скачать книгу бесплатно
Под термином "состояние" в радиохимии подразумевается совокупность всех форм, образованных радионуклидом в водном растворе:
а) простые акваионы – M(H
O)
;
б) ионные пары или внешнесферные комплексы;
в) комплексные ионы, образованные центральным ионом (М
) и лигандами (L
), причем лиганды могут быть одинаковой или различной химической природы – {M(H
O)
L
}
;
г) моноядерные продукты гидролиза {M(H
O)
(OH)
}
;
д) полиядерные гидроксокомплексы – {M
(H
O)
(OH)
}
;
е) гетерополиядерные гидроксокомплексы;
ж) истинные радиоколлоиды;
з) псевдорадиоколлоиды.
Знание форм состояния радионуклидов чрезвычайно важно, так как они определяют поведение радионуклида в любых технологических операциях (сокристаллизация, соосаждение, сорбция, ионный обмен, экстракция, электролиз и т.п.). Поэтому представляют интерес расчетные методы, позволяющие на основании справочных данных получить предварительную оценку концентрации (или доли) каждой из возможных форм состояния радионуклида в растворе конкретного состава.
1.2. Ионо-дисперсное состояние микрокомпонентов в растворах. Комплексные соединения
К ионно-дисперсным формам относятся простые акваионы, моноядерные, полиядерные и гетрополиядерные комплексы.
Описание ионодисперсных форм обычно осуществляют с позиций образования комплексных соединений.
Комплексные соединения или, другими словами, координационные соединения – это частицы (нейтральные молекулы или ионы), которые образуются в результате присоединения к данному иону (или атому), называемому ''комплексообразователем'' (центральным атомом), нейтральных молекул или других ионов, называемых лигандами. Для комплексного соединения характерно то, что он сохраняется как самостоятельная единица даже в растворе, хотя может происходить и частичная диссоциация. Комплекс может быть нейтральной частицей или иметь положительный или отрицательный заряд в зависимости от заряда центрального атома и координированных групп – лигандов. В растворе простые ионы не существуют, они образуют с молекулами растворителя сольватные (для водных растворов – акво-) комплексы. Молекулы растворителя более или менее прочно связаны с ионами, молекулы первой сольватной оболочки расположены вокруг иона в определенном порядке. Количество и расположение молекул растворителя вокруг центрального атома определяется объемом иона, плотностью заряда на нем и пространственными условиями. Следовательно, реакцию образования комплексов в растворе можно рассматривать как реакцию обмена молекул растворителя на молекулы лигандов:
M(H
0)
+L? М(Н
О)
L + H
0, (1.1)
М – центральный ион, L – лиганд (органический или неорганический ион или нейтральная молекула), заряды для простоты опущены.
В процессе комплексообразования молекулы растворителя, окружающие центральный ион могут последовательно замещаться ионами или молекулами лиганда, что в итоге приводит к образованию комплекса ML
, где n – число лигандов в комплексе. Это число равно координационному числу, если лиганды образуют с центральным ионом только одну связь. Координационное число зависит от природы лиганда, поэтому к приписыванию данному центральному иону одного определенного координационного числа следует относиться с осторожностью. Классический подход к определению структуры координационных соединений заключался в том, чтобы установить структуру неизвестного соединения на основе структур известных изомеров. Структуры плоского квадрата, тетраэдра и октаэдра (рис. 1.2.), приписанные соединениям, были подтверждены физико-химическими методами. Хотя наиболее часто встречаются координационные числа 6 или 4, известны соединения, в которых центральный ион имеет координационное число вплоть до 10 – 12.
Рис. 1.2. Образование комплексов различной структуры [1] .
Равновесия реакций комплексообразования
В общем случае образование комплексного соединения можно выразить следующим уравнением:
mM + nL?M
L, (1.2)
тогда термодинамическая константа комплексообразования:
(1.3)
где a
= f[M] – активность, f – коэффициент активности, [ ] – символ концентрации. Согласно теории Дебая-Хюккеля, коэффициенты активности в разбавленных растворах в первом приближении определяются только ионной силой раствора и могут быть рассчитаны по уравнению Дэвиса [2].
