IChO 1998 · Theory problem 5
Cyanide extraction of gold
Metallic gold frequently is found in aluminosilicate rocks and it is finely dispersed among other minerals. It may be extracted by treating the crushed rock with aerated sodium cyanide solution. During this process metallic gold is slowly converted to \(\ce{[Au(CN)2]-}\), which is soluble in water (reaction 1).
After equilibrium has been reached, the aqueous phase is pumped off and the metallic gold is recovered from it by reacting the gold complex with zinc, which is converted to \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) (reaction 2).
5.1 Write balanced ionic equations for reactions (1) and (2).
Gold in nature is frequently alloyed with silver which is also oxidized by aerated sodium cyanide solution.
5.2 Five hundred litres (500 L) of a solution 0.0100 M in \(\ce{[Au(CN)2]-}\) and 0.0030 M in \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) was evaporated to one third of the original volume and was treated with zinc (40 g). Assuming that deviation from standard conditions is unimportant and that all these redox reactions go essentially to completion, calculate the concentrations of \(\ce{[Au(CN)2]-}\) and of \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) after reaction has ceased.
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2- + 2e- -> Zn + 4CN-}\) | \(E^\circ=-1.26\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.60\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Ag(CN)2]- + e- -> Ag + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.31\ \mathrm{V}\) |
5.3 \(\ce{[Au(CN)2]-}\) is a very stable complex under certain conditions. What concentration of sodium cyanide is required to keep 99 mol% of the gold in solution in the form of the cyanide complex? \(\{\ce{[Au(CN)2]-}:K_f=4\times10^{28}\}\)
5.4 There have been several efforts to develop alternative gold extraction processes which could replace this one. Why? Choose one of the options on the answer sheet.
Official English text of the problem.
Answers
-
5.1 \[ \ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-} \tag{1} \] \[ \ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-} \tag{2} \]
-
5.2 \[ \boxed{[\ce{[Au(CN)2]-}]=0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] \[ \boxed{[\ce{[Ag(CN)2]-}]\approx1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Silver consumes the available reducing capacity; gold remains in solution.
-
5.3 \[ \boxed{[\ce{CN-}]_{\mathrm{free}}\approx5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] This is the equilibrium free cyanide concentration. The total analytical sodium cyanide concentration must also account for bound cyanide.
-
5.4 Choose the option stating that cyanide is highly toxic and its use creates serious environmental and health hazards.
Solution
The molecular and ionic species used in the solution have the following names and SMILES. For coordination complexes, the SMILES use dative-bond notation, with cyanide carbon donating to the metal.
| Formula | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NaCN}\) | Sodium cyanide | [Na+].[C-]#N |
| \(\ce{CN-}\) | Cyanide ion | [C-]#N |
| \(\ce{[Au(CN)2]-}\) | Dicyanidoaurate(I) ion | N#[C-]->[Au+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) | Dicyanidoargentate(I) ion | N#[C-]->[Ag+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) | Tetracyanidozincate(II) ion | [Zn+2](<-[C-]#N)(<-[C-]#N)(<-[C-]#N)<-[C-]#N |
| \(\ce{Au+}\) | Gold(I) ion | [Au+] |
| \(\ce{O2}\) | Dioxygen | O=O |
| \(\ce{H2O}\) | Water | O |
| \(\ce{OH-}\) | Hydroxide ion | [OH-] |
The gold(I) and silver(I) complexes are linear, with carbon-bound cyanide ligands; the zinc(II) complex is tetrahedral. These geometries are not specified by the SMILES. Elemental gold, silver and zinc have atom SMILES [Au], [Ag] and [Zn], respectively; these do not describe their metallic lattices.
5.1 — Balanced ionic equations
In reaction (1), gold is oxidized from oxidation state \(0\) to \(+1\):
\[ \ce{Au + 2CN- -> [Au(CN)2]- + e-}. \]
Oxygen from the aerated solution accepts the electrons. In alkaline solution its reduction half-equation is
\[ \ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}. \]
Multiplying the gold half-equation by four and adding gives
\[ \boxed{\ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-}}. \]
In reaction (2), zinc is oxidized from \(0\) to \(+2\):
\[ \ce{Zn + 4CN- -> [Zn(CN)4]^2- + 2e-}. \]
Gold(I) is reduced to metallic gold:
\[ \ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}. \]
Multiplying the gold reduction by two and adding cancels both the electrons and free cyanide:
\[ \boxed{\ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-}}. \]
5.2 — Concentrations after treatment with zinc
Evaporation changes the volume but preserves the amounts of dissolved metal complexes:
\[ n_{\mathrm{Au},0} =(500\ \mathrm L)(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =5.00\ \mathrm{mol}, \]
\[ n_{\mathrm{Ag},0} =(500\ \mathrm L)(0.0030\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =1.50\ \mathrm{mol}. \]
The final solution volume is
\[ V_f=\frac{500}{3}\ \mathrm L=166.7\ \mathrm L. \]
Both complexes can be reduced by zinc:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Au}} =-0.60-(-1.26)=+0.66\ \mathrm V, \]
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Ag}} =-0.31-(-1.26)=+0.95\ \mathrm V. \]
The silver complex has the higher reduction potential. Furthermore, any deposited gold can reduce silver complex:
\[ \ce{Au + [Ag(CN)2]- -> [Au(CN)2]- + Ag}, \]
with
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=-0.31-(-0.60)=+0.29\ \mathrm V. \]
Thus, under the stipulated completion approximation, metallic gold cannot remain while appreciable silver complex remains: the available reducing capacity is used to deposit silver first.
Using \(M(\ce{Zn})=65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ n_{\mathrm{Zn}}=\frac{40\ \mathrm g}{65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.6116\ \mathrm{mol}. \]
Each mole of zinc supplies two moles of electrons, whereas each mole of silver complex requires one:
\[ \ce{Zn + 2[Ag(CN)2]- -> [Zn(CN)4]^2- + 2Ag}. \]
Consequently,
\[ n_{\mathrm{Ag\ deposited}}=2n_{\mathrm{Zn}} =1.2232\ \mathrm{mol}<1.50\ \mathrm{mol}. \]
All zinc is consumed before all the silver can be deposited. The remaining amounts are therefore
\[ n_{\mathrm{Ag},f}=1.50-1.2232=0.2768\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Au},f}=5.00\ \mathrm{mol}. \]
Neglecting any volume change on adding zinc,
\[ [\ce{[Au(CN)2]-}] =\frac{5.00}{500/3} =\boxed{0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}, \]
\[ [\ce{[Ag(CN)2]-}] =\frac{0.2768}{500/3} =1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Cyanide concentration for 99 mol% complexation
The formation equilibrium is
\[ \ce{Au+ + 2CN- <=> [Au(CN)2]-}, \]
with
\[ K_f= \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]} {[\ce{Au+}][\ce{CN-}]^2} =4\times10^{28}. \]
Assuming dissolved gold occurs only as free gold(I) and its dicyanido complex, a complexed fraction of \(0.99\) means
\[ \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]}{[\ce{Au+}]} =\frac{0.99}{0.01}=99. \]
Hence, using concentrations numerically in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\),
\[ [\ce{CN-}]^2=\frac{99}{4\times10^{28}}, \]
and
\[ [\ce{CN-}] =4.97\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
This is the minimum free cyanide concentration for at least 99% complexation within this model.
A total sodium cyanide requirement also includes cyanide incorporated into complexes. For example, if gold is the only cyanide-binding species and protonation is neglected,
\[ C_{\mathrm{CN,total}} =[\ce{CN-}]+2[\ce{[Au(CN)2]-}] =[\ce{CN-}]+1.98C_{\mathrm{Au,total}}. \]
Thus the very small free cyanide concentration does not by itself specify the total sodium cyanide dose.
5.4 — Reason for seeking alternative processes
Cyanide is highly toxic. Cyanide-bearing solutions and wastes can endanger workers, contaminate water, and harm wildlife, particularly following leaks or accidental releases. These health and environmental hazards motivate alternative extraction processes.
The appropriate answer-sheet option is therefore the one identifying cyanide toxicity and its environmental consequences.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1998 · Theorieaufgabe 5
Goldgewinnung durch Cyanidlaugung
Metallisches Gold kommt häufig in Alumosilikatgesteinen vor und ist darin zwischen anderen Mineralien fein verteilt. Es kann durch Behandlung des zerkleinerten Gesteins mit einer belüfteten Natriumcyanidlösung gewonnen werden. Während dieses Vorgangs wird metallisches Gold langsam in \(\ce{[Au(CN)2]-}\) umgewandelt, das in Wasser löslich ist (Reaktion 1).
