nghiên cứu ứng dụng phức chất của fe, co, ni, cr và ti với một vài axit cacboxylic tạo màu trang trí

1 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế thì nhu cầu trong cuộc sống của con người về trang trí gốm sứ ngày càng cao, đặc biệt là yêu cầu về trang trí thẩm mĩ càng được quan tâm và chú trọng. Có nhiều phương pháp tạo màu trang trí cho gốm sứ như vẽ thủ công, dán decal giấy hoặc decal hấp, phương pháp trang trí trên men, dưới men Phương pháp sử dụng decal in sẵn hoa văn trang trí có nhiều ưu điểm như: có thể sản xuất hàng loạt, đơn giản, giá thành hạ, có nhiều mẫu mã đa dạng được thiết kế sẵn. Trên thế giới, việc sử dụng các chất màu để trang trí cho gốm sứ bằng công nghệ in lưới đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng, nhưng kết quả nghiên cứu còn đang được giữ bí mật [ ] Ở nước ta, tại các cơ sở sản xuất gốm sứ nổi tiếng như Nhà máy gốm sứ Hải Dương, làng nghề Bát Tràng đã trang trí cho gốm sứ bằng phương pháp in decal. Tuy nhiên, chất màu được sử dụng hoàn toàn phải nhập ngoại nên giá thành sản phẩm cao. Vì vậy, việc nghiên cứu các chất màu có thể sử dụng in decal để trang trí cho gốm sứ là một vấn đề cần thiết. Dung dịch các phức chất kim loại chuyển tiếp dãy 3d với phối tử là các axit hữu cơ thông dụng như axit fomic, oxalic, tactric, xitric, có màu sắc đa dạng có thể dùng làm dung dịch màu in decal để trang trí cho gốm sứ. Phức chất của chúng tuy đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu từ lâu, tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa đầy đủ và hệ thống bởi sự tạo phức của các kim loại chuyển tiếp rất phong phú và đa dạng, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tổng hợp [ ] Do đó việc nghiên cứu tìm điều kiện tổng hợp phức chất Fe, Co, Ni, Cr và Ti với phối tử xitrat, tactrat, axetat nghiên cứu cấu tạo, tính chất của chúng vẫn còn là vấn đề cần thiết. Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài: 2 “Nghiên cứu ứng dụng phức chất của Fe, Co, Ni, Cr và Ti với một vài axit cacboxylic tạo màu trang trí cho gốm sứ bằng phương pháp in decal”. Để thực hiện đề tài chúng tôi đặt ra các nhiệm vụ sau: 1. Tổng quan tình hình tổng hợp, nghiên cứu tính chất các phức chất của coban và titan với axit xitric, các phương pháp tạo màu trang trí cho gốm sứ. 2. Tổng hợp và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp các phức chất nhằm thu được các phức chất có hiệu suất cao. 3. Xác định thành phần, cấu tạo và tính chất của một số phức chất thu được bằng các phương pháp hóa lí, vật lí và hóa học. 4. Điều chế các chế dung dịch màu có chứa các phức chất của Fe, Co, Ni, Cr và Ti. 5. Thử nghiệm sử dụng dung dịch màu in decal. 6. Thử nghiệm dùng decal tạo màu trang trí cho gốm sứ. 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHỨC CHẤT XITRAT CỦA Co VÀ Ti I.