Ученые из Института геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН (Иркутск) научились определять содержание двухвалентного железа с помощью рентгенофлуоресцентного метода. Предложенный подход основан на том, что параметры некоторых линий рентгеновского эмиссионного спектра зависят от валентного состояния железа, то есть от того, как оно связано с другими элементами. Статья об этом опубликована в международном журнале Talanta.
Сведения о содержаниях валентных форм элементов в горных породах помогают ученым восстанавливать картину образования горных массивов, развития вулканов и изменения земной поверхности, при исследовании минералов — уточнять их структуру и происхождение, а при поисковых работах — оценивать качество металлических руд. Особенно ценны сведения о валентных формах переходных элементов, в частности железа. Определение количества двухвалентного железа важно как для фундаментальных геологических исследований, так и для планирования работ в добывающей отрасли.
Обычно для определения двухвалентного железа применяют метод окислительно-восстановительного титрования. Он давно используется как рутинный в аналитических лабораториях всего мира, однако имеет ряд недостатков, в частности требует достаточно трудоемкую и длительную процедуру кислотного разложения. Метод рентгенофлуоресцентного анализа, однако, позволяет измерять фрагменты горных пород после минимальной подготовки: прессования истертого образца. Такая процедура не требует специальных реактивов и существенных трудозатрат. Возможно ли использовать этот метод для оценки валентного состояния?
«Ставший рутинным подход к определению двухвалентного железа был разработан еще в позапрошлом веке. Тем не менее определение валентных форм элементов в природных образцах по-прежнему остается специфической задачей, как при рутинном анализе, так и при разработке стандартных образцов. Применение нового аналитического подхода к определению двухвалентного железа с использованием рентгенофлуоресцентного анализа может значительно повысить достоверность данных, получаемых при разработке и аттестации стандартных образцов», — рассказывает заведующий лабораторией рентгеновских методов анализа ИГХ СО РАН кандидат химических наук Виктор Маратович Чубаров.
Использование рентгенофлуоресцентного метода для оценки валентного состояния элементов известно, но пока не слишком популярно. Еще в середине прошлого века было обнаружено, что параметры линий рентгеновского эмиссионного спектра зависят от того, каким именно способом элемент входит в состав объекта исследования. Ученые из ИГХ СО РАН сделали важный шаг от теории к практике — начали количественно определять разные формы железа в объектах природного и техногенного происхождения рентгенофлуоресцентным методом. Следующим логическим шагом стало его применение для создания стандартных образцов.
«Наш подход основан на том, что интенсивность одной из линий рентгеновского спектра, называемой FeKβ5, зависит от валентного состояния железа, то есть от того, в какого рода химическую связь оно вступает с другими элементами. Эта линия наиболее чувствительна к особенностям химической связи переходных элементов, поскольку именно она обусловлена рентгеновским переходом электрона с валентной оболочки. Используя соотношение интенсивности линии FeKβ5 к интенсивности линии FeKβ1,3, мы можем снизить влияние различного содержания железа в исследуемых образцах и получить оптимальный аналитический сигнал», — отметил Виктор Чубаров.
Горные породы — сложные объекты, смеси минералов. Именно факторы, связанные с разнообразным составом горных пород, искажают аналитический сигнал: чтобы получить достоверные результаты, необходимо использовать градуировочные образцы определенного фазового и элементного состава. Исследователи изучили 99 эталонных материалов, чтобы выбрать оптимальные по составу и при этом доступные образцы, включая горные породы разных типов: изверженные, от ультраосновного до кислого состава, а также осадочные и метаморфические. В рамках межлабораторных сличительных испытаний сравнили полученные результаты с данными метода титрования из лабораторий разных стран. При анализе, например, изверженных горных пород основного состава точность предложенного подхода сопоставима с точностью титриметрического метода.
«Исследуя тонкую структуру рентгеновских спектров, мы смогли понять, как применять рентгенофлуоресцентный метод не только для анализа содержаний элементов в природных образцах, но и для оценки их валентного состояния. Одной из важных задач в геохимии, которую мы смогли решить с помощью этого нового подхода, стала оценка соотношения валентных форм железа — важнейшего параметра при изучении окислительно-восстановительных условий формирования горных пород и руд», — прокомментировал Виктор Чубаров.
Применить этот метод можно и к другим металлам. В 2023 году опубликован способ оценки валентного состояния марганца в океанических конкрециях и корках по соотношению интенсивностей линий MnKβ5 и MnKβ1,3 в международном журнале Minerals. Подготовлены к публикации результаты оценки форм вхождения меди в рудах рентгенофлуоресцентным методом.
«Пока что подход уверенно работает лишь для определенного круга объектов, который с момента начала проведения этих исследований существенно расширился. При этом о промышленных масштабах говорить пока рано. Ближайшая цель — реализация разработанного подхода в виде аттестованной методики», — подытожил ученый.
Ирина Баранова
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии