствительными, но малоизбирательны [1,2,3]. Так как комплексообразование кадмия (II) и сопутствующих ионов с органическими реагентами происходят в водной фазе и мешают определению кадмия.

Одним из перспективных приемов экстракции в фотометрическом анализе является сочетание процессов экстракции с комплексообразование непосредственно в органической фазе [4,5]. Для этого определямый ион избирательно экстрагируют неполярным растворителем в присутствии реагентов основного, нейтрального или кислотного характера и в органической фазе проводят комплексообразование органическими красителями. Этим приемом повышают не только избирательность, но и экспрессность, точность вследствие отсутствия потерь определяемого элемента, при отпавшей необходимости реэкстракции, а также и подбором чувствительности.

Наряду с синтезом новых селективных реагентов поиск новых методических приемов и усовершенствований, пригодных для повышения селективности определения кадмия является актуальной задачей аналитической химии.

В настоящей работе исследуется новый селективный, простой и экспрессный метод, основанный на избирательные экстракционные извлечения йодидного комплекса кадмия (II) инертными органическими растворителями и комплексообразовании её с ПАН непосредственно в органической фазе.

Результаты исследования. Исходный раствор кадмия (II) готовили из соли хлорида кадмия (II), марки “хч”. Титр раствора установили потенциометрический с помощью йодида калия [6]. Спектр йодидного комплекса кадмия (II) с ПАН снимали на спектрофотометре СФ-26. Оптические плотности комплексов измеряли на фотоэлектроколориметре КФК-2.

Опыты показали, что кадмий (II) из сильнокислой среды в присутствии йодид-ионов и диметилформамида (ДМФА) хорошо экстрагируется хлороформом.

Исследование экстракции кадмия (II) хлороформом в зависимости от концентрации водород-ионов, йодид-ионов и ДМФА показало, что оптимальными условиями экстракции кадмия (II) являются: 1,5-4 М по H₂SO₄, 0,03-0,3 М по NaJ, 5-30 об % (по объему) ДМФА и встряхивание фаз 5-10 с. При равных объемах водной и органической фаз извлечение кадмия (II) хлороформом при однократной экстракции составляет 99,99 % и не изменяется до соотношения фаз 10:1.

Механизм экстракции. Состав экстрагирующегося йодидного комплекса кадмия (II) определяли методом сдвига равновесия [7]. Концентрацию кадмия (II) в экстракте определяли фотометрическим методом. Полученные данные, приведённые на рис.1, табл.1 показывают, что в билогарифмических координатах lgD_Cd-lgC_H⁺, lgD_Cd-lgC_J^–, lgD_Cd-lgC_ДМФА (где, D – коэффициент распределения, С - концентрация) наблюдается прямолинейная зависимость с тангенсами угла наклона прямых, равными соответственно 1, 3 и 2.

Следовательно, кадмий (II) извлекается хлороформом в виде Н[CdJ₃]. Сольватное число в экстракте равно 2. Число молекул воды, связанное с Н[CdJ₃] в экстракте определенное методом Фишера [8] равно 2.

Таким образом, йодидный комплекс кадмия (II) из сильнокислой среды в присутствии ДМФА экстрагируется хлороформом по гидратно-сольватному механизму [9].

Условия комплексообразования кадмия (II) с ПАН в органической фазе

 После экстракции кадмия (II) хлороформом в оптимальных условиях, отделения водной фазы, добавления к экстракту хлороформного раствора ПАН, ацетатно-аммиачного буферного раствора с рН 8-10, содержащего 0,1М NaJ 0,2 % аскорбиновой кислоты и встряхивания фаз в течение 5-10 с происходит комплексообразование кадмия (II) с ПАН в хлороформе. Заряд комплексов кадмия (II) с ПАН определяли пропуская его через катионита марки КУ-2в М-форме.

Таблица 1.

Определение молярных соотношений Cd:Н⁺, Cd: J^-, Cd:ДМФА методом сдвига равновесия : (С_Cd =1.77∙10^-5 М А_пр=0,48)

Где, А-возрастающая оптическая плотность;

А_пр.- предельная оптическая плотность;

[ДМФА]_равн-равновесная концентрация ДМФА.

Рисунок 1. Определение молярных соотношений Cd:

Н⁺ (1), Cd: J^– (2), Cd:ДМФА (3) ионов методом сдвига равновесия

Для этого через катионит пропускали 10 %-ный водный раствор соляной кислоты, промывали последовательно дистиллированной водой до нейтральной реакции, ацетоном, хлороформом и пропускали хлороформный экстракт комплекса кадмия с ПАН. Через катионит прошел окрашенный комплекс в хлороформе. Следовательно, это означает кадмия (II) с ПАН является незаряженном.