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CÁC PHỨC CHẤT Axit xitric (HOOC-CH 2 -C(OH)(COOH)-CH 2 -COOH, kí hiệu là H 3 Cit) là hợp chất hữu cơ đa chức và tạp chức, trong công thức cấu tạo có 3 nhóm COOH, 1 nhóm OH. Phối tử này có khả năng tạo phức rất phong phú, đa dạng, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tổng hợp. Chúng có thể liên kết với nguyên tử kim loại trung tâm qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl hoặc của nhóm hidroxyl, hoặc có thể làm nhiệm vụ cầu nối tạo phức đa nhân. Vì vậy phức chất của axit xitric với các ion kim loại Ti và Co có thể là phức chất đơn nhân hoặc đa nhân, có tỉ lệ thành phần kim loại : gốc xitrat là 1:1, 1:2 hoặc 1:3 , tùy thuộc vào pH mà có sự tách các proton ở các vị trí khác nhau của axit xitric. I.1.1. Phức chất titan xitrat. Theo tài liệu [17] các tảc giả đã tổng hợp được dãy các phức chất titan xitrat Na 3 [Ti(H 2 Cit) 2 (HCit)].9H 2 O (1), K 4 [Ti(H 2 Cit)(HCit) 2 ].4H 2 O (2), K 5 [Ti(HCit) 3 ].4H2O (3) và Na 7 [TiH(Cit) 3 ].18H 2 O (4). Phức chất (1) được điều chế bằng cách cho muối titan clorua vào dung dịch axit xitric 1M, tỉ lệ ion titan: axit = 1:3. Điều chỉnh pH của hỗn hợp bằng dung dịch NaOH 1M đến giá trị 3. Thêm etanol để kết tinh phức chất. Phức chất (2), (3) cũng được điều chế tương tự, nhưng thay cho việc dùng NaOH người ta dùng dung dịch KOH 1M để điều chỉnh pH của hỗn hợp. Phức chất (4) được tổng hợp từ titan n-butoxit với cách thức phức tạp hơn bởi phải cất quay hỗn hợp phản ứng để thu được phức chất. Các tác giả đã dùng các phương pháp đo phổ hồng ngoại, phổ hấp thụ electron, phổ cộng hưởng từ proton, cộng hưởng từ C 13 , X-ray, từ đó xác định được cấu trúc và sự chuyển hoá của các phức chất như trên hình 1.1 4 Các tác giả [16] đã thu được các dung dịch titan xitrat từ các phản ứng giữa axit xitric với titan n-propanoxit với các tỉ lệ khác nhau. Với tỉ lệ axit:ion titan≤2 trong điều kiện kết tinh chậm thu được một phức chất titan oxo-xitrat không tan trong nước có công thức Ti 8 O 10 (Cit) 4 (H 2 O) 12 ·14H 2 O·3HOPr i . Phân tích bằng X-ray đơn tinh thể đã chỉ ra cấu trúc lõi Ti 8 O 10 . Phối tử xitrat đưa cả nhóm cacboxyl và nhóm ankoxyl để liên kết với nguyên tử titan, đồng thời tạo ra một cấu trúc bền với dạng vòng càng và liên kết cầu nối. Phức chất này dễ mất nước tạo ra dạng bột không có cấu trúc tinh thể, không tan trong nước. Người ta kiểm tra dạng chất đehydrat hoá này bằng phổ cộng hưởng từ C 13 . Kết quả vẫn cho thấy có liên kết giữa kim loại titan với nhóm cacboxylat. Theo các tác giả ở tài liệu [26] một số phức chất khác của Ti(IV) với phối tử axit xitric là: Na 6 [Ti(C 6 H 4.5 O 7 ) 2 (C 6 H 5 O 7 )].16H 2 O, Na 3 (NH 4 ) 3 [Ti(C 6 H 4.5 O 7 ) 2 (C 6 H 5 O 7 )].9H 2 O, Hình 1.1: Chuyển hoá giữa các phức chất và cấu trúc c ủa (3) 5 Được tổng hợp từ muối Ti(IV) clorua và dung dịch axit xitric, dùng dung dịch kiềm( NaOH hoặc NH 3 , NaOH) để chỉnh pH đến pH=6, cho tiếp rượu lạnh, để trong điều kiện lạnh ở 4 o C thu được tinh thể không màu. Sử dụng các phương pháp phổ: IR, 13 CNMR, X-ray đã xác định được cấu trúc anion phức (hình 1.2) Hình1. 