Nachdem sich das Gleichgewicht eingestellt hat, wird die wässrige Phase abgepumpt und das metallische Gold daraus zurückgewonnen, indem der Goldkomplex mit Zink umgesetzt wird, das dabei in \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) umgewandelt wird (Reaktion 2).
5.1 Stellen Sie die ausgeglichenen Ionengleichungen für die Reaktionen (1) und (2) auf.
In der Natur ist Gold häufig mit Silber legiert, das ebenfalls durch belüftete Natriumcyanidlösung oxidiert wird.
5.2 Fünfhundert Liter (500 L) einer Lösung mit einer Konzentration von 0.0100 M an \(\ce{[Au(CN)2]-}\) und 0.0030 M an \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) wurden auf ein Drittel des ursprünglichen Volumens eingedampft und mit Zink (40 g) behandelt. Berechnen Sie unter der Annahme, dass die Abweichung von den Standardbedingungen unerheblich ist und alle diese Redoxreaktionen praktisch vollständig ablaufen, die Konzentrationen von \(\ce{[Au(CN)2]-}\) und \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) nach Abschluss der Reaktion.
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2- + 2e- -> Zn + 4CN-}\) | \(E^\circ=-1.26\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.60\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Ag(CN)2]- + e- -> Ag + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.31\ \mathrm{V}\) |
5.3 \(\ce{[Au(CN)2]-}\) ist unter bestimmten Bedingungen ein sehr stabiler Komplex. Welche Natriumcyanidkonzentration ist erforderlich, um 99 Mol-% des Goldes in der Lösung in Form des Cyanidkomplexes zu halten? \(\{\ce{[Au(CN)2]-}:K_f=4\times10^{28}\}\)
5.4 Es gab mehrere Versuche, alternative Verfahren zur Goldgewinnung zu entwickeln, die dieses Verfahren ersetzen könnten. Warum? Wählen Sie eine der Optionen auf dem Antwortbogen aus.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
5.1 \[ \ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-} \tag{1} \] \[ \ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-} \tag{2} \]
-
5.2 \[ \boxed{[\ce{[Au(CN)2]-}]=0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] \[ \boxed{[\ce{[Ag(CN)2]-}]\approx1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Silber verbraucht die verfügbare Reduktionskapazität; Gold bleibt in Lösung.
-
5.3 \[ \boxed{[\ce{CN-}]_{\mathrm{free}}\approx5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Dies ist die Konzentration des freien Cyanids im Gleichgewicht. Die analytische Gesamtkonzentration an Natriumcyanid muss auch gebundenes Cyanid berücksichtigen.
-
5.4 Wählen Sie die Option, die besagt, dass Cyanid hochgiftig ist und seine Verwendung erhebliche Gefahren für Umwelt und Gesundheit mit sich bringt.
Lösung
Die in der Lösung verwendeten molekularen und ionischen Spezies haben die folgenden Namen und SMILES. Bei Koordinationskomplexen verwenden die SMILES die Schreibweise für koordinative Bindungen, wobei das Kohlenstoffatom des Cyanids als Donor gegenüber dem Metall fungiert.
| Formel | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NaCN}\) | Natriumcyanid | [Na+].[C-]#N |
| \(\ce{CN-}\) | Cyanid-Ion | [C-]#N |
| \(\ce{[Au(CN)2]-}\) | Dicyanidoaurat(I)-Ion | N#[C-]->[Au+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) | Dicyanidoargentat(I)-Ion | N#[C-]->[Ag+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) | Tetracyanidozinkat(II)-Ion | [Zn+2](<-[C-]#N)(<-[C-]#N)(<-[C-]#N)<-[C-]#N |
| \(\ce{Au+}\) | Gold(I)-Ion | [Au+] |
| \(\ce{O2}\) | Disauerstoff | O=O |
| \(\ce{H2O}\) | Wasser | O |
| \(\ce{OH-}\) | Hydroxid-Ion | [OH-] |
Die Gold(I)- und Silber(I)-Komplexe sind linear und besitzen über Kohlenstoff gebundene Cyanidliganden; der Zink(II)-Komplex ist tetraedrisch. Diese Geometrien werden durch die SMILES nicht angegeben. Elementares Gold, Silber und Zink haben die Atom-SMILES [Au], [Ag] beziehungsweise [Zn]; diese beschreiben nicht ihre Metallgitter.
5.1 — Ausgeglichene Ionengleichungen
In Reaktion (1) wird Gold von der Oxidationsstufe \(0\) zur Oxidationsstufe \(+1\) oxidiert:
\[ \ce{Au + 2CN- -> [Au(CN)2]- + e-}. \]
Sauerstoff aus der belüfteten Lösung nimmt die Elektronen auf. In alkalischer Lösung lautet seine Reduktionsteilgleichung
\[ \ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}. \]
Durch Multiplikation der Gold-Teilgleichung mit vier und Addition erhält man
\[ \boxed{\ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-}}. \]
In Reaktion (2) wird Zink von \(0\) zu \(+2\) oxidiert:
\[ \ce{Zn + 4CN- -> [Zn(CN)4]^2- + 2e-}. \]
Gold(I) wird zu metallischem Gold reduziert:
\[ \ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}. \]
Durch Multiplikation der Gold-Reduktion mit zwei und Addition kürzen sich sowohl die Elektronen als auch das freie Cyanid heraus:
\[ \boxed{\ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-}}. \]
5.2 — Konzentrationen nach der Behandlung mit Zink
Durch das Eindampfen ändert sich das Volumen, die Stoffmengen der gelösten Metallkomplexe bleiben jedoch erhalten:
\[ n_{\mathrm{Au},0} =(500\ \mathrm L)(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =5.00\ \mathrm{mol}, \]
\[ n_{\mathrm{Ag},0} =(500\ \mathrm L)(0.0030\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =1.50\ \mathrm{mol}. \]
Das endgültige Lösungsvolumen beträgt
\[ V_f=\frac{500}{3}\ \mathrm L=166.7\ \mathrm L. \]
Beide Komplexe können durch Zink reduziert werden:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Au}} =-0.60-(-1.26)=+0.66\ \mathrm V, \]
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Ag}} =-0.31-(-1.26)=+0.95\ \mathrm V. \]
Der Silberkomplex hat das höhere Reduktionspotential. Außerdem kann gegebenenfalls abgeschiedenes Gold den Silberkomplex reduzieren:
\[ \ce{Au + [Ag(CN)2]- -> [Au(CN)2]- + Ag}, \]
mit
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=-0.31-(-0.60)=+0.29\ \mathrm V. \]
Unter der vorgegebenen Näherung eines vollständigen Reaktionsablaufs kann daher kein metallisches Gold bestehen bleiben, solange noch eine nennenswerte Menge an Silberkomplex vorhanden ist: Die verfügbare Reduktionskapazität wird zunächst zur Abscheidung von Silber genutzt.
Mit \(M(\ce{Zn})=65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ergibt sich
\[ n_{\mathrm{Zn}}=\frac{40\ \mathrm g}{65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.6116\ \mathrm{mol}. \]
Jedes Mol Zink liefert zwei Mol Elektronen, während jedes Mol Silberkomplex ein Mol benötigt:
\[ \ce{Zn + 2[Ag(CN)2]- -> [Zn(CN)4]^2- + 2Ag}. \]
Folglich gilt
\[ n_{\mathrm{Ag\ deposited}}=2n_{\mathrm{Zn}} =1.2232\ \mathrm{mol}<1.50\ \mathrm{mol}. \]
Das gesamte Zink wird verbraucht, bevor das gesamte Silber abgeschieden werden kann. Die verbleibenden Stoffmengen sind daher
\[ n_{\mathrm{Ag},f}=1.50-1.2232=0.2768\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Au},f}=5.00\ \mathrm{mol}. \]
Unter Vernachlässigung einer etwaigen Volumenänderung bei der Zugabe von Zink ergibt sich
\[ [\ce{[Au(CN)2]-}] =\frac{5.00}{500/3} =\boxed{0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}, \]
\[ [\ce{[Ag(CN)2]-}] =\frac{0.2768}{500/3} =1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Cyanidkonzentration für eine Komplexierung von 99 Mol-%
Das Komplexbildungsgleichgewicht lautet
\[ \ce{Au+ + 2CN- <=> [Au(CN)2]-}, \]
mit
\[ K_f= \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]} {[\ce{Au+}][\ce{CN-}]^2} =4\times10^{28}. \]
Unter der Annahme, dass gelöstes Gold nur als freies Gold(I) und als dessen Dicyanidokomplex vorliegt, bedeutet ein komplexierter Anteil von \(0.99\)
\[ \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]}{[\ce{Au+}]} =\frac{0.99}{0.01}=99. \]
Setzt man die Konzentrationen als Zahlenwerte in \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) ein, folgt somit
\[ [\ce{CN-}]^2=\frac{99}{4\times10^{28}}, \]
und
\[ [\ce{CN-}] =4.97\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
Dies ist die minimale Konzentration an freiem Cyanid für eine Komplexierung von mindestens 99% innerhalb dieses Modells.
