УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДУБЕНСЬКА ЛІЛІЯ ОСИПІВНА

УДК 543.253:546.65+668.811

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРІЯ ІОНІВ РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИХ МЕТАЛІВ (ІІІ)

У ПРИСУТНОСТІ АЗОБАРВНИКІВ

02.00.02 - аналітична хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

Дніпропетровськ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі аналітичної хімії Львівського національного університету імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат хімічних наук, доцент

Левицька Галина Дмитрівна

Львівський національний університет

імені Івана Франка, доцент кафедри

аналітичної хімії

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор

Циганок Людмила Павлівна,

Дніпропетровський державний університет,

професор кафедри аналітичної хімії

кандидат хімічних наук,

Карандєєва Наталія Іванівна,

ВАТ “Дніпрофарм”,

начальник відділу освоєння та реєстрації

нових лікарських препаратів

Провідна установа: державний університет

“Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України,

кафедра аналітичної хімії

Захист відбудеться 23 червня 2000 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.01 при Українському державному хіміко-технологічному університеті за адресою: 49005, Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського державного хіміко-технологічного університету.

Автореферат розісланий 12 травня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради к.х.н., доцент Пініелле І.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні десятиріччя інтенсивно розвиваються дослідження в галузі синтезу та вивчення сполук з цінними електричними, магнітними властивостями, стійких до вакууму, високих тисків та температур. Однією із складових цих матеріалів є рідкісноземельні метали (РЗМ). РЗМ також входять до складу сцинтиляційних матеріалів як активуючі добавки. Характеристики цих матеріалів суттєво залежать від концентрації РЗМ, тому для контролю якості таких об'єктів необхідні надійні, чутливі, селективні і експресні методики визначення. Теоретичною основою для розробки нових методів аналізу є вивчення хімії комплексних сполук РЗМ. Отримання нових комплексних сполук має широкі наукові перспективи: вивчення умов утворення, дослідження хімічних і фізико-хімічних властивостей, вивчення можливості їх застосування в аналізі. Перспективними з цих міркувань є комплексні сполуки іонів РЗМ(ІІІ) з азобарвниками, як лігандами, що здатні утворювати комплекси із специфічними характеристиками. Здатність о,о'-заміщених азобарвників утворювати полідентатні комплекси з іонами металів приводить до утворення хелатних сполук, уникнення стадійності комплексоутворення, що має важливе значення для правильності і відтворюваності результатів визначень.

Конкурентноздатними серед методів контролю є вольтамперометричні (ВА) методи. Важливою їх перевагою є низькі межі виявлення, відтворюваність результатів, експресність, можливість одночасного визначення кількох компонентів в багатокомпонентній системі, доступність апаратури. Форма вольтамперної кривої залежить від типу та характеру електродного процесу, що дозволяє вивчити його механізм. Застосування органічних комплексоутворюючих реагентів у методах вольтамперометрії дозволяє підвищити чутливість та селективність визначення. Вольтамперометрія координаційних сполук за останні десятиріччя викристалізувалась як самостійний науковий напрямок, в якому відображено досягнення сучасної хімії координаційних сполук та електрохімічної науки. В численних роботах в галузі вольтамперометрії комплексів металів центральною проблемою ставилось визначення складу і стійкості комплексів у розчині, а кінетика електродних процесів залишалась поза увагою. Виникнення різноманітних адсорбційних, кінетичних і каталітичних ефектів при електровідновленні комплексів металів викликає особливий інтерес до пошуку нових можливостей розроблення високочутливих методик аналізу. Це і визначило актуальність представленого дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з держбюджетною темою “Відновлення іонів Європію й Ітербію з барвниками трифенілметанового і ксантенового рядів у присутності поверхнево-активних речовин та їх аналітичне застосування” за номером державної реєстрації 0196V017385, яка виконувалась з 01.01.1996 до 31.12.1998 р.

Мета роботи: вивчити електрохімічну активність комплексних сполук РЗМ(ІІІ) з азобарвниками, що відрізняються структурою ланцюга спряження та замісниками, і застосувати ці властивості для розробки вольтамперометричних методик визначення РЗМ(ІІІ). Для досягнення мети необхідно було розв'язати такі завдання:

·

·

·

·

Наукова новизна роботи: вперше систематично вивчено процес відновлення 8 азобарвників з різною структурою ланцюга спряження і замісниками в о,о'-положеннях відносно азогрупи у водному середовищі, розраховано параметри електронної будови різних форм існування барвників, вперше показана кореляція розрахованих значень енергії нижніх вакантних молекулярних орбіталей з експериментально знайденими потенціалами відновлення азобарвників і запропоновано механізм їх відновлення у водному середовищі. Показана можливість кількісного вольтамперометричного визначення азобарвників.

Спектрофотометрично вивчено комплексоутворення о,о'-дигідроксозаміщених азобарвників з іонами РЗМ(ІІІ). Встановлено співвідношення [метал]:[ліганд], розраховано константи рівноваги процесу комплексоутворення.

Вперше вивчено процес відновлення комплексних сполук (КС) 14 лантанідів (крім Pm) та Y(ІІІ) з азобарвниками еріохромом чорним Т, магнезоном, арсеназо І на р.к.е. та запропоновано механізм їх відновлення. Процес відновлення комплексних сполук РЗМ(ІІІ) з азобарвниками використаний для розробки методик вольтамперометричного визначення вмісту РЗМ(ІІІ) у складних об'єктах.

Наукова і практична цінність роботи. Отримані експериментальні результати розширюють відомості про електрохімічні властивості азобарвників та їх комплексних сполук з РЗМ(ІІІ) та можуть бути базою для цілеспрямованого пошуку інших сполук РЗМ(ІІІ) з азобарвниками, що відновлюються на р.к.е. Застосування азобарвників підвищує чутливість та селективність вольтамперометричного визначення РЗМ із стійким ступенем окиснення +3.

Експериментально вивчена вольтамперометрична активність азобарвників робить можливою розробку нових методик їх визначення, розширює коло систем, яким властиві досліджені ефекти, і в багатьох випадках дозволяє прогнозувати механізм їх електровідновлення.

Розроблені і апробовані методики вольтамперометричного визначення РЗМ(ІІІ) у складних об'єктах.

Особистий внесок здобувача. Постановка завдань дослідження здійснювалась при безпосередній участі здобувача. Аналіз літературних даних, виконання повного обсягу експериментальної частини роботи, обробка одержаних даних виконані автором самостійно. Результати досліджень обговорені та інтерпретовані спільно з науковим керівником.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідали на Львівських хімічних читаннях (Львів 1997, 1999), Всеукраїнській конференції з аналітичної хімії (Ужгород, 1998), третьому українсько-польському симпозіумі з теоретичного і експериментального вивчення поверхневих явищ та їх технологічного застосування (Львів, 1998), 7-ій міжнародній конференції з електроаналізу (Коімбра, Португалія, 1998), ІІІ Українському електрохімічному з'їзді (Дніпропетровськ, 1999), VII Всеросійській конференції “Органічні реагенти в аналітичній хімії” (Саратов, Росія, 1999), звітних наукових конференціях співробітників Львівського державного університету імені Івана Франка (1996-1999).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 5 статтях і 8 тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, списку використаних в роботі літературних джерел і трьох додатків. Дисертаційна робота викладена на 148 сторінках, містить 40 рисунків, 30 таблиць. Список використаних літературних джерел нараховує 174 найменування і викладений на 16 сторінках. Додатки займають 20 сторінок.

Основний зміст роботи. У вступі обгрунтована актуальність теми, визначена мета досліджень. У першому розділі наведено літературні дані про відновлення РЗМ(ІІІ) на р.к.е. на фоні індиферентних електролітів та у присутності органічних комплексуючих речовин, а також – електровідновлення азосполук та їх застосування у вольтамперометричному аналізі. У другому розділі обгрунтовано вибір методів дослідження електродних процесів азобарвників та їх комплексних сполук з РЗМ(ІІІ). У третьому розділі описано вольтамперометричні характеристики досліджених азобарвників, обговорено одержані результати і запропоновано механізм відновлення азобарвників на р.к.е. Четвертий розділ містить результати вивчення комплексоутворення РЗМ(ІІІ) з азобарвниками, вольтамперні характеристики комплексних сполук РЗМ(ІІІ) з азобарвниками, обговорення одержаних результатів, на основі якого запропоновано механізм відновлення комплексних сполук. П'ятий розділ містить результати застосування досліджених закономірностей в аналізі.

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРІЯ АЗОБАРВНИКІВ

Азобарвники для вивчення добирали таким чином, щоб, з одного боку, це були широко застосовувані в аналітичній хімії реагенти, а з іншого, щоб вони відрізнялися між собою структурою ланцюга спряження та замісниками. Ми вивчили вольтамперометричну активність 8 азобарвників. З них 1 діазосполука арсеназо ІІІ (Ар ІІІ) і 7 моноазосполук: о,о'-дигідроксозаміщені азобарвники еріохром чорний Т (ЕЧ Т) і магнезон (Маг), о-карбоксо-о'-гідроксозаміщений азобарвник еріохром червоний РЕ (ЕЧ РЕ), о-арсоно-о'-гідроксозаміщений арсеназо І (Ар І), о-гідроксозаміщений тропеолін 0 (Тр 0) і незаміщені в о,о'-положеннях тропеолін 00 (Тр 00) і тропеолін 000 (Тр 000).

На процес відновлення азосполук значно впливає рН середовища, що вказує на участь іонів гідрогену у електродному процесі та узгоджується з літературними даними. Загальний вигляд вольтамперограм азобарвників (відсутність анодних піків, а також значення DЕ, що набагато перевищують теоретичне значення, і І/І>>1) вказують на необоротність процесів відновлення. Введення замісників в о-положення до азогрупи утруднює процес відновлення барвників і сприяє його необоротності. Описані в літературі ВА характеристики ЕЧ Т і Ар ІІІ стосуються інших умов полярографування, тому порівнювати літературні та отримані нами експериментальні дані не можна.

Вольтамперограми всіх досліджених азосполук мають форму гострих рівнобедрених трикутників, що характерно для процесів ускладнених адсорбцією електроактивної речовини на електроді. Процес відновлення Ар ІІІ є складним і багатоступеневим в широких межах рН. Залежності катодних струмів (І) від концентрації всіх барвників мають вигляд кривих насичення. Стале значення І при збільшення Сбарв. зумовлена, очевидно, граничною адсорбцією барвників на р.к.е. Доказом адсорбційної природи струмів відновлення є також величини критеріїв швидкості Dlgi/DlgV>0,5 і порівняно низькі значення енергії активації досліджуваних процесів, розраховані з температурних залежностей. Специфічна адсорбція аніонів азобарвників на поверхні р.к.е. проявляється і у пониженні електрокапілярного максимуму, зміщенні потенціалу нульового заряду в негативний бік потенціалів і деформації висхідних гілок електрокапілярних кривих. В межах потенціалів -0,3ё-0,6 В барвники адсорбуються на поверхні електроду. Тому катодне перетворення азосполук відбувається з адсорбованого стану.