При постоянной ионной силе J = const концентрационная константа ? отличается от термодинамической константы ?
при J = 0 на постоянную величину, поэтому
(1.4)
Если в структуре комплекса существует только один центральный атом, то он называется моноядерным, если m ? 1, то полиядерным. Хотя полиядерные комплексы встречаются также часто, как и моноядерные, в большинстве случаев их образованием пренебрегают, особенно при низких концентрациях.
Комплексы обычно образуются ступенчато, процесс характеризуется ступенчатыми константами комплексообразования K
:
(1.5)
Проведя подстановки:
получаем
(1.6)
где ?
– общая константа образования (устойчивости). В данном выражении N – число присоединенных лигандов, а не координационное число. Если рассматривать обратный процесс, то получаем реакцию диссоциации, которая характеризуется константой диссоциации или нестойкости k:
(1.7)
Константы нестойкости ступенчатые – обратные величины ступенчатым константам устойчивости. Общая константа нестойкости
(1.8)
Для определения констант и описания форм состояния ионов в растворе имеют большое значение соотношения между константами и аналитически измеряемыми величинами. Общая концентрация металла в растворе в виде свободного иона и комплексных частиц определяется уравнением:
(1.9)
Введя
, получаем
, N – максимальное число лигандов в комплексе.
Общую концентрацию лиганда можно определить:
(1.10)
Для определения степени закомплексованности Нильс Бьеррум предложил использовать среднее координационное или лигандное число, которое при заданных концентрации лиганда и константах устойчивости комплекса характеризует глубину комплексообразования. Среднее лигандное число и дает число лигандов, связанных с одним ионом металла – комплексообразователя во всех типах комплексов, т.е
Подставив соответствующие выражения, получаем:
(1.11)
При заданных ?
среднее лигандное число зависит только от концентрации лиганда и не зависит от концентрации металла в растворе (рис. 1.3). Это утверждение справедливо только для случая образования моноядерных комплексов. Если C
>>C
, то [L] ? C
. Когда C
<10C
, то при расчете нельзя пренебрегать связанным в комплекс лигандом.
Рис. 1.3. Изменение среднего лигандного числа в зависимости от концентрации лиганда для цианидных комплексов кадмия [1].
Еще одна величина, которая нашла широкое применение, – это мольная доля i– комплекса в растворе ?
.
(1.12)
Из определения следует
. ?
зависят только от концентрации лиганда и не зависят от концентрации металла в растворе (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Доля аммиачных комплексов цинка, как функция концентрации свободного аммиака [2].
При такой концентрации лиганда, при которой один из комплексов присутствует в максимальных количествах (?
=max), n? соответствует числу лигандов, связанных в этом комплексе. Абсциссы точек пересечения кривых мольных долей, т.е. точек, в которых концентрации двух последовательных комплексов одинаковы, равны отрицательным логарифмам ступенчатых констант устойчивости:
(1.13)
Если ион металла образует комплексы с несколькими видами лигандов, то распределение по формам можно рассчитать аналогично:
или в общем случае
(1.14)
где К – число различных видов лигандов, участвующих в комплексообразовании (рис. 1.5).
Равновесия образования полиядерных комплексов рассмотрим в части, посвященной процессам гидролиза.
Внешнесферные и внутрисферные комплексы
Приведенные уравнения и константы характеризуют процесс образования внутрисферного комплекса в результате проявления сил близкодействия, что приводит к молекулярному контакту между ионом-комплексообразователем и лигандами. Если лиганды способны образовывать вторую и более удаленные сферы, то говорят об образовании внешнесферных комплексов. Возможность образования внутрисферного комплекса определяется напряженностью поля и особностью к поляризации, следовательно, зарядом и радиусом иона, т.е.
Рис. 1.5. Состояние урана (VI) в морской воде в зависимости от рН: 1 – UO
