Синтез та властивості халькогенхлоридних сполук родію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського

УДК 546.97.23.22.13

Синтез та властивості халькогенхлоридних сполук родію

02.00.01 - неорганічна хімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук

Степаненко Ірина Миколаївна

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, професор Пехньо Василь Іванович, Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України, завідувач відділу “Хімія комплексних сполук”

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, професор Мазуренко Євген Андрійович, Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України, завідувач відділу “Газофазний синтез неорганічних сполук”

доктор хімічних наук Тихонова Лілія Павлівна, Інститут сорбції та проблем ендоекології НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Захист відбудеться 8 квітня 2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.218.01 при Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, пр. Палладіна, 32/34 (конференц-зал).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, пр. Палладіна, 32/34.

Автореферат розісланий 3 березня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат хімічних наук Г. Г. Яремчук

халькогенхлоридний родій термічний каталітичний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтерес до халькогенхлоридних сполук платинових металів обумовлений різноманітністю їх будови (відомі іонні, бі-, гетероядерні, кластерні халькогенхлоридні сполуки платинових металів) та цінними фізико-хімічними властивостями, що дає можливість їх використання в різних галузях промисловості, наприклад, в якості ефективних каталізаторів, оскільки каталізатори на основі комплексних сполук платинових металів більш дисперсні, проявляють вищу каталітичну активність та селективність, халькогенхлоридні сполуки цих металів ще й стійкі до каталітичних отрут - сірки, селену та ін.

Актуальним є вивчення властивостей та будови халькогенхлоридних сполук платинових металів і для встановлення механізму вилучення цих металів у процесах переробки халькогенвмісних руд і концентратів платинових металів, оскільки одним із методів переробки такої сировини залишається хлорний, і в цих умовах можливе утворення такого типу сполук.

При дослідженні поведінки платинових металів та їх сполук у неводних середовищах галогенідів халькогенів під керівництвом академіка НАН України, професора С. В. Волкова вперше синтезовано халькогенхлоридні комплекси дорогоцінних металів. Проведені систематичні дослідження дали змогу встановити основні закономірності комплексоутворення в цих середовищах із надлишком хімічно зв'язаного галогену, будову та властивості нових сполук. Разом з тим, практично не вивчена поведінка платинових металів та їх сполук у халькогенгалогенідних середовищах, багатих на хімічно зв'язаний або розчинений халькоген, які також можуть бути перспективними для синтезу сполук із цінними властивостями: напівпровідниковими, каталітичними та ін.

Найбільш розповсюдженими каталізаторами, які з успіхом використовують у промисловості, є родій та його сполуки. Тому вивчення поведінки родію та його сполук у середовищах монохлоридів халькогенів і розчинах халькогенів у монохлоридах халькогенів представляє науковий та практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт ІЗНХ ім. В. І. Вернадського НАН України, держбюджетних тем № 220 Е “Гетерогенна і гетероядерна координаційна хімія за участю неводних середовищ та розплавів у синтезі нових сполук спеціальної структури - кластерної, інтеркальованої, суперіонної та ін.” (I кв. 2000 р. - IV кв. 2003 р., № Держреєстрації 0100U002005); № 233 Е “Нові неорганічні сполуки і матеріали: наноматеріали, нестехіометричні сполуки, анізотропні розплави - іонні рідкі кристали та ін.” (I кв. 2002 р. - IV кв. 2005 р., № Держреєстрації 0103U005370); № 234 Е “Синтез та дослідження нових халькоген-, кисень-, азотовмісних координаційних та супрамолекулярних сполук Fe, Co, Zn, Rh, Ru, Pt та ін. металів - нових каталітичних, біологічно активних та ін. сполук, прекурсорів та матеріалів” (III кв. 2002 р. - IV кв. 2005 р., № Держреєстрації 0103U005373); проекту INTAS “Design and Properties of New Polymeric Cluster Cyanide Solids with One, Two- and Three - Dimensionality” (III кв. 2001 р. - III кв. 2003 р., № 00 - 00689).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у синтезі моно- та гетерохалькогенхлоридів родію в неводних середовищах монохлоридів халькогенів і розчинах халькогенів у монохлоридах халькогенів, дослідженні їх будови та властивостей.

Для досягнення мети поставлені та вирішені наступні задачі:

- розробити методи та синтезувати нові халькогенхлориди родію в середовищах на основі монохлоридів халькогенів;

- встановити склад та вивчити властивості синтезованих халькогенхлоридів родію;

- встановити формальні ступені окислення елементів і фрагменти структури халькогенхлоридів родію методами ІЧ-спектроскопії, рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФС) та оберненого Монте Карло (Reverse Monte Carlo);

- вивчити термічні властивості цих сполук та охарактеризувати нові халькогенхлоридні сполуки родію, які утворюються внаслідок термічних перетворень;

- дослідити каталітичну активність синтезованих халькогенхлоридів родію та продуктів їх термічного перетворення.

Об'єкти дослідження: моно- та гетерохалькогенхлориди родію.

Предмет дослідження: склад, формальні ступені окислення елементів, молекулярна будова, термічні та каталітичні властивості халькогенхлоридів родію.

Дисертаційна робота виконана із застосуванням комплексу фізико-хімічних методів дослідження, які включають: елементний кількісний хімічний аналіз; рентгенофазовий аналіз (РФА); коливальна спектроскопія (ІЧ); рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (РФС); диференційний термічний аналіз (ДТА); метод оберненого Монте Карло (RMC).