2: Cấu trúc của anion [Ti(C 6 H 4.5 O 7 ) 2 (C 6 H 5 O 7 )] 6- Mặt khác, theo tài liệu [25] các tác giả đã tổng hợp được phức 2 nhân của Ti với axit xitric. Phức chất này được điều chế từ dung dịch TiCl 4 với axit xitric, điều chỉnh pH bằng NH 3 đến pH = 4,5, thêm từ từ dung dịch H 2 O 2 30% thu được dung dịch màu đỏ. Cho tiếp rượu lạnh, sau vài ngày để trong tủ lạnh thu được tinh thể màu đỏ, có công thức : (NH 4 ) 4 [Ti 2 (O 2 ) 2 (C 6 H 4 O 7 ) 2 ].2H 2 O Quá trình tổng hợp phức trên được mô tả bằng phương trình phản ứng sau: C COOH COOH COOH HO CH 2 CH 2 H 2 O 2 OH NH 3 [Ti 2 (O 2 ) 2 (C 6 H 4 O 7 ) 2 ] Cl H 2 O TiCl 4 + + - 12 2 4- + 8 - 2 + + 22 Dựa theo các kết quả đo phổ UV-Vis, FT-IR, FT- và laser- Raman, 6 NMR, nhiễu xạ tia X. Các tác giả đã đưa ra được cấu tạo anion phức như hình 1.3. Như vậy, titan có khả năng tạo phức với axit xitric theo nhiều tỉ lệ khác nhau, có thể tạo thành phức chất đơn nhân hoặc đa nhân có nhiều ý nghĩa trong khoa học cũng như thực tiễn. Hình 1.3: Cấu tạo của anion phức [Ti 2 (O 2 ) 2 (C 6 H 4 O 7 ) 2 ] 4- I.1.2. Phức chất coban xitrat. Trong công trình [29], phổ hấp thụ hồng ngoại của các phức citrat và tactrat của Co đã được nghiên cứu. Trong các phức chất của Co với tactrat và xitrat tỉ lệ mol của ion kim loại: phối tử là 1:1. Các phức tạo thành có đặc tính anion với điện tích là (-1) trong vùng axit yếu và (-2) trong vùng kiềm. Trong các phổ của phức chất Co với axit xitric tách ra từ môi trường có pH=1 có các vân hấp thụ ở 1710 và 1420cm -1 , cho thấy rằng kim loại chỉ thay thế một phần các hidro của các nhóm cacboxylic. Còn ở các phức chất tách ra ở pH=6, 12 trên phổ hồng ngoại đều thấy có vân hấp thụ mạnh ở 1600 và 1400cm -1 cho thấy có sự thay thế hoàn toàn các hidro axit. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, trong các phức chất tách ra ở pH= 12 không có vân hấp thụ ở 3450cm -1 và so sánh ở vùng 1300 800cm -1 cho thấy đã có sự thay thế hidro của nhóm ancol. Phức chất dạng này cũng đã được tác giả ở công trình [30] tổng hợp và xác định cấu tạo.Trên cơ sở phân tích hóa học các hợp chất tách ra, các dữ liệu nghiên cứu sự chuyển dịch ion, sự xác định dấu và điện 7 tích, các kết quả phổ hồng ngoại tác giả đề nghị công thức cấu tạo các phức chất của Co với axit xitric như sau: CH 2 COO C OH COOH CH 2 COO Ni CH 2 COO C OH COO CH 2 COO Ni Na CH 2 COO C O COO CH 2 COO Ni Na 2 pH=1 pH=6 pH=12 Nếu như trong các tài liệu trên cho rằng giữa Co và axit xitric không có sự hình thành phức chất đa nhân thì trong một số công trình bằng các phương pháp nghiên cứu truyền thống ( phổ IR, phổ hấp thụ electron .) kết hợp với nhiễu xạ tia X đơn tinh thể kèm theo phần mềm xử lí, đã cho biết nhiều kết quả rõ ràng hơn về