СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИМ ИНВЕРСИОННО-ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам определения ионов металлов, и может быть использовано в гидрогеологии, изысканиях в случае анализа вод различного происхождения (родники, геотермальные источники, смывы хвостов обогащения), а так же технологические сливы концентраций ионов рения методом кинетической инверсионной вольтамперометрии (КинИВ).

Известен метод полярографического определения рения, впервые изученный в растворах кислот (HCl, HClO₄, H₂SO₄) и нейтральных растворах (KCl, фосфатном буфере). Определяемая концентрация рения (VII), использованная в исследованиях, составляла 1·10^-3 М. [Lingan J.J. / J. Am. Chem. Soc. 64, 1001 (1942); Lingan J.J. // J. Am. Chem. Soc. 64, 2182 (1942)]. Недостатком метода является низкая чувствительность и использование больших количеств металлической ртути в ходе полярографических определений рения в растворе.

Известна методика определения рения в сернокислых и гидроксонатриевых растворах. Показано, что число волн восстановления и их характер меняются в зависимости от концентрации H₂SO₄. Потенциал полуволны Е_1/2 для рения (VII) в 3,5 М H₂SO₄ равен от 0,2 до -0,45 В, в 2 М щелочного раствора Е_1/2 для рения (VII) равна -1,4 В. Определяемая концентрация составила 1·10^-4 М. [Geyer R. // Z. anorg. u. allgem. Chem., 263, 47 (1950)]. Недостатком методики является низкая чувствительность определяемых содержаний рения. Использование металлической ртути, пары которой являются токсичными. При определении рения мешают анионы Cl^-, NO₃ ^-, PO₄ ^3-, а также ионы металлов Мо, Fe и Ti.

Известен способ восстановления перренат-иона па ртутно-капельном катоде. Величина диффузионного тока в 4М растворе HClO₄ прямо пропорциональна концентрации ReO₄ ^- в растворе в интервале от 1·10^-4 до 1·10^-3 М. В 2 М и 4,2 М растворах HCl E_1/2 равны соответственно -0,45 В и -0,31 В (относительно н.к.э.). [Rulfs C.L., Elving P.J. // J. Am. Chem. Soc. 73, 3284 (1951)]. Недостатком способа является низкая чувствительность определяемых содержаний рения и использование металлической ртути пары, которой ядовиты.

Известна методика определения малых концентраций рения в нейтральных, щелочных и буферных растворах. На скорость каталитического выделения водорода существенное влияние оказывает рН раствора и буферная емкость раствора. В исследованиях использовался ртутно-капельный электрод, а вспомогательным и электродом сравнения служили насыщенные каломельные. Предельный ток достигает максимального значения в интервале рН 7-9. Концентрация перренат-иона использованная в исследованиях составляла 8·10^-5 моль/л. [Рубинская Т.Я., Майрановский С.Г. О восстановлении перренат-иона на ртутном капельном электроде в щелочных и нейтральных средах. // Электрохимия, 1971, Т.7, №10, С.1403-1408]. Недостатком методики является существенное влияние рН раствора и его буферная емкость. Низкая чувствительность, каталитические волны, пригодные для аналитических целей, находятся в сильно отрицательной области -1,6 В, а также использование токсичной ртути.

Известен метод определения рения проводимый на фоне раствора NaCl+Na₂SO₃ (рН=11,3-11,5) E_1/2=-0,45 В. Открываемый минимум равен 1·10^-5 М. Определение проводят также после подготовки пробы, в ходе которой от рения отделяется молибден, вольфрам и другие сопутствующие элементы. [Duca: А., Stanescu D., Puscasu M. Studii si cercetari chim. Acad. RPR Fil. Cluj, 6, 123 (1955); 13, 197 (1962)]. Недостатком метода является использование ртути. При растворении проб содержащих рений используется азотная кислота, а нитрат-ионы мешают определению, поэтому необходимо удалять окислы азота.