Наукова новизна одержаних результатів. У рідких неводних середовищах монохлоридів халькогенів та розчинах халькогенів у монохлоридах халькогенів вперше синтезовано 9 нових моно- та гетерохалькогенхлоридів родію. Встановлено залежність складу синтезованих сполук від середовища синтезу та вихідних форм родію: для монохлоридів халькогенів та розчинів халькогенів у монохлоридах халькогенів встановлено ряд реакційної здатності у формуванні безводних та безкисневих сполук родію: Se₂Cl₂ S в Se₂Cl₂ Se в S₂Cl₂ S в S₂Cl₂ S₂Cl₂; за реакційною здатністю в халькогенхлоридних середовищах вихідні сполуки родію розташовуються в послідовності: Rh(OH)₃ RhCl₃4H₂O RhCl₃, що обумовлено високою міцністю зв'язку (Rh - Cl) та хімічною активністю гідратованих форм сполук родію.

Термічні перетворення досліджуваних сполук супроводжуються утворенням проміжних халькогенхлоридів родію з формуванням угрупувань [Rh₃] та [Rh₄], при цьому послідовно зменшується вміст хлору та халькогенів, більша частина яких виділяється до 400-500С та 700-800С відповідно. У більшості випадків, кінцевими продуктами термічних перетворень халькогенхлоридів родію є халькогеніди родію. Шляхом термічних перетворень синтезованих сполук одержано ще 17 нових халькогенхлоридів родію та 2 нових халькогеніди родію (загальна кількість - 28 нових сполук).

Методами рентгенівської фотоелектронної та ІЧ-спектроскопії доведено, що в досліджуваних сполуках елементи знаходяться в різних ступенях окислення (Rh³⁺, Rh²⁺, S^2-, S⁰, Se^2-, Cl^-), входять до складу структурних фрагментів (S - Cl), (S - S), (Se - Cl), (Rh - Cl_кінц), (S - Se), (Rh - Cl_міст), (Rh - S), (Sе - Se) та (Rh - Se).

Методом оберненого Монте Карло встановлена локальна структура аморфних тіохлоридів родію (III): у випадку RhCl₃S·2H₂О координаційне оточення атома родію сформовано трьома іонами хлору, двома молекулами води, зв'язаними з атомом родію атомом кисню, та атомом сірки - [RhCl₃S(H₂O)₂]; у випадку RhCl₃S₃·H₂О тільки два іони хлору зв'язані з родієм, молекула води займає третє координаційне місце, останні три координаційних місця займають три атоми сірки - [RhCl₂S₃(H₂O)]Cl.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати можуть бути використані при розробці методів вилучення родію з природної халькогенвмісної сировини платинових металів та їх концентратів.

Експериментально встановлено, що халькогенхлоридні сполуки родію є прекурсорами каталітичних систем окислювального карбонілювання метану в С₁-С₃ оксигенати, що забезпечує порівняно з оксидними каталізаторами в 30 разів вищу продуктивність за оксигенатами. При цьому температура початку утворення оксигенатів знижується до 400С. На відміну від відомих родієвих каталізаторів дані зразки в процесі реакції не завуглецьовуються та стійкі до каталітичних отрут (сірки, селену).

Особистий внесок здобувача. Дисертантом виконана експериментальна робота з синтезу, хімічного аналізу та дослідження термічних перетворень халькогенхлоридів родію, проаналізовані записані ІЧ-, РФС-спектри, дані РФА та методу RMC (Reverse Monte Carlo), сформульовані загальні положення та висновки дисертаційної роботи.

РФС-спектри записані в інституті металофізики ім. В. Г. Курдюмова НАН України к. фіз.-мат. н., ст. н. співр. О. М. Кордубаном. Дослідження локальної структури аморфних халькогенхлоридів родію проведено при участі д. х. н., проф. В. П. Казимірова в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка. Каталітична активність халькогенхлоридів родію досліджена в інституті фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України разом з к. х. н., ст. н. співр. Г. Р. Космамбетовою.

Обговорення та узагальнення одержаних експериментальних результатів проведено з науковим керівником, членом-кореспондентом НАН України, д. х. н., проф. В. І. Пехньо, академіком НАН України, д. х. н., проф. С. В. Волковим та д. х. н. З. А. Фокіною.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на XVII Міжнародній Черняєвській нараді з хімії, аналізу та технології платинових металів (Москва, 2001), XV Українській конференції з неорганічної хімії з міжнародною участю (Київ, 2001), конференції молодих науковців та аспірантів ІЗНХ ім. В. І. Вернадського НАН України (Київ, 2002), Russian-Dutch Workshop “Catalysis for Sustainable Development” (Росія, Новосибірськ, 2002), Conference EuropaCat - VI (Austria, Innsbruck, 2003).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 4 наукових статті та тези 4 доповідей, одержано деклараційний патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і переліку літературних джерел (168 найменувань). Робота викладена на 112 сторінках машинописного тексту (всього 140 сторінок), містить 31 рисунок та 42 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, викладено зв'язок вибраного напрямку з науковими планами, програмами, визначено мету, завдання, об'єкти та предмет дисертаційної роботи, сформульовано наукову новизну та практичну значимість одержаних результатів, відзначено особистий внесок здобувача.

У першому розділі дисертації подано літературний огляд, у якому описані моно-, гетероатомні хлориди халькогенів як потенційні середовища синтезу іонних, бі-, гетероядерних, кластерних халькогенхлоридів металів; проаналізовані прекурсори синтезу халькогенхлоридів родію - гідроксид родію (III), хлориди родію, хлорокомплекси родію; методи синтезу та будова відомих халькогенхлоридних комплексів родію. Висвітлено застосування родієвих каталізаторів у синтезі оцтової кислоти та її похідних.

У другому розділі приведено методи синтезу вихідних реагентів та халькогенхлоридних сполук родію, методи дослідження нових сполук (хімічний, термічний, рентгенофазовий аналізи, рентгенівська фотоелектронна та ІЧ-спектроскопії, метод оберненого Монте Карло), методика проведення окислювального карбонілювання метану в оксигенати на родієвих каталізаторах, приготовлених на основі халькогенхлоридів родію.

