Твердофазный синтез перрената калия

Московский Государственный Университет

им. М.В. Ломоносова

Твердофазный синтез K₃ReO₅.

Курсовая работа студентки 107 гр.

Кабановой К.В.

Руководитель доц. Куликов Л.А.

Преподаватель проф. Киселев Ю.М.

Москва, МГУ, Химический факультет, 2000.

Оглавление.

Введение………………………………………………………3

Обзор литературы…………………………………………….4

Экспериментальная часть………………………………...…17

Выводы……………………………………………………….20

Список литературы…………………………………………..21

Приложения…………………………………………………..22

1. Введение.

В настоящий момент большой интерес представляет уже не столько изучение свойств веществ, в которые специально были введены какие-то добавки (иногда это очень сильно меняет свойства исходного вещества), но и то, как ведут себя  сами примесные вещества в данной матрице.

Отсюда следует проблема синтеза матрицы, свойства и параметры которой заранее известны, в которую можно было бы ввести метку, изучив которую можно было бы говорить о том, как повлияла матрица на эту добавку. Одной из задач является матричная стабилизация необычных для вещества метки состояний.

            Разумеется, матрица своими параметрами должна соответствовать параметрам метки, чтобы стабилизация была возможной. Свойства матричного вещества должны также отвечать тому способу синтеза, при котором будет возможным введение определенного количества добавки.

            Методом матричной стабилизации можно воспользоваться, чтобы получить в устойчивом виде ион Fe⁷⁺ . Его ионный радиус должен быть <0.25 А. Подходящей для него матрицей могло бы послужить соединение Re⁷⁺( 0.38 A). Превышение радиуса семивалентного рения над ожидаемым радиусом Fe⁷⁺ довольно существенно (>15%), чтобы замещение, а вместе с ним и образование семивалентной формы железа могло бы произойти.

            Целью данной работы был твердофазный синтез K₃ReO₅ в качестве матрицы для стабилизации железа в семивалентном состоянии.  

2. Обзор литературы.

2.1 Рений.

По внешнему виду рений напоминает платину, но обычно его получают в виде порошка серого цвета. Re – наиболее тугоплавкий из всех металлов, за исключением W (Т_пл 3380^оС). Кристаллизуется в гексагональной плотной упаковке. [3]

Известны природные изотопы ¹⁸⁷Re, ¹⁸⁵Re и искусственные изотопы ¹⁸⁶Re, ¹⁸⁸Re, ¹⁸⁹Re, ¹⁸⁴Re. [10]

Рений обладает парамагнитными свойствами, практически не зависящими от температуры. [4] Обладает высокой электронной эмиссией, является электрическим полупроводником. При 1630^оС электронная эмиссия рения выше, чем у вольфрама. [10]

            Устойчивыми соединениями рения являются соединения Re⁺⁴, Re⁺⁶ и особенно Re⁺⁷. В природе рений встречается в виде  соединений Re⁺⁴ (ReS₂, CuReS₄ - джезказгенит).

            Электропроводность рения – 4.5.

            Потенциалы ионизации рения (эВ)

       I

      II

      III

     IV

      V

     VI

     VII

7.87

(13.2)

(26.0)

(37.7)

(50.6)

(64.5)

(79.0)

Сродство к электрону атома рения оценивается в 3 ккал/моль, а рвбота выхода электрона из металла равна 4.80 эв. [13]

            Металлический компактный рений устойчив на воздухе при комнатной температуре. Окисление рения происходит при 600^оС, а в атмосфере кислорода при нагревании свыше 400^оС металл сгорает. Появление белого дыма свидетельствует об образовании оксида рения (VII), который очень летуч. Во влажном воздухе рений медленно окисляется, причем конечным продуктом является рениевая кислота. Рений устойчив в атмосфере водорода, в восстановительных и нейтральных средах. Порошок рений адсорбирует водород. С азотом рений не реагирует даже при высоких температурах. Рений энергично взаимодействует с галогенами, причем сила взаимодействия уменьшается от фтора к брому. [11] Взаимодействие металлического рения с фтором и хлором начинаются уже выше 100^оС, с бромом – выше 300^оС. [13] При этом не образуется соединений рения высшей валентности. Рений взаимодействует с серой, фосфором и мышьяком при повышенных температурах с образованием сульфидов, фосфидов и арсенидов. [11] Образование ReS₂ при взаимодействии рения с серой начинается около 400^оС. [13]

            Рений обладает высокой коррозионной стойкостью во влажных средах, не растворяется при комнатной температуре в растворах соляной, серной и фтористоводородной кислот. Горячая серная кислота реагирует с рением, переводя его в рениевую кислоту. Довольно легко рений растворяется в бромной воде при слабом нагревании. [11] Типичные окислители более или менее легко переводят Re в HReO₄ или ее соли. Щелочная среда сама по себе на рений не действует, но сильно способствует его окислению. [13]

            Металлический рений хорошо растворяется в азотной кислоте, а также перекиси водорода с образованием рениевой кислоты :

            3 Re + HNO₃ = 3 HReO₄ + 7 NO + 2 H₂O

            2 Re + 7 H₂O₂ = 2 HReO₄ + 6 H₂O                                                     [11]

            Рений рассеян и не образует собственных минералов, его извлекают из бедных руд, содержащих сотые доли процента Re. Наибольший процент Re содержит молибденит ( MoS₂ ) – Mo и Re в степени окисления +4 имеют близкие величины радиуса атомов и оба тяготеют к сере.

