Pytanie:
Jakie są mechanizmy wychwytywania As (III) i As (V) przez magnetyt z wody?
jonsca
2012-05-21 14:35:15 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Magnetyt, $ \ ce {Fe3O4} $ jest w stanie wychwycić $ \ ce {As (III)} $ i $ \ ce {As (V)} $ z wody pitnej za pomocą następujących mechanizmów.


enter image description here

Kompleks dwukleszczowo-dwujądrowy


enter image description here

Monodentatkowo-dwujądrowy kompleks (oba z tutaj)


Zakładam, że są to standardowe reakcje w chemii nieorganicznej, ale czy istnieją znane mechanizmy (nie mam tekstu)? Pierwsza wygląda jak atak na $ \ ce {As} $ przez $ \ ce {O} $, ale druga wydaje się mieć miejsce w dwóch etapach.

Jeśli chodzi o kompleksy sfery wewnętrznej, zastanawiam się: czy przeczytałeś [stronę Wikipedii] (http://en.wikipedia.org/wiki/Inner_sphere_complex), a jeśli tak, to jakie jest Twoje konkretne pytanie? Ogólnie podoba mi się Twoje pytanie, ale ta część wygląda na ogólne odniesienie…
w skrócie, nie ma kuli… w chemii koordynacyjnej termin [sfera koordynacyjna] (http://en.wikipedia.org/wiki/Coordination_sphere) jest używany do określenia atomów i ligandów bezpośrednio związanych z atomem centralnym, niezależnie od rzeczywisty kształt kompleksu (który nigdy nie jest kulą… najczęściej czworościenny lub oktaedryczny wzór koordynacyjny).
Nie mam czasu na przeglądanie części literatury, którą znalazłem, ale możesz spróbować znaleźć informacje, których szukasz [tutaj] (http://scholar.google.ch/scholar?q=magnetite+arsenic+sorption+ mechanizm + kompleksacja).
Dwa odpowiedzi:
Martin - マーチン
2014-04-30 15:13:41 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Niestety nie ma (lub jest to bardzo trudne do znalezienia) badań mechanizmu rzeczywistej sorpcji arsenu (kwasów) do magnetytu. Większość literatury opisuje to jako prostą wymianę Ligandów, chociaż trudno mi w to uwierzyć. Z tego, co przeczytałem [1-4] , spróbuję ułożyć kilka wskazówek, co może się wydarzyć.

Najpierw przyjrzyjmy się kwasowi arsenowemu. Jest to średnio mocny kwas i całkiem dobrze utleniający. \ Begin {align} \ ce {H3AsO4 & \ equiv AsO (OH) 3 \\ AsO (OH) 3 + H2O &< = > H3 + O + AsO (O ^ -) (OH) 2 \\ AsO (OH) 3 + 2H3 + O + 2e- &< = > As (OH) 3 + 3H2O} \ end {align}

W obecności dowolnego materiału bogatego w elektrony i kwaśnym środowisku nie będzie więc niczym niezwykłym, że powstanie kwas arsenowy. [5] Możemy zatem również skupić się na tej amfoterycznej cząsteczce: \ begin {align} \ ce {H3AsO3 & \ equiv As (OH) 3 \\ As (OH) 3 + H3 + O &< = > As + (OH) 2 + 2H2O \\ As (OH) 3 + {} ^ {-} OH &< = > AsO ^ {-} (OH ) 2 + H2O} \ end {align}

W zależności od pH roztworu można by się spodziewać znalezienia wielu różnych z tych gatunków. Arsen jest również w pewnym stopniu oksofilem, co oznacza, że ​​wiązanie $ \ ce {As-O} $ - jest dość silne.

Magnetyt w roztworze wodnym reaguje zasadowo, również tworząc złożone struktury lub wodorotlenki, na przykład to w pełni uwodniony klaster (ref. [2], stechiometria pominięta): \ begin {aligned} \ ce {Fe3O4 + $ x $ \, H2O &< = > Fe2 (OH) 2 (H2O) 8 ^ 4 +} \ end {aligned }

Oczywiście należy zwrócić uwagę, że zastosowane nanocząstki żelaza (III) do sorpcji kwasu (-ów) arsenowego (o) lodowego są znacznie większe niż zastosowany kompleks modeli. Jednak widzimy, że istnieją grupy funkcyjne, takie jak $ \ ce {-OH} $ lub $ \ ce {-OH2 +} $ (a może nawet $ \ ce {-O -} $) pokrywające powierzchnię.

Biorąc to pod uwagę jako warunek wstępny, możemy pomyśleć o tym, co może się wydarzyć dalej. Generalnie sugerowałbym zacząć od fizysorpcji, tj. Klaster i cząsteczki kwasu znajdują się w bliskim zasięgu. Ponieważ mamy do czynienia z zanieczyszczoną wodą, można bezpiecznie założyć, że możemy poradzić sobie z rozpuszczalnymi solami kwasu arsenowego, dlatego skupiamy się na $ \ ce {AsO3 ^ {3 -}} $.