У третьому розділі розглянуто експериментальні результати та їх інтерпретація.

Для синтезу нових халькогенхлоридів родію використані реакційні середовища на основі монохлоридів халькогенів: S₂Cl₂, Se₂Cl₂, розчини S (20.4%) в S₂Cl₂, S (18%) в Se₂Cl₂, Se (22%) в S₂Cl₂.

У реакціях монохлориди халькогенів виступають як хлоруючі та халькогенуючі реагенти, рідко як прекурсори виникаючих у системі лігандів ЕCl₂ або ЕСl₄. Розчини халькогенів у монохлоридах халькогенів виступають як халькогенуючі середовища, донори тридентатних (шапочних), бідентатних (місткових) і ланцюжкових халькогенідних фрагментів. Утворенню їх сприяє наявність у реакційних середовищах фрагментів (Е₂), (Е₃), (Е₄), які виникають при розчиненні халькогенів у монохлоридах халькогенів.

Як реакційні форми родію використано Rh(OH)₃, RhCl₃4H₂O та його розчин у мінімальній кількості води. Синтез халькогенхлоридних сполук родію проводили в Г-подібних скляних реакторах, у нижню частину яких вносили вихідні компоненти в співвідношенні Т:Р = 1:10 - 1:20. Реакційну суміш нагрівали протягом 40 годин при температурі 60-70С до повного виділення газоподібних продуктів реакції, після чого реактор запаювали та обігрівали протягом 80-120 годин при 100-150С.

Склад халькогенхлоридів родію залежить від реакційного середовища синтезу. Для монохлоридів халькогенів і розчинів халькогенів у монохлоридах халькогенів експериментально встановлено ряд реакційної здатності в формуванні безводних та безкисневих сполук родію:

Se₂Cl₂ S в Se₂Cl₂ Se в S₂Cl₂ S в S₂Cl₂ S₂Cl₂.

За реакційною здатністю в досліджуваних середовищах вихідні сполуки родію розташовуються в послідовності:

Rh(OH)₃ RhCl₃4H₂O RhCl₃,

що обумовлено високою міцністю зв'язку (Rh - Cl) та хімічною активністю гідратованих форм сполук родію.

Для встановлення будови халькогенхлоридів родію використано комплекс взаємодоповнюючих фізико-хімічних методів дослідження: елементний хімічний, термічний, рентгенофазовий аналізи, рентгенівська фотоелектронна, коливальна спектроскопії, метод оберненого Монте Карло.

Термічні перетворення халькогенхлоридів родію проходять у декілька етапів (схема 2), супроводжуються послідовним зменшенням вмісту хлору та халькогенів, більша частина яких виділяється до 400-500С та 700-800С відповідно.

При цьому утворюються проміжні халькогенхлориди родію з формуванням угрупувань [Rh₃] та [Rh₄]. У більшості випадків, кінцевими продуктами термічних перетворень халькогенхлоридів родію є халькогеніди родію. Висновки про формальний ступінь окислення елементів, характер зв'язку, наявність окремих фрагментів структури в халькогенхлоридах родію та продуктах їх термічного розкладу зроблені на основі даних рентгенівської фотоелектронної спектроскопії.

У випадку Rh₂Cl₅Se₇, виходячи із значення енергії зв'язку максимуму Rh 3d_5/2- лінії (E_зв=309.9 eV), можна стверджувати про трьохвалентний стан родію в сполуці. Спектри Rh 3d- рівня продуктів термічного розкладу однотипні, значення E_зв близькі до 308 eV. При нагріванні Rh₂Cl₅Se₇ відбувається формування кластерної структури сполуки з ядром [Rh]₄ (табл. 1).

Таблиця 1

Значення E_зв максимумів (а) та окремих компонент (б) РФС-спектрів Rh 3d_5/2-, Cl 2p-, Se 3d-, S 2p- рівнів Rh₂Cl₅Se₇, RhCl₄Se₆S₉ та продуктів їх термічного розкладу

Сполука	t, oC	Eзв Rh 3d5/2, eV	Eзв Cl 2p, eV	Eзв Se 3d, eV	Eзв S 2p, eV
		а	б	а	б	а	б	а	б
Rh2Cl5Se7		309.9	308.5; 309.7; 310.5	198.9	196.3; 197.7; 198.9	56.5	54.9; 56.7
Rh4Cl8Se12	100	308.2	308.2	197.4	197.2; 197.8	55	55
Rh4Cl5Se5	245	308.4	308.4	198	197.4; 198.2	55.2	55.2
Rh4Cl3Se5	280	308.2	308.2	198.2	197.2; 198.2	55	55
RhCl4Se6S9		308.6	307.8; 308.8; 309.6	198.6	197.4; 198.4	55	54.6; 55.4	161.6	161.2; 163
Rh2Cl6Se10S16	100	308.2	307.2; 308.2; 309.4	197.4	196; 197.4; 199.6	54.4	53; 54.6; 56.8	161.6	160.2; 162.2
Rh4Se4S5	490	309	309			55.6	55.6	162.2	162
Rh4Se3S5	665	308.4	308.4			55.2	55.2	161.8	161.8

При розкладі cпектру Cl 2p селенохлориду родію Rh₂Cl₅Se₇ на компоненти встановлено три значення енергії зв'язку: 196.3; 197.7; 198.9 еV, що свідчить про три нееквівалентні стани атома хлору в сполуці. Найвище значення енергії зв'язку відповідає зв'язку атома хлору з селеном, два більш низьких значення енергії зв'язку Cl 2p віднесено до зв'язку атома хлору з родієм: E_зв=196.3 eV відповідає містковим атомам хлору, E_зв=197.7 eV - кінцевим атомам хлору.