Методом сдвига равновесия [7] установлено, что кадмий (II) с ПАН в органической фазе взаимодействует в молярном соотношении 1:2 (рис. 2, табл. 2). Следовательно, реакция комплексообразования кадмия (II) с ПАН в органической фазе представлено краткой схемой.

[H(H₂O)₂(ДМФА)₂][ CdJ₃^-]_(о) +2 HR → [Cd R] J_(о)+ 2ДМФА+ 3HJ+2H₂O

 Рисунок 2. Определение молярных соотношений в комплексов Cd:

ПАН в хлороформном экстракте методом сдвига равновесия

Таблица 2.

Определение молярных соотношений в комплексов кадмия (II) с ПАН методом сдвига равновесия (С_Cd =1.77∙10^-5 М А_пр=0,61) 

Где А-возрастающая оптическая плотность;

А_пр.-предельная оптическая плотность.

Комплекс кадмия (II) с ПАН в экстракте устойчив более 3 суток. Кажущийся молярный коэффициент поглощения при максимуме светопоглощения 555 нм равен 4,8·10⁴. Закон Бера соблюдается в интервале 1-125 мкг кадмия (II) в 10 мл экстракта. Воспроизводимость определений находится в интервале 1-5 %.

 Построен три градуировочного графика охватывающего пределы 1-20 мкг, 20-60 мкг и 60-125 мкг кадмия.

Измерение оптических плотностей комплексов проводилось в кюветах с толщиной поглощающей  слоя 2,1 и 0,3 см соответственно.

Методика определения кадмия (II) в чистых растворах

В мерный цилиндр емкостью 25 мл с притертой пробкой вносят анализируемый раствор, содержащий 1-125 мкг кадмия (II), приливают 2,5 мл 5 М H₂SO₄, разбавляют дистиллированной водой до 7 мл, добавляют 1 мл 1М NaJ, содержащих 2 % аскорбиновой кислоты (для предотвращения окисления йодид-ионов), 2 мл ДМФА, 5 мл хлороформа и встряхивают 5-10 секунд. Смесь переносят в делительную воронку и экстракт сливают в другую делительную воронку. К экстракту приливают 5 мл 0,06 %-ного хлороформного раствора ПАН, 5 мл аммиачного буферного раствора с рН 9, содержащего 0,1 М NaJ, 0,2 % аскорбиновой кислоты и встряхивают 1 минут. Образовавшийся окрашенный комплекс кадмия (II) с ПАН фильтруют через плотную фильтровальную бумагу в кювету измеряют оптическую плотность на фотоэлектроколориметре КФК-2 со светофильтром длиной волны 540 км относительного раствора холостого опыта.

В условиях экстракции кадмия (II) частично экстрагируются ионы свинца, меди, палладия, висмута, вольфрама и сурьмы, однако небольшие количества этих ионов не мешают определению кадмия. Результаты определения кадмия (II) в присутствии посторонних ионов, в которых ошибки определения не превышают 2-5 %  приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Определение кадмия (II) в присутствии посторонних ионов (взято 20 мкг кадмия)

Где, М – ион или соединение; M/ Cd - допустимое отношение к кадмию по массе.

1 -после однократного промывания комплекса кадмия с ПАН 5 мл 0,1 М раствором соды.

2-после однократного промывания экстракта с 10 мл раствора, содержащего 1,25 М H₂SO_4, 0,1М NaJ, 0,2 % тиомочевины и 20 % ДМФА.

3-При добавлении 200 мг винной кислоты в экстракционную смесь.

Для определения кадмия в различных объектах разработанный метод проверен в производственных растворах, концентратах и рудах Алмалыкского горно-металлургического комбината без предварительного отделения сопутствующих элементов.

При определении кадмия в производственных растворах (табл. 4) отбирают 2-3 мл аликвотный части производственного раствора, дальнейшие операции выполняют по вышеуказанной методике с включением операции однократного промывания хлороформного экстракта 10 мл смесью, содержащей 1,5 М H₂SO_4, 0,1 М NaJ, 0,2 % тиомочевины и 20 % ДМФА. Для определения кадмия в рудах и концентратах (табл. 5) навеску 2 гр руды (при концентратах) помещают в коническую колбу на 250 мл, приливают 60 мл HCl (d = 1,19) и нагревают в течение 10 минут. Приливают еще 30 мл азотной кислоты (d = 1,14) выпаривают до объема 3 мл. Затем добавляют 20 мл серной кислоты (1:1) и нагревают до слабых паров серного ангидрида, затем приливают 50 мл воды, нагревают до кипения, охлаждают, фильтруют через плотный бумажный фильтр в мерную колбу на 100 мл и разбавляют водой до метки. Затем из аликвотной части раствора (2-3 мл) определяют по методике определения кадмия из чистых растворов с включением однократного промывания экстракта 10 мл промывочном раствором (табл. 4).

Таблица 4.

