Ферраты — соединения железа в степени окисления +6, их структура, свойства и применение

Соединения шестивалентного железа в виде солей железной кислоты (Ме_хFeO₄) известны давно.

Ферраты — соли, содержащие феррат-анион FeO₄^2- (железо (VI)).

Соответствуют железной кислоте H₂FeO₄, не существующей в свободном виде, в которой железо тетраэдрически окружено четырьмя атомами кислорода.

К настоящему времени синтезировано около двух десятков этих соединений. Из них только ферраты калия, натрия, рубидия, цезия, стронция и бария получены в чистом кристаллическом состоянии, остальные известны в растворах или выделены из них в твердом состоянии, но со значительными примесями.

Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты (более сильные окислители, чем KMnO₄: 2K₂FeO₄ + Cr₂(SO₄) + H₂SO₄ = K₂Cr₂O₇ + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O), по строению и растворимости в воде ферраты подобны сульфатам и хроматам. Так, ферраты бария и стронция мало растворимы в воде, а ферраты щелочных элементов образуют растворы малиново-красного цвета.

Ферраты — сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода:

В сильнощелочной среде феррат-ион довольно устойчив, но при подкислении раствора он разрушается:

4FeO₄^2- + 20H⁺ = 4Fe³⁺ + 3O₂ + 10H₂O.

В щелочной среде окислительные свойства ферратов выражены слабо. В этих условиях их несложно синтезировать:

2FeO (OH) + 3Cl₂ + 10 KOH = 2K₂FeO₄ + 6KCl + 6H₂O.

Fe₂O₃ + KClO₃ + 4KOH = 2K₂FeO₄ + KCl + 2H₂O (сплавление) При 120 — 200⁰С ферраты разлагаются на Fe₂O₃, M₂O и О₂.

K₂FeO₄ > KFeO₂ (феррит калия) + K₂O + O₂ (200⁰C).

Ферраты (VI) щелочных металлов являются одними из наиболее мощных известных окислителей (нормальный окислительный потенциал ферратов (VI) в кислой среде составляет 2,2 В, что превосходит этот показатель для озона (2,07 В) и является наибольшим в ряду используемых на данный момент соединений), способных разлагать многие токсичные химические вещества до малотоксичных продуктов (окисляющее действие), а также вызывать гибель микроорганизмов (дезинфицирующее действие).

Продуктом разложения в растворе самих ферратов (VI) является малотоксичный гидроксид железа (III), выделяющийся в виде коллоидных агрегатов с высокой удельной поверхностью, эффективно адсорбирующий ионы тяжелых металлов, анионы, такие как фосфаты, присутствующие в обрабатываемой воде, частицы суспензий и органические остатки, обеспечивая дополнительную очистку воды путем коагуляции поллюантов. Это свойство позволяет избежать применения флокулянтов и подщелачивающих реагентов, таких как альгинат натрия или сульфат оксида алюминия.

К возможным областям применения ферратов (VI) можно отнести очистку бытовых и промышленных стоков, питьевой воды артезианских скважин от тяжелых металлов, бактерий, вирусов, солей железа; окисление сероводорода, присутствующего в качестве примеси в отходах бумажных и текстильных заводов, химических фабрик; окисление цианидов, присутствующих в отбросах заводов по переработке стали и железа; окисление тиоцианатов, широко используемых в промышленности при разделении металлов, электроникелировании, в фотопроизводстве; окисление тиомочевины, применяемой в текстильной промышленности и т. д. (2).

В последние годы новые ферратные технологии привлекают внимание большого числа специалистов и все чаще находят свое применение в процессах очистки воды. Ферраты шестивалентного железа характеризуются сильными окислительными и стерилизующими свойствами. Несмотря на то, что эти соединения давно описаны в литературе и их свойства подробно изучались, промышленное внедрение методов их использования сдерживается из-за отсутствия приемлемых для производства способов их получения. (3).

Ферраты щелочных металлов находят широкое применение в различных технологических процессах, а так же как окислители, обладающие селективными свойствами, в органическом синтезе. Они используются как отбеливающее средство, для очистки целлюлозы, получения катализатора в синтезе Фишера-Тропша, окисления спиртов в альдегиды.

Щелочные ферраты, в основном Na₂FeO₄ и K₂FeO₄, используют в некоторых органических или неорганических химических процессах и, в частности, в обработке сточных вод путем окисления примесей и перевода их в малорастворимые или легко отделяемые формы. Образующаяся при этом Fe (OH)₃ позволяет путем соосаждения извлекать тяжелые металлы, такие как Mn, Cd, Cu. Кроме того, сообщается об извлечении из сбросных вод радионуклидов Am и Pu до очень низких активностей порядка 1.1 Бк/л, а также обсуждается возможность использования ферратов для удаления малых количеств трансурановых элементов.

Однако несмотря на то, что ферраты известны с XIX века, их все еще мало используют для очистки воды, в частности, в Европе.

До настоящего времени все еще предпочитают применять хлор как таковой или иногда в сочетании с озоном.

Хотя хлор является хорошим окислителем и бактерицидным веществом, он токсичен и может использоваться только в ограниченных количествах, что снижает его эффективность.

Кроме того, действие хлора на углеводороды, содержащиеся в обрабатываемых водах, может привести к образованию высокотоксичных и канцерогенных продуктов. Наконец, хорошо известный недостаток использования хлора заключается в том, что он придает воде неприятный вкус.

Преимуществом щелочных ферратов, в частности, феррата калия, является отсутствие токсичности, в отличие от хлора, что объясняет растущий интерес, который они вызывают. Кроме того, их слабые концентрации порядка 10^-5 и 10^-3 моль/л имеют бактерицидные свойства, и они окисляют углеводороды без образования вредных веществ. Так же феррат является единственным соединением многоцелевого назначения, которое может быть использовано вместе со многоими веществами, применяемыми для обработки питьевой воды и сточных вод и является одним из самых сильнодействующих, но в то же время не влияющих на окружающую среду соединений, служащих для обработки воды.