            Чистый металлический рений получают восстановлением водородом  перренатов, чаще всего перрената аммония :

            2 NH₄ReO₄ + 7 H₂ = 2 Re + 8 H₂O + 2 NH₃

Возможно также получение металлического рения электролизом перрената калия в сернокислом растворе, а также путем термической диссоциации Re₃Cl₉ на вольфрамовой нити и др.

            Рений образует большое число комплексных соединений. Например, галогенидные комплексные соединения шести-, пяти-, четырех- и трехвалентного рения обладают различной устойчивостью на воздухе и в водных растворах. Устойчивость комплексных соединений рения в различных валентных состояниях повышается в присутствии неорганических и органических лигандов, стабилизирующих соответствующие валентные состояния.

Применение металлического Re обусловлено его тугоплавкостью, высокой температурой кипения, механической прочностью и химической инертностью по отношению к некоторым газам. Все это делает Re ценным материалом электроники и электротехники.

Мелкодисперсный Re используют в качестве катализатора гидрирования (этилена и нефти). Ценность ренийсодержащих катализаторов усугубляется их неотравляемостью в присутствии серы.

Многие сплавы Re (с Rt, Pd, Rh, Ir, Mo, Ta, W, Co и др.) отличаются жаропрочностью, кислотоустойчивостью, используются, в частности, для изготовления высокотемпературных термопар. [2]

Рений находит применение в виде сплава с вольфрамом для изготовления нитей в импульсных лампах-“вспышках”, но его сплавы очень неустойчивы по отношению к кислороду; очень ценная Pt-Re термопара требует работы в атмосфере инертного газа. [3]

            Осаждением металлического рения получают зеркала с большой отражательной способностью. Из металлического рения и его сплавов изготавливают контакты мощных электрических переключателей. Благодаря пониженной летучести, хорошей электропроводности, превосходной термоэлектронной эмиссии металлический рений используют для изготовления различных электродов в электронных рентгеновских трубках и радиолампах. Из сплавов платиновых металлов с рением делают ювелирные изделия. [10]

2.2 Соединения рения.

С.О.

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

Оксиды

Re₂O

ReO

[Re₂O₃]

черный

ReO₂

коричневый

[Re₂O₅]

голубой

ReO₃

красный

Re₂O₇

желтый

Re₂O₈

белый

Гидро-ксид

?

?

Re₂O₃*nH₂O

осн.

Re(OH)₄

амф.

-

[H₂ReO₄]

кисл.

[HReO₄]

кисл.

Оксога-

Логениды

ReOF₃

черный

ReOF₄,

ReOBr₄

голубые

ReOCl₄

зел-корич

ReO₃F

желтый

ReO₃Cl

ReO₃Br

ReOF₅

ReO₂F₃

Соли

?

ReI₂

ReCl₃, Re₃Cl_9,

Re₃Br₉,

Re₃I₉

ReF₄,

Na₂ReO₃

Рениты,

ReF₄,

ReCl₄,

ReBr₄,

ReI₄

Na₄Re₂O₇

гипоре-ниты

ReF₅,

ReCl₅,

ReBr₅

BaReO₄

ренаты

KReO₃

гипоренаты

ReF₆,

ReCl₆

KReO₄

перре-наты

K₃ReO₅

мезо-перренаты

ReF₇

Окисл.-восст.

Св-ва

?

?

         Слабо выраженные окислительные свойства

2.2.1 Оксиды рения.

2.2.1.1 Re₂O₈

            Пероксид рения белый. Получается при сгорании Re в быстром токе кислорода при 150^оС. Неустойчив и расплывается на воздухе. Поскольку высшая валентность Re равна 7, то Re₂O₈ cуществует в виде

                                                 O                   O         

                                                O=Re-O-O-Re=O

                                                 O                   O         

Re₂O₈ + 2 H₂O = 2 HReO₄ + H₂O₂

Re₂O₈ + 8 H₂S = Re₂S₇ + S + 8 H₂O

2 Re₂O₈ = 2 Re₂O₇ + O₂

            Плотность      8.4 ^г/_см³

            Т_пл                   150-155 ^оС              [7]

            Давление паров Re₂O₈ [1]

T, ^oC

100

120

140

160

180

200

220

P, мм рт.ст.