Der Gesamtbedarf an Natriumcyanid umfasst auch das in Komplexen gebundene Cyanid. Wenn beispielsweise Gold die einzige cyanidbindende Spezies ist und die Protonierung vernachlässigt wird, gilt
\[ C_{\mathrm{CN,total}} =[\ce{CN-}]+2[\ce{[Au(CN)2]-}] =[\ce{CN-}]+1.98C_{\mathrm{Au,total}}. \]
Die sehr geringe Konzentration an freiem Cyanid legt daher für sich allein nicht die insgesamt zuzugebende Natriumcyanidmenge fest.
5.4 — Grund für die Suche nach alternativen Verfahren
Cyanid ist hochgiftig. Cyanidhaltige Lösungen und Abfälle können Beschäftigte gefährden, Gewässer verunreinigen und Wildtiere schädigen, insbesondere infolge von Leckagen oder unbeabsichtigten Freisetzungen. Diese Gefahren für Gesundheit und Umwelt geben Anlass zur Entwicklung alternativer Gewinnungsverfahren.
Die passende Option auf dem Antwortbogen ist daher diejenige, die die Toxizität von Cyanid und ihre Folgen für die Umwelt nennt.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1998 · Teori sorusu 5
Altının siyanürle ekstraksiyonu
Metalik altın sıklıkla alüminosilikat kayaçlarda bulunur ve diğer mineraller arasında ince dağılmış hâldedir. Kırılmış kayacın hava verilmiş sodyum siyanür çözeltisiyle işleme tabi tutulmasıyla özütlenebilir. Bu işlem sırasında metalik altın yavaşça suda çözünen \(\ce{[Au(CN)2]-}\) kompleksine dönüşür (tepkime 1).
Dengeye ulaşıldıktan sonra sulu faz pompalanarak ayrılır ve altın kompleksi, \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) kompleksine dönüşen çinko ile tepkimeye sokularak metalik altın bu fazdan geri kazanılır (tepkime 2).
5.1 (1) ve (2) tepkimeleri için denkleştirilmiş iyon denklemlerini yazınız.
Doğadaki altın sıklıkla gümüşle alaşım hâlindedir; gümüş de hava verilmiş sodyum siyanür çözeltisiyle yükseltgenir.
5.2 \(\ce{[Au(CN)2]-}\) bakımından 0.0100 M ve \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) bakımından 0.0030 M olan bir çözeltinin beş yüz litresi (500 L), başlangıç hacminin üçte birine kadar buharlaştırılmış ve çinko (40 g) ile işleme tabi tutulmuştur. Standart koşullardan sapmanın önemsiz olduğunu ve tüm bu redoks tepkimelerinin esasen tamamlanıncaya kadar ilerlediğini varsayarak, tepkime durduktan sonraki \(\ce{[Au(CN)2]-}\) ve \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) derişimlerini hesaplayınız.
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2- + 2e- -> Zn + 4CN-}\) | \(E^\circ=-1.26\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.60\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Ag(CN)2]- + e- -> Ag + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.31\ \mathrm{V}\) |
5.3 \(\ce{[Au(CN)2]-}\), belirli koşullarda çok kararlı bir komplekstir. Altının molce %99'unu çözeltide siyanür kompleksi biçiminde tutmak için gerekli sodyum siyanür derişimi nedir? \(\{\ce{[Au(CN)2]-}:K_f=4\times10^{28}\}\)
5.4 Bu işlemin yerini alabilecek alternatif altın ekstraksiyonu süreçleri geliştirmek için çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Neden? Cevap kâğıdındaki seçeneklerden birini seçiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
5.1 \[ \ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-} \tag{1} \] \[ \ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-} \tag{2} \]
-
5.2 \[ \boxed{[\ce{[Au(CN)2]-}]=0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] \[ \boxed{[\ce{[Ag(CN)2]-}]\approx1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Gümüş, mevcut indirgeme kapasitesini tüketir; altın çözeltide kalır.
-
5.3 \[ \boxed{[\ce{CN-}]_{\mathrm{free}}\approx5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Bu, dengedeki serbest siyanür derişimidir. Toplam analitik sodyum siyanür derişimi, bağlı siyanürü de hesaba katmalıdır.
-
5.4 Siyanürün çok zehirli olduğunu ve kullanımının çevre ve sağlık açısından ciddi tehlikeler yarattığını belirten seçeneği seçiniz.
Çözüm
Çözümde kullanılan moleküler ve iyonik türlerin adları ve SMILES gösterimleri aşağıdadır. Koordinasyon komplekslerinin SMILES gösterimlerinde, siyanürün karbon atomunun metale elektron çifti verdiği koordinatif bağ gösterimi kullanılmıştır.
| Formül | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NaCN}\) | Sodyum siyanür | [Na+].[C-]#N |
| \(\ce{CN-}\) | Siyanür iyonu | [C-]#N |
| \(\ce{[Au(CN)2]-}\) | Disiyanidoaurat(I) iyonu | N#[C-]->[Au+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) | Disiyanidoarjentat(I) iyonu | N#[C-]->[Ag+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) | Tetrasiyanidoçinkat(II) iyonu | [Zn+2](<-[C-]#N)(<-[C-]#N)(<-[C-]#N)<-[C-]#N |
| \(\ce{Au+}\) | Altın(I) iyonu | [Au+] |
| \(\ce{O2}\) | Dioksijen | O=O |
| \(\ce{H2O}\) | Su | O |
| \(\ce{OH-}\) | Hidroksit iyonu | [OH-] |
Altın(I) ve gümüş(I) kompleksleri, karbon üzerinden bağlanmış siyanür ligandlarıyla doğrusal yapıdadır; çinko(II) kompleksi ise tetrahedraldir. Bu geometriler SMILES gösterimlerinde belirtilmez. Elementel altın, gümüş ve çinkonun atom SMILES gösterimleri sırasıyla [Au], [Ag] ve [Zn] şeklindedir; bunlar metallerin kristal örgülerini betimlemez.
5.1 — Denkleştirilmiş iyon denklemleri
(1) tepkimesinde altın, \(0\) yükseltgenme basamağından \(+1\) yükseltgenme basamağına yükseltgenir:
\[ \ce{Au + 2CN- -> [Au(CN)2]- + e-}. \]
Hava verilmiş çözeltideki oksijen elektronları alır. Bazik çözeltide oksijenin indirgenme yarı tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}. \]
Altının yarı tepkimesi dört ile çarpılıp diğer yarı tepkimeyle toplandığında şu denklem elde edilir:
\[ \boxed{\ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-}}. \]
(2) tepkimesinde çinko, \(0\) yükseltgenme basamağından \(+2\) yükseltgenme basamağına yükseltgenir:
\[ \ce{Zn + 4CN- -> [Zn(CN)4]^2- + 2e-}. \]
Altın(I), metalik altına indirgenir:
\[ \ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}. \]
Altının indirgenme yarı tepkimesi iki ile çarpılıp diğer yarı tepkimeyle toplandığında hem elektronlar hem de serbest siyanür sadeleşir:
\[ \boxed{\ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-}}. \]
5.2 — Çinko ile işlemden sonraki derişimler
Buharlaştırma hacmi değiştirir, ancak çözünmüş metal komplekslerinin madde miktarlarını korur:
\[ n_{\mathrm{Au},0} =(500\ \mathrm L)(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =5.00\ \mathrm{mol}, \]
\[ n_{\mathrm{Ag},0} =(500\ \mathrm L)(0.0030\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =1.50\ \mathrm{mol}. \]
Çözeltinin son hacmi şöyledir:
\[ V_f=\frac{500}{3}\ \mathrm L=166.7\ \mathrm L. \]
Her iki kompleks de çinko tarafından indirgenebilir:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Au}} =-0.60-(-1.26)=+0.66\ \mathrm V, \]
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Ag}} =-0.31-(-1.26)=+0.95\ \mathrm V. \]
Gümüş kompleksinin indirgenme potansiyeli daha yüksektir. Ayrıca, metal olarak ayrılan altın da gümüş kompleksini indirgeyebilir:
\[ \ce{Au + [Ag(CN)2]- -> [Au(CN)2]- + Ag}, \]
bu tepkime için
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=-0.31-(-0.60)=+0.29\ \mathrm V. \]
Dolayısıyla, tepkimelerin tamamlanıncaya kadar ilerlediği yönündeki verilen yaklaşım altında, kayda değer miktarda gümüş kompleksi varken metalik altın kalamaz: mevcut indirgeme kapasitesi önce gümüşün metal olarak ayrılması için kullanılır.
