Лантан принадлежит семейству редкоземельных металлов и является стратегическим минеральным сырьём: он применяется для производства сплавов, как восстановитель в производстве редкоземельных металлов, а также для изготовления оптического стекла (Рис. 1). В лаборатории моделирования гидрогеохимических и гидротермальных процессов ГЕОХИ РАН проведён анализ литературных данных о термодинамических свойствах водных растворов сульфата лантана при атмосферном давлении и комнатной температуре. Термодинамические данные необходимы для разработки и оптимизации процессов извлечения лантана и других редкоземельных элементов. Результаты опубликованы в журнале The Journal of Chemical Thermodynamics (Plyasunov, 2023).

Рисунок 1. Химический элемент лантан.

Как известно, термодинамические свойства разбавленных водных растворов успешно описываются теорией Дебая-Хюккеля, которой исполняется 100 лет в 2023 году: так, для 1-1 электролитов (например, хлорид натрия), согласие эксперимента и теории (в форме предельного закона) достигается при концентрации соли 0,01 моль на 1 кг воды и менее, для 2-2 электролитов (например, сульфат магния) – при концентрации соли 0,001 моль на 1 кг воды и менее. Однако, для растворов 3-2 электролита сульфата лантана теория не воспроизводит экспериментальные данные даже при весьма низких концентрациях 10–5 моль на 1 кг воды. Показано, что согласовать экспериментальные и расчётные величины коэффициентов активности и энтальпий разбавления водных растворов сульфата лантана можно только при явном учёте образования комплексных частиц, а именно первого и второго сульфатного комплексов лантана.

Существование указанных комплексных частиц в растворах доказано в многочисленных независимых исследованиях. Количественное согласие с экспериментом достигается при следующих значениях десятичных логарифмов констант устойчивости (3,65 ± 0,05 и 5,63 ± 0,20) и изменений энтальпий (17,6 ± 1,0 кДж/моль и 28,1 ± 4,0 кДж/моль) для реакций образования первого и второго сульфатного комплексов лантана, соответственно. Согласие с литературными значениями весьма хорошее для первого комплекса и удовлетворительное для второго комплекса. На основе полученных данных рассчитаны произведение активностей (растворимости) и стандартная энтальпия (т. е., теплота) растворения нонагидрата сульфата лантана при температуре 298,15 К и давлении 1 атм.

Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Источник: Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН.