ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ В ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦАХ

SELECTING THE OPTIMAL CONCENTRATION OF METAL IONS IN THE SAMPLES UNDER STUDY

Ибрагимова М.И. Амонов М.Р.

28.07.2025 105

7(136)

Цитировать:

Ибрагимова М.И., Амонов М.Р. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ В ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦАХ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2025. 7(136). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/20506 (дата обращения: 05.12.2025).

Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В данной научной работе подробно исследовано протекание реакций комплексообразования на аминированной хлопчатобумажной ткани с участием ионов многовалентных металлов (Fe³⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Cu²⁺) и нитрита натрия (NaNO₂). Установлено, что оптимальные концентрации компонентов — 0,25–0,5 г/л для солей металлов и 0,5 г/л для NaNO₂ — способствуют максимально эффективному формированию металлокомплексов в структуре ткани, что обеспечивает высокую интенсивность окрашивания. Полученные результаты свидетельствуют о возможности целенаправленного управления процессом окраски текстильных материалов путём варьирования условий комплексной модификации.

ABSTRACT

This scientific study provides a detailed investigation into the complex formation reactions occurring on aminated cotton fabric in the presence of multivalent metal ions (Fe³⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Cu²⁺) and sodium nitrite (NaNO₂). It has been established that the optimal concentrations of the components — 0.25–0.5 g/L for metal salts and 0.5 g/L for NaNO₂ — promote the most efficient formation of metal complexes within the fabric structure, resulting in high color intensity. The obtained results confirm the possibility of targeted control over the dyeing process of textile materials by varying the conditions of complex modification.

Ключевые слова: металлокомплексы, хлопчатобумажная ткань, нитрит натрия, соли металлов, комплексообразование, координационные соединения, интенсивность окрашивания, амминированная целлюлоза.

Keywords: metal complexes, cotton fabric, sodium nitrite, metal salts, complexation, coordination compounds, color intensity, aminated cellulose.

Введение. Наличие первичных аминогрупп в полимерной матрице волокнистых материалов делает возможным получение, при действии азотистой кислоты, солей диазония. Соли диазония способны вступать во взаимодействие с катионами поливалентных металлов с образованием комплексных соединений. Однако азогруппа обладает слабыми донорными свойствами и не дает прочных к азогруппе заместителей, способных образовывать связь с металлом (-ОН, -СООН, -NH₂ и др), обеспечивает упрочнение хелатного узла [1, c. 146-148; 2, c. 46].

Пропорции компонентов оказывают ключевое влияние на характер возникающих соединений. Это является важной особенностью макромолекулярных металлохелатных образований по сравнению с низкомолекулярными аналогами, для которых чаще всего типичен синтез комплексов с фиксированным составом вне зависимости от начального количественного соотношения реагентов.

Материалы и методы исследования. В нашей работе мы анализировали концентрацию солей содержащие ионов металлов воздействущие на цветовую гамму образцов тканей [3, c.12]. Экспериментальная обработка текстильного материала проводилась с использованием растворов, обладающих комплексообразующими свойствами, при температуре 96–98 °С и соотношении ванны 1:25.

Результаты и обсуждение. В качестве источников ионов металлов применялись следующие соли: сульфат железа (III), хлорид никеля (II), хлорид кобальта (II) и сульфат меди (II). Концентрации солей железа (III), никеля (II) и кобальта (II) в рабочих растворах составляли от 0,15 до 1,0 г/л, в то время как концентрация сульфата меди (II) варьировалась в диапазоне от 0,05 до 0,5 г/л. Также в состав остальных двух растворов входили нитрит натрия (NaNO₂) и серная кислота (H₂SO₄) в количествах 0,5 и 0,3 г/л соответственно, что способствовало стабилизации среды и активному протеканию реакций комплексообразования [4,c.125; 5,c.358; 6,c.4429].