cấu trúc của các phức chất xitrat, đặc biệt là có sự hình thành các phức chất xitrat có cấu trúc đime hoặc polime. Năm 2003, Kotsakis [31] đã tổng hợp được phức chất coban xitrat có cấu trúc đime (Hình 1.4) bằng cách cho muối Co(II) tương tác với anhidrit của axit xitric, pH của dung dịch cũng được điều chỉnh đến 5. Tinh thể thu được có công thức M 2 [Co(C 6 H 5 O 7 )(H 2 O) 2 ] 2 .6H 2 O ( M là Na hoặc K). Kết quả đo từ tính cho thấy giá trị momen từ hiệu dụng là 3,78 µB và như vậy có sự tương tác, trao đổi tính phản sắt từ nhỏ giữa các ion Co(II). Hình 1.4: Cấu trúc không gian của tinh thể phức chất [Co 2 (C 6 H 5 O 7 ) 2 (H 2 O) 4 ] 2- 8 I.2. XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN PHỨC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG Có rất nhiều phương pháp xác định thành phần phức chất: phương pháp hệ đồng phân tử gam, phương pháp tỉ số mol, phương pháp chuyển dịch cân bằng, phương pháp đường thẳng Amust, phương pháp Staric – Bacbanel… Tuỳ theo từng loại phức mà sử dụng các phương pháp khác nhau. I.2.1 Phương pháp tỉ số mol Phương pháp tỉ số mol ( phương pháp đường cong bão hòa) dựa trên việc xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của mật độ quang (A) vào sự biến thiên nồng độ của một cấu tử khi cố định nồng độ của một cấu tử còn lại. Nếu phức bền thì đồ thị thu được gồm hai đường thẳng cắt nhau, tỉ số nồng độ C M /C R hoặc C R /C M tại điểm cắt chính là hệ số tỉ lượng của các cấu tử tham gia tạo phức (đường 1) Trong trường hợp phức kém bền thì ta thu được đường cong (đường 2). Để xác định hệ số tỉ lượng ta phải ngoại suy bằng cách kéo dài 2 nhánh của đường cong cắt nhau tại một điểm. Tỉ số nồng độ C M /C R hoặc C R /C M tại điểm cắt chính là hệ số tỉ lượng của các cấu tử tham gia tạo phức Phương pháp này tiến hành cả hai trường hợp a) Khi C M = const, C R biến đổi b) Khi C R = const, C M biến đổi 9 C M /C R C M /C R II.2.2 Phương pháp chuyển dịch cân bằng Phương pháp này dùng để xác định thành phần phức đơn nhân, ở một nồng độ cố định của kim loại M n+ , nếu ta tăng dần nồng độ của phối tử HR thì cân bằng sẽ chuyển dịch sang phải trong phản ứng sau: M + nHR ↔ MR n + nH + K cb M: ion kim loại tạo phức HR: thuốc thử Theo định luật tác dụng khối lượng ta có: K cb = n n n HRM HMR ]].[[ ]].[[ (1.1) → Suy ra [MR n ]/[M] = K cb .[HR] n /[H] n (1.2) Lấy logarit 2 vế của (1.2) ta được: Lg([MR n ]/[M]) = lgK cb + npH + nlg[HR] (1.3) Nồng độ phức tỉ lệ thuận với mật độ quang của phức ∆A i Nồng độ của ion kim loại [M] = C M – [MR n ] tỉ lệ thuận với (∆A gh - ∆A i ) → lg ][ ][ M MR n = lg igh i AA A ∆−∆ ∆ (1.4) Xây dựng đường cong bão hòa để xác định ∆A gh giống như phương pháp tỉ số mol Từ (1.3) ta có : lg igh i AA A ∆−∆ ∆ = lgK cb + npH + nlg[HR] (1.5) Ở nhiệt độ xác định và pH không đổi đặt LgK cb + npH = a = const ta được lg igh i AA A ∆−∆ ∆ = a + nlg[HR] vì C R >> C M nên lg[HR] = lgC