6.6

11.7

18.7

25.6

31.8

39.2

46.6

2.2.1.2 Re₂O₇

            Желтые кристаллы. Высший и наиболее устойчивый окисид рения, получается при обработке металлического рения избытком кислорода при температуре выше 150^оС. Другие методы получения заключаются в испарении перрениевой кислоты в вакууме и действии кислорода при повышенных температурах на низшие окислы и сульфиды рения. [11]

4 Re + 7 O₂ = 2 Re₂O₇

ReO_x + y O₂ = Re₂O₇   [7]

            Re₂O₇ хорошо растворяется в воде с образованием перрениевой кислоты (очень гигроскопичен). Восстанавливается до низших окислов рения при действии CO и SO₂ при повышенных температурах. Водород восстанавливает его до ReO₂ при 300^oC и до металла при 800^оС. Re₂O₇ реагирует также с сухим H₂S с образованием Re₂S₇.

            Упругость паров Re₂O₇ зависит от температуры следующим образом:

t, ^oC

230

250

265

280

295

300

310

325

340

360

p,

мм.рт.ст.

3.0

10.9

26.5

61.2

135

160

210

312

449

711

            Re₂O₇ имеет орторомбическую решетку с параметрами а=15.25А, b=5.48А, с=12.5А. Атом рения обладает координацией двух видов : почти правильной тетраэдрической ( межатомные расстояния Re-O 1.68-1.80 А ) и существенно искаженной октаэдрической ( межатомные расстояния Re-O 1.65-2.16 А ), причем структура построена из равных количеств октаэдров и тетраэдров. Структура хорошо объясняет механизм испарения Re₂O₇ с образованием в газовой фазе молекул Re₂O₇ с тетраэдрической координацией рения и общим строением молекулы O₃ReOReO₃, а также механизм гидролиза с образованием молекул Re₂O₇(H₂O)₂ , построенных из соединенных вершинами ReO₄ и октаэдра ReO₄(H₂O)₂.

            Растворяется в этиловом спирте, ацетоне. Не растворяется в четыреххлористом углероде и абсолютном эфире. Плотность 6.2 г/см³. Температура плавления 304^оС. Температура кипения 355^оС. Очень летуч. На этом свойстве основано выделение Re из промышленного сырья, а также ряд методов отделения рения от сопутствующих элементов дистилляцией. [11]

2.2.1.3 ReO₃

            Может быть получен при неполном сгорании в воздухе металлического рения или других его соединений, например сульфидов, а также может присутствовать в неустойчивых промежуточных продуктах рениевой кислоты и семиокиси рения. Впервые триоксид рения была получена при нагревании смеси окисида рения (VII) и мелко раздробленного рения без воздуха при 200-250^oC.

                        3 Re₂O₇ + Re = 7 ReO₃

            Можно получать оксид рения (VI) также путем взаимодействия оксида рения (VII) и оксида рения (IV).

                        Re₂O₇ + ReO₂ = 3 ReO₃

            Оксид представляет собой красное мелкокристаллиеское вещество с металлическим блеском. Окраска его во многом зависит от метода получения, известна, например, синяя разновидность триоксида рения. [1]

            Оксид рения (VI) может быть получен по реакции :

            Re₂O₇ + CO = CO₂ + 2 ReO₃                                                

Промежуточно возникающая при этом синяя окраска обусловлена, вероятно, образованием нестойкого смешанного оксида типа Re₂O₇*ReO₃ ( т.е. ReO₂(ReO₄)₂ ). [13]

            Триоксид рения образуется при действии на Re₂O₇ диоксана. При нагревании до 145^оС комплекс состава Re₂O₇*3C₄H₈O разлагается на ReO₃ и летучий продукт.

Плотность 6.9 г/см³.

При нагревании в вакууме до 400^оС разлагается на оксиды рения (VII) и (IV)

3 ReO₃ = Re₂O₇ + ReO₂

На воздухе ReO₃ устойчив до 110^оС , при повышенной температуре окисляется до Re₂O₇. Триоксид рения довольно устойчив в воде, в разбавленных растворах кислот и щелочей. Водород восстанавливает ReO₃ до металла. При сплавлении с Na₂O получаются перренат и ренит :

2 Na₂O + 3 ReO₃ = 2 NaReO₄ + Na₂ReO₃                             [11]

            При действии ReO₃ на горячий раствор NaOH происходит диспропорционирование на NaReO₄ и ReO₂. [13]

            Из раствора йодистого калия триоксид выделяет иод, хлористым оловом он восстанавливается до черного вещества неопределенного состава.

Давление паров триоксида рения [1]

T, ^oC

325

350

375

400

420

P, мм рт.ст.

