Лабораторна робота № 13

ІОНООБМІННА ХРОМАТОГРАФІЯ.

ВИЗНАЧЕННЯ ВМІСТУ НАТРІЙ АЦЕТАТУ В РОЗЧИНІ.

Мета роботи: вивчення явища іонообмінної хроматографії, розрахування вмісту натрій ацетату в вихідному розчині.

Іонообмінна хроматографія заснована на оборотному стехіометрічному обміні іонів, що містяться в розчині, на іони, що входять до складу іонітів. Іоніти, що вступають в обмін з катіонами, називаються катіонітами; іоніти, що реагують з аніонами, – аніонітами.

Метод іонного обміну експериментально нескладний і легко доступний. Розчин, що містить досліджувані іони, пропускають з невеликою швидкістю через стовпчик (скляна трубка з краном), наповнений твердою речовиною – іонітом; при цьому відбувається процес хімічної взаємодії активних груп у твердій фазі з іонами в розчині – іонний обмін, що протікає в строго еквівалентних кількостях.

Характеристика іонітів

Застосовувані в практиці іоніти представляють собою тверді матеріали природного чи штучного походження, мінеральної чи органічної природи.

Найбільше поширення мають отримані синтетичним шляхом високомолекулярні органічні сполуки – іоннообмінні смоли.

Такі іоніти представляють собою тверді речовини, які виготовлені у виді зерен чи гранул. Гранули мають тривимірну сітчасту структуру, що складається з довголанцюгових органічних молекул, зв'язаних рідкими містками такого ж складу. У вуглецевому каркасі (чи матриці полімеру) закріплена велика кількість функціональних, активних у відношенні іонного обміну, груп.

Катіоніти звичайно містять у своїх молекулах функціональні кислотні групи з рухливим іоном водню: сульфогрупу -SO₃H, фосфогрупу -РО(OН)₂ чи карбоксильну групу -СООН.

Аніоніти представляють собою поліаміни, тобто містять функціональні групи: -NH₂; =NH; º N; -NR₂; -NHR; -N⁺ (R)₃, де R-органічний радикал.

Іоногенні групи вводяться при конденсації чи полімеризації мономерів. Так, наприклад, іоннообмінна смола - катіоніт КУ-2 - виходить при полімеризації стиролу. При наступній обробці, наприклад сульфатною кислотою, сульфогрупа хімічно зв'язується з бензеновими ядрами матриці:

Після сульфування гранули полістиролу здобувають здатність до іонного обміну.

Аніонні групи (-SO₃^-) міцним ковалентним зв'язком з'єднані з полімерною матрицею (Z) і визначають її негативний заряд. Уся матриця стає як би гігантським макроаніоном. Іони гідрогену вільно переміщуються в масі гранули, але не виходять за її межі завдяки силам електростатичного притяжіння до аніонів.

Процеси іонного обміну

Якщо у воді є інші, більш важкі катіони (Na⁺, K⁺, Ca⁺², Cu⁺² і т.п.), то вони витискують з гранул протони, що переходять у розчин, а самі стають на їхнє місце:

Z(SO₃H)₂ + 2NaCl = Z(SO₃Na)₂ +2HCl

Розчин при цьому здобуває кислу реакцію за рахунок витиснутих протонів з іоніту.

Таким способом відбувається іонний обмін, у даному випадку обмін катіонів. Тому сульфований полістирол є катіонообмінним чи іонітом- катіонітом (сульфокатіонітом КУ – 2).

В аніонообмінних смолах (аніонітах) з матрицею нерухомо зв'язані катіонні групи, а обмінюються рухливі аніонні групи.

Наприклад, обмін рухливої ОН – групи на аніони хлору відбувається за схемою:

Z(CH₂NH₃OH)₂ +2HCl = Z(CH₂NH₃Cl)₂ + 2H₂O

Кількісною характеристикою іонітів є величина обмінної ємності чи число ммоль еквівалентів іонів, що може поглинути визначена наважка іоніту (1г). Наприклад, повна об'ємна ємність (ПОЄ) катіоніту КУ – 2 складає 4, 8 ммоль екв/м.