Значення коефіцієнтів кореляції R>0,99, розраховані для прямолінійних ділянок залежностей І - Сбарв., свідчать про невипадковість лінійних залежностей і можливість їх застосування в аналітичній хімії.

Характер зміни ВА властивостей (зростання сили стуму піків відновлення, полегшення процесу відновлення) азобарвників із зростанням іонної сили розчину вказує на те, що електродному процесу передує стадія протонізації. Поверхнева реакція протонізації, що передує перенесенню електронів, підтверджена також значним зменшенням сили струму катодних піків і критерію швидкості при збільшенні вмісту етанолу у водно-спиртових сумішах.

Наявність стадії протонізації азобарвників, що передує електродному процесу, підтверджена квантово-механічними розрахунками. Електронно-просторова будова молекул азобарвників розраховувалась напівемпіричним методом АМ 1 з пакету програм Hyperchem 4.5. У процесі відновлення електрони з електроду переходять на нижню вакантну молекулярну орбіталь (НВМО) речовини, що відновлюється. Цей процес перенесення електрону відбувається тим легше, чим менша енергія НВМО. Енергія НВМО непротонованих форм азобарвників є більшою від енергії НВМО протонованих форм приблизно на 6 еВ (табл. 1). Порівняння розрахованих значень енергії НВМО протонованих форм барвників з експериментально знайденими потенціалами відновлення азобарвників показує, що між ними існує кореляція. Про зв'язок між цими параметрами можна судити за величиною коефіцієнта кореляції R=0,9984.

Таблиця 1

Параметри електронної будови протонованої по азогрупі та непротонованої форм деяких азобарвників і потенціали їх відновлення

Сполука -Езаг, кДж/моль -Езв'яз., кДж /моль ЕНВМО, еВ -Е, В

непрот. прот. непрот. прот. непрот. прот.

Тр 00 412895 414404 18478 17824 1,35 -4,37 0,54

Тр 000 395159 396676 16450 15763 1,32 -4,68 0,53

ЕЧ Т 557228 559348 20636 20552 3,73 -2,97 0,61

ЕЧ РЕ 579159 581723 19052 18993 2,77 -3,66 0,58

Маг 459572 461822 16559 16601 5,03 -2,77 0,62

Опираючись на результати експерименту та порівнюючи їх з літературними даними, зроблено висновок, що в катодному перетворенні о-заміщених моноазобарвників на р.к.е. реалізується відновлення азосполук до відповідних гідразосполук в умовах поверхневої реакції з попередньою протонізацією азогрупи. В загальному механізм відновлення досліджених азобарвників при різних рН можна зобразити такими можливими схемами:

КОМПЛЕКСОУТВОРЕННЯ ІОНІВ РЗМ(ІІІ) З АЗОБАРВНИКАМИ

При додаванні розчинів хлоридів (нітратів, перхлоратів) РЗМ(ІІІ) до розчинів Тр 0, Тр 00, Тр 000 спектрофотометричні та вольтамперометричні характеристики останніх не змінюються в широких межах рН, що вказує на відсутність комплексоутворення іонів РЗМ(ІІІ) з названими барвниками. Додавання розчинів хлоридів РЗМ (ІІІ) до розчину ЕЧ РЕ в межах рН 5,5ё8,5 викликає деяке зменшення оптичної густини розчину, але зміщення lmax спектру поглинання не спостерігається.

Іони РЗМ(ІІІ) змінюють забарвлення розчинів о,оў-гідроксозаміщених азобарвників в межах рН 7ё11 (з синього для ЕЧ Т чи фіолетового для Маг на малинове), що супроводжується гіпсохромним зсувом смуги поглинання та зменшенням оптичної густини у абсорбційному спектрі реагентів. Такі зміни абсорбційних спектрів ЕЧ Т і Маг у присутності іонів РЗМ(ІІІ) свідчать про комплексоутворення РЗМ(ІІІ) з цими азобарвниками.

Для визначення складу комплексних сполук (КС) РЗМ(ІІІ) з ЕЧ Т та Маг використовували методи ізомолярних серій та насичення. Всі залежності, отримані різними методами і для різних РЗМ(ІІІ), вказують на утворення комплексних сполук із співвідношенням М:R=1:1. Виходячи з того, що багатоядерні комплексні сполуки іонів металів з моноазосполуками невідомі, можна вважати, що утворюються хелати складу МR. Число протонів, що витісняються в процесі комплексоутворення, визначали методом Астахова. У всіх випадках катіон РЗМ(ІІІ) заміщає один протон при взаємодії з ЕЧ Т та Маг. Методом Комаря розрахували константи рівноваги Кр процесу комплексоутворення іонів Tb3+ та Pr3+ з ЕЧ Т і Маг. Використали аналітичний варіант методу. У всіх випадках Кр приблизно дорівнює (1,5ё1,9)*105.