0,0009

0,0050

0,0234

0,098

0,288

2.2.1.4 Re₂O₅

            Оксид рения (V) получен при действии на раствор Re (VII) в конц. H₂SO₄ сульфата двухвалентного железа. При высоких концентрациях рения наблюдалось выпадение темно-синего осадка, отвечающего формуле Re₂O₅. Оксид рения (V) был получен также электрохимическим восстановлением перрената в кислом растворе. [11]

            Ранее предполагалось, что при восстановлении оксида рения (VII) металлическим рением образуется оксид рения (V) пурпурно-красного цвета : [1]

                        4 Re + 5 Re₂O₇ = 7 Re₂O₅  [7]

            Однако в результате последующих работ было установлено, что восстановление протекает до шестивалентной формы.

            Соединения пятивалентного рения менее устойчивы в водных растворах, чем соединения рения других валентностей. По реакции разложения

                        3 Re⁵⁺ = Re⁷⁺ + 2 Re⁴⁺

окислительно-восстановительный потенциал Re⁷⁺/Re⁵⁺ несомненно ниже, чем потенциал Re⁵⁺/Re⁴⁺ . Этому разложению способствует также малая растворимость оксида рения (IV). [1]

2.2.1.5 ReO₂

            Оксид рения (IV) может быть получен несколькими способами.

1.   Восстановлением высших оксидов в атмосфере водорода.

2.   Упариванием рениевой кислоты с гидразином.

3.   Гидролизом хлорренатов (например, калия) по реакции

K₂ReCl₆ + 2 H₂O = ReO₂ + 2 KCl + 4 HCl

4.   Разложением в воде комплексных соединений пятивалентного рения.

5.   Длительным нагреванием рения с оксидом рения (VII) при 600-650^оС

3 Re + 2 Re₂O₇ = 7 ReO₂

6.   Нагреванием ReO₃ по уравнению

4 ReO₃ = 2 ReO₂ + Re₂O₇ + 0.5 O₂

7.   Восстановлением растворов рениевой кислоты и ее солей с солянокислой среде ртутью, цинком, йодидом калия или хлоридами олова, хрома и ванадия.

8.   Электрохимическим восстановлением рениевой кислоты и перренатов в кислой среде. [1]

9.    Разложением перрената аммония при 600^оС в инертной среде

2 NH₄ReO₄ = N₂ + 4 H₂O + 2 ReO₂                           [12]

10.  Гидролизом комплексных соединений пятивалентного рения :

3 H₂ReOCl₅ + 5 H₂O = 2 ReO₂ + HReO₄ + 15 HCl          [11]

При получении ReO₂ из растворов обычно образуется гидратированный оксид рения (IV) ReO₂*2H₂O – порошок темно-коричневого цвета, который темнеет в процессе обезвоживания. При нагревании до 650^оС под вакуумом оксид рения (IV) полностью обезвоживается.

Безводный оксид рения (IV) – темно-бурое, почти черное твердое вещество, принимающее иногда синеватый оттенок, обладает способностью поглощать газы. Плотность – 11.4 ^г/_см³. Он проявляет лишь слабые парамагнитные свойства, в то время как оксид марганца (IV) сильно парамагнитен.

Помимо оксида рения (IV), относящегося к типу МоО₂ , был получен ромбический (a=4,810 A, b=5,643 A, c=4,601 A [11]) ReO₂ желтого цвета нагреванием перрената аммония при высоких температурах или длительной ( в течении нескольких недель ) выдержкой смеси рения и оксида рения (VII) в вакууме при 1050^оС.

При сплавлении со щелочами на воздухе конечными продуктами являются перренаты :

4 ReO₂ + 4 KOH + 3 O₂ = 4 KReO₂ + 2 H₂O

При сплавлении в вакууме образуются ренаты и рениты :

ReO₂ + 2 NaOH = Na₂ReO₃ + 2 H₂O

В случае избытка щелочи при сплавлении получаются также и гипорениты, например Na₃ReO₄ , которые не устойчивы во влажном воздухе. [1]

При взаимодействии с азотной кислотой, перекисью водорода, с хлорной и бромной водой ReO₂ легко окисляется до рениевой кислоты. При растворении ReO₂ в конц. HCl образуется гексахлороренат-ион [ReCl₆]^2-. [11]

Давление паров оксида рения (IV) [1]

T, ^оС

650

675

700

725

750

785

Р, мм рт.ст.