\(M(\ce{Zn})=65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanıldığında,
\[ n_{\mathrm{Zn}}=\frac{40\ \mathrm g}{65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.6116\ \mathrm{mol}. \]
Çinkonun her molü iki mol elektron sağlarken, gümüş kompleksinin her molü bir mol elektron gerektirir:
\[ \ce{Zn + 2[Ag(CN)2]- -> [Zn(CN)4]^2- + 2Ag}. \]
Bunun sonucunda,
\[ n_{\mathrm{Ag\ deposited}}=2n_{\mathrm{Zn}} =1.2232\ \mathrm{mol}<1.50\ \mathrm{mol}. \]
Gümüşün tamamı metal olarak ayrılamadan çinkonun tamamı tüketilir. Bu nedenle kalan madde miktarları şöyledir:
\[ n_{\mathrm{Ag},f}=1.50-1.2232=0.2768\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Au},f}=5.00\ \mathrm{mol}. \]
Çinko eklenmesiyle oluşabilecek hacim değişimi ihmal edildiğinde,
\[ [\ce{[Au(CN)2]-}] =\frac{5.00}{500/3} =\boxed{0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}, \]
\[ [\ce{[Ag(CN)2]-}] =\frac{0.2768}{500/3} =1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Molce %99 kompleksleşme için siyanür derişimi
Oluşum dengesi şöyledir:
\[ \ce{Au+ + 2CN- <=> [Au(CN)2]-}, \]
bu denge için
\[ K_f= \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]} {[\ce{Au+}][\ce{CN-}]^2} =4\times10^{28}. \]
Çözünmüş altının yalnızca serbest altın(I) ve onun disiyanido kompleksi biçiminde bulunduğu varsayılırsa, kompleksleşmiş kısmın \(0.99\) olması şu anlama gelir:
\[ \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]}{[\ce{Au+}]} =\frac{0.99}{0.01}=99. \]
Böylece, derişimlerin \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) birimindeki sayısal değerleri kullanılarak,
\[ [\ce{CN-}]^2=\frac{99}{4\times10^{28}}, \]
ve
\[ [\ce{CN-}] =4.97\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
Bu, bu model kapsamında en az %99 kompleksleşme için gereken en düşük serbest siyanür derişimidir.
Toplam sodyum siyanür gereksinimi, komplekslere bağlanan siyanürü de içerir. Örneğin, siyanür bağlayan tek tür altınsa ve protonlanma ihmal edilirse,
\[ C_{\mathrm{CN,total}} =[\ce{CN-}]+2[\ce{[Au(CN)2]-}] =[\ce{CN-}]+1.98C_{\mathrm{Au,total}}. \]
Dolayısıyla çok küçük olan serbest siyanür derişimi, tek başına toplam sodyum siyanür dozunu belirlemez.
5.4 — Alternatif süreçler aramanın nedeni
Siyanür çok zehirlidir. Siyanür içeren çözeltiler ve atıklar, özellikle sızıntıların veya kazara çevreye salımların ardından, çalışanları tehlikeye atabilir, suları kirletebilir ve yaban hayatına zarar verebilir. Sağlık ve çevre açısından bu tehlikeler, alternatif ekstraksiyon süreçlerinin geliştirilmesini teşvik eder.
Bu nedenle cevap kâğıdındaki uygun seçenek, siyanürün zehirliliğini ve bunun çevresel sonuçlarını belirten seçenektir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1998 · Problema teórico 5
Extracción de oro con cianuro
El oro metálico se encuentra frecuentemente en rocas de aluminosilicatos y está finamente disperso entre otros minerales. Puede extraerse tratando la roca triturada con una disolución aireada de cianuro de sodio. Durante este proceso, el oro metálico se transforma lentamente en \(\ce{[Au(CN)2]-}\), que es soluble en agua (reacción 1).
Una vez alcanzado el equilibrio, la fase acuosa se extrae por bombeo y el oro metálico se recupera de ella haciendo reaccionar el complejo de oro con zinc, que se transforma en \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) (reacción 2).
5.1 Escriba las ecuaciones iónicas ajustadas de las reacciones (1) y (2).
En la naturaleza, el oro suele estar aleado con plata, que también se oxida mediante una disolución aireada de cianuro de sodio.
5.2 Quinientos litros (500 L) de una disolución 0.0100 M en \(\ce{[Au(CN)2]-}\) y 0.0030 M en \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) se concentraron por evaporación hasta un tercio del volumen original y se trataron con zinc (40 g). Suponiendo que la desviación respecto de las condiciones estándar es despreciable y que todas estas reacciones redox transcurren prácticamente hasta completarse, calcule las concentraciones de \(\ce{[Au(CN)2]-}\) y de \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) una vez finalizada la reacción.
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2- + 2e- -> Zn + 4CN-}\) | \(E^\circ=-1.26\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.60\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Ag(CN)2]- + e- -> Ag + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.31\ \mathrm{V}\) |
5.3 El \(\ce{[Au(CN)2]-}\) es un complejo muy estable en determinadas condiciones. ¿Qué concentración de cianuro de sodio se requiere para mantener el 99 mol% del oro en disolución en forma del complejo de cianuro? \(\{\ce{[Au(CN)2]-}:K_f=4\times10^{28}\}\)
5.4 Se han realizado varios intentos de desarrollar procesos alternativos de extracción de oro que puedan sustituir a este. ¿Por qué? Elija una de las opciones de la hoja de respuestas.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
5.1 \[ \ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-} \tag{1} \] \[ \ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-} \tag{2} \]
-
5.2 \[ \boxed{[\ce{[Au(CN)2]-}]=0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] \[ \boxed{[\ce{[Ag(CN)2]-}]\approx1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] La plata consume la capacidad reductora disponible; el oro permanece en disolución.
-
5.3 \[ \boxed{[\ce{CN-}]_{\mathrm{free}}\approx5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Esta es la concentración de cianuro libre en el equilibrio. La concentración analítica total de cianuro de sodio también debe tener en cuenta el cianuro coordinado.
-
5.4 Elija la opción que indica que el cianuro es muy tóxico y su uso genera graves riesgos para el medio ambiente y la salud.
Solución
Las especies moleculares e iónicas utilizadas en la solución tienen los siguientes nombres y SMILES. Para los complejos de coordinación, los SMILES utilizan la notación de enlace dativo, en la que el carbono del cianuro actúa como donador hacia el metal.
| Fórmula | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NaCN}\) | Cianuro de sodio | [Na+].[C-]#N |
| \(\ce{CN-}\) | Ion cianuro | [C-]#N |
| \(\ce{[Au(CN)2]-}\) | Ion dicianidoaurato(I) | N#[C-]->[Au+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) | Ion dicianidoargentato(I) | N#[C-]->[Ag+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) | Ion tetracianidozincato(II) | [Zn+2](<-[C-]#N)(<-[C-]#N)(<-[C-]#N)<-[C-]#N |
| \(\ce{Au+}\) | Ion oro(I) | [Au+] |
| \(\ce{O2}\) | Dioxígeno | O=O |
| \(\ce{H2O}\) | Agua | O |
| \(\ce{OH-}\) | Ion hidróxido | [OH-] |
Los complejos de oro(I) y plata(I) son lineales, con ligandos cianuro enlazados a través del carbono; el complejo de zinc(II) es tetraédrico. Los SMILES no especifican estas geometrías. El oro, la plata y el zinc elementales tienen los SMILES atómicos [Au], [Ag] y [Zn], respectivamente; estos no describen sus redes metálicas.
