УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА КООРДИНАЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛАНТАНОИДОВ

Полезная модель относится к электрохимии, а точнее к оборудованию, используемому при электрохимическом синтезе координационных соединений лантаноидов.
Известны устройства, представляющие собой двухэлектродные ячейки для электрохимического анодного синтеза координационных соединений. Устройства включают сосуд, в который опущены рабочий электрод (металлический анод) и вспомогательный инертный электрод (катод) (Гарновский А.Д, Васильченко И.С, Гарновский Д.А. Современные аспекты синтеза металлокомплексов. Ростов-на-Дону: ЛАПО. - 2000. - 354 с).
Однако синтез координационных соединений лантаноидов при использовании данных устройств является дорогостоящим из-за высоких цен на металлические лантаноиды.
Частично этот недостаток позволяет устранить устройство, представляющее собой ячейку для электрохимического синтеза координационных соединений лантаноидов с использованием ртутного электрода. Синтез ведут без применения металлических лантаноидов, заменив их соответствующими более дешевыми солями лантаноидов. Данное устройство является наиболее близким аналогом к заявляемому устройству и состоит из сосуда, разделенного перегородкой на две части, каждая из которых содержит инертный электрод, жидкого ртутного электрода, расположенного на дне сосуда. (Фролов В.Ю. Электрохимический синтез комплексных соединений d- и f-элементов с карбоксил- и карбонилсодержащими лигандами: Автореф. канд. дис. Краснодар - 2001. - 28 с; Фролов В.Ю., Офлиди А.И. Электрохимический синтез координационных соединений некоторых переходных металлов в ячейке с биполярным амальгамным электродом // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Электрохимия и экология», посвященной 80-летию со дня рождения профессора В.А.Смирнова. - Новочеркасск, 2008. - С.24).
В одну часть сосуда, разделенного перегородкой, наливают раствор лиганда, а в другую - раствор соли лантаноида. Ртутный электрод при пропускании через систему электрического тока превращается в амальгамный электрод за счет катодного осаждения на нем атомов лантаноида. При пропускании через систему электрического тока амальгамный электрод со стороны раствора соли лантаноида является катодом, а со стороны раствора лиганда - анодом, то есть амальгамный электрод становится биполярным. Ионы лантаноида переходят в раствор лиганда и образуют с атомами лиганда координационное соединение.
Недостатком наиболее близкого аналога является большой объем ртутного электрода, расположенного на дне сосуда, что вызывает опасность при работе с устройством из-за высокой токсичности ртути. Также большой объем ртутного электрода в совокупности с его большой протяженностью и небольшой площадью поперечного сечения делает процесс насыщения ртутного электрода атомами лантаноида долгим, из-за чего скорость образования координационных соединений лантаноидов в данной системе является низкой, что повышает их стоимость.
Технической задачей заявляемого технического решения является разработка менее опасного, более экологически чистого устройства для электрохимического синтеза координационных соединений лантаноидов, позволяющего получать дешевые координационные соединения лантаноидов.
Поставленная задача решается устройством, представляющим собой электрохимическую ячейку, в виде сосуда, с опущенными в него инертными катодом и анодом, выполненными, например, из графита, и расположенным перпендикулярно дну сосуда ртутного электрода, состоящего из никелевой сетки с нанесенной на нее ртутью. Ртутный электрод делит сосуд на две части, изолированные друг от друга.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что имеет ртутный электрод, расположенный перпендикулярно ко дну сосуда, и за счет межэлектронного взаимодействия ненасыщенных поверхностных атомов ртути и никеля никелевой сетки при отсутствии дальнейшего взаимодействия между этими металлами занимает меньший объем, благодаря чему заявляемое устройство является менее опасным и более экологически чистым. Меньший объем и меньшая толщина ртутного электрода, его большая площадь поперечного сечения, чем у прототипа, позволяют увеличить скорость синтеза координационных соединений лантаноидов при использовании заявляемого устройства, то есть получаемые вещества становятся более дешевыми.
На рисунке изображено заявляемое устройство для электрохимического синтеза координационных соединений лантаноидов.
Устройство содержит сосуд 1, инертный катод 2, инертный анод 3, никелевую сетку 4, нанесенную на нее ртуть 5, образующие ртутный электрод 6, делящий сосуд 1 на две части, изолированные друг от друга, источник тока 7, к которому при работе подключают инертный катод 2 и инертный анод 3.
Устройство работает следующим образом:
m
m-
3+
В одну часть сосуда 1 наливают раствор лиганда (HL; L), а в другую - раствор соли лантаноида (Ln). Растворы содержат инертный фоновый электролит, например перхлорат лития, для повышения их электропроводности. В раствор соли лантаноида погружают инертный анод 3, выполненный из графита, в раствор лиганда погружают инертный катод 2, выполненный из графита, и включают источник тока 7. Ртутный электрод 6, выполненный из никелевой сетки 4 с нанесенной на нее ртутью 5, при пропускании электрического тока превращается в амальгамный электрод за счет катодного осаждения на нем атомов лантаноида. При пропускании электрического тока ртутный электрод 6 со стороны инертного анода 3 является катодом, а со стороны инертного катода 2 - анодом, то есть ртутный электрод 6 становится биполярным. В ходе синтеза ионы лантаноида восстанавливаются со стороны инертного анода 3 на катодной стороне ртутного электрода 6. Атомы лантаноида диффундируют через ртутный электрод 6 и окисляются со стороны инертного катода 2 на анодной стороне ртутного электрода 6, после чего ионы лантаноида переходят в раствор лиганда и образуют с атомами лиганда координационное соединение. При этом в сосуде 1 происходят следующие химические и электрохимические процессы:
Раствор соли лантаноида: инертный анод 3,
ртутный электрод 6 - катодная часть
2
2
+
А/С/2НO-4е→O+4Н
3+
m
К/mHg+Ln+3е→HgLn
Раствор лиганда: ртутный электрод 6 - анодная часть, инертный катод 2
m
3+
А/HgLn-3е→mHg+Ln;
m
2
2
m-
m
К/С/HL+me→L+/Н;
3+
m-
m
3
Ln+L→LnL
3
3
3
3
2
Пример. С помощью заявляемого устройства провели электрохимический синтез координационного соединения неодима (III) с молочной кислотой (СН-СНОН-СООН; HL). В одну часть сосуда 1 налили 0,5 М раствор молочной кислоты в ацетонитриле, в другую - 1 М водный раствор ацетата неодима (III) ((CHCOO)Nd). В качестве инертного фонового электролита в растворах был использован хлорид лития (LiCl) с концентрацией 0,05 М. Ртутный электрод 6, выполненный из никелевой сетки 4, с нанесенной на нее ртутью 5 в количестве 15 г., имел толщину 2 мм. Величина напряжения, подаваемого от источника тока 7 составляла 2 В. Плотность тока в ходе синтеза составляла 0,2 мА/см. Процесс электрохимического синтеза проводили в течение 3 часов. В результате синтеза было получено координационное соединения неодима (III) с молочной кислотой состава NdL количеством 1,12 мг.
Использование заявляемого устройства делает синтез координационных соединений лантаноидов менее опасным и более экологически чистым, чем при использовании прототипа, так как в заявляемом устройстве используется намного меньше ртути. В то же время меньший объем и меньшая толщина ртутного электрода, его большая площадь поперечного сечения, чем у прототипа, существенно повышают скорость синтеза координационных соединений лантаноидов, при этом снижается степень энергетических затрат и, следовательно, получаемые вещества становятся более дешевыми.