0,00013

0,00033

0,00081

0,0019

0,0043

0,0123

2.2.1.6 Re₂O₃

            Нейтрализуя холодный кислый раствор ReCl₃ щелочью в отсутствие кислорода воздуха и других окислителей, удается выделить черный осадок гидрокисда трехвалентного рения – Re₂O₃*xH₂O. Осадок этот растворим в горячей концентрированной HCl ( или HBr ) , а на воздухе легко окисляется до HReO₄. [13]

2.2.1.7 ReO

            Оксид рения (II) был получен восстановлением рениевой кислоты кадмием в разбавленной соляной кислоте под вакуумом. Полученное твердое аморфное вещество отвечало формуле ReO*H₂O, оно трудно поддается дегидратации. На воздухе этот оксид не взаимодействует с соляной кислотой и основаниями, медленно окисляется кислородом воздуха, но легко растворяется в азотной кислоте и бромной воде. [1]

2.2.1.8 Re₂O

            Монооксид рения получают восстановлением рениевой кислоты в разбавленной соляной кислоте ( 0.2 н ) в вакууме; в качестве восстановителя применялся цинк. Полученный черный осадок растворим в азотной кислоте и в бромной воде, но щелочной раствор хромата и окисное сернокислое железо действуют на него с трудом. Осадок содержит лишь следы цинка и хлора и его состав отвечает формуле Re₂O*2H₂O. [1] На воздухе этот окисел быстро окисляется. [11]

2.2.2 Соли  рения.

            Имеется указания на существование целого ряда солей :

Перренаты                 Me₂O*Re₂O₇ или MeReO₄ (в основном бесцветные или белые)

Мезоперренаты         3Me₂O*Re₂O₇ или Me₃ReO₅ (от желтых до красных)

Ортоперренаты         5Me₂O*Re₂O₇ или Me₅ReO₆

Ренаты                        Me₂O*ReO₃ или Me₂ReO₄ (зеленые)

Гипоренаты               Me₂O*Re₂O₅ или MeReO₃ (желтые)

Рениты                       Me₂O*ReO₂ или Me₂ReO₃ (коричневые)                             [1]

2.2.2.1 Рениты

            Рениты образуются в отсутствие воздуха при сплавлении ReO₂ с гидроксидами или оксидами щелочных металлов :

            ReO₂ + 2 NaOH = Na₂ReO₃ + H₂O

            Рениты представляют собой диамагнитные черно-коричневые мелкие кристаллы, плохо растворимые в воде. Рениты превращаются в ReO₂*nH₂O под действием разбавленных кислот в присутствии воздуха и окисляются до гипоренатов Me^IReO₃, метаперренатов Me^IReO₄ или мезоперренатов Me₃^IReO₅ под  действием воздуха, перекиси водорода или азотной кислоты.

2.2.2.2 Гипоренаты

            Гипоренаты мало устойчивы, их получают сплавлением смеси стехиометрически необходимых количеств ReO₂ и Me^IReO₄ с избытком щелочи без доступа воздуха. [10] Длительным нагреванием при 700^оС смеси NaOH, ReO₂ и NaReO₄ был получен гипоренат натрия вероятного состава NaReO₃. Эта бледно-желтая соль легко разлагается водой на производные четырех- и семивалентного рения. Был получен также Cd₂Re₂O₇. [13]

2.2.2.3 Ренаты

            Ренаты легко подвергаются диспропорционированию, подобно манганатам

            3 Me₂^IReO₄ + 4 H₂O = 4 MeOH + Re^IV(OH)₄ + 2 Me^IRe^VIIO₄           [2]

            Они окрашены в зеленый цвет, в большей степени являются окислителями, чем восстановителями, были получены в растворах. При сплавлении при 500^о метаперренатов щелочных металлов с ReO₂ и NaOH или KOH образуются гипоренаты Me^IReO₃, которые при охлаждении окисляются в неустойчивые ренаты Me₂^IReO₄ зеленого цвета. [10] Образование зеленых ренатов при сплавлении Re или ReO₂ со щелочами в присутствии окислителей обычно имеет место лишь в качестве промежуточной стадии окисления, тогда как конечным устойчивым продуктом является сплав, содержащий соответствующую соль мезорениевой кислоты. [13]

2.2.3 Рениевая кислота.

            Получение :

Re₂O₇ + H₂O = 2 HReO₄

3 Re + 7 HNO₃ = 3 HReO₄ + 7 NO + 3 H₂O

2 ReO₂ + 4 H₂O + 3 Cl₂ = 2 HReO₄ + 6 HCl

ReS₂ + HNO₃ = HReO₄

            Концентрированый раствор рениевой кислоты содержит 60 % HReO₄.

Mg + 2 HReO₄ = Mg(ReO₄)₂ + H₂

Al(OH)₃ + 3 HReO₄ = Al(ReO₄)₃ + 3 H₂O

CuCO₃ + 2 HReO₄ = Cu(ReO₄)₂ + CO₂ + H₂O             [7]

            Водный раствор HReO₄ – сильная кислота. Она бесцветна, может быть экстрагирована амиловым спиртом, не выделяется в свободном состоянии, растворима в органических основаниях, растворяет металлы, обладающие восстановительными свойствами, и образует соли, именуемые метаперренатами. [10]

В нейтральных водных и разбавленных кислых и щелочных растворах Re(VII) находится в виде рениевой кислоты или ее солей перренатов.