Аналіз Cl 2p- cпектрів продуктів термічного розкладу Rh₂Cl₅Se₇ свідчить про відсутність у структурі сполук фрагменту (Se - Cl). Компоненти з високими значеннями E_зв відповідають атомам хлору, зв'язаним з родієм у кінцевому положенні, компоненти з більш низькими значеннями енергії зв'язку віднесені до місткових атомів хлору (див. табл. 1).

Лінія Se 3d Rh₂Cl₅Se₇ сформована двома складовими з E_зв=54.9 та E_зв=56.7 eV, що свідчить про два нееквівалентні стани атома селену в сполуці: (Se - Rh) і (Se - Cl) відповідно. Для всіх продуктів термічного розкладу зафіксовано тільки один стан атома селену з E_зв=55 - 55.2 eV, що характерно для двохвалентного селену та свідчить про наявність у сполуках зв'язку (Rh - Se) (див. табл. 1).

Значення енергій зв'язку максимумів ліній (а) та окремих компонент (б) Rh 3d_5/2- лінії вихідного тіоселенохлориду родію RhCl₄Se₆S₉ та першого продукту термічного розкладу сполуки близькі, що свідчить про збереження оточення атомів родію та відщеплення при нагріванні до 100С слабо зв'язаних фрагментів структури. Число компонент Rh 3d_5/2- лінії Rh₄Se₄S₅ та Rh₄Se₃S₅ зменшується до одної. Як і для селенохлориду родію Rh₂Cl₅Se₇, при нагріванні RhCl₄Se₆S₉ до 450-700С відбувається формування ядра [Rh]₄ (див. табл. 1).

Спектри Cl 2p тіоселенохлоридів родію RhCl₄Se₆S₉ та Rh₂Cl₆Se₁₀S₁₆ розкладаються на дві та три компоненти відповідно. Найвищі значення E_зв максимумів компонент Cl 2p- ліній RhCl₄Se₆S₉ та Rh₂Cl₆Se₁₀S₁₆ відповідають енергії зв'язку атома хлору з халькогеном. Аналізуючи значення величин енергій зв'язку та інтегральні інтенсивності компонент, можна стверджувати про зменшення при нагріванні в сполуці Rh₂Cl₆Se₁₀S₁₆ кількості зв'язків (Rh - Cl_кінц) і формування зв'язку (Rh - Cl_міст) (див. табл. 1).

Se 3d- лінія для RhCl₄Se₆S₉ сформована двома складовими, значення величин E_зв яких характерне для структурних фрагментів (Sе - Cl) та (Rh - Se), для Rh₂Cl₆Se₁₀S₁₆ - трьома складовими - (Sе - Cl), (Rh - Se) та (Se - Se).

У РФС-спектрах Se 3d- ліній високотемпературних продуктів термічного розкладу, Rh₄Se₄S₅ та Rh₄Se₃S₅, зафіксовано тільки один стан селену, що обумовлено наявністю в сполуках зв'язку (Rh - Se).

Характер S 2p- ліній спектрів вказує на наявність у вихідному тіоселенохлориді родію та продуктах його термічного розкладу зв'язку (Rh - S), фрагмент структури (S - Cl) характерний тільки для вихідного тіоселенохлориду родію та першого продукту термічного розкладу (див. табл. 1).

РФС-спектри записані для більшості синтезованих халькогенхлоридів родію та продуктів їх термічного перетворення, в авторефераті приведені спектри для типових представників - селенохлориду і тіоселенохлориду родію.

Для підтвердження встановлених методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії фрагментів структури халькогенхлоридів родію та продуктів їх термічних перетворень досліджені ІЧ-спектри сполук.

В ІЧ-спектрі Rh₂Cl₅Se₇ зафіксовано смуги поглинання, обумовлені коливаннями зв'язків (Se - Cl) (380 - 370 см^-1), (Rh - Cl_кінц) (335, 320 см^-1), (Rh - Cl_міст) (270 см^-1), (Se - Se) (250 - 240 см^-1), (Rh - Se) (225 см^-1).

У спектрах продуктів термічного розкладу Rh₂Cl₅Se₇ відсутні смуги поглинання, які б вказували на наявність у сполуках зв'язку (Se - Cl).

У порівнянні з Rh₄Cl₈Se₁₂, для Rh₄Cl₅Se₅ відносна інтенсивність смуг поглинання при 335 та 320 см^-1 зменшується, що може свідчити про зменшення в сполуці загальної кількості зв'язків (Rh - Cl_кінц). Одночасне збільшення відносної інтенсивності поглинання при 280 см^-1 свідчить про збільшення кількості зв'язків (Rh - Cl_міст) у сполуці (див. рис. 1).

В ІЧ-спектрах Rh₄Cl₅Se₅ та Rh₄Cl₃Se₅ у порівнянні з Rh₄Cl₈Se₁₂ інтенсивність смуг поглинання в діапазоні коливання зв'язку (Rh - Se) збільшується, в діапазоні ж коливання зв'язку (Se - Se) зменшується, що свідчить про руйнування селенідних містків при нагріванні сполуки (див. рис. 1).

У випадку RhCl₄Se₆S₉ та Rh₂Cl₆Se₁₀S₁₆ зафіксовані фрагменти: (S - Cl) - смуги поглинання при 505, 490 см^-1, (S - S) - 470 см^-1, (Se - Cl) - 370 см^-1, (Rh - Cl_кінц) - 350 см^-1, (S - Se) та (Rh - Cl_кінц) - 320 см^-1, (Rh - S) - 280 см^-1, (Rh - Se) - 245, 230 см^-1 (рис. 2).

В ІЧ-спектрі високотемпературних продуктів термічного розкладу, Rh₄Se₄S₅ та Rh₄Se₃S₅, присутні тільки смуги поглинання, обумовлені валентними коливаннями зв'язків (Rh - S) та (Rh - Sе) (див. рис. 2).