5.1 — Ecuaciones iónicas ajustadas
En la reacción (1), el oro se oxida del estado de oxidación \(0\) al \(+1\):
\[ \ce{Au + 2CN- -> [Au(CN)2]- + e-}. \]
El oxígeno de la disolución aireada acepta los electrones. En disolución alcalina, su semirreacción de reducción es
\[ \ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}. \]
Al multiplicar la semirreacción del oro por cuatro y sumar, se obtiene
\[ \boxed{\ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-}}. \]
En la reacción (2), el zinc se oxida de \(0\) a \(+2\):
\[ \ce{Zn + 4CN- -> [Zn(CN)4]^2- + 2e-}. \]
El oro(I) se reduce a oro metálico:
\[ \ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}. \]
Al multiplicar la reducción del oro por dos y sumar, se cancelan tanto los electrones como el cianuro libre:
\[ \boxed{\ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-}}. \]
5.2 — Concentraciones tras el tratamiento con zinc
La evaporación modifica el volumen, pero conserva las cantidades de los complejos metálicos disueltos:
\[ n_{\mathrm{Au},0} =(500\ \mathrm L)(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =5.00\ \mathrm{mol}, \]
\[ n_{\mathrm{Ag},0} =(500\ \mathrm L)(0.0030\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =1.50\ \mathrm{mol}. \]
El volumen final de la disolución es
\[ V_f=\frac{500}{3}\ \mathrm L=166.7\ \mathrm L. \]
Ambos complejos pueden ser reducidos por el zinc:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Au}} =-0.60-(-1.26)=+0.66\ \mathrm V, \]
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Ag}} =-0.31-(-1.26)=+0.95\ \mathrm V. \]
El complejo de plata tiene el mayor potencial de reducción. Además, cualquier cantidad de oro depositado puede reducir el complejo de plata:
\[ \ce{Au + [Ag(CN)2]- -> [Au(CN)2]- + Ag}, \]
con
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=-0.31-(-0.60)=+0.29\ \mathrm V. \]
Por tanto, según la aproximación estipulada de que las reacciones transcurren hasta completarse, no puede quedar oro metálico mientras quede una cantidad apreciable del complejo de plata: la capacidad reductora disponible se utiliza para depositar primero la plata.
Utilizando \(M(\ce{Zn})=65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ n_{\mathrm{Zn}}=\frac{40\ \mathrm g}{65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.6116\ \mathrm{mol}. \]
Cada mol de zinc aporta dos moles de electrones, mientras que cada mol del complejo de plata requiere uno:
\[ \ce{Zn + 2[Ag(CN)2]- -> [Zn(CN)4]^2- + 2Ag}. \]
En consecuencia,
\[ n_{\mathrm{Ag\ deposited}}=2n_{\mathrm{Zn}} =1.2232\ \mathrm{mol}<1.50\ \mathrm{mol}. \]
Todo el zinc se consume antes de que pueda depositarse toda la plata. Por tanto, las cantidades restantes son
\[ n_{\mathrm{Ag},f}=1.50-1.2232=0.2768\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Au},f}=5.00\ \mathrm{mol}. \]
Despreciando cualquier cambio de volumen al añadir el zinc,
\[ [\ce{[Au(CN)2]-}] =\frac{5.00}{500/3} =\boxed{0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}, \]
\[ [\ce{[Ag(CN)2]-}] =\frac{0.2768}{500/3} =1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Concentración de cianuro para una complejación del 99 mol%
El equilibrio de formación es
\[ \ce{Au+ + 2CN- <=> [Au(CN)2]-}, \]
con
\[ K_f= \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]} {[\ce{Au+}][\ce{CN-}]^2} =4\times10^{28}. \]
Suponiendo que el oro disuelto se encuentra únicamente como oro(I) libre y como su complejo dicianido, una fracción complejada de \(0.99\) significa
\[ \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]}{[\ce{Au+}]} =\frac{0.99}{0.01}=99. \]
Por tanto, utilizando los valores numéricos de las concentraciones expresadas en \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\),
\[ [\ce{CN-}]^2=\frac{99}{4\times10^{28}}, \]
y
\[ [\ce{CN-}] =4.97\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
Esta es la concentración de cianuro libre mínima para alcanzar al menos un 99% de complejación dentro de este modelo.
La cantidad total necesaria de cianuro de sodio también incluye el cianuro incorporado en los complejos. Por ejemplo, si el oro es la única especie que se une al cianuro y se desprecia la protonación,
\[ C_{\mathrm{CN,total}} =[\ce{CN-}]+2[\ce{[Au(CN)2]-}] =[\ce{CN-}]+1.98C_{\mathrm{Au,total}}. \]
Por tanto, la concentración de cianuro libre, muy pequeña, no determina por sí sola la dosis total de cianuro de sodio.
5.4 — Motivo para buscar procesos alternativos
El cianuro es muy tóxico. Las disoluciones y los residuos que contienen cianuro pueden poner en peligro a los trabajadores, contaminar el agua y dañar la fauna silvestre, especialmente tras fugas o vertidos accidentales. Estos riesgos para la salud y el medio ambiente motivan la búsqueda de procesos de extracción alternativos.
Por tanto, la opción adecuada de la hoja de respuestas es la que señala la toxicidad del cianuro y sus consecuencias ambientales.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1998 · 理论题 5
氰化法提金
金属金常见于铝硅酸盐岩石中,并以细小颗粒分散在其他矿物之间。用通入空气的氰化钠溶液处理粉碎后的岩石,即可提取其中的金。在此过程中,金属金缓慢转化为可溶于水的 \(\ce{[Au(CN)2]-}\)(反应 1)。
达到平衡后,将水相泵出,使其中的金配合物与锌反应以回收金属金,锌则转化为 \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\)(反应 2)。
5.1 写出反应 (1) 和 (2) 配平后的离子方程式。
自然界中的金常与银形成合金,银也会被通入空气的氰化钠溶液氧化。
5.2 将五百升(500 L)含有 0.0100 M \(\ce{[Au(CN)2]-}\) 和 0.0030 M \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) 的溶液蒸发至原体积的三分之一,然后用锌(40 g)处理。假设偏离标准条件的影响可以忽略,且所有这些氧化还原反应均基本进行完全,计算反应停止后 \(\ce{[Au(CN)2]-}\) 和 \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) 的浓度。
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2- + 2e- -> Zn + 4CN-}\) | \(E^\circ=-1.26\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.60\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Ag(CN)2]- + e- -> Ag + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.31\ \mathrm{V}\) |
5.3 在一定条件下,\(\ce{[Au(CN)2]-}\) 是一种非常稳定的配合物。要使溶液中 99 mol% 的金以氰配合物的形式存在,需要多大浓度的氰化钠?\(\{\ce{[Au(CN)2]-}:K_f=4\times10^{28}\}\)
5.4 人们曾多次尝试开发其他提金工艺,以替代这一工艺。为什么?请从答题纸上的选项中选择一项。
题目译自官方英文原文。
答案
-
5.1 \[ \ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-} \tag{1} \] \[ \ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-} \tag{2} \]
-
5.2 \[ \boxed{[\ce{[Au(CN)2]-}]=0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] \[ \boxed{[\ce{[Ag(CN)2]-}]\approx1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] 银消耗了全部可用的还原能力;金仍留在溶液中。
-
5.3 \[ \boxed{[\ce{CN-}]_{\mathrm{free}}\approx5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] 这是平衡时游离氰离子的浓度。氰化钠的总分析浓度还必须计入已结合的氰离子。
-
5.4 选择指出氰化物具有剧毒,其使用会造成严重的环境和健康危害的选项。
解答
解答中涉及的分子和离子物种的名称及 SMILES 如下。对于配合物,SMILES 采用配位键表示法,其中氰离子的碳原子向金属提供电子对。
| 化学式 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NaCN}\) | 氰化钠 | [Na+].[C-]#N |
| \(\ce{CN-}\) | 氰离子 | [C-]#N |
| \(\ce{[Au(CN)2]-}\) | 二氰合金(I)离子 | N#[C-]->[Au+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) | 二氰合银(I)离子 | N#[C-]->[Ag+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) | 四氰合锌(II)离子 | [Zn+2](<-[C-]#N)(<-[C-]#N)(<-[C-]#N)<-[C-]#N |
| \(\ce{Au+}\) | 金(I)离子 | [Au+] |
| \(\ce{O2}\) | 氧气 | O=O |
| \(\ce{H2O}\) | 水 | O |
| \(\ce{OH-}\) | 氢氧根离子 | [OH-] |
金(I)和银(I)配合物呈直线形,氰配体通过碳原子与金属配位;锌(II)配合物呈四面体形。这些几何构型并未在 SMILES 中指明。单质金、银和锌的原子 SMILES 分别为 [Au]、[Ag] 和 [Zn];这些表示式并不描述它们的金属晶格。