Рисунок 1. Воздействие железосодержащих солей на интенсивности R-, Y-, G-оттенков в исследуемых образцах

Рисунок 2. Воздействие никельсодержащих солей на интенсивности R-, Y-, G -оттенков в исследуемых образцах

Результаты, представленные на рисунках 1-4, демонстрируют, что изменение концентрации солей металлов оказывает существенное влияние на степень окрашивания ткани, яркость и насыщенность цвета, что связано с различиями в способности ионов металлов к образованию прочных координационных связей с функциональными группами целлюлозного волокна. Установленные зависимости позволяют целенаправленно регулировать цветовые параметры материала путём подбора типа соли и её концентрации.

В ходе обработки модифицированной аминогруппами хлопчатобумажной ткани раствором, содержащим комплексообразующие соединения, протекает ряд этапов, включая проникновение составляющих раствора в структуру волокна, формирование металлокомплексов внутри него, а также образование комплексов металлов непосредственно в рабочем растворе.

Рисунок 3. Воздействие кобальтсодержащих солей на интенсивности R-, Y-, G -оттенков в исследуемых образцах

Рисунок 4. Воздействие медьсодержащих солей на интенсивности R-, Y-, G -оттенков в исследуемых образцах

Содержание добавленных солей оказывает прямое воздействие на интенсивность обоих процессов. Повышение концентрации солей многозарядных металлов в рабочей жидкости способствует увеличению числа катионов, проникающих в волокно, что, в свою очередь, усиливает образование металлокомплексов в его объёме и их взаимодействие с волокнистой основой. В ходе обработки аминированного хлопкового текстиля соединениями, способными к комплексообразованию, одновременное увеличение содержания солей многовалентных металлов в рабочем растворе способствует ускорению формирования металлкомплексов в системе, что, в свою очередь, приводит к снижению количества свободных ионов этих металлов в растворе и, соответственно, уменьшает их проникновение вглубь волокон, а также сокращает число формирующихся комплексов в структуре волокна.

Степень внесения солей оказывает прямое воздействие на кинетику обоих взаимодействий [7, c.10]. При повышении концентрации сульфата железа (III) и хлорида никеля (II) в обрабатывающем растворе в диапазоне от 0,15 до 0,5 г/л, хлорида кобальта (II) — до 0,25 г/л, а сульфата меди (II) — до 0,1 г/л, фиксируется значительное увеличение насыщенности окраски хлопчатобумажной ткани. Указанный эффект обусловлен ростом числа металлокомплексных соединений, формирующихся в структуре целлюлозного волокна в процессе обработки. Экспериментально установлено, что максимальная интенсивность окрашивания достигается при следующих оптимальных концентрациях солей: хлорид кобальта (II) и хлорид никеля (II) — 0,5 г/л, хлорид железо (III) — 0,25 г/л, сульфат меди (II) — 0,1 г/л.

При дальнейшем повышении содержания солей в рабочем растворе наблюдается снижение интенсивности окрашивания, что, вероятно, обусловлено ускорением процесса формирования координационных соединений ионов многозарядных металлов в растворе. Различия в оптимальных концентрациях для каждого из применяемых солей, по-видимому, обусловлены спецификой образования хелатных структур, а также индивидуальными характеристиками ионов металлов. В частности, ионы меди (II) проявляют выраженную способность к кооперативным взаимодействиям с функциональными группами целлюлозных полимеров, что способствует более эффективному закреплению металлокомплексов даже при относительно низких концентрациях. Аналогичные закономерности могут быть связаны с варьирующейся координационной способностью, геометрией и устойчивостью формируемых комплексов, что следует учитывать при разработке технологических режимов модификации текстильных материалов.