Додавання до розчинів Маг, ЕЧ Т чи Ар І в лужному середовищі розчинів хлоридів (перхлоратів, нітратів) РЗМ (ІІІ) змінює вольтамперограми барвників. На вольтамперограмах виникають нові додаткові піки, потенціали яких зміщені у катодну ділянку порівняно з потенціалами відновлення вільних лігандів, а сила струму пропорційна концентрації іонів металу. Якщо перші піки відповідають відновленню вільних органічних реагентів, то нові стадії обумовлені відновленням комплексних сполук РЗМ (ІІІ) з Маг, ЕЧ Т та Ар І.

Вплив рН на величину струму відновлення КС зображено на рис.1. Всі подальші дослідження проводились при рН, коли І є максимальними. Потенціали піків відновлення КС РЗМ(ІІІ) з Маг, ЕЧ Т, Ар І мало залежать від рН.

Відновлення досліджуваних КС є необоротним процесом, на це вказує відсутність анодних піків на вольтамперограмах КС. Значення критеріїв швидкості Dlgi/DlgV>0,5 та низькі величини енергії активації процесу відновлення хелатів РЗМ(ІІІ) з Ар І підтверджують адсорбційну природу катодних струмів. Результати дослідження впливу швидкості зміни напруги поляризації на ВА характеристики КС РЗМ(ІІІ) з о,оў-гідроксозаміщеними азобарвниками є ознакою ускладнення електродного процесу відновлення адсорбційними явищами, а величини енергії активації свідчать про кінетичні обмеження струмів. Очевидно, при відновленні комплексних сполук цього типу має місце кінетичний процес в умовах гетерогенно-поверхневої реакції. Переконливим доказом явища адсорбції КС на поверхні р.к.е. свідчить також вигляд електрокапілярних кривих.

Як і у випадку вільних реагентів, зростання іонної сили розчину полегшує відновлення КС і збільшує струми відновлення, що характерне лише для процесів з попередньою протонізацією. Аналогічно до вільних реагентів, на процес відновлення КС впливає додавання етанолу. Зменшення величин струмів відновлення і значень критеріїв швидкості при збільшенні вмісту С2Н5ОН у розчині підтверджує поверхневу природу реакції протонізації, яка передує електрохімічній стадії. Кінетичні обмеження струмів відновлення КС РЗМ(ІІІ) з о,оў-гідроксозаміщеними азобарвниками зумовлені, очевидно, швидкістю протонізації КС.

Враховуючи той факт, що величини потенціалів відновлення хелатів азобарвників з іонами РЗМ(ІІІ) не відрізняються між собою, а з іонами інших металів (In3+, Al3+) – незначно різняться, можна констатувати, що в даному випадку визначаючий вклад у НВМО комплексів належить орбіталям лігандів.

У випадку відновлення КС, коли відновлюється не центральний іон, а ліганд, можливі два варіанти:

1. комплекс відновлюється, але не дисоціює (іон металу зв'язує відновлену форму ліганда). У цьому випадку D залежить від констант стійкості окисненої та відновленої форм КС і констант дисоціації окисненої та відновленої форм ліганда і не залежить від концентрації іонів металу-комплексоутворювача та рН розчину;

2. комплекс дисоціює на поверхні електроду і відновлюється вже вільний ліганд. Тоді DЕр залежить також від концентрації іонів металу-комплексоутворювача та рН розчину.

Потенціал піку відновлення КС РЗМ(ІІІ) з Маг, ЕЧ Т та Ар І не залежить від концентрації іонів РЗМ(ІІІ) (табл. 2). У табл. 3 наведені результати впливу рН на DЕр. При відновленні КС РЗМ(ІІІ) з Ар І DЕр зовсім не залежить від рН, а у випадку Маг та ЕЧ Т – не залежить від рН у оптимальних умовах визначення. Таким чином, комплексні сполуки не дисоціюють на поверхні р.к.е. і ліганд відновлюється у зв'язаній формі.

Таблиця 2

Вплив концентрації РЗМ(ІІІ) (на прикладі Tb) на DЕр в оптимальних межах рН. Сбарв.= 4*10-5М; фоновий електроліт – аміачний буферний розчин

СTb(ІІІ)*106, М Маг ЕЧ Т Ар І

-Е, В -Е, В DЕр, В -Е, В -Е, В DЕр,В -Е, В -Е, В DЕр,В

4,0 0,62 0,79 0,17 0,61 0,82 0,20 0,67 0,75 0,08

6,0 0,62 0,78 0,16 0,61 0,80 0,19 0,67 0,75 0,08

8,0 0,62 0,78 0,16 0,61 0,80 0,19 0,67 0,74 0,07

10,0 0,62 0,78 0,16 0,61 0,80 0,19 0,67 0,74 0,07

40,0 0,62 0,78 0,16 0,61 0,80 0,19 0,67 0,74 0,07

Таблиця 3

Вплив рН на DЕр. Сбарв.= 4*10-5М; СРЗМ(III)= 8*10-6М; фоновий електроліт – аміачний буферний розчин