5.1 — 配平后的离子方程式
在反应 (1) 中,金的氧化态由 \(0\) 升高至 \(+1\),发生氧化:
\[ \ce{Au + 2CN- -> [Au(CN)2]- + e-}. \]
通入空气的溶液中的氧气接受电子。在碱性溶液中,其还原半反应方程式为
\[ \ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}. \]
将金的半反应方程式乘以四,再相加,得到
\[ \boxed{\ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-}}. \]
在反应 (2) 中,锌的氧化态由 \(0\) 升高至 \(+2\),发生氧化:
\[ \ce{Zn + 4CN- -> [Zn(CN)4]^2- + 2e-}. \]
金(I)被还原为金属金:
\[ \ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}. \]
将金的还原半反应方程式乘以二,再相加,电子和游离氰离子均被消去:
\[ \boxed{\ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-}}. \]
5.2 — 用锌处理后的浓度
蒸发改变了体积,但溶液中金属配合物的物质的量保持不变:
\[ n_{\mathrm{Au},0} =(500\ \mathrm L)(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =5.00\ \mathrm{mol}, \]
\[ n_{\mathrm{Ag},0} =(500\ \mathrm L)(0.0030\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =1.50\ \mathrm{mol}. \]
最终溶液体积为
\[ V_f=\frac{500}{3}\ \mathrm L=166.7\ \mathrm L. \]
两种配合物均可被锌还原:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Au}} =-0.60-(-1.26)=+0.66\ \mathrm V, \]
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Ag}} =-0.31-(-1.26)=+0.95\ \mathrm V. \]
银配合物的还原电势更高。此外,任何已析出的金都能还原银配合物:
\[ \ce{Au + [Ag(CN)2]- -> [Au(CN)2]- + Ag}, \]
其电池电动势为
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=-0.31-(-0.60)=+0.29\ \mathrm V. \]
因此,在题目规定的反应进行完全的近似条件下,只要仍有不可忽略量的银配合物存在,金属金就不能保留下来:可用的还原能力会优先用于析出银。
采用 \(M(\ce{Zn})=65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ n_{\mathrm{Zn}}=\frac{40\ \mathrm g}{65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.6116\ \mathrm{mol}. \]
每摩尔锌提供两摩尔电子,而每摩尔银配合物需要一摩尔电子:
\[ \ce{Zn + 2[Ag(CN)2]- -> [Zn(CN)4]^2- + 2Ag}. \]
因此,
\[ n_{\mathrm{Ag\ deposited}}=2n_{\mathrm{Zn}} =1.2232\ \mathrm{mol}<1.50\ \mathrm{mol}. \]
在银全部析出之前,锌就已消耗殆尽。因此,剩余的物质的量为
\[ n_{\mathrm{Ag},f}=1.50-1.2232=0.2768\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Au},f}=5.00\ \mathrm{mol}. \]
忽略加入锌所引起的任何体积变化,
\[ [\ce{[Au(CN)2]-}] =\frac{5.00}{500/3} =\boxed{0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}, \]
\[ [\ce{[Ag(CN)2]-}] =\frac{0.2768}{500/3} =1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — 达到 99 mol% 配位所需的氰离子浓度
配合物的形成平衡为
\[ \ce{Au+ + 2CN- <=> [Au(CN)2]-}, \]
其形成常数为
\[ K_f= \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]} {[\ce{Au+}][\ce{CN-}]^2} =4\times10^{28}. \]
假设溶解的金仅以游离金(I)离子及其二氰配合物的形式存在,则配位分数为 \(0.99\) 意味着
\[ \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]}{[\ce{Au+}]} =\frac{0.99}{0.01}=99. \]
因此,将以 \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) 为单位的浓度数值代入,得到
\[ [\ce{CN-}]^2=\frac{99}{4\times10^{28}}, \]
以及
\[ [\ce{CN-}] =4.97\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
在这一模型下,这是使至少 99% 的金形成配合物所需的最低游离氰离子浓度。
氰化钠的总需求量还包括结合到配合物中的氰离子。例如,若金是唯一能与氰离子结合的物种,且忽略质子化,则
\[ C_{\mathrm{CN,total}} =[\ce{CN-}]+2[\ce{[Au(CN)2]-}] =[\ce{CN-}]+1.98C_{\mathrm{Au,total}}. \]
因此,仅凭这一极低的游离氰离子浓度,并不能确定氰化钠的总投加量。
5.4 — 寻求替代工艺的原因
氰化物具有剧毒。含氰溶液和废物可能危及工作人员、污染水体并危害野生生物,尤其是在发生泄漏或意外释放后。这些健康和环境危害促使人们开发替代提取工艺。
因此,答题纸上应选择指出氰化物的毒性及其环境后果的选项。
解答已与官方解答核对。
IChO 1998 · Теоретическая задача 5
Цианидное извлечение золота
Металлическое золото часто встречается в алюмосиликатных породах в виде мелкодисперсных включений среди других минералов. Его можно извлечь, обрабатывая измельчённую породу аэрируемым раствором цианида натрия. В ходе этого процесса металлическое золото медленно превращается в растворимый в воде комплекс \(\ce{[Au(CN)2]-}\) (реакция 1).
После достижения равновесия водную фазу откачивают, а металлическое золото выделяют из неё взаимодействием комплекса золота с цинком, который превращается в \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) (реакция 2).
5.1 Напишите уравнения реакций (1) и (2) в ионной форме и расставьте коэффициенты.
В природе золото часто образует сплав с серебром, которое также окисляется аэрируемым раствором цианида натрия.
5.2 Пятьсот литров (500 л) раствора с концентрациями \(\ce{[Au(CN)2]-}\) 0.0100 М и \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) 0.0030 М упарили до одной трети первоначального объёма и обработали цинком (40 г). Считая, что отклонение от стандартных условий несущественно и что все эти окислительно-восстановительные реакции протекают практически до конца, рассчитайте концентрации \(\ce{[Au(CN)2]-}\) и \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) после прекращения реакции.
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2- + 2e- -> Zn + 4CN-}\) | \(E^\circ=-1.26\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.60\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Ag(CN)2]- + e- -> Ag + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.31\ \mathrm{V}\) |
5.3 При определённых условиях \(\ce{[Au(CN)2]-}\) является очень устойчивым комплексом. Какая концентрация цианида натрия необходима, чтобы 99 мол.% золота в растворе находилось в форме цианидного комплекса? \(\{\ce{[Au(CN)2]-}:K_f=4\times10^{28}\}\)
5.4 Был предпринят ряд попыток разработать альтернативные процессы извлечения золота, которые могли бы заменить этот процесс. Почему? Выберите один из вариантов в бланке ответов.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
5.1 \[ \ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-} \tag{1} \] \[ \ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-} \tag{2} \]
-
5.2 \[ \boxed{[\ce{[Au(CN)2]-}]=0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] \[ \boxed{[\ce{[Ag(CN)2]-}]\approx1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Вся доступная восстановительная способность расходуется на выделение серебра; золото остаётся в растворе.
-
5.3 \[ \boxed{[\ce{CN-}]_{\mathrm{free}}\approx5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] Это равновесная концентрация свободного цианида. Общая аналитическая концентрация цианида натрия должна также учитывать связанный цианид.
-
5.4 Выберите вариант, в котором указано, что цианид высокотоксичен и его использование создаёт серьёзную опасность для окружающей среды и здоровья.
Решение
Молекулярные и ионные частицы, используемые в решении, имеют следующие названия и SMILES. Для координационных комплексов в SMILES используется обозначение донорно-акцепторных связей, в которых атом углерода цианидного лиганда выступает донором электронной пары для металла.
| Формула | Название | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NaCN}\) | Цианид натрия | [Na+].[C-]#N |
| \(\ce{CN-}\) | Цианид-ион | [C-]#N |
| \(\ce{[Au(CN)2]-}\) | Дицианоаурат(I)-ион | N#[C-]->[Au+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) | Дицианоаргентат(I)-ион | N#[C-]->[Ag+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) | Тетрацианоцинкат(II)-ион | [Zn+2](<-[C-]#N)(<-[C-]#N)(<-[C-]#N)<-[C-]#N |
| \(\ce{Au+}\) | Ион золота(I) | [Au+] |
| \(\ce{O2}\) | Молекулярный кислород | O=O |
| \(\ce{H2O}\) | Вода | O |
| \(\ce{OH-}\) | Гидроксид-ион | [OH-] |
Комплексы золота(I) и серебра(I) имеют линейное строение, а цианидные лиганды связаны с металлом через атом углерода; комплекс цинка(II) имеет тетраэдрическое строение. Эта геометрия в SMILES не задаётся. Простым веществам золоту, серебру и цинку соответствуют атомные SMILES [Au], [Ag] и [Zn]; эти записи не описывают их металлические решётки.
