Хроматография

Работа №1. Ионообменная хроматография. Концентрирование ионов Сu²⁺ и Мn²⁺

Хроматографическая колонка с катионитом КУ-2:

1– проба (элюент); 2 – катионит КУ-2; 3 – стеклянная вата; 4 – элюат.

Цель работы: познакомиться с методом ионообменной хроматографии и осуществить процесс концентрирования катионов из очень разбавленных растворов.

Сущность работы

Концентрирование ионов Сu²⁺ и Мn²⁺ из очень разбавленных растворов достигается за счет сорбции их на сильнокислотном катионообменнике КУ-2 в Н-форме:

2RH + Cu²⁺(Mn²⁺) ↔ R₂Cu(Mn) + 2Н⁺

При последующем промывании колонки малым объемом рас­твора серной кислоты ионы Сu²⁺ и Мn²⁺ десорбируются из катионообменника:

R₂Cu + H₂SO₄ ↔ 2RH + CuSO₄

В результате получают раствор (элюат) с повышенной концен­трацией меди и марганца по сравнению с исходным раствором.

Наличие ионов Fe³⁺ и Cu²⁺ и их сравнительное количественное содержание определяют качественными реакциями, сравнивая количество образующегося осадка и интенсивность окрашивания раствора.

Выполнение работы

Подготовка катионообменника. В стакане или колбе готовят суспензию катионита КУ-2 с водой. На дно ионообменной колонки помещают кусочек стеклянной ваты и через воронку вносят катионит КУ-2 вместе с водой так, чтобы частицы катионита плотно прилегали друг к другу. Контакт катионита с воздухом недопустим. Колонку заполняют катионитом на 1/3 объема.

Переведение катионообменника в Н-форму. Через колонку пропускают 100 мл 2 М раствора НСl (или H₂SO₄) со скоростью 1–2 капли/с. Затем катионообменник отмывают от кислоты 150–200 мл дистиллированной воды (скорость пропускания 2–3 капли/с). При этом периодически прове­ряют рН среды с помощью универсальной индикаторной бумаги. Промывание проводят до получения значения рН=5-6. Необходимо следить за тем, чтобы над слоем катионообмен­ника все время находилась жидкость. В случае появления в ко­лонке пузырьков воздуха катионообменник взрыхляют стеклян­ной палочкой.

Проведение ионного обмена. Концентрирование ионов Сu²⁺ и Мn²⁺. Перед началом работы отбирают в 2 пробирки по 1 мл исходного раствора. Анализируемый раствор (~150 мл), содержащий микропримеси ионов Сu²⁺ и Мn²⁺, пропускают через колонку с катионообменником КУ-2 в Н-форме со скоростью 2 капли/с. После этого для десорбции ионов Сu²⁺ и Мn²⁺ пропускают через колонку 2 порции 1 М раствора H₂SO₄ по 25 мл. Вытекающий из колонки раствор собирают в мерную колбу вместимостью 100 мл.

Обнаружение катионов Сu²⁺ и Мn²⁺ качественными реакциями.

Катион Сu²⁺ с гексацианоферратом(II) калия (K₄[Fe(CN)₆]) при рН 4-6 образует красно-бурый осадок по уравнению:

2Сu²⁺ + [Fe(CN)₆]^4– = Сu₂[Fe(CN)₆]↓.

Проводят осаждение до и после концентрирования и сравнивают объем образовавшегося осадка. Для этого отбирают в 2 пробирки по 1 мл анализируемого раствора до и после концентрирования, приливают по несколько капель раствора K₄[Fe(CN)₆] и сравнивают объемы образовавшегося осадка Сu₂[Fe(CN)₆].

Катион Мn²⁺ обнаруживают реакцией окисления до МnO₄¯ в кислой среде с помощью PbO₂. Реакции проводят в азотнокислой среде (рН < 2). При умеренном нагревании и малой концентрации Mn²⁺ окисление идет по схеме:

2Mn²⁺ + 5PbO₂ + 4H⁺ = 2MnO₄^– +5Pb²⁺ + 2H₂O

Для выполнения реакции необходимо поместить в пробирку немного PbO₂, добавить 1 мл 6 N HNO₃, нагреть. Через 1-2 минуты рассмотреть цвет раствора. Если малиновой окраски не наблюдается, добавить 1 мл раствора, взятого до концентрирования Mn²⁺.

Обнаружение катионов Мn²⁺ после концентрирования провести аналогичным образом. Необходимо учитывать, что в данном случае избыток Mn²⁺ может привести к восстановлению образующегося MnO₄^–:

2MnO₄^– + 3Mn²⁺ + 7H₂O = 5MnO(OH)₂ ↓+ 4H⁺

Работа №2. Ионообменная хроматография. Разделение ионов Fe³⁺ и Сu²⁺

Цель работы: Провести разделение катионов железа(III) и меди(II) при их совместном присутствии методом ионообменной хроматографии на катионообменнике в NH₄-форме.

