Способ получения сульфат-нитрата железа (III) Российский патент 2022 года по МПК C01G49/00 

Изобретение относится к неорганической химии и касается способов получения сульфат-нитрата железа(III).

По распространенности в земной коре железо занимает второе место после алюминия [1]. Железо находит огромное применение как в виде металла, так и виде соединений.

На долю железа приходится до 95 % металлургического производства. Конструкционные материалы на основе железа - стали, чугуны, сплавы применяются в различных отраслях. Ферромагнитные свойства некоторых сплавов на основе железа широко применяются в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей. В железо-никелевых и железо-воздушных аккумуляторах анодом является железо [2]. Применение порошкового железа при упаковке некоторых продуктов питания, позволяет увеличить срок хранения. Пирофорные свойства порошков железа и чугуна используются в различных сферах [3].

Обширным является применение не только металлического железа, но и десятков его соединений различных классов - оксидов, гидроксидов, солей и др:

Благодаря магнитным свойствам ферриты металлов (MeFe₂O₄, где Me: Ni(II), Co(II), Mn(II), Mg(II), Cu(II), Fe(II), Zn(II), Cd(II)) имеют применение в радиотехнике, электронике, автоматике, вычислительной технике [4]. Например, ультрадисперсный порошок магнетита используется в лазерных принтерах в составе тонера. Благодаря окраске оксиды железа используются как пигменты в производстве красок [5].

Соединения железа применяется в медицине и фармации [6], [7], при приготовлении пищи [6].

Для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве применяется смесь гептагидрата сульфата железа(II) медным купоросом [6].

Водные растворы хлоридов и сульфатов двухвалентного и трёхвалентного железа, используются в качестве коагулянтов при очистке природных и сточных вод [7].

Известен способ окисления железного купороса смесью азотной и серной кислот, целевым продуктом реакции является сульфат железа(III) [8]. Недостатком способа является выделение оксидов азота.

Известен способ получения сульфат-нитрата железа(III), который заключается в окислении сульфата железа(II) азотной кислотой [9]:

FeSO₄ + 2 HNO₃ = FeSO₄NO₃ + NO₂ + H₂O

Способ реализуется следующим образом. В нагретый до 70 °С раствор 210 г гептагидрата сульфата железа(II) в 200 мл воды небольшими порциями приливают концентрированную азотную кислоту. Общий объем азотной кислоты для полного окисления катионов железа(II) составляет 110…120 мл.

По заявке GB 0009012980 (кл. С 01 G 49/14, 1990) известен способ, включающий приготовление реакционной смеси, содержащей гептагидрат сульфата железа (II) и окислительные реагенты - азотную кислоту и пероксид водорода, и проведение реакции (прототип).

Недостатками данных способов являются необходимость проведения реакции при повышенной температуре и выделение в атмосферу токсичных оксидов азота.

Задачей изобретения является получение сульфат-нитрата железа(III) без дополнительного нагревания и выделения токсичных оксидов азота.

Поставленная задача достигается тем, что окисление проводится с помощью пероксида водорода:

2FeSO₄⋅7H₂O + 2HNO₃ + H₂O₂ = 2FeSO₄NO₃ + 16H₂ + 8O₂

Для этого смешивают заданные объемы азотной кислоты и пероксида водорода, после чего постепенно при перемешивании добавляют заданную навеску гептагидрата сульфата железа(II). Выделение оксидов азота детектировали по появлению или отсутствию газа, окрашенного в бурый цвет. По завершении реакции проверяли полноту окисления катионов железа(II). Для этого аликвоту реакционной смеси разбавили в 100 раз и добавили несколько капель свежеприготовленного раствора гексацианоферрата(III) калия с концентрацией 13 мг/мл. Если в анализируемом растворе присутствуют катионы железа(II), то происходит образование окрашенного в темно-синий цвет комплексного соединения (турнбулевой сини):

Fe²⁺ + K₃[Fe(CN)₆] → KFe[Fe(CN)₆] + 2K⁺

При выполнении экспериментов были использованы следующие реагенты (табл. 1).

Таблица 1 Название Формула Характеристика Азотная кислота HNO₃ 65 % (мас.) Пероксид водорода H₂O₂ 30 % (мас.) Гептагидрат сульфата железа(II) FeSO₄⋅7H₂O Кристаллическое вещество Феррицианид калия K₃[Fe(CN)₆] Кристаллическое вещество

Пример 1. В реакционной пробирке смешивают 2 мл пероксида водорода и 0,3 мл концентрированной азотной кислоты. К полученному раствору постепенно при перемешивании добавляют 1,15 г гептагидрарата сульфата железа(II). В результате прошла экзотермическая реакция окисления с выделением кислорода. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала отсутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на полноту протекания реакции окисления.

Пример 2. Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 1, отличающихся тем, что расход пероксида водорода составил 1,7 мл, дистиллированной воды - 0,3 мл (для поддержания постоянства объема раствора), а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,22 г. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала отсутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на полноту протекания реакции окисления.

Пример 3 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 2, отличающихся тем, что расход пероксида водорода составил 1,2 мл, дистиллированной воды - 0,8 мл, а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,21 г. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала отсутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на полноту протекания реакции окисления.

Пример 4 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 3, отличающихся тем, что расход пероксида водорода составил 1 мл, дистиллированной воды - 1 мл, а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,24 г. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала отсутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на полноту протекания реакции окисления.

Пример 5 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 4, отличающихся тем, что расход пероксида водорода составил 0,7 мл, дистиллированной воды - 1,3 мл, а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,27 г. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала отсутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на полноту протекания реакции окисления.

Пример 6 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 5, отличающихся тем, что расход пероксида водорода составил 0,3 мл, дистиллированной воды - 1,7 мл, а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,19 г. При комнатной температуре реакция не проходила. При нагревании на кипящей водяной бане выделения оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала отсутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на полноту протекания реакции окисления.