HR (1.6) Xây dựng đồ thị phụ thuộc lg igh i AA A ∆−∆ ∆ vào lgC HR ta xác định được n 10 Ở đây ∆A gh là giá trị giới hạn của mật độ quang khi tiến hành thí nghiệm xây dựng đường cong bão hòa ∆A = f(C R /C M ) Để xác định hệ số tỉ lượng n ta sử dụng phần biến thiên của ∆A i với C HR và sử dụng đồ thị : lg igh i AA A ∆−∆ ∆ = f(lgC HR ) (1.7) Sau đó xử lí thống kê để tính tga = n tgα tgα = n lgC HR Hình 1.5: Đồ thị phương pháp chuyển dịch cân bằng II.2.3 Phương pháp hệ đồng phân tử gam. Phương pháp này dựa trên việc xây dựng đồ thị sự phụ thuộc ∆A vào C M /C R hoặc V M /V R với tổng nồng độ C M + C R = const, tổng thể tích V M + V R = const. Đồ thị có cực đại. Với phức bền thì hai đường thẳng cắt nhau tại (1), phức kém bền thì đồ thị là một đường cong (2), ngoại suy để tìm cực đại bằng cách kéo dài hai nhánh của đường cong đến cắt nhau, đây chính là điểm cực đại. Tỉ số C M /C R hoặc V M /V R tại điểm cực đại sẽ ứng với tỉ lệ các hệ số tỉ lượng của hai cấu tử trong phức. ∆A (1) Phức bền (2) Phức kém bền lg igh i AA A ∆−∆ ∆ (1) (2) [...]... nghiên cứu sự tạo phức của kim loại chuyển ti p với các phối tử là các axit cacboxylic tạp chức chức nh oxalic, tactric, xitric nhiều tác giả [2] đã khẳng định các phối tử này còn có khả năng làm cầu nối tạo phức đa nhân Do đó chúng tôi đã ghi phổ khối lợng của một số phức chất xitrat đã tổng hợp đợc nhằm khẳng định xem các phức chất này là đơn nhân hay đa nhân Dựa vào kết quả đo độ dẫn điện phân tử của. .. của các phức chất, chúng tôi nhận thấy đa số các phức chất tổng hợp dợc đều là các phức chất điện li Do đó chúng tôi ti n hành ghi phổ khối lợng của các phức chất đó theo phơng pháp ESI-MS tại viện Hoá học thuộc Viện Khoa học và công nghệ Quốc gia Phổ khối lợng của một số phức chất theo phơng pháp ESI MS (Electro Spray Ionization Mass spectrometry) đợc đo trên máy 1100 Series LC-MSD-Trap-SL của hãng... ứng axit- bazo: chất có tính bazơ sẽ kết hợp với proton của dung môi hoặc của các chất khác tạo ra cation [M +H]+, chất có tính axit sẽ nhờng proton cho dung môi hoặc cho các chất khác tạo ra anion [M-H]- Bằng cách trao đổi trờng điện từ, ngời ta hớng hoặc các ion âm hoặc các ion dơng tới bộ phận phân tách theo giá trị m/z và ghi phổ khối lợng của chúng Phổ của các ion dơng đợc kí hiệu là +MS, phổ của. .. hoặc khối lợng phân tử của phức chất tơng ứng Các giá trị đó đợc gọi là phân tử khối của phức chất xác định đợc dựa vào thực nghiệm nên đợc kí hiệu là MTN (bảng 2.6) Ví dụ trên phổ +MS của phức chất (NH4)4 [Ti2 (O2)2(C6H4O7)2].3H2O (hình 2.7) có cụm pic ion chứa pic m/z=541 là của ion { [Ti2 (O2)2(C6H4O7)2]4 + 5H+}+ = 536 +5 = 541, chứng tỏ khối lợng của ion do phân tử của phức chất này phân li ra là 536 Từ... 46 Ti 47 Ti 48 Ti 49 Ti lợng 98,90 99,98 99,80 93,2 6,77 100 7,93 7,28 73,94 5,51 tự nhiên(%) 35 Vì vậy dựa vào các đồng vị của các nguyên tố, chúng tôi tính đợc phân