5.1 — Ионные уравнения с расставленными коэффициентами
В реакции (1) золото окисляется из степени окисления \(0\) до \(+1\):
\[ \ce{Au + 2CN- -> [Au(CN)2]- + e-}. \]
Кислород, содержащийся в аэрируемом растворе, принимает электроны. В щелочной среде полуреакция его восстановления имеет вид
\[ \ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}. \]
Умножая полуреакцию окисления золота на четыре и складывая полуреакции, получаем
\[ \boxed{\ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-}}. \]
В реакции (2) цинк окисляется из степени окисления \(0\) до \(+2\):
\[ \ce{Zn + 4CN- -> [Zn(CN)4]^2- + 2e-}. \]
Золото(I) восстанавливается до металлического золота:
\[ \ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}. \]
При умножении полуреакции восстановления золота на два и сложении полуреакций сокращаются как электроны, так и свободные цианид-ионы:
\[ \boxed{\ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-}}. \]
5.2 — Концентрации после обработки цинком
Упаривание изменяет объём, но сохраняет количества растворённых комплексов металлов:
\[ n_{\mathrm{Au},0} =(500\ \mathrm L)(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =5.00\ \mathrm{mol}, \]
\[ n_{\mathrm{Ag},0} =(500\ \mathrm L)(0.0030\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =1.50\ \mathrm{mol}. \]
Конечный объём раствора составляет
\[ V_f=\frac{500}{3}\ \mathrm L=166.7\ \mathrm L. \]
Оба комплекса могут восстанавливаться цинком:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Au}} =-0.60-(-1.26)=+0.66\ \mathrm V, \]
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Ag}} =-0.31-(-1.26)=+0.95\ \mathrm V. \]
Комплекс серебра имеет более высокий потенциал восстановления. Кроме того, любое выделившееся золото может восстанавливать комплекс серебра:
\[ \ce{Au + [Ag(CN)2]- -> [Au(CN)2]- + Ag}, \]
причём
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=-0.31-(-0.60)=+0.29\ \mathrm V. \]
Таким образом, в рамках заданного приближения о протекании реакций до конца металлическое золото не может сохраняться, пока остаётся заметное количество комплекса серебра: доступная восстановительная способность расходуется прежде всего на выделение серебра.
Используя \(M(\ce{Zn})=65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем
\[ n_{\mathrm{Zn}}=\frac{40\ \mathrm g}{65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.6116\ \mathrm{mol}. \]
Каждый моль цинка отдаёт два моля электронов, тогда как для восстановления каждого моля комплекса серебра требуется один моль электронов:
\[ \ce{Zn + 2[Ag(CN)2]- -> [Zn(CN)4]^2- + 2Ag}. \]
Следовательно,
\[ n_{\mathrm{Ag\ deposited}}=2n_{\mathrm{Zn}} =1.2232\ \mathrm{mol}<1.50\ \mathrm{mol}. \]
Весь цинк расходуется до того, как успевает выделиться всё серебро. Поэтому оставшиеся количества составляют
\[ n_{\mathrm{Ag},f}=1.50-1.2232=0.2768\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Au},f}=5.00\ \mathrm{mol}. \]
Пренебрегая изменением объёма при добавлении цинка, получаем
\[ [\ce{[Au(CN)2]-}] =\frac{5.00}{500/3} =\boxed{0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}, \]
\[ [\ce{[Ag(CN)2]-}] =\frac{0.2768}{500/3} =1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — Концентрация цианида для связывания 99 мол.% золота в комплекс
Равновесие образования комплекса имеет вид
\[ \ce{Au+ + 2CN- <=> [Au(CN)2]-}, \]
причём
\[ K_f= \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]} {[\ce{Au+}][\ce{CN-}]^2} =4\times10^{28}. \]
Если предположить, что растворённое золото присутствует только в виде свободных ионов золота(I) и его дицианокомплекса, то доля связанного в комплекс золота \(0.99\) означает
\[ \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]}{[\ce{Au+}]} =\frac{0.99}{0.01}=99. \]
Следовательно, подставляя численные значения концентраций в \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\), получаем
\[ [\ce{CN-}]^2=\frac{99}{4\times10^{28}}, \]
и
\[ [\ce{CN-}] =4.97\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
Это минимальная концентрация свободного цианида, необходимая для связывания не менее 99% золота в комплекс в рамках данной модели.
Общее необходимое количество цианида натрия также включает цианид, входящий в состав комплексов. Например, если золото — единственный компонент, связывающий цианид, и протонированием можно пренебречь, то
\[ C_{\mathrm{CN,total}} =[\ce{CN-}]+2[\ce{[Au(CN)2]-}] =[\ce{CN-}]+1.98C_{\mathrm{Au,total}}. \]
Таким образом, очень малая концентрация свободного цианида сама по себе не определяет общую дозу цианида натрия.
5.4 — Причина поиска альтернативных процессов
Цианид высокотоксичен. Цианидсодержащие растворы и отходы могут представлять опасность для работников, загрязнять воду и наносить вред дикой природе, особенно при утечках или аварийных выбросах. Эти риски для здоровья и окружающей среды служат причиной разработки альтернативных процессов извлечения.
Поэтому следует выбрать тот вариант в бланке ответов, в котором указаны токсичность цианида и её последствия для окружающей среды.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1998 · مسألة نظرية 5
استخلاص الذهب بالسيانيد
يوجد الذهب الفلزي كثيرًا في صخور الألومينوسيليكات، ويكون مشتتًا فيها على نحو دقيق بين المعادن الأخرى. ويمكن استخلاصه بمعالجة الصخر المسحوق بمحلول سيانيد الصوديوم المهوّى. وخلال هذه العملية، يتحول الذهب الفلزي ببطء إلى \(\ce{[Au(CN)2]-}\)، وهو قابل للذوبان في الماء (التفاعل 1).
بعد الوصول إلى الاتزان، يُسحب الطور المائي بالضخ، ويُسترجع منه الذهب الفلزي بتفاعل معقّد الذهب مع الزنك، الذي يتحول إلى \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) (التفاعل 2).
5.1 اكتب معادلتين أيونيتين موزونتين للتفاعلين (1) و(2).
يوجد الذهب في الطبيعة كثيرًا في صورة سبيكة مع الفضة، التي تتأكسد أيضًا بمحلول سيانيد الصوديوم المهوّى.
5.2 بُخّر خمسمائة لتر (500 L) من محلول تركيزه 0.0100 M من \(\ce{[Au(CN)2]-}\) و0.0030 M من \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) حتى أصبح حجمه ثلث الحجم الأصلي، ثم عولج بالزنك (40 g). بافتراض أن الانحراف عن الظروف القياسية غير مؤثر، وأن جميع تفاعلات الأكسدة والاختزال هذه تتم عمليًا حتى الاكتمال، احسب تركيزي \(\ce{[Au(CN)2]-}\) و\(\ce{[Ag(CN)2]-}\) بعد توقف التفاعل.
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2- + 2e- -> Zn + 4CN-}\) | \(E^\circ=-1.26\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.60\ \mathrm{V}\) |
| \(\ce{[Ag(CN)2]- + e- -> Ag + 2CN-}\) | \(E^\circ=-0.31\ \mathrm{V}\) |
5.3 يُعدّ \(\ce{[Au(CN)2]-}\) معقّدًا شديد الثبات في ظروف معينة. ما تركيز سيانيد الصوديوم اللازم لإبقاء 99 mol% من الذهب في المحلول على هيئة معقّد السيانيد؟ \(\{\ce{[Au(CN)2]-}:K_f=4\times10^{28}\}\)
5.4 بُذلت جهود عديدة لتطوير عمليات بديلة لاستخلاص الذهب يمكن أن تحل محل هذه العملية. لماذا؟ اختر أحد الخيارات الواردة في ورقة الإجابة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
5.1 \[ \ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-} \tag{1} \] \[ \ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-} \tag{2} \]
-
5.2 \[ \boxed{[\ce{[Au(CN)2]-}]=0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] \[ \boxed{[\ce{[Ag(CN)2]-}]\approx1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] تستهلك الفضة القدرة الاختزالية المتاحة؛ ويبقى الذهب في المحلول.
-
5.3 \[ \boxed{[\ce{CN-}]_{\mathrm{free}}\approx5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}} \] هذا هو تركيز السيانيد الحر عند الاتزان. ويجب أن يشمل التركيز التحليلي الكلي لسيانيد الصوديوم السيانيد المرتبط أيضًا.