У дисертаційній роботі приведені та інтерпретовані дані ІЧ-спектроскопічного дослідження для всіх нових халькогенхлоридів родію та продуктів їх термічного перетворення, одержані результати узгоджуються з даними рентгенівської фотоелектронної спектроскопії.

Структурні моделі аморфних тіохлоридів родію RhCl₃S·2H₂О та RhCl₃S₃·H₂О встановлені методом оберненого Монте Карло.

Моделі структур аналізували на предмет визначення локального оточення кожного з атомів по всій конфігурації, що дало можливість розрахувати кількість найближчих атомів (Z), міжатомні відстані (R), значення кута у зв'язках атом - атом - атом () (табл. 2). Розраховані також R (I - J): (Cl - Rh), (Cl - Cl), (Cl - S), (Cl - O), (S - Cl), (S - O).

Таблиця 2

Структурні параметри тіохлоридів родію

I - J	R, Е	Z	(J - I - J),о
RhCl3S2H2O
Rh - Rh	3.41	2.25	60; 117
Rh - Cl	2.33	3.34	80
Rh - S	2.34	1.24	82
Rh - О	2.33	2.54	59; 118
S - S	3.25	1.52	57; 100
RhCl3S3H2O
Rh - Rh	3.60	1.19	60; 110
Rh - Cl	2.33	2.08	82
Rh - S	2.34	2.6	82
Rh - О	2.30	0.73	61
S - S	3.28	2.41	57; 108

Значення міжатомних відстаней (Rh - Rh) і (S - S) для RhCl₃S2H₂O та RhCl₃S₃H₂O значно перевищують довжину зв'язків (Rh - Rh) і (S - S), що виключає наявність зв'язків (Rh - Rh) та фрагменту м₂S₂ у досліджуваних тіохлоридах родію.

Відстань (Rh - Cl) (2.33Е) для RhCl₃S2H₂O та RhCl₃S₃·H₂О відповідає довжині зв'язку (Rh - Cl) у відомих сполуках. Відстань (Rh - S) (2.34Е) вкладається в інтервал довжини зв'язку (Rh - S). Судячи з довжини зв'язку родію з киснем, вода в сполуках зв'язана координаційно (див. табл. 2).

Таким чином, можна однозначно стверджувати про наявність у сполуках RhCl₃S2H₂O та RhCl₃S₃·H₂О зв'язків (Rh - Cl), (Rh - S) та (Rh - OH₂).

Враховуючи характерну для родію схильність до утворення кубаноподібних структур та кластерів, наприклад, [Cp^*Rh(µ₃E)]₄ (Cp^* = C₅Me₅; E = Se, Te), Rh₄S₇, дані ДТА, РФС- та ІЧ-спектрів, як варіант будови селенохлориду родію Rh₂Cl₅Se₇ та продуктів його термічного розкладу можна запропонувати кубаноподібні структури: кубан сформований тетраедром із атомів родію, над кожною трикутною площиною якого розташовані трьохгранні піраміди з атомом селену в вершині та трьома атомами родію в основі (“шапочні” атоми халькогену) - [Rh₄(µ₃Se)₄]. У сполуках Rh₂Cl₅Se₇ та Rh₄Cl₈Se₁₂ чотири селенідні фрагменти (Se - Se) розташовані вздовж ребер (Rh - Rh). Фрагмент (Se - Cl) властивий тільки для селенохлориду родію Rh₂Cl₅Se₇ (схема 3).

Для тіоселенохлориду родію RhCl₄Se₆S₉ та першого продукту його термічного перетворення на основі даних ІЧ- та РФС-спектроскопії можна стверджувати про наявність в їх структурі фрагментів: (S - Cl), (S - S), (Se - Cl), (Rh - Cl_кінц), (S - Se), (Rh - Cl_міст), (Rh - S), (Sе - Se) та (Rh - Se).

Для Rh₄Se₄S₅ і Rh₄Se₃S₅ запропонована будова, в основі якої - кубан [Rh₄(µ₃Se)₃(µ₃S)], в якому “шапочні” атоми халькогену представлені трьома (µ₃Se) та одним (µ₃S) містками, інші чотири атоми сірки можуть бути розташовані як два дисульфідних або чотири сульфідних містки.

Враховуючи дані рентгенівської фотоелектронної та ІЧ-спектроскопії, на основі проведеного дослідження локальної структури аморфних тіохлоридів родію методом оберненого Монте Карло зроблені висновки про моноядерну будову тіохлоридів родію. На основі даних РФС встановлено, що атом родію в RhCl₃S2H₂O знаходиться у формальному ступені окислення (III). Три компоненти Rh 3d_5/2- лінії РФС-спектру свідчать про нееквівалентність оточення атома родію, тобто про наявність трьох фрагментів структури, а саме (Rh - Cl), (Rh - S) та (Rh - OH₂), які встановлені за даними ІЧ-спектроскопії та методу оберненого Монте Карло.

Виходячи із властивостей Rh (III) формувати шестикоординовані поліедри, у внутрішній координаційній сфері металу три координаційних місця займають хлор-іони, розташовані під кутом 80. Дві молекули води, координаційно зв'язані з атомом родію атомом кисню, розташовані під кутом 60. Шосте координаційне місце займає атом сірки: [RhCl₃S(H₂O)₂] (рис. 4).

За даними РФС, родій у RhCl₃S₃H₂O теж має ступінь окислення (III). Аналогічно попередній сполуці, з урахуванням даних ІЧ-спектроскопії та методу оберненого Монте Карло, трьом компонентам Rh 3d_5/2- лінії РФС-спектра відповідають фрагменти структури: (Rh - Cl), (Rh - S) та (Rh - OH₂).