tử khối của các phức chất có giá trị nhỏ nhất (kí hiệu là Mmin) và phân tử khối có giá trị lớn nhất (kí hiệu là Mmax)(bảng 2.6) Đồng thời trên phổ của các phức chất nghiên cứu xuất hiện các cụm pic ion phân tử giả (cụm pic ion mà dựa vào... pic của các cation, anion đợc tạo ra khi các phân tử phức chất kết hợp với các ion âm hoặc ion dơng có trong dung dịch mẫu hoặc trong các giọt mù( Na+, K+ H+ ), nớc kết tinh ( một số trờng hợp kể cả nớc phối trí) hầu nh không có trong thành phần các ion phức khi đo phổ Từ giá trị m/z của pic có trong cụm pic ion phân tử giả , chúng tôi xác định đợc khối lợng của ion mảnh hoặc khối lợng phân tử của phức. .. cứu xuất hiện các cụm pic ion phân tử giả (cụm pic ion mà dựa vào đó xác định đợc phân tử khối của các chất đợc gọi là cụm pic ion phân tử giả) gồm nhiều pic có giá trị m/z chênh nhau một vài đơn vị là do tơng ứng với các đồng vị khác nhau của các nguyên tố Hầu hết các phức chất nghiên cứu đều là những phức chất điện li, tan tốt trong nớc, do đó khi ghi phổ theo phơng pháp ESI MS trên phổ các cụm pic... Viện Hóa- Viện khoa học và công nghệ Việt Nam Phổ ESI MS của các phức chất đợc chỉ ra ở các hình 2.5 và các hình 5ữ7 trong phần phụ lục Trong phơng pháp ESI MS, ion đợc tạo ra do các phản ứng hoá học ở dung dịch và ở pha khí sau khi làm bay hơi dung môi Vì vậy có rất nhiều các cation và anion đợc hình thành do: - Quá trình phân li của các chất điện li trong dung dịch - Phản ứng cộng hợp: M + NH + ... kim th hoc amoni ca axit antimonic, hoc cỏc hp cht ca Sb; lactate Sb, K xitrat, Sb.K tactrat (K2Sb2C8H4O12), Sb tactrat, Sb(CH3COO)3, Sb.K oxalat (K3SbC6O12), Sb.Na thiogliconat (C4H4NaO4S2Sb) Titan c dựng di dng titan xitrat, titan oxalat, titan tactrat Crom c dựng di dng crom axetat, kali crom oxalat, crom xitrat hoc hn hp xitrat ca Cr vi K, Na, NH4+ Trong quỏ trỡnh thc nghim ti lng gm Bỏt Trng chỳng... kí hiệu là +MS, phổ của các ion âm đợc kí hiệu là MS Trong phân tử các phức chất nghiên cứu của chúng tôi đều chứa các nguyên tố nh C, O, H, các nguyên tố kim loại nh K, Ti, những đồng vị của chúng với hàm lợng đáng kể có thể thấy đợc trên phổ MS đợc chỉ ra ở bảng 2.6 Riêng 13C tuy có hàm lợng nhỏ (1,1%), nhng trong một số phức chất có nhiều nguyên tử C thì có thể thấy đợc trên phổ Bảng 2.5: Những . đã nghiên cứu và tổng hợp phức chất của các kim loại chuyển ti p với phối tử là các axit hữu cơ. Các phức chất này đã được ứng dụng thành công cho tạo màu trang trí cho gạch granit nhân tạo. QUAN TÌNH HÌNH TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHỨC CHẤT XITRAT CỦA Co VÀ Ti I.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CÁC PHỨC CHẤT Axit xitric (HOOC-CH 2 -C(OH)(COOH)-CH 2 -COOH,. chúng tôi chọn đề tài: 2 Nghiên cứu ứng dụng phức chất của Fe, Co, Ni, Cr và Ti với một vài axit cacboxylic tạo màu trang trí cho gốm sứ bằng phương pháp in decal”. Để thực hiện đề tài