Одним из ключевых реагентов, используемых в составе ванны для процессов комплексообразования, является нитрит натрия (NaNO₂). В ходе эксперимента его концентрация варьировалась в диапазоне от 0,2 до 1,0 г/л при постоянном содержании других компонентов системы, в частности серной кислоты, концентрация которой поддерживалась на уровне 0,3 г/л, сульфата меди — 0,1 г/л, хлорида кобальта — 0,25 г/л, а также хлоридов никеля и сульфата железа(III) — по 0,5 г/л. Выбор наилучшей концентрации NaNO₂ для эффективного образования металлокомплексов в волокне осуществлялся эмпирическим путем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что повышение концентрации нитрита натрия в реакционных растворах, содержащих многовалентные ионы металлов Fe³⁺, Ni²⁺ и Cu²⁺, способствует увеличению интенсивности окрашивания хлопковой ткани. Максимальное развитие окраски, отражающее наиболее активное образование металлокомплексов, наблюдается при содержании NaNO₂ на уровне 0,5 г/л. В случае использования ионов кобальта (Co²⁺) наибольшая степень комплексообразования достигается при более низкой концентрации нитрита натрия — 0,3 г/л. Эти различия, по-видимому, обусловлены спецификой реакционной способности и координационного поведения соответствующих ионов металлов в условиях данного технологического процесса. Дальнейшее повышение концентрации нитрита существенно не влияет на интенсивность комплексообразования железа и кобальта, тогда как для никеля и меди наблюдается снижение эффективности образования комплексов.

В кислой среде нитрит натрия (NaNO₂) претерпевает превращение с образованием азотистой кислоты (HNO₂). Последняя инициирует превращение резорцина в соответствующее динитрозопроизводное, обладающее высокой способностью к координации с ионами многовалентных металлов, что дополнительно усиливает эффективность процесса модификации текстильного материала. Также эти ионы металлов обладают высокой валентностью, в следствие которого формируют различных по составу и стабильности координационные соединения.

В присутствии ионов Co²⁺ в кислой среде ионов NO₂⁻ происходит окисление кобальта (II) до его трехвалентной формы — Co³⁺. Далее кобальт (III) при избытке нитрит-ионов образует комплексный анион гексанитрокобальтат [Co(NO₂)₆]³⁻ [8,c.185]. Повышение концентрации NaNO₂ влияет на кинетику протекающих процессов, ускоряя формирование металлокомплексов в волокне, что усиливает интенсивность окрашивания.

Анализ экспериментальных данных показывает, что оптимальные условия для синтеза металлокомплексов в волокнистой структуре хлопчатобумажной ткани достигаются при концентрации NaNO₂, равной 0,5 г/л. В этих условиях устанавливается наиболее благоприятное мольное соотношение между нитритом натрия и солями многовалентных металлов: приближённое к 1:1 для систем с Fe³⁺, Ni²⁺ и Co²⁺ и ориентировочно 1:5 для системы с ионами меди (Cu²⁺). Указанные соотношения способствуют равномерному протеканию реакций комплексообразования как в растворе, так и в структуре волокна, обеспечивая максимальную эффективность фиксации окрашивающих центров и достижение высокой интенсивности окраски.

Список литературы:

Zhang, X., & Li, M. (2024). Advances in metal ion detection and cancer cell imaging // Journal of Inorganic Biochemistry, 2024. P. 257.
Ahmed, N., & Yilmaz, G. Fluorescent graphene quantum dots-enhanced machine learning for detection of Hg²⁺ and Fe³⁺ in water // arXiv preprint arXiv.
Wang, Y., Liu, H., & Zhao, Q. Research progress in the detection of trace heavy metal ions in food // A review. Frontiers in Chemistry, 2024 P. 12.
Kumar, P., & Singh, R. (2024). An optimized framework for metal ion analysis in industrial sewage using Dove Swarm Optimization. Materials Today: Proceedings, 86(1), 124–132. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2024.02.063
Luo, X., & Chen, J. Discriminating analysis of metal ions in aqueous solutions via Multivariate Curve Resolution–ALS. Analytical Methods, 16(3), 2024. 355–364.
Abdurakhmanov, R., & Iskandarova, M. Electrochemical sensors for detection of heavy metal ions in aqueous samples // A review. ACS Omega, 8(5), 2023. P. 4421–4430.
Goldfarb, D., & Frydman, L. A practical guide to metal ions dynamic nuclear polarization in MI-DNP // Journal of Magnetic Resonance Open, 2024. P. 10.
Nguyen, T. H., & Le, D. Q. Analytical methods for cadmium detection in seawater // A comprehensive review. Marine Chemistry. 2024. P. 254.

Информация об авторах