Виходячи з цих даних, атом родію в досліджуваній сполуці оточений тільки двома іонами хлору з трьох, розташованими під кутом 82; молекула води займає третє координаційне місце; інші три координаційні місця займають три атоми сірки, розташовані під кутом 82: [RhCl₂S₃(H₂O)]Clю

У четвертому розділі наведено результати окислювального карбонілювання метану в С₁-С₃ оксигенати за участю халькогенхлоридів і халькогенідів родію як прекурсорів каталітичних систем в присутності молекулярного кисню.

Встановлено, що використання досліджуваних сполук як каталітичної добавки до носія значно збільшує продуктивність процесу. Температура початку утворення оксигенатів знижується до 400С. На відміну від інших родієвих каталізаторів, дані зразки в процесі реакції не завуглецьовуються. Крім того, утворюються як продукт парціального окислення - метанол, так і продукти окислювального карбонілювання метану - метилацетат, оцтова та пропіонова кислоти. Найбільш висока продуктивність досягається за метилацетатом, у випадку використання Rh₃ClSe₃ продуктивність процесу в 30 разів перевищує встановлені раніше показники (табл. 3).

Таблиця 3

Окислювальне карбонілювання метану

Склад активного компонента	Об'ємна швидк., л/год	t,С	Продуктивність, ммоль/кгкат/год
			метанол	метилацетат	оцт. к-та	проп. к-та
1.9% Rh (Rh4Cl3Se5)	6000	450	-	-	-	-
		500	0.34	0.44	-	-
		550	-	-	0.024	-
		600	-	-	0.008	-
1.9% Rh (Rh4Cl7S)	6000	450-550	-	-	-	-
		600	0.028	0.05	0.046	-
2% Rh (Rh3ClSe3)	6000	450	0.85	2.1	-	-
		500	0.32	0.42	-	-
		550	0.36	0.15	-	-
		600	-	0.08	-	-
2% Rh (Rh3ClSe3)	12000	450	-	-	-	-
		500	0.31	1.1	-	-
		550	-	0.26	-	-
		600	-	-	-	-
1% Rh (Rh4Cl2SeS5)	6000	450	-	-	-	-
		500	0.14	1.34	-	-
		550	0.03	0.11	-	-
		600	-	-	-	-
2% Rh (Rh2S3)	6000	450	0.33	1.0	0.14	-
		500	1.40	1.9	сл.	-
		550	1.46	1.63	0.106	0.06
		600	1.76	0.86	0.17	0.06

Вивчена температурна залежність продуктивності процесу окислювального карбонілювання метану за рідкими кисневмісними продуктами. Якісний та кількісний склад оксигенатів залежить також від розмірів пор структури носія.

ВИСНОВКИ

1. Синтезовано в реакційних середовищах монохлоридів халькогенів та розчинах халькогенів у монохлоридах халькогенів при температурах 100-150С 9 нових моно- та гетерохалькогенхлоридних сполук родію складу: RhCl₃S2H₂O, RhCl₃S₃H₂O, Rh₂Cl₅Se₇, RhCl₄Se₆S₉, Rh₂Cl₇Se₃S₆O₄3H₂O, Rh₃Cl₉S2.5H₂O, Rh₂Cl₅Se₈, Rh₂Cl₅S₁₀O₃2H₂O та Rh₂Cl₅S₈O₂4H₂O.

2. Встановлено залежність складу синтезованих сполук від реакційного середовища синтезу та вихідних форм родію:

- для монохлоридів халькогенів і розчинів халькогенів у монохлоридах халькогенів встановлено ряд реакційної здатності у формуванні безводних та безкисневих сполук родію: Se₂Cl₂ S в Se₂Cl₂ Se в S₂Cl₂ S в S₂Cl₂ S₂Cl₂;

- за реакційною здатністю в халькогенхлоридних середовищах вихідні сполуки родію розташовуються в послідовності: Rh(OH)₃ RhCl₃4H₂O RhCl₃, що обумовлено високою міцністю зв'язку (Rh - Cl) та хімічною активністю гідратованих форм сполук родію.

3. Показано, що термічні перетворення досліджуваних сполук супроводжуються послідовним зменшенням вмісту хлору та халькогенів, більша частина яких виділяється до 400-500С та 700-800С відповідно, з утворенням проміжних халькогенхлоридів родію і формуванням угрупувань [Rh₃] та [Rh₄]. У більшості випадків, кінцевими продуктами термічних перетворень халькогенхлоридів родію є халькогеніди родію. Шляхом термічних перетворень синтезованих сполук одержано ще 17 нових халькогенхлоридів родію та 2 нових халькогеніди родію.

4. Методами рентгенівської фотоелектронної та ІЧ-спектроскопії доведено, що в досліджуваних сполуках елементи знаходяться в ступенях окислення Rh³⁺, Rh²⁺, S^2-, S⁰, Se^2-, Cl^-, входять до складу структурних фрагментів (S - Cl), (S - S), (Se - Cl), (Rh - Cl_кінц), (S - Se), (Rh - Cl_міст), (Rh - S), (Sе - Se) та (Rh - Se). Встановлено нееквівалентність елементів у сполуках, що обумовлено різним їх оточенням.

5. Методом оберненого Монте Карло встановлена локальна структура аморфних тіохлоридів родію (III):

- у RhCl₃S·2H₂О координаційне оточення атома родію сформовано трьома іонами хлору, двома, зв'язаними з атомом родію атомом кисню, молекулами води та атомом сірки: [RhCl₃S(H₂O)₂];

- у RhCl₃S₃·H₂О два іони хлору з трьох зв'язані з родієм, молекула води займає третє координаційне місце, інші три координаційних місця займають три атоми сірки: [RhCl₂S₃(H₂O)]Cl.