рН Маг ЕЧ Т рН Ар І

-Е, В -Е, В DЕр, В -Е, В -Е, В DЕр,В -Е, В -Е, В DЕр, В

8,0 0,63 0,84 0,21 ѕ ѕ ѕ 7,0 0,66 0,74 0,08

8,5 0,62 0,84 0,22 0,54 0,84 0,30 7,8 0,67 0,74 0,07

9,0 0,62 0,80 0,18 0,55 0,83 0,28 8,0 0,67 0,74 0,07

9,5 10,0 10,3 10,8 11,2 0,62 0,62 0,62 0,62 0,61 0,78 0,78 0,78 0,78 0,77 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,57 0,61 0,61 0,61 0,60 0,82 0,80 0,80 0,80 0,78 0,25 0,19 0,19 0,19 0,18 8,5 9,0 9,5 ѕ ѕ 0,67 0,65 0,64 ѕ ѕ 0,74 0,73 0,72 ѕ ѕ 0,07 0,08 0,08 ѕ ѕ

На підставі одержаних експериментальних результатів і порівняння їх з літературними даними, процес комплексоутворення та електровідновлення КС РЗМ(ІІІ) з о,оў-заміщеними азобарвниками можна представити наступними схемами:

Величина сили струму піків відновлення хелатів РЗМ(ІІІ) з ЕЧ Т та Маг залежить від природи іона РЗМ(ІІІ) (рис. 2). Такий характер зміни властивостей КС описаний для хелатів РЗМ(ІІІ) із азобарвниками кислотним блакитним К, солохромовим фіолетовим RS та іншими органічними реагентами і корелює із зміною іонного радіуса в ряду лантанідів. Монотонний характер залежностей “властивість КС – протонне число РЗМ” вказує на зростання (від La до Lu) ковалентного вкладу в хімічний зв'язок між комплексоутворювачем і лігандом.

У присутності іонів РЗМ(ІІІ) величина струмів відновлення Ар ІІІ зменшується, що є наслідком утворення стійких КС, які не відновлюються на р.к.е. Ефект зменшення піків відновлення Ар ІІІ у присутності РЗМ(ІІІ) з аналітичною метою використати не можна, оскільки лінійна залежність І від СРЗМ(ІІІ) спостерігається лише в межах від 2- до 5-кратного надлишку барвника.

Рис. 2. Вплив природи іона на величину струму відновлення КС РЗМ(ІІІ) з Маг(I) та ЕЧ Т(II) при рН 10,5; Сбарв=2*10-5М; СРЗМ(ІІІ)=8*10-6М

ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ В АНАЛІЗІ

Додатковий пік, що виникає при відновленні комплексних сполук іонів РЗМ(ІІІ) з ЕЧ Т, Маг може бути використаний для кількісного визначення іонів РЗМ(ІІІ) ітрієвої групи, а пік відновлення хелатів РЗМ(ІІІ) з Ар І – для визначення всіх індивідуальних РЗМ(ІІІ) та їх суми. Найкращим індиферентним електролітом для вольтамперометричного визначення РЗМ(ІІІ) є аміачний буферний розчин з рН 10,5 (m=0,60ё0.70) – при використанні ЕЧ Т та Маг, і з рН 7,8 (m=0,10ё0,15) при використанні Ар І. Вибрані такі умови полярографування: Е0=-0,1В; DЕ=0,9В; пилоподібна форма напруги поляризації; tз=8с; V=0,5В/с. Метрологічні характеристики визначення іонів РЗМ (ІІІ) наведені в табл. 4. Правильність вольтамперометричного визначення РЗМ(ІІІ) перевірили у модельних розчинах методом “введено – знайдено” (табл. 5).

Таблиця 4

Метрологічні характеристики визначення РЗМ (ІІІ) з використанням Маг, ЕЧ Т та Ар І при постійній концентрації барвника в оптимальних межах рН.

Сбарв.= 4*10-5М;V=0,5В/с.

Характеристика Ліганд

Еріохром чорний Т Магензон Арсеназо І

1 2 3 4

Рівняння градуйованого графіка І=0,03+1,03*105C І=-0,03+2,78*105C І=0,38+2,44*105C

Продовження табл. 4

1 2 3 4

Дисперсія градуйованого графіка S 3,38*10-3 2,42*10-3 2,91*10-3

Коефіцієнт кореляції R 0.9900 0.9980 0.9995

Нижня межа визначення Сн, М 1,72*10-6 1,74*10-6 1,11*10-6

Таблиця 5

У вибраних умовах полярографування нами досліджено вплив 29 сторонніх неорганічних іонів та органічних речовин на визначення РЗМ(ІІІ) у присутності

ЕЧ Т, Маг та Ар І. ВА визначенню РЗМ(ІІІ) заважають PO43- і ЕДТА, які руйнують КС РЗМ(ІІІ) з азобарвниками, а також катіони деяких металів, що також утворюють з дослідженими реагентами КС, які відновлюють на р.к.е. при тих же потенціалах, що КС РЗМ(ІІІ). Фактор селективності найбільший при використанні Ар І.

На підставі проведених досліджень розроблені методики вольтамперометричного визначення РЗМ, коли вони є основними компонентами сплавів (із малих наважок) або легуючими добавками у сцинтиляційних матеріалах. Результати визначення наведені в табл. 6.