            Высказано мнение о существовании двух форм кислоты – тетраэдрической ReO₃OH (pK=1.67) и октаэдрической ReO(OH)₅ (pK=2.1).

            Установлено, что при обезвоживании рениевой кислоты сначала происходит реакции конденсации и поликонденсации :

                                                                    O

                                                                     || 

ReO₃OH + ReO(OH)₅ = H₂O + O=Re-O-ReO(OH)₄

                                                                                         ||

                                                                                            O

            А затем процесс сопровождается частичным восстановлением рения (VII) до оксидов различной валентности. [5]

            Кислород HReO₄ может быть частично или полностью замещен серой с образованием различных тиокислот, вплоть до HReS₄. Соли этих кислот в растворе неустойчивы и постепенно разлагаются с выделением Re₂S₇. Еще менее устойчивы сами тиокислоты. [13]

2.2.4 Перренаты.

            Соли рениевой кислоты. ReO^-₄ – бесцветный ион ( MnO^-₄ – красно-фиолетовый, TcO^-₄ – розовый ). Ионы ReO^-₄ распознаются в растворе по качественным реакциям, для которых являются катализаторами, например

                                             (черн. осадок)

Среда: соляная или серная кислоты ( азотная, фосфорная или хлорная подавляют или прекращают реакцию ), винная или лимонная кислоты ускоряют реакцию и повышают ее чувствительность.

SeO₄^2- + 3 Sn²⁺ + 8 H₃O⁺ = Se + 3 Sn⁴⁺ + 12 H₂O

                                    (красн. осадок)

Максимальная скорость данной реакции наблюдается в 1М р-ре соляной кислоты или 2-4М р-ре серной. Лимонная и винная кислоты ускоряют реакцию.[5]

            Метаперренаты ( соли метарениевой кислоты ) образуются при сплавление порошка металлического рения с щелочами в токе кислорода, действием HReO₄ на окислы, гидроокиси или карбонаты многих металлов или на различные органические основания. Получение труднорастворимых метаперренатов основано на обработке растворов, содержащих анион ReO₄^- , растворами солей многих катионов.

Анион ReO₄^- обладает меньшей окислительной способностью, чем анион MnO₄^-, более устойчив и труднее восстанавливается.

Как правило, метаперренаты имеют более низкую растворимость и большую термическую устойчивость, чем соответствующие перхлораты и перманганаты. Если проследить за поведение при нагревании KReO₄, KMnO₄, KClO₄ и KIO₄ , можно установить, что KReO₄ плавится при 518^оС и кипит при 1370^оС, в то время как KMnO₄ разлагается при 200^оС, KClO₄ – при 400^оС и KIO₄ – при 600^оС. Примерами соединений рения с низкой растворимостью являются метаперренаты калия, рубидия, цезия, таллия, серебра, нитрона и стрихнина. [10]

Помимо нормальных перренатов известны желтые или оранжевые соли некоторых щелочных или щелочноземельных металлов, производящиеся от более богатых водой форм рениевой кислоты – H₃ReO₅ (мезоперренаты) и H₅ReO₆ (ортоперренаты). Получают их обычносухим путем ( совместным нагреванием перренатов с окислами или карбонатами), но лимонно-желтый Ba₃(ReO₅)₂ может быть получен также упариванием раствора Ba(ReO₄)₂ с большим избытком Ba(OH)₂ ( в отсутствие CO₂ ).Водой все орто- и мезоперренаты легко разлагаются с образованием нормальных перренатов. [13]

2.2.4.1 Перренат калия.

            Перренат калия получается при нейтрализации нагретого раствора рениевой кислоты поташом или едким кали, а также при добавлении в раствор хлористого калия. Эта соль осаждается в виде безводных тетрагонально-бипирамидальных кристаллов.

HReO₄ + KOH = KReO₄ + H₂O

HReO₄ + KCl = KReO₄ + HCl                      [7]

            Теплота образования соли – 263 ккал. Соль кипит без разложения при 1370^оС. Зависимость давления диссоциации расплавленного перрената калия от температуры выражается уравнением :

                                    lg p = ^-14188/_T + 13.28

            Растворимость перрената калия в воде сравнительно низка и сильно зависит от температуры, что позволяет очищать соль перекристаллизацией. Присутствие избытка ионов калия понижает растворимость перрената калия, благодаря чему его можно очищать от калиевых солей других металлов (молибдатов, хромитов и др.). В кислых растворах перренат калия растворим лучше, чем в воде, в том числе и в самой рениевой кислоте. [1]

            При обработке метаперренатов в кислой среде смесью KCNS с SnCl₂ образуется оранжево-желтое соединение ReO(SCN)₄, которое может быть экстрагировано эфиром, бутилацетатом или циклогексаноном.