6. Показано, що синтезовані та досліджені халькогенхлоридні сполуки родію є прекурсорами каталітичних систем окислювального карбонілювання метану в оксигенати (оцтова кислота, метанол, метилацетат, пропіонова кислота) із продуктивністю, яка в 30 разів перевищує досягнуту відомими методами.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У ПУБЛІКАЦІЯХ

Пехньо В. И., Степаненко И. Н., Александрова Н. Г. Синтез и исследование новых халькогенхлоридов родия // Укр. хим. журн. - 2001. - Т. 67, № 4. - C. 67-70.

Степаненко И. Н., Пехньо В. И. Синтез и исследование термических свойств халькогенхлоридов родия Rh₃Cl₉S2.5H₂O и Rh₂Cl₅Se₈ // Укр. хим. журн. - 2002. - Т. 68, № 3. - С. 32-33.

Казимиров В. П., Степаненко И. Н., Роик А. С., Пехньо В. И., Волков С. В., Фокина З. А., Кордубан А. М. Локальная структура аморфных тиохлоридов родия // Укр. хим. журн. - 2004. - Т. 70, № 1. - С. 3-7.

Здобувачем виконана експериментальна робота з синтезу, кількісного хімічного аналізу тіохлоридів родію, встановлено їх густину (за чотирьоххлористим вуглецем), проаналізовано дані ІЧ- та РФС-спектроскопії та методу оберненого Монте Карло, запропонована моноядерна будова цих сполук.

Космамбетова Г. Р., Гриценко В. И., Стрижак П. Е., Волков С. В., Пехньо В. И., Харькова Л. Б., Степаненко И. Н. Каталитические свойства халькогенидов и халькогенхлоридов родия в реакции окислительного карбонилирования метана // Укр. хим. журн. - 2004. - Т. 70, № 2. - С. 75-80.

Здобувачем синтезовано всі досліджені в роботі зразки, проаналізовано та підібрано найбільш перспективні халькогенхлориди родію та продукти їх термічних перетворень для реакції окислювального карбонілювання метану в С₁-С₃ оксигенати.

Космамбетова Г. Р., Гриценко В. И., Стрижак П. Е., Волков С. В., Степаненко И. Н., Харькова Л. Б., Пехньо В. И. Декларационный патент (Украина) № 57298А: Метод получения метилацетата и уксусной кислоты путем окислительного карбонилирования метана и катализаторы для этой реакции; Заявл. 25.07.02; Опубл. 16.06.2003. - 10 с.

Здобувачем проведено патентний пошук по темі, підготовлені основні документи по заявці, експериментально підібрані прекурсори каталізаторів реакції окислювального карбонілювання метану в метилацетат та оцтову кислоту, синтезовано каталізатори на основі RhCl₃, Rh₃ClSe₃, Rh₂S₃, Rh₄Cl₂SeS₃, Rh₄Cl₃Se₅, Rh₄Cl₇S.

Пехньо В. И., Степаненко И. Н., Волков С. В. Новые халькогенхлориды родия // Сборник тезисов докладов XVII Международного Черняевского совещания по химии, анализу и технологии платиновых металлов. - Москва. - 2001. - С. 93.

Степаненко И. Н., Пехньо В. И., Волков С. В., Баттистон Г. А. Термические превращения халькогенхлоридов родия // Збірник тез доповідей XV Української конференції з неорганічної хімії з міжнародною участю. - Київ. -2001. - C. 36.

Здобувачем досліджено термічні перетворення халькогенхлоридів родію. За даними ІЧ-спектроскопії встановлено фрагменти структури та запропонована можлива будова цих сполук.

Kosmambetova G. R., Pavlenko M. V., Grytsenko V. I., Stepanenko I. N., Kharkova L. B., and Pekhnyo V. I. Direct Methane Oxidative Carbonylation into Acetic Acid on Supported Phodium Catalysts in Gas Phase // Russian - Dutch Workshop “Catalysis for Sustainable Development”, Russia, Novosibirsk, 2002: Book Abstr. - 2002. - P. 423.

Здобувачем синтезовано каталізатори на основі селенохлоридів, тіохлоридів та тіоселенохлоридів родію на різних носіях (SiO₂, Al₂O₃, активоване вугілля) для реакції окислювального карбонілювання метану.

Kosmambetova G. R., Gritsenko V. I., Strizhak P. Y., Volkov S. V., Pekhnyo V. I., Kharkova L. B., and Stepanenko I. N. Synthesis of oxygenates in the gas phase by the oxidative carbonylation of methane on Rh₃ClSe₃/SiO₂ // Conference EuropaCat - VI, Austria, Innsbruck, 2003: Poster № 1546 (СD).

Здобувачем синтезовано каталізатори реакції окислювального карбонілювання метану на основі Rh₃ClSe₃, як носій використано висококремнеземні цеоліти та аморфні силікагелі з різним розміром пор.

АНОТАЦІЇ

Степаненко І. М. Синтез та властивості халькогенхлоридних сполук родію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.01 - неорганічна хімія. - Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського НАН України, Київ, 2004.

Дисертація присвячена синтезу моно- та гетерохалькогенхлоридних сполук родію в монохлоридах халькогенів та розчинах халькогенів у монохлоридах халькогенів, дослідженню їх властивостей та будови.

Вивчені термічні перетворення нових халькогенхлоридів родію, які супроводжуються послідовним зменшенням вмісту хлору та халькогенів, утворенням проміжних халькогенхлоридів родію та завершуються утворенням халькогенідів родію.

На основі даних методів РФС та ІЧ-спектроскопії, оберненого Монте Карло запропонована кластерна будова для селенвмісних халькогенхлоридів родію та моноядерна будова для тіохлоридів родію.

Встановлено, що халькогенхлориди родію є прекурсорами каталітичних систем окислювального карбонілювання метану в присутності кисню в С₁-С₃ оксигенати.

Ключові слова: монохлориди халькогенів, халькогенхлориди родію, кластерна будова, моноядерна будова, окислювальне карбонілювання метану.