Завдяки ґратчастій будові матриці гранули іоніту пронизані дрібними порами, у які може проникати вода й інші рідини. При цьому відбувається процес набрякання іоніту. Чим рідше вуглецева сітка, тим скоріше відбувається дифузія іонів в іоніті, а отже збільшується швидкість іонного обміну.

Крім структур на величину обмінної ємності іонітів впливають також умови їхньої експлуатації: наприклад, рН розчинів, швидкість фільтрування й ін. Тому в реальних умовах використовується лише частина в повній обмінній ємності (робоча обмінна ємність – РОЄ).

Вплив рН на величину обмінної здатності всіх іонітів дуже велика: зі збільшенням рН збільшується обмінна ємність катіонітів і зменшується обмінна ємність аніонітів.

При рівних умовах краще витягуються з розчинів багатовалентні іони. Наприклад, іони металів за їхнею здатністю переходити на катіонообмінну смолу розташовуються в наступний ряд:

Ме⁺⁴, Ме⁺³, Ме⁺², Ме⁺¹.

Цю закономірність, однак, можна змінити збільшенням концентрації іонів, що і використовується при регенерації іонітів.

Якщо після завершення іонного обміну на катіоніт подіяти кислотою, то він регенірується і знову переходить в активну н – форму. Регенерація аніоніту виробляється розчином лугу.

Реактиви і прилади.

1. 2 н розчин хлоридної кислоти

2. 0, 1н розчин натрій гідроксиду

3. Індикатор - метиловий оранжевий (етанольний розчин, w=1%)

4. Індикатор – фенолфталеїн (етанольний розчин, w=1%)

5. Стовпчик з катіонітом КУ – 2.

6. Піпетка Мора (об’ємом 10 см³).

6. Мірна бюретка (об’ємом 25 см³).

7. Конічна колба (об’ємом 250 см³).

8. Хімічний стакан (об’ємом 300 см³).

9. Мірна колба (об’ємом 100 см³).

Методика визначення:

Через іонообмінну колонку, заповнену катіонітом, пропускають 80 см³ розчину 2 н НСl. При цьому здійснюється перетворення катіоніту в Н – форму, здатну обмінювати іони водню. Через 3 – 5 хвилин розчин НСl випускають з колонки і промивають катіоніт від залишків вільної соляної кислоти дистильованою водою. Вимивання НСl забеспечувається пропусканням 200 – 250 см³ води через колонку. Повноту вимивання перевіряють за допомогою метилового оранжевого. Якщо розчин забарвився в жовтий колір (нейтральне середовище), то повнота вимивання НСl забеспечена. Забарвлення індикатора в оранжевий колір (кисле середовище) говорить про необхідність продовжувати вимивання кислоти.

Одержаний у мірній колбі об’ємом 100 см³ досліджуваний розчин натрій ацетату розводять дистильованою водою до позначки і перемішують. Піпеткою Мора відбирають з мірної колби аліквоту розчину натрій ацетату і переносять в іонообмінну колонку. На катіоніті відбувається іонний обмін:

R-H + CH₃COONa -> R-Na + CH₃COOH

Через 3 – 5 хвилин утворену в результаті іонного обміну оцтову кислоту випускають з колонки в конічну колбу об’ємом 250 см³. Залишки CH₃COOН вимивають в цю ж колбу дистильованою водою. Після пропускання через колонку близько 150 – 200 см³ дистильованої води перевіряють повноту вимивання CH₃COOН за допомогою метилового оранжевого.

Зібраний в конічній колбі розчин оцтової кислоти відтитровують титрованим розчином лугу в присутності індикатора фенолфталеїну.

Вміст натрій ацетату в пробі розраховують за формулою:

, г

Завдання для самостійної роботи

Підготувати теоретичний матеріал за темою, оформити лабораторний журнал, підготуватися до відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання:

1. Сутність методу іонного обміну.

2. Характеристика іонітів.

3. Що таке обмінна ємність іонітів, що впливає на її величину?

4. Як відбуваються реакції іонного обміну?

5. Застосування іонного обміну (для яких цілей)?

ВЛАСТИВОСТІ І ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛОЇДНИХ СИСТЕМ