2 KReO₄ + 8 KCNS + SnCl₂ + 12 HCl = 2 ReO(SCN)₄ + SnCl₄ + 10 KCl + 6 H₂O

При длительном пропускании H₂S через нейтральный концентрированный холодный раствор метаперрената калия образуется зеленовато-желтый раствор, который содержит тиоперренат калия:

KReO₄ + H₂S = KReO₃S + H₂O           [10] 

            Смесь двух оксидов ReO₂ и KO₂ ( или RbO₂, CsO₂ ) в молярной пропорции 1 к 3 выдерживается при 400^оС 3 часа. Мезоперренат количественно образуется по реакции :

                        ReO₂ + 3 KO₂ = K₃ReO₅ + 3/2 O₂    

В воде мезоперренат гидролизуется

K₃ReO₅ + H₂O = 3 K⁺ + ReO₄^- + 2 OH^-                 

Если взять оксиды в другой пропорции, образуется смесь перренатов

KO₂ + ReO₂ = KReO₄

2 KO₂ + ReO₂ = ½ ( K₃ReO₅ + KReO₄ ) + ¾ O₂                   [9]

В процессе реакция протекает по схеме :

            2 KO₂ = 3/2 K₂O₂ + 3/2 O₂

            ReO₂ + 3/2 O₂ = ½ Re₂O₇ + ¾ O₂

            ½ Re₂O₇ + 3/2 K₂O₂ = Me₃ReO₅ + ¾ O₂

            3 KO₂ + ReO₂ = K₃ReO₅ + 3/2 O₂                                          [8]

3. Экспериментальная часть.

          В ходе данной работы из металлического рения были поэтапно синтезированы : рениевая кислота, перренат аммония, затем его разложением – двуокись рения, а затем спеканием с супероксидом калия был получен перренат калия.

3.1. Использованные реактивы

Для работы использовались следующие реактивы : пруток рения ОСЧ, супероксид калия фирмы “Aldrich”.

3.2. Методы исследования

Идентификация проводилась методом рентгено-фазового анализа ( установка ДРОН – I ).

3.3. Получение оксида рения(IV)

Необходимо было синтезировать оксид рения (IV), так как потом в него можно было ввести метку ⁵⁷Fe. ReO₂ синтезировали путём разложения перрената аммония, осажденного из раствора рениевой кислоты.

а. Получение HreO₄.

Методика. 3 г. рения помещают в колбу Эйленмейера ( ёмкость 50 мл.) и приливают по каплям при охлаждении 10 мл. 30 % раствора Н₂О₂.

2 Re + 7 H₂O₂ = 2 HReO₄ + 6 H₂O [12]

            Закрепив прут рения в штативе его конец опустили в концентрированную перикись водорода и оставили на продолжительный период времени. После растворения металла образовалась тяжелая жидкость желтоватого оттенка – рениевая кислота.

            b. Получение NH₄ReO₄.

            Методика. К водной HReO₄ прибавляют несвязанное основание до изменения окраски индикатора (метилрота); уже при этом может выпадать кристаллический осадок. После упаривания раствора выпавшие кристаллы отсасывают, промывают небольшим количеством ледяной воды и сушат при 110^оС. Соли можно перекристаллизовывать из воды.

NH₃ + HReO₄ = NH₄ReO₄                              [12]

По этой методике был проведен синтез перрената аммония. К 7 мл. концентрированной рениевой кислоты прилили 11 мл. раствора аммиака. В качестве индикатора использовался метилрот ( pH 6.2 - 6.4 ). Белый осадок перрената аммония отфильтровали, промыли, сушили в сушильном шкафу при 100^оС. Выход составил 3.7684 г.

c. Получение ReO₂.

Методика. Моноклинную модификацию ReO₂ получают нагреванием NH₄ReO₄ при 400^оС в токе сухого азота или аргона или в вакууме в течение 12 часов. При более высокой температуре образуется ромбическая модификация.

NH₄ReO₄ = ReO₂ + ½ N₂ + 2 H₂O                 [12]

По этой методике был проведен синтез диоксида рения. Навеску перрената аммония разлагали в токе аргона при 400^оС в течение 8 часов. С полученного черно-бурого порошка была снята рентгенограмма, подтвердившая наличие двух модификаций диоксида рения. Выход составил 1.3146 г.

Идентификация ReO₂

2q^о

d_{экспер.}, А

данные литературы

I/I₀

Данные литера-туры

30.85

3.365

3.40

100

100

43.65

2.408

2.40

100

100

63.7

1.696

1.69

58

10

80.4

1.378

1.385

6

30

96.5

1.200

1.198

13

60

Оксид рения (IV) был помечен раствором нитрата железа (Ш). Концентрация раствора – 0.266 ^моль/_литр. Было введено 3 мольных процента из расчета на Fe₂O₃.