Известна методика, где использовался ртутно-капающий электрод, а нас.к.э. - электродом сравнения. В качестве фонового электролита использовали раствор, состоящий из 3 М по NH₃, 3 М по KSCN, 3 М по ЭДТА и 0,16 М по Na₂SO₃ для найденной новой электрохимической.реакции. Предел обнаружения составил 0,05 мг/л (2,5·10^-7), что позволяет при навеске 2 г и конечном объеме 10 мл определять от 2·10^-5% рения. Метод обладает высокой селективностью и не мешает большинство элементов: Mo, W, Fe, Cd, Zn, Sb, Bi, Ag, Al. Полярографирование проводят от -1,0 до -1,5 В. [Васильева Л.И., Семенова И.А., Юстус З.Л. Полярографическое определение рения в сложных продуктах цветной металлургии // Журнал аналитической химии. 1986, т.41, №2, с.293-297.]. Недостатком методики является использование ртути. В качестве фонового электролита используется много составной фон, который готовится в день использования. Метод обладая высокой селективность, однако, уступает в чувствительности определения рения.

Известна методика каталитического определения рения. [Győrbiro К. // Acta Chim. Acad. Sci. Hung., 27, 120 (1961)]. (прототип). В методе предложено использовать систему: 5 М H₂SO₄+2·10^-3 М H₆TeO₆+x·ReO₄ ^-. Рений катализирует процесс окисления теллура с появлением каталитической волны на ртутно-капающем электроде, что позволяет определять его в интервале от 4·10^-7 до 1·10^-5 М. Недостатком метода является длительное выдерживание системы перед определением. Использование достаточно большого количества ртути, которая относится к веществам первого класса опасности.

В работе была поставлена задача снизить предел и нижнюю границу определяемых содержаний рения (VII) по пику электрокаталитического разложения пероксида водорода, полученному после электроконцентрирования рения в виде ReO₂ на ртутно-пленочном электроде (РПЭ) методом КинИВ.

Поставленная задача достигается тем, что ионы рения (VII) электрохимически концентрируют на поверхности РПЭ в форме ReO₂ в перемешиваемом растворе в течении 10-20 с при потенциале электролиза Е_э равном -0,2 В на фоне 0,1 М H₂SO₄ с добавлением 0,3 мл 30% H₂O₂ с последующей регистрацией катодных пиков при скорости развертки 100 мВ/с, концентрацию ионов рения (VII) определяют по высоте катодного пика в диапазоне потенциалов от 0,0 до 0,20 В относительно насыщенного хлоридсеребряного электрода (нас.х.э.). Новым в способе является то, что для получения полезного сигнала, зависящего от концентрации рения (VII), используется определенное количество пероксида водорода для осуществления каталитической реакции ее разложения на ReO₂, полученном в ходе электроконцентрирования ионов рения (VII) из раствора.

В предлагаемом способе установлена способность, осадка ReO₂, разлагать пероксид водорода на поверхности ртутно-пленочных электродов.

В качестве индикаторного применяли РПЭ (в прототипе применяли ртутно-капающий электрод). Использование таких электродов обусловлено простотой обновления поверхности, а также значительно уменьшается расход ртути. Нижняя граница определяемых содержаний по данному методу составила 1·10^-8 М (в прототипе 4·10^-7 М).

В прототипе описано использование в качестве фона 5 М H₂SO₄ с 2·10^-3 М H₆TeO₆. При использовании большей концентрации соли теллура на вольтамперной кривой появляется волна восстановления теллура мешающая определению ионов рения (VII), а при меньшем содержании ионы рения (VII) не катализирует процесс окисления соединений теллура, дающих пики на вольтамперной кривой. Использование серной кислоты с большой концентрацией фонового электролита опасно и не предпочтительно для инверсионных методов. Предлагаемый в заявляемом изобретении фон 0,1 М H₂SO₄ с добавлением 0,03 мл 30% H₂O₂ позволяет определять рений с хорошей воспроизводимостью. Использование большего количества 30% H₂O₂ приводит к появлению самой волны разложения пероксида водорода на РПЭ.