-
5.4 اختر الخيار الذي ينص على أن السيانيد شديد السمية، وأن استخدامه ينطوي على مخاطر جسيمة على البيئة والصحة.
الحل
للأنواع الجزيئية والأيونية المستخدمة في الحل الأسماء وتمثيلات SMILES الآتية. وفي المعقّدات التناسقية، تستخدم تمثيلات SMILES ترميز الروابط التناسقية، حيث تمنح ذرة الكربون في السيانيد زوجًا إلكترونيًا إلى الفلز.
| الصيغة | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{NaCN}\) | سيانيد الصوديوم | [Na+].[C-]#N |
| \(\ce{CN-}\) | أيون السيانيد | [C-]#N |
| \(\ce{[Au(CN)2]-}\) | أيون ثنائي سيانيدو أورات(I) | N#[C-]->[Au+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Ag(CN)2]-}\) | أيون ثنائي سيانيدو أرجنتات(I) | N#[C-]->[Ag+]<-[C-]#N |
| \(\ce{[Zn(CN)4]^2-}\) | أيون رباعي سيانيدو زنكات(II) | [Zn+2](<-[C-]#N)(<-[C-]#N)(<-[C-]#N)<-[C-]#N |
| \(\ce{Au+}\) | أيون الذهب(I) | [Au+] |
| \(\ce{O2}\) | ثنائي الأكسجين | O=O |
| \(\ce{H2O}\) | الماء | O |
| \(\ce{OH-}\) | أيون الهيدروكسيد | [OH-] |
معقّدا الذهب(I) والفضة(I) خطّيان، وترتبط ربيطات السيانيد فيهما عبر ذرة الكربون؛ أما معقّد الزنك(II) فله بنية رباعية السطوح. ولا تحدد تمثيلات SMILES هذه الأشكال الهندسية. وللذهب والفضة والزنك في صورتها العنصرية تمثيلات SMILES ذرية هي [Au] و[Ag] و[Zn]، على الترتيب؛ ولا تصف هذه التمثيلات شبكاتها الفلزية.
5.1 — المعادلات الأيونية الموزونة
في التفاعل (1)، يتأكسد الذهب من حالة الأكسدة \(0\) إلى \(+1\):
\[ \ce{Au + 2CN- -> [Au(CN)2]- + e-}. \]
يستقبل الأكسجين الموجود في المحلول المهوّى الإلكترونات. وفي المحلول القلوي، تكون معادلة نصف تفاعل اختزاله
\[ \ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}. \]
بضرب معادلة نصف تفاعل الذهب في أربعة ثم الجمع، نحصل على
\[ \boxed{\ce{4Au + 8CN- + O2 + 2H2O -> 4[Au(CN)2]- + 4OH-}}. \]
في التفاعل (2)، يتأكسد الزنك من \(0\) إلى \(+2\):
\[ \ce{Zn + 4CN- -> [Zn(CN)4]^2- + 2e-}. \]
يُختزل الذهب(I) إلى ذهب فلزي:
\[ \ce{[Au(CN)2]- + e- -> Au + 2CN-}. \]
بضرب معادلة اختزال الذهب في اثنين ثم الجمع، تُحذف كل من الإلكترونات وأيونات السيانيد الحرة من طرفي المعادلة:
\[ \boxed{\ce{2[Au(CN)2]- + Zn -> 2Au + [Zn(CN)4]^2-}}. \]
5.2 — التراكيز بعد المعالجة بالزنك
يغيّر التبخير الحجم، لكنه يحافظ على كميات معقّدات الفلزات المذابة:
\[ n_{\mathrm{Au},0} =(500\ \mathrm L)(0.0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =5.00\ \mathrm{mol}, \]
\[ n_{\mathrm{Ag},0} =(500\ \mathrm L)(0.0030\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) =1.50\ \mathrm{mol}. \]
الحجم النهائي للمحلول هو
\[ V_f=\frac{500}{3}\ \mathrm L=166.7\ \mathrm L. \]
يمكن اختزال كلا المعقّدين بالزنك:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Au}} =-0.60-(-1.26)=+0.66\ \mathrm V, \]
\[ E^\circ_{\mathrm{cell,Ag}} =-0.31-(-1.26)=+0.95\ \mathrm V. \]
لمعقّد الفضة جهد الاختزال الأعلى. وعلاوة على ذلك، يمكن لأي ذهب مترسّب أن يختزل معقّد الفضة:
\[ \ce{Au + [Ag(CN)2]- -> [Au(CN)2]- + Ag}, \]
حيث
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=-0.31-(-0.60)=+0.29\ \mathrm V. \]
لذلك، وفق التقريب المفروض بأن التفاعلات تتم حتى الاكتمال، لا يمكن أن يبقى الذهب الفلزي ما دامت هناك كمية يُعتدّ بها من معقّد الفضة: فالقدرة الاختزالية المتاحة تُستخدم لترسيب الفضة أولًا.
باستخدام \(M(\ce{Zn})=65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ n_{\mathrm{Zn}}=\frac{40\ \mathrm g}{65.4\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.6116\ \mathrm{mol}. \]
يوفّر كل مول من الزنك مولين من الإلكترونات، بينما يتطلب كل مول من معقّد الفضة مولًا واحدًا:
\[ \ce{Zn + 2[Ag(CN)2]- -> [Zn(CN)4]^2- + 2Ag}. \]
وبالتالي،
\[ n_{\mathrm{Ag\ deposited}}=2n_{\mathrm{Zn}} =1.2232\ \mathrm{mol}<1.50\ \mathrm{mol}. \]
يُستهلك الزنك كله قبل أن تترسّب الفضة كلها. ولذلك تكون الكميات المتبقية
\[ n_{\mathrm{Ag},f}=1.50-1.2232=0.2768\ \mathrm{mol}, \qquad n_{\mathrm{Au},f}=5.00\ \mathrm{mol}. \]
بإهمال أي تغير في الحجم عند إضافة الزنك،
\[ [\ce{[Au(CN)2]-}] =\frac{5.00}{500/3} =\boxed{0.0300\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}, \]
\[ [\ce{[Ag(CN)2]-}] =\frac{0.2768}{500/3} =1.66\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{1.7\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
5.3 — تركيز السيانيد اللازم لتعقيد 99 mol%
اتزان التكوّن هو
\[ \ce{Au+ + 2CN- <=> [Au(CN)2]-}, \]
حيث
\[ K_f= \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]} {[\ce{Au+}][\ce{CN-}]^2} =4\times10^{28}. \]
بافتراض أن الذهب المذاب لا يوجد إلا على هيئة ذهب(I) حر ومعقّده ثنائي السيانيدو، فإن كون الكسر المعقّد \(0.99\) يعني
\[ \frac{[\ce{[Au(CN)2]-}]}{[\ce{Au+}]} =\frac{0.99}{0.01}=99. \]
ومن ثم، باستخدام القيم العددية للتراكيز بوحدة \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)،
\[ [\ce{CN-}]^2=\frac{99}{4\times10^{28}}, \]
و
\[ [\ce{CN-}] =4.97\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \approx\boxed{5\times10^{-14}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}}. \]
هذا هو الحد الأدنى لتركيز السيانيد الحر اللازم لتعقيد 99% على الأقل ضمن هذا النموذج.
تشمل الكمية الكلية المطلوبة من سيانيد الصوديوم أيضًا السيانيد الداخل في تكوين المعقّدات. فعلى سبيل المثال، إذا كان الذهب هو النوع الوحيد الذي يرتبط بالسيانيد، وأُهملت البروتنة، فإن
\[ C_{\mathrm{CN,total}} =[\ce{CN-}]+2[\ce{[Au(CN)2]-}] =[\ce{CN-}]+1.98C_{\mathrm{Au,total}}. \]
لذلك، فإن تركيز السيانيد الحر الضئيل جدًا لا يحدد بمفرده الجرعة الكلية من سيانيد الصوديوم.
5.4 — سبب البحث عن عمليات بديلة
السيانيد شديد السمية. ويمكن للمحاليل والنفايات المحتوية على السيانيد أن تعرّض العاملين للخطر، وتلوّث المياه، وتضر بالحياة البرية، ولا سيما عقب التسربات أو الانبعاثات العرضية. وهذه المخاطر الصحية والبيئية تدفع إلى تطوير عمليات استخلاص بديلة.
وعليه، فإن الخيار المناسب في ورقة الإجابة هو الذي يشير إلى سمية السيانيد وعواقبها البيئية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.