Kiedy kompleksy tworzą wiązania wodorowe bliskiego zasięgu, przy czym $ \ newcommand {\ nanoFe} {\ bbox [jasnoszary, 3pt, border: 1px solid black] {\ ce {Fe}}} \ nanoFe $ to nanocząstka: $$ \ ce {\ nanoFe-OH \ cdots {} O-AsO2 ^ {3 -}} $$

Ponieważ cała powierzchnia jest pokryta grupami wodorotlenowymi, może powstać kilka z tych wiązań wodorowych. Jak widzimy, dzięki temu możemy teraz wejść w sferę chemisorpcji. Po utworzeniu tych kompleksów, z entropicznego punktu widzenia preferowane jest uwalnianie mniejszych cząsteczek, w tym przypadku wody. Również atomy tlenu związane z arszenikiem znajdują się teraz w pobliżu atomów żelaza. Ponieważ mamy do czynienia z nanocząsteczką, w pobliżu będą znajdować się nieskoordynowane żelaza. Pozwala to na trwalsze uzupełnienie do postaci: $$ \ ce {\ nanoFe-O-AsO ^ 3- -O \ cdots {} HO- \ nanoFe} $$

Z tym monokleszczowym kompleksem mamy już stabilny kompleks związanego arsenu z żelazem. Ponadto możliwe jest i prawdopodobnie preferowane utworzenie kompleksu dwubiegunowego o nieco podobnym mechanizmie.

Rozważmy również bardziej podstawowy scenariusz. W tym przypadku powierzchnia magnetytu nie będzie całkowicie pokryta atomami wodorotlenku, ale będą obecne bardziej swobodnie dostępne atomy tlenu. Może wystąpić bezpośrednie wiązanie między $ \ ce {\ nanoFe-O \ cdots {} AsO3 ^ {3 -}} $.


Po napisaniu tego wszystkiego znalazłem również wiarygodne źródło, które w jakiś sposób potwierdza moją teorię. W artykule „Understanding Arsenate Reaction Kinetics with Ferric Hydroxides” [6] , aby wyjaśnić mechanizm, zastosowali modelowy system $$ \ ce {HAsO4 ^ 2- + Fe2O10H15 + -> Fe2O10H15-HAsO4 -} $$ .

W tym artykule opisują, że physisorpcja jest bezbarierowa, prowadząc szybko do adduktu, który jest $ \ Delta G ^ \ circ_ \ mathrm {r} = - 58 ~ \ mathrm {kJ / mol} $ bardziej stabilny energetycznie. Jednak chemisorpcja i osiągnięcie równowagi jest procesem dłuższym.

Kiedy powstałe kompleksy stają się neutralne, bariera aktywacji dla uwolnienia arsenianu jest bardzo wysoka w porównaniu z adsorpcją. Zatrzymam się tutaj, proszę przeczytać publikację, aby uzyskać więcej informacji.


Uwagi, odniesienia i dalsze czytanie:

  1. Dimitri A. Sverjensky, Keisuke Fukushi, Geochimica et Cosmochimica Acta 2006, 70 (15), 3778-3802.
  2. Nianliu Zhang, Paul Blowers i James Farrell, Environ. Sci. Technol. 2005, 39 (13), 4816–4822.
  3. Arnold F Holleman; Egon Wiberg; Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter & Co., Berlin, Nowy Jork, 2007. (niemiecki)
    Egon Wiberg, Nils Wiberg: Inorganic Chemistry. Academic Press, 2001. (angielski)
  4. Thompson, A. & Goyne, K. W. (2012) Wprowadzenie do sorpcji składników chemicznych w glebach. Wiedza o edukacji przyrodniczej 3 (6): 15
  5. Cięższe halogeny ($ \ ce {X = I, Br, Cl} $) powinny wykonać zadanie i z pewnością będzie obecny w zwykłej wodzie gruntowej (mniej lub bardziej kwaśny roztwór): $$ \ ce {AsO (OH) 3 + 2H3 + O + 2KX < = > As (OH) 3 + 3H2O + X2 ^ + 2K +} $ $
  6. James Farrell i Binod K. Chaudhary, Environ. Sci. Technol. 2013, 47 (15), 8342–8347.
  7. Interesujące: (a) Suvasis Dixit i Janet G. Hering, Environ. Sci. Technol. 2003, 37 (18), 4182–4189 (b) Dimitri A. Sverjensky and Keisuke Fukushi, Environ. Sci. Technol. 2006, 40 (1), 263–271.
Greg
2014-04-16 00:11:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mówisz o standardowych reakcjach kwasowo-zasadowych i tworzeniu się soli (bardziej kowalencyjnej niż jonowej), więc możesz mieć wiedzę o mechanizmie, zastanawiając się, co się tutaj dzieje:

Jak (III ) i As (V) to proste nieorganiczne (słabe) kwasy, w których proton skacze w górę iw dół z O. W literaturze można znaleźć szacunki dotyczące częstotliwości tego skoku. Jeśli nie, użyłbym po prostu pK i podobnych danych np. kwas fosforowy, aby mieć pojęcie o wielkościach.

Powierzchnia magnetytu jest (słabą) zasadą, więc OH może gdzieś przyjąć proton. Utworzona woda pozostaje tam jako ligand wodny na Fe lub coś ją wyrzuca i dysocjuje.

Ponieważ obie są słabe, przypuszczam, że ani nieprotonowany kwas As, ani protonowana powierzchnia magnetytu nie są dominujące gatunki. Bardziej prawdopodobne jest, że niezdysocjowany proton kwasów As przyłączyłby się do OH magnetytu i pomógłby wyrzucić wodę podczas tworzenia soli. Ta sól różni się od NaCl lub podobnego, a Fe-O-As ma silny charakter kowalencyjny.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...