3.4. Получение K₃ReO₅

Методика. Смесь двух оксидов ReO₂ и KO₂ в молярной пропорции 1 и 3 нагревают 3 часа в токе кислорода при температуре 400^оС. Мезоперренат количественно образуется по реакции

ReO₂ + 3 KO₂ = K₃ReO₅ + 3/2 O₂                              [9]

Нагревание производят постепенно, чтобы образующийся в ходе реакции Re₂O₇, обладающий повышенной летучестью, не возогнался. Нагревание проводят не более чем на 100^оС в час.                                    [8]

            Синтез был проведен по данной методике. 0.2176 г. полученного ранее диоксида рения и 0.2122 г. пероксида калия  перемешали в сухой камере и спекали в серебряной лодочке повышая температуру на 100 градусов в час до тех пор, пока температура не стала равной 400^оС, а потом нагревание продолжали еще в течение 3х часов. С полученного желто-зеленого порошка была снята рентгенограмма, подтвердившая наличие перрената калия. По исчезновению пиков диоксида рения можно было судить о том, что он прореагировал весь. Оставшиеся пики можно приписать продуктам разложения пероксида калия.

Идентификация  K₃ReO₅

2q°

d_{экспер.}, А

данные литературы.

I/I₀

данные

литературы

21.20

4.88

4.89

100

100

34.25

3.04

3.05

58

93

35.8

2.912

2.918

33

55

51.5

2.06

2.065

60

37

60.0

1.79

1.791

25

26

4. Выводы.

1.   Проанализирована литература по твердофазным синтезам перренатов щелочных металлов и сделано заключение о том, что в условиях синтезов возможно провести введение добавки ⁵⁷Fe.  

2.   Отработана методика получения мезоперрената калия твердофазным синтезом при условиях , позволяющих ввести добавку ⁵⁷Fe.

3.   Синтезирован K₃ReO₅.

5. Список литературы.

1.   К.Б.Лебедев, «Рений», , М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1963.

2.   В.И.Спицын, Л.И.Мартыненко, «Неорганическая химия», М.: Изд. МГУ, 1991.

3.   Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон, «Современная неорганическая химия» М.: Мир, 1969.

4.   М.А.Филянд, Е.И.Семенова, «Свойства редких элементов», М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1953.

5.   Л.В.Борисова, Е.Ф.Сперанская, «Кинетические методы определения рения», М: Наука, 1994.

6.   О.А.Сонгина, «Редкие металлы», М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1951.

7.   И.Друце, «Рений», М.: ИЛ, 1951.

8.   Gerard Duquenoy, “Nouvelles methodes de syntheses dans l’etat solide de sels alcalins d’elements a valences superieures”, Revue de Chimie minerale, t.8, 1971, pg.683.

9.   Andre Chretien, Gerard Duquenoy, “Syntheses entre solides a partir d’un superoxyde alcalin; mesoperrenates de potassium, rubidium, ou cesium.”, Chimie Minerale, t.268, 1969.

10.  Р.Рипан, И.Четяну, «Неорганическая химия», М.: Мир, 1972.

11.  Л.В.Борисова, А.Н.Ермаков, «Аналитическая химия рения», М.:Наука,  1974.

12.  «Руководство по неорганическому синтезу», редактор Г.Брауэр, М.: Мир, 1985.

13.  Б.В.Некрасов «Основы общей химии», М.: Химия, 1973.

14.  Ю.Д. Перфильев «Матричная стабилизация неустойчивых состояний окисления элементов», Журнал российского химического общества им. Д.И.Менделеева, том XLII, 1998.

15.  M.Tromel und H.Dollung “Die Kristallstruktur von K₃IO₅” Z.anorg. allg. Chem. 411, 41-48, 1975.

6. Приложение

6.1 Рений.

Атомный номер        75

Атомный вес             186.31

Изотопы                     185 (37.1%), 187 (62.9%)

Т_пл                               3170^оС

Т_кип                              5870^оС                                                            

Радиус атома              1.373 А

Параметры кристаллической решетки        а=2.755 А

                                                                        с=4,4493 А

Плотность                                                      21.01 ^г/_cм³

Модуль упругости                                         47000 кГ/мм² (20^оС) 

6.2 Свойства перрената калия.

Растворимость

18^оС                9.52 ^г/_л

21.5^оС             10.7 ^г/_л

28^oC                17.6 ^г/_л

Т_пл                   518^оС

Т_кип                  1370^оС

Плотность      4.38 ^г/_см³

Структурный тип шеелита

а = 5.674 А

с = 12.688 А

Длина связи               Rе – О             1.719 А

                                    К – О              2.785 – 2.872 А

Угол                            О-Rе-О           109.2^o-110^o