Другим отличительным признаком являются установленные условия электрохимического накопления: потенциал электролиза Е_э равным -0,2 В. Опытные данные показали зависимость тока окисления рения от Е_э, представленные в таблице 1, где C_ReO4 ^-=2 мг/л; τ_э=10 с; фон 0,1 М H₂SO₄ с добавлением 0,03 мл 30% H₂O₂; Е_п=0,10 В. Величина катодного тока увеличивалась и достигала максимального значения в области потенциалов (-0,2÷-0,4) В. Использование предварительного электролиза при значениях потенциала больше -0,4 В не увеличивает волну электрокаталитического разложения пероксида водорода. Меньший потенциал электролиза увеличивает срок службы электродов, что позволяет не прибегать к дополнительной очистке и регистрировать воспроизводимые вольтамперограммы. Это позволяет повысить точность и разрешающую способность предложенного метода.

Время предварительного электролиза (τ_э) составляет 10-20 секунд, при этом достигается максимальное значение величин тока окисления пероксида водорода и увеличивается экспрессность определения.

Таким образом, установленные условия впервые позволили количественно определять содержание ионов рения (VII) на основе реакции каталитического разложения пероксида водорода с выделением кислорода на поверхности ртутно-пленочного электрода.

Предлагаемый вольтамперометрический способ позволил существенно улучшить метрологические характеристики анализа ионов рения (VII); повысить чувствительность определения (1·10^-8 М=2·10^-3 мг/дм³), что более чем на порядок ниже по сравнению с прототипом. Определению не мешают молибден, вольфрам и медь, являющиеся сопутствующими элементами.

Примеры конкретного выполнения

Пример №1. Измерения были проведены на искусственных смесях. 10 мл фонового электролита (0,1 М H₂SO₄ с добавлением 0,03 мл 30% H₂O₂) помещают в кварцевый стаканчик. Не прекращая перемешивания, проводят электролиз раствора, при Е_э=-0,2 В и при τ_э=10 с, снимают вольтамперную кривую электроокисления при скорости развертки 100 мВ/с. Отсутствие пиков на вольтамперной кривой в интервале от 0,0 до плюс 0,2 В (относительно нас.х.э.) свидетельствует о чистоте фона. Затем добавляли аттестованный раствор ионов рения (VII) 0,02 мл из 0,1 мг/дм³ и снимали вольтамперную кривую электроокисления. Появляется пик электрокаталитического разложения пероксида водорода на ReO₂ в интервале от 0,0 до плюс 0,2. Вносили добавку аттестованного раствора рения (VII) 0,02 мл из 0,1 мг/дм³ и снимали вольтамперную кривую электрокаталитического разложения пероксида на осадке оксида рения в интервале от 0,0 до плюс 0,2 (относительно нас.х.с.э.). По разнице токов пиков вычисляли концентрацию рения (VII) в растворе (фиг.1).

Пример №2. Измерения были проведены в водопроводной воде (табл.2).

В 100 мл испытуемого раствора прибавляют 1 мл 1 М H₂SO₄ и упаривают при температуре не выше 150°С до минимального объема. В стаканчик с остатком приливают бидистиллированной воды до 10 мл, добавляют 0,03 мл 30% H₂O₂ и помещают в прибор. Не прекращая перемешивания, проводят электролиз на РПЭ раствора при условиях электроконцентрирования: Е_э=-0,2 В, τ_э=10 с и регистрируют вольтамперную кривую электрокаталитического разложения пероксида водорода на ReO₂ в интервале от 0,0 до плюс 0,2 (относительно нас.х.э.) при скорости развертки 100 мВ/с. Затем добавляют 0,02 мл аттестованной смеси ионов рения (VII) концентрацией 1 мг/дм³ и проводят электрохимическое концентрированно осадка при аналогичных условиях. Пик электрокаталитического разложения пероксида водорода на ReO₂ в интервале от 0,0 до плюс 0,2 (относительно нас.х.э.) при скорости развертки 100 мВ/с. По разнице высоты пика вычисляют концентрацию ионов рения (VII) в растворе (фиг.2).

Таким образом, впервые установлена способность количественного определения ионов рения (VII) по пикам электрокаталитического разложения пероксида водорода на осадке ReO₂.

Предложенный способ прост, используется значительно меньшее количество ртути по сравнению с ртутно-капающим электродом. Способ может быть применен в любой химической лаборатории, имеющей компьютеризированные анализаторы типа СТА или ТА.

Способ определения рения кинетическим инверсионно-вольтамперометрическим методом в водных растворах природного и техногенного происхождения.