Степаненко И. Н. Синтез и свойства халькогенхлоридных соединений родия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.01 - неорганическая химия. - Институт общей и неорганической химии им. В. И. Вернадского НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертация посвящена синтезу моно- и гетерохалькогенхлоридных соединений родия в монохлоридах халькогенов и растворах халькогенов в монохлоридах халькогенов, исследованию их свойств и строения.

Взаимодействием гидроксида родия (III), кристаллогидрата хлорида родия (III) и раствора его в минимальном количестве воды с хлоридами халькогенов и растворами халькогенов в монохлоридах халькогенов синтезировано и исследовано 9 новых халькогенхлоридов родия: RhCl₃S2H₂O, RhCl₃S₃H₂O, Rh₂Cl₅Se₇, RhCl₄Se₆S₉, Rh₂Cl₇Se₃S₆O₄3H₂O, Rh₃Cl₉S2.5H₂O, Rh₂Cl₅Se₈, Rh₂Cl₅S₁₀O₃2H₂O, Rh₂Cl₅S₈O₂4H₂O.

Показана зависимость состава синтезированных соединений от реакционной среды синтеза и исходных форм родия: установлен ряд реакционной способности монохлоридов халькогенов и растворов халькогенов в монохлоридах халькогенов в формировании безводных и бескислородных соединений родия: Se₂Cl₂ S в Se₂Cl₂ Se в S₂Cl₂ S в S₂Cl₂ S₂Cl₂; по реакционной способности в халькогенхлоридных средах исходные соединения родия располагаются в последовательности: Rh(OH)₃ RhCl₃4H₂O RhCl₃, что обусловлено высокой прочностью связи (Rh - Cl) и химической активностью гидратированных форм соединений родия.

Термические превращения халькогенхлоридных соединений родия сопровождаются последовательным уменьшением содержания хлора и халькогенов, большая часть которых выделяется до 400-500С и 700-800С соответственно, с образованием промежуточных халькогенхлоридов родия и формированием группировок [Rh₃] и [Rh₄]. В большинстве случаев, конечными продуктами термических превращений являются халькогениды родия. Путем термических превращений соединений синтезировано еще 17 новых халькогенхлоридов родия и 2 новых халькогенида родия.

Методами рентгеновской фотоэлектронной и ИК-спектроскопии доказано, что в исследуемых соединениях элементы находятся в степенях окисления Rh³⁺, Rh²⁺, S^2-, S⁰, Se^2-, Cl^-, входят в состав структурных фрагментов (S - Cl), (S - S), (Se - Cl), (Rh - Cl_конц), (S - Se), (Rh - Cl_мост), (Rh - S), (Sе - Se) и (Rh - Se).

Методом обратного Монте Карло установлена локальная структура аморфных тиохлоридов родия: межатомные расстояния (R) ((Rh - Rh), (Rh - Cl), (Rh - S), (Rh - О), (S - S), (Cl - Rh), (Cl - Cl), (Cl - S), (Cl - O), (S - Cl), (S - O)), рассчитано количество ближайших атомов (Z), значения угла в связях атом - атом - атом ().

На основании данных методов РФС и ИК-спектроскопии, обратного Монте Карло для селенсодержащих халькогенхлоридов родия предложено кластерное строение с ядром [Rh₄(µ₃Se)₄] или [Rh₄(µ₃Se)₃(µ₃S)], которое сохраняется при нагревании соединений, термические преобразования соединений связаны с потерей слабо связанных структурных фрагментов; для тиохлоридов родия предложено моноядерное строение:

- в RhCl₃S·2H₂О координационное окружение атома родия сформировано тремя ионами хлора, двумя, связанными с атомом родия атомом кислорода, молекулами воды и атомом серы: [RhCl₃S(H₂O)₂];

- в RhCl₃S₃·H₂О два иона хлора из трех связаны с родием, молекула воды занимает третье координационное место, остальные координационные места занимают три атома серы: [RhCl₂S₃(H₂O)]Cl.

Установлено, что халькогенхлоридные соединения родия являются прекурсорами каталитических систем окислительного карбонилирования метана в присутствии кислорода в оксигенаты (уксусная кислота, метанол, метилацетат, пропионовая кислота) с производительностью, в 30 раз превышающей достигнутую известными методами. Температура начала образования оксигенатов снижается до 400С. В отличие от других родиевых катализаторов, данные образцы в процессе реакции не зауглероживаются. Изучена температурная зависимость производительности процесса по жидким кислородсодержащим продуктам.

Ключевые слова: монохлориды халькогенов, халькогенхлориды родия, кластерное строение, моноядерное строение, окислительное карбонилирование метана.

I. M. Stepanenko. Synthesis and properties of rhodium chalcogen chloride compounds. - Manuscript.

Dissertation for degree of Kandidat of Chemical Sciences, speciality 02.00.01 - inorganic chemistry. - V. I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry, Kyiv, 2004.

The dissertation deals with the synthesis of mono- and heterochalcogen chloride compounds of rhodium in chalcogen monochlorides and in solutions of chalcogens in chalcogen monochlorides and with the investigation of their properties and structure.

Thermal transformations of new rhodium chalcogen chlorides have been studied, which are accompanied by a step-by-step decrease in chlorine and chalcogen content and formation of intermediate rhodium chalcogen chlorides and terminate in the formation of rhodium chalcogenides.

Based on data obtained by XPS, IRS, and Reverse Monte Carlo method, a cluster structure for selenium-containing rhodium chalcogen chlorides and a mononuclear structure for rhodium sulfochlorides have been proposed.

It has been found that rhodium chalcogen chlorides are the precursors of catalytic systems for the oxidative carbonylation of methane into С₁-С₃ oxygenates in the presence of oxygen.

Keywords: chalcogen monochlorides, rhodium chalcogen chlorides, cluster structure, mononuclear structure, oxidative carbonylation of methane.

Размещено на Allbest.ru

...