Таблиця 6

Результати визначення РЗМ в неорганічних матеріалах (n=5ё7, P=0,95)

Склад сплаву Орієнтовний вміст РЗМ, мас. % Реагент Маса наважки сплаву, г Знайдено РЗМ X±DX, мас. % Sr, %

Tm20Cu70Ge10 39,5 ЕЧ Т 0,0343 0,0405 38,3±1,7 38,3±1,6 4,5 4,2

Tm33Cu32Ge35 59,0 0,0154 0,0313 53,4±2,5 53,5±2,4 4,6 4,6

Tm10Cu60Ge30 22, 0 0,0345 0,0215 21,1±0,8 21,0±0,3 4,0 3,1

TbAl2 74,6 Маг 0,0062 0,0508 73,2±3,0 72,9±2,6 4,1 3,5

TbAl4 59,6 0,0268 57,8±2,0 3,4

DyAl4 60,2 0,0130 0,0285 60,2±0,1 60,1±0,2 0,2 0,3

TbAl2 TbAl4 74,6 59,6 Ар І 0,0062 0,0268 72,7±2,6 57,3±1,0 3,5 1,7

KMgF3 »0,3% EuF3 »1,5% Tb2O3 Ар І 1,7500 1,5651 1,9505 0,320±0,007 0,320±0,007 1,460±0,015 2,1 2,1 2,1

Близькість середніх результатів між паралельними пробами наважок та результатів, одержаних за допомогою різних реагентів, а також невелика різниця надійних інтервалів підтверджують правильність запропонованого вольтамперометричного визначення РЗМ(ІІІ). Відносна похибка не перевищує 5%, що свідчить про задовільну відтворюваність результатів. Розроблені методики ВА визначення РЗМ за допомогою азобарвників мають добрі метрологічні характеристики, прості, експресні, надійні, дозволяють аналізувати зразки малої маси, не поступаються за чутливістю іншим відомим методикам, не потребують відокремлення деяких сторонніх іонів. Вольтамперометричне визначення іонів РЗМ(ІІІ) з використанням Ар І є селективнішим, чутливішим, порівняно з ЕЧ Т і Маг, характеризуються доброю відтворюваністю.

Досліджена вольтамперометрична активність азобарвників робить можливою розробку методик їх кількісного визначення у водному середовищі. Правильність вольтамперометричного визначення барвників у модельних розчинах перевірили методом “введено-знайдено” (табл. 7).

Таблиця 7

Правильність вольтамперометричного визначення азобарвників при рН 8,5

ВИСНОВКИ

1. Методом циклічної вольтамперометрії з лінійною розгорткою потенціалу детально вивчено 8 азобарвників з різною структурою ланцюга спряження і замісниками в о,оў-положеннях відносно азогрупи. Встановлено, що процес відновлення цих азобарвників має необоротний характер і адсорбційну природу струму. Показана можливість чутливого (Сн»10-7ё10-6М), простого, експресного вольтамперометричного визначення азобарвників у водному середовищі

2. Розраховано параметри електронної будови різних форм існування барвників і показана кореляція розрахованих значень енергії НВМО з експериментально знайденими потенціалами відновлення барвників На підставі експериментальних результатів та теоретичних розрахунків запропоновано механізм відновлення о,оў-заміщених азобарвників у водному середовищі.

3. Вивчено процес комплексоутворення РЗМ(ІІІ) з о,оў-дигідроксозаміщеними азобарвниками. Спектрофотометричними методами визначено співвідношення [метал]:[ліганд] та константу рівноваги процесу комплексоутворення. За допомогою квантово-механічних розрахунків доведено, що в утворенні координаційного зв'язку беруть участь атоми Оксигену гідроксогруп та лише один атом Нітрогену азогрупи.

4. Досліджено вольтамперометричну активність комплексних сполук 14 лантанідів (крім Pm) та Y(ІІІ) з о,оў-дигідроксозаміщеними азобарвниками, а також з арсеназо І та арсеназо ІІІ. На вольтамперограмах хелатів РЗМ(ІІІ) з еріохромом чорним Т, магнезоном та арсеназо І виникають нові додаткові піки відновлення. Комплексні сполуки РЗМ(ІІІ) з Ар ІІІ не відновлюються на р.к.е. На підставі одержаних експериментальних результатів запропонувано механізм відновлення КС РЗМ(ІІІ) з о,оў-заміщеними моноазобарвниками.

Виявлені закономірності відновлення комплексних сполук іонів РЗМ(ІІІ) з азобарвниками і порівняння їх з даними літератури дозволяють прогнозувати ВА властивості КС РЗМ(ІІІ) з іншими азосполуками.

5. Азобарвники тропеолін 0, тропеолін 00, тропеолін 000 не утворють комплексних сполук з РЗМ(ІІІ). Присутність РЗМ(ІІІ) не впливає на вольтамперні характеристики цих барвників в широких межах рН. Тропеолін 0, тропеолін 00, тропеолін 000 виявляють інгібуючу дію на процес відновлення Eu(III).

6. Виникнення додаткових піків відновлення КС з еріохромом чорним Т, магнезоном та арсеназо І робить можливим кількісне визначення іонів РЗМ(ІІІ) з Сн~10-6М. Досліджено вплив 29 сторонніх іонів і речовин на вольтамперометричне визначення РЗМ(ІІІ) Розроблено методики ВА визначення РЗМ(ІІІ) в інтерметалічних сполуках (із малих наважок) та сцинтиляційних монокристалах з вмістом РЗМ(ІІІ)<1% мас.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1. Дубенская Л.О., Левицкая Г.Д. Применение эриохром чёрного Т для полярографического определение редкоземельных металлов // Журн. аналит. химии– 1999. – Т.54, №7. – С.754-756.