Определение кадмия в производственных растворах реагентом ПАН (п = 4; Р = 0,95)

Таблица 5.

Результаты определения кадмия в концентратах и рудах  реагентом ПАН (n = 4; Р = 0,95) 

Обсуждение результатов

Таким образом, проведенное исследование позволяет заключить, что гетероциклические азосоединения на основе пиридина являются весьма ценными аналитическими реагентами для определения элементов. Этому способствуют высокая чувствительность реагентов, контрастность изменения окраски при комплексообразовании, устойчивость образующихся комплексов.

 Малая избирательность определение ионов металла с применением азосоединения, также как и при применении других органических реагентов обусловлена проведением комплексообразованием в водной фазе и в этом заключается основной недостаток существующих методов.

В наших исследованиях большое внимание было уделено способам повышения избирательности и чувствительности фотометрических определений, так как эти аналитические характеристики играют важную роль в практике аналитической химии.

Нами исследованы условия избирательного экстракционного извлечения йодидного комплекса кадмия (II) в присутствии ДМФА инертными органическими растворителями и условия комплексообразовании кадмия (II) с ПАН после добавления реагента ПАН непосредственно к экстракту.

Исследования показали, что кадмий (II) из сильнокислой среды в присутствии йодид-ионов и ДМФА избирательно экстрагируется хлороформом. При 5-10 секундном встряхивании фаз кадмий (II) извлекается на 99,9 %. В этих оптимальных условиях совместно с кадмием (II) частично экстрагируются ионы свинца, ртути, серебра, меди, палладия и платины. Однако в условиях комплексообразовании кадмия (II) с ПАН эти ионы не образуют комплексы и не мешают определению в небольших концентрациях.

Изучение состава экстрагирующегося йодидного комплекса кадмия (II) в экстракте показало, что йодидный комплекс кадмия (II) экстрагируется по гидратно-сольватному механизму. Хлороформный комплекс кадмия (II) с ПАН в экстракте устойчив в течение длительного времени и подчиняется закону Бера в широком интервале концентраций. Метод ценен еще и тем, что после избирательного извлечения кадмия (II) в органическую фазу, появляется возможность образования комплексов в органической фазе с более чувствительными красителями, которые из-за низкой избирательности не получили широкого применения.

Разработанный новый метод проверено на производственных растворах, концентратах и рудах Альмалыкского горно-металлургического комбината. Полученные данные свидетельствуют о надежности и точности предложенной методики определения кадмия.

Выводы. В результате исследования разработан новый метод избирательного экстракционного извлечения кадмия (II) и фотометрического определения его азореагентом ПАН в органической фазе. Выявлен механизм извлечения и комплексообразование в органической фазе. Определён составы строения комплексов, сделаны определенные выводы о повышении селективности и чувствительности фотометрических методов определения элементов и о наиболее ценных в аналитическим отношении реагентах.

Таким образом, разработанная методика экстракционного извлечения и определения кадмия с ПАН отличается высокой избирательностью, чувствительностью, простотой выполнения и экспрессностью, рекомендуется для анализа производственных растворов, сточных вод концентратов, руд и других сложных по химическому составу материалов без предварительного отделения сопутствующих элементов непосредственно в органической фазе.

Список литературы:

1. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим методам анализа. – Л. : Химия, 1986. – С. 244–251.
2. Горюшина В.Г., Гайлис Е.А. Методы анализа веществ высокой частоты.Зав. лаб. – 1956. – Т. 22. – С. 905.
3. Денеш И. Очистка растворителей // Титрование в неводных средах. – М. : Мир, 1971. – С. 139.
4. Золотов Ю.А. Экстракция внутри комплексных соединений. – М. : Наука, 1968. – С. 78.
5. Золотов Ю.А., Иофа Б.З., Чучалин Л.К. Экстракция галогенидных комплексов металлов. – М. : Наука, 1979. – С. 29, 59.
6. Избирательное экстракционно-спектрофотометрическое определение золота (III) непосредственно в органической фазе / С.М. Турабджанов, Л.С. Рахимова, В.У. Отакузиева, И.К. Каюмова [и др.]. – М. : Химия и биология, 2019. – Вып. 8. – С. 12–29.
7. Лю Бик-у. Хуасюе шинзе. – 1960. – Т. 14. – С. 601.
8. Пятницкий И.В., Сухан В.В. Аналитическая химия серебра. – М. : Наука, 1975. – С. 96–97.
9. Современный экоаналитический экстракционно-спектрофотометрический метод определения меди с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтолом (ПАН) / С.И. Турабджанов, Л.С. Рахимова, И.К. Бекназарова, А.Ш. Гиясов // Химическая технология. – М., 2018. – С. 523–528.
10. Fisher H., Leopoldi G. von. Uslar H.Z. anal. // Chem. – 1935. – Vol. 1. – Р. 101.