Пример 7 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 6, отличающихся тем, что расход пероксида водорода составил 0 мл, дистиллированной воды - 2 мл, а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,12 г. Выделение оксидов азота наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала присутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на частичное окисление катионов железа(II).

Пример 8 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 2, отличающихся тем, что расход азотной кислоты составил 0,2 мл. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала присутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на частичное окисление катионов железа(II).

Пример 9 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 8, отличающихся тем, что расход азотной кислоты составил 0,1 мл, а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,13 г. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала присутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на частичное окисление катионов железа(II).

Пример 10 Способ получения сульфат-нитрат железа(III) в условиях примера 9, отличающихся тем, что расход азотной кислоты составил 0,4 мл., а расход гептагидрарата сульфата железа(II) - 1,11 г. Выделение оксидов азота не наблюдалось. Качественная реакция с раствором K₃Fe(CN)₆ показала отсутствие в растворе катионов железа(II), что указывает на полное окисление катионов железа(II).

Результаты примеров, сведенные в таблице 2, свидетельствуют о том, что получение сульфат-нитрата железа(III) с использованием пероксида водорода позволяет проводить процесс без нагревания и выделения оксидов железа.

Таблица 2 Пример Расход Выделение оксидов азота Наличие остаточных катионов железа(II) FeSO₄⋅7H₂O, г HNO₃, мл H₂O₂, мл H₂O, мл 1 1,15 0,3 2 0 не наблюдалось отсутствуют 2 1,22 0,3 1,7 0,3 не наблюдалось отсутствуют 3 1,21 0,3 1,2 0,8 не наблюдалось отсутствуют 4 1,24 0,3 1 1 не наблюдалось отсутствуют 5 1,27 0,3 0,7 1,3 не наблюдалось отсутствуют 6^* 1,19 0,3 0,3 1,7 не наблюдалось отсутствуют 7 1,12 0,3 0 2 наблюдалось присутствуют 8 1,22 0,2 1,7 0,3 не наблюдалось присутствуют 9 1,13 0,1 1,7 0,3 не наблюдалось присутствуют 10 1,13 0,4 1,7 0,3 не наблюдалось отсутствуют Примечание: * - при комнатной температуре реакция не проходит.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Mielczarek E.V., McGrayne S.B. Iron, Nature’s Universal Element: Why People Need Iron & Animals Make Magnets. - New Brunswick, N.J. : Rutgers University Press, 2000. - 204 p. DOI: 10.1063/1.1372118. [2] Пат. 2056677 РФ. МПК H01M 10/26, 10/44. Щелочной железоникелевый аккумулятор и способ его эксплуатации А.Н. Аршинов, Л.К. Григорьева, Ю.И. Оршанский, И.Д. Кузнецов, В.А. Солдатенко, В.Х. Станьков, С.П. Чижик. - Публ. 23.03.1996. [3] Пат. 2112782 РФ. МПК C10M 125/04 // (C10M 125/04, 129:40, C10N 30:06). Противоизносная присадка к смазочным маслам и смазочное масло / В.Г. Грязнов, А.Г. Волгин, Н.Н. Лознецова, Ю.П. Топоров, Г.Г. Щеголев. - Публ.: 10.06.1998. [4] Weir G., Leveneur J., Long N. Magnetic susceptibility of soft magnetic composite materials // J. Magn. Magn. Mat. - 2022. - Vol. 551. - Art. N 169103. DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.169103. [5] Pfaff G. Iron oxide pigments // Physical Sciences Reviews. - 2021. - Vol. 6, N 10. - P. 535-548. DOI: 10.1515/psr-2020-0179. [6] Позин М.Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, оксидов и кислот), ч. 1, изд. 3-е пер. и доп. - М.: Химия, 1970. - 792 с. [7] Abbas M.J., Mohamed R., Al-Sahari M., Al-Gheethi A., Mat Daud A.M. Optimizing FeCl3 in coagulation-flocculation treatment of dye wastes // Songklanakarin J. Sci. & Techn. - 2021. - Vol. 43, N 4. - P. 1094-1102. DOI: 10.14456/sjst-psu.2021.144. [8] Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества. Руководство по приготовлению неорганических реактивов и препаратов в лабораторных условиях. - Изд. 4-е, пер. и доп. - М.: Химия, 1974. - 408 с. [9] А.с. 1588718 СССР. МКИ C02F 11/14. Способ обработки избыточного активного ила / Ю.Г. Хабаров, Г.В. Комарова, С.Б. Пальмова, В.А. Рудакова // Бюл. - 1990. - № 32.

Изобретение относится к неорганической химии. Готовят реакционную смесь, для чего сначала смешивают окислительные реагенты: 0,3-0,4 мл азотной кислоты и 0,7-2 мл пероксида водорода, после чего к полученному раствору при перемешивании добавляют гептагидрат сульфата железа (II). Реакцию взаимодействия компонентов полученной реакционной смеси с получением сульфат-нитрата железа (III) проводят без нагревания. Исключается выделение токсичных оксидов азота. В целевом продукте - сульфат-нитрате железа (III) - отсутствуют остаточные катионы железа (II). 2 табл., 10 пр.

Способ получения сульфат-нитрата железа (III), включающий приготовление реакционной смеси, содержащей гептагидрат сульфата железа (II) и окислительные реагенты - азотную кислоту и пероксид водорода, и проведение реакции, отличающийся тем, что реакционную смесь готовят, сначала смешивая 0,3-0,4 мл азотной кислоты и 0,7-2 мл пероксида водорода, после чего к полученному раствору при перемешивании добавляют гептагидрат сульфата железа (II), при этом реакцию проводят без нагревания.