2. Левицкая Г.Д., Дубенская Л.О. Осциллополярографическое определение тулия в сплавах системы Tm-Cu-Ge // Завод. лаб. – 1998. – Т.64, №11. – С.17-18.

3. Дубенська Л.О., Левицька Г.Д. Полярографічне вивчення процесу відновлення деяких азобарвників та їх застосування для визначення металів // Вопросы химии и химической технологии. – 1999. – №1. – С.113-115.

4. Левицька Г., Дубас Л., П'ястка О., Мокра О. Визначення органічних барвників полярографічними методами // Вісн. ун-ту. “Львів. політех.” Сер. Хімія, технологія речовин та їх застосування. – 1997. – №332. – С. 34-36.

5. Дубенська Л.О., Левицька Г.Д., Поперечна Н.П. Осцилополярографічне визначення європію (ІІІ) з його металіндикаторного комплексу з хромогеновим чорним ЕТ // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. хім. – 1999. – № 38. – С.83-85.

6. П'ястка Л.О., Левицька Г.Д. Полярографія іонів європію (ІІІ) у присутності еріохромового чорного Т // Тез доп. VI наук. конференц. “Львівські хімічні читання–97”. – Львів, 1997. – С.73.

7. Дубенська Л.О., Левицька Г.Д. Застосування о,о'-гідроксозаміщених азобарвників для полярографічного визначення РЗМ(ІІІ) // Тез. доп. Всеукр. конф. з аналіт. хімії. – Ужгород, 1998. – С.131.

8. Левицька Г.Д., Дубенська Л.О. Застосування еріохром чорного Т для полярографічного визначення важких РЗМ в інтерметалічних сполуках // Тез. доп. Всеукр. конф. з аналіт. хімії. – Ужгород, 1998. – С.154.

9. Дубенська Л., Поперечна Н., Левицька Г. Застосування арсеназо І для полярографічного визначення РЗМ // Тез доп. VII наук. конференц. “Львівські хімічні читання–99”. – Львів, 1999. – С.74.

10. Дубенська Л., Левицька Г.Полярографія деяких азобарвників та їх комплексних сполук з РЗМ // Тез доп. VII наук. конференц. “Львівські хімічні читання–99”. – Львів, 1999. – С.75.

11. Levytska G., Dubenska L., Mokra O. Adsorption effects in polarography of rare earth coordination compounds // 3rd Polish – Ukrainian symposium “Theoretical and experimental studies of interfacian phenomena and their technological application.” – Lviv, 1998. – P.38.

12. Levytska G.D., Dubenska L.O. Polarographic determination of rare earth using their complexes with eriochrome black T // 7th Europ. Conf. on ElectroAnalysis. – Coimbra (Рortugall), 1998. – P.217.

13. Дубенская Л.О., Левицкая Г.Д., Поперечная Н.П. Использование некоторых азокрасителей для полярографического определения РЗМ // Тез. докл. Всерос. конф. “Органические реагенты в аналитической химии”. – Саратов (Россия), 1999. – С.218.

АНОТАЦІЯ

Дубенська Л.О. Вольтамперометрія іонів рідкісноземельних металів (ІІІ) у присутності азобарвників. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.02 – аналітична хімія. – Український державний хіміко-технологічний університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертацію присвячено дослідженню електрохімічної активності азобарвників і комплексних сполук іонів рідкісноземельних металів (РЗМ(ІІІ)) з цими реагентами на ртутному крапельному електроді. Вивчено вольтамперні властивості 8 азобарвників з різною структурою ланцюга спряження і замісниками в о,о'-положеннях: тропеолін 0, тропеолін 00, тропеолін 000, еріохром чорний Т, еріохром червоний РЕ, магнезон ІРЕА, арсеназо І, арсеназо ІІІ. На процес відновлення азосполук значно впливає рН середовища, що вказує на участь іонів Гідрогену у електрохімічному процесі. Виявлено кореляцію між експериментально знайденими потенціалами відновлення азобарвників і теоретично розрахованими значеннями енергії нижньої вакантної молекулярної орбіталі. Показана можливість чутливого вольтамепрометричного визначення азобарвників у водному середовищі. Досліджено процес комплексоутворення іонів РЗМ(ІІІ) з о,о'-дигідроксозаміщеними азобарвниками, визначені склад комплексних сполук, константи рівноваги процесу комплексоутворення. Вивчено вольтамепрометричну поведінку комплексних сполук 14 лантанідів (крім Pm) та Y(III) з еріохромом чорним Т, магнезоном ІРЕА та арсеназо І,. На підставі експериментальних результатів та теоретичних розрахунків запропоновано механізми відновлення о,о'-заміщених азобарвників та їх комплексних сполук з РЗМ(ІІІ). Розроблені чутливі, експресні методики вольтамперометричного визначення РЗМ в сплавах (із малих наважок) і сцинтиляційних матеріалах.

Ключові слова: рідкісноземельні метали, азобарвники, вольтамперометрія, полярографія.

АННОТАЦИЯ

Дубенская Л.О. Вольтамепрометрия ионов редкоземельных металлов (ІІІ) в присутствии азокрасителей. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук по специальности 02.00.02 – аналитическая химия. – Украинский государственный химико-технологический университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена исследованию электрохимической активности азокрасителей и комплексных соединений ионов редкоземельных металлов (РЗМ(ІІІ)) с этими реагентами на ртутном капельном электроде. Изучены вольтамперные свойства 8 азокрасителей с различной структурой цепи сопряжения и заместителями в о,о'-положениях. Среди них одно диазосоединение арсеназо III и семь моноазосоединений: эриохром чёрный Т, эриохром красный РЕ, магнезон, арсеназо I, тропеолин 0, тропеолин 00, тропеолин 000. Процесс восстановления азосоединений значительно зависит от рН среды, что свидетельствует об участии ионов водорода в электродном процессе.

Восстановление красителей на ртутном капельном электроде – необратимый процесс. Введение заместителей в о-положения к азогруппе усложняет процесс восстановления и усиливает его необратимости. Восстановление исследованных азосоединений усложнено адсорбционными явлениями. Характер изменений вольтамперных свойств азокрасителей с изменением ионной силы раствора и содержанием этанола в водно-спиртовых смесях указывает на то, что электродному процессу предшествует стадия протонизации. Наличие стадии протонизации азокрасителей подтверждено квантово-механическими расчётами. Определена корреляция между экспериментально найденными потенциалами восстановления азокрасителей и теоретически рассчитанными значениями энергии нижней вакантной молекулярной орбитали. На основании экспериментальных результатов и теоретических расчётов предложен механизм восстановления о,о'-замещённых азокрасителей. Показана возможность вольтамперометрического определения азокрасителей в водной среде.

Исследован процесс комплексообразования ионов РЗМ(ІІІ) с о,о'-дигидроксоазокрасителями. Состав комплексов устанавливали методами изомолярных серий и насыщения. Число вытесняемых протонов при комплексообразовании определяли методом Астахова. Во всех случаях образуются соединения из соотношением компонентов [металл]:[лиганд]=1:1 и вытессняется 1 протон ис молекул реагентов. Константу равновесия процесса комплексообразования определяли методом Комаря: Кр»106. Изучено вольтамперометрическое поведение комплексных соединений 14 лантанидов (кроме Pm) и Y(III) с эриохромом черным Т, магнезоном, арсеназо І и арсеназо ІІІ. На вольтамепрограммах хелатов РЗМ(ІІІ) с эриохромом чёрным Т, магнезоном, арсеназо І появляются дополнительные пики, которые соответствуют восстановлению комплексных соединений. Доказано, что в процессе восстановления хелатов восстанавливается не центральный ион, а лиганд из связанного состояния. Восстановление комплексных соединений РЗМ(ІІІ) с эриохромом чёрным Т, магнезоном, арсеназо І – необратимый электродный процесс, усложнённый адсорбцией. Комплексные соединения РЗМ(ІІІ) с арсеназо ІІІ не восстанавливаются на ртутном электроде. Величина тока пиков восстановления хелатов РЗМ с эриохромом чёрным Т и магнезоном зависит от природы иона РЗМ. Мотонный характер зависимости “свойство комплексного соединения – протонное число РЗМ” свидельствует о возрастании от La к Lu ковалентного вклада в химическую связь между центральным ионом РЗМ(ІІІ) и лигандом.

Дополнительный пик, появляющийся при восстановлении комплексных соединений с эриохромом чёрным Т и магнезоном, может быть использован для определения РЗМ иттриевой группы, а пик восстановления хелатов РЗМ с арсеназо І – для определения всех индивидуальных РЗМ и их суммы.

По результатам исследований разработаны чувствительные, экспрессные методики вольтамперометрического определения РЗМ в сплавах (из небольших навесок) и сцинтиляционных материалов. Разработанные методики вольтамперометрического определения РЗМ имеют хорошие метрологические характеристики, простые, экспрессные, надёжные, позволяют анализировать образцы маленькой массы, не требуют предварительного отделения некоторых ионов.

Ключевые слова: редкоземельные металлы, азокрасители, вольтамперометрия, полярография.

SUMMARY

Dubenska L.O. Voltammertry of rare earth ions (ІІІ) at presence azodyes. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of chemical sciences on a speciality 02.00.02 - analytical chemistry. – Ukrainian State chemical-technologycal University of Ukrainian Ministry of education and sciences, Dnipropetrovsk, 2000.

The dissertation is devoted to research voltammertric activity azodyes and complex connections of ions rare earth (ІІІ) with these reagent on the mercury dropping electrode. Is investigated voltammertric of property 8 azodyes with various structure of a circuit of interface and assistants in o,o'-position: tropeoline 0, tropeoline 00, tropeoline 000, eriohrome black Т, eriohrome red PE, magnezone IREA, arsenazo І and arsenazo ІІІ. The process of reduction azodyes considerably depends from рН of environment that testifies to participation of ions of hydrogen in electrode process. Is determined correlation between the experimentally found potentials of reduction azodyes and theoretically designed meanings of energy bottom vacant molecular orbital. The opportunity voltammertric of definition azodyes in water environment is shown. The process complex formation of ions РЗМ (ІІІ) with o,o'-digidroksoazodyes is investigated, the structure and constants of balance of process complex formation is determined). Is investigated voltammertric activity of complex connections 14 lantanide (except for Pm) and Y(III)) eriohrome black Т, magnezone, arsenazo І and arsenazo ІІІ. On the basis of experimental results and theoretical accounts the mechanism of reduction replaced in o,o'-positions azodyes is offered. By results of researches the sensitive, express techniques voltammertric of definition РЗМ in alloys (from small mass) and materials of scintillation are developed.

Keywords: rare earth, azodyes, voltammertry, polarography.