Сущность работы

Разделение катионов Fe³⁺ и Сu²⁺ методом ионообменной хро­матографии основано на способности этих ионов образовывать в аммиачной среде в присутствии сульфосалициловой кислоты ком­плексные ионы противоположного знака – анионы трисульфосалицилата железа и катионы аммиаката меди:

При протекании через колонку с катионообменником в NH₄-форме смеси комплексных ионов отрицательно заряженный ион трисульфосалицилата железа не сорбируется на колонке, а ком­плексные катионы меди поглощаются катионоообменником:

2RNH₄ + [Cu(NH₃)₄]²⁺ ↔ R₂[Cu(NH₃)₄] + 2NH₄⁺

Применять ионообменник в Н-форме нельзя, так как в про­цессе ионного обмена создается кислая среда, в которой комплекс железа с сульфосалициловой кислотой разрушается, и ионы Fe³⁺ будут сорбироваться вместе с ионами Сu²⁺.

Ионы Сu²⁺ из катионообменника извлекают 2 М раствором НСl:

R₂[Cu(NH₃)₄] + 6НСl ↔ 2RH + CuCl₂ + 4NH₄Cl

Наличие ионов Fe³⁺ и Cu²⁺ определяют качественными реакциями.

Выполнение работы

Подготовка катионообменника. Осуществляется аналогично предыдущей работе.

Переведение катионообменника в NH-форму. Через катионообменник в Н-форме пропускают 100 мл 5%-ного раствора аммиа­ка. Жидкость в колонке спускают до верхнего слоя катионообменника.

Разделение смеси катионов. В стакан вместимостью 100 мл, со­держащий 50 мл анализируемого раствора смеси ионов Fe³⁺ и Сu²⁺, до­бавляют 6 мл 10%-ного раствора сульфосалициловой кислоты, перемешивают и приливают 4 мл концентрированного раствора аммиака. Полученную смесь пропускают через колонку с катионообменником в NН₄-форме со скоростью 1–2 капли/с.

Для полного вымывания ионов Fe³⁺ через колонку порциями по 5–10 мл пропускают около 40 мл элюента (смесь 4 мл рас­твора сульфосалициловой кислоты, 4 мл концентрированного раствора аммиака и 32 мл дистиллированной воды). Вытекающий из колонки элюат с момента внесения в нее анализируемой смеси собирают в колбу вместимостью 100 мл (раствор 1).

После извлечения анионов трисульфо­салицилата железа катионообменник промывают 20 мл дистил­лированной воды, которую собирают отдельно и отбрасывают.

Для извлечения Сu²⁺ через колонку пропускают около 50 мл 2 н раствора НСl (или H₂SO₄) порциями по 5-10 мл. Раствор, вытекающий из колонки, собирают в колбу вместимостью 100 мл (раствор 2). Катионообменник в ходе извлечения ионов Сu²⁺ переходит в Н-форму и после отмывания от кислоты может быть снова использован для работы.

Обнаружение катионов Сu²⁺ и Fe³⁺ качественными реакциями.

Катион Fe³⁺ образует с гексацианоферратом (II) калия (K₄[Fe(CN)₆]) темно-синий осадок «берлинской лазури»:

Fe³⁺ + K⁺ + [Fe(CN)₆]^4- ⇆ KFe[Fe(CN)₆]↓

Для маскирования катионов железа (III) используется реакция комплексообразования со фторид-ионами:

Fe³⁺ + 6I^- ⇆ [FeF₆]^3-

Катион Сu²⁺ с гексацианоферратом (II) калия (K₄[Fe(CN)₆]) при рН 4-6 образует красно-бурый осадок по уравнению:

2Сu²⁺ + [Fe(CN)₆]^4– = Сu₂[Fe(CN)₆]↓.

Кроме того, катион меди образует лазурно-синий аммиакат [Cu(NH₃)₄]²⁺

Выполнение реакции. В две пробирки отобрать по 1 мл раствора 1 и добавить в каждую 2-3 капли соляной кислоты. В одну пробирку добавить несколько капель раствора гексацианоферрата (II) калия, а во вторую – 1 мл раствора фторида натрия и затем также несколько капель раствора гексацианоферрата (II) калия. В первой пробирке происходит образование характерного осадка, а во второй при условии отсутствия ионов меди образования осадка происходить не будет.

Еще в одну пробирку отобрать 1 мл раствора 2, добавить 2-3 капли соляной кислоты и несколько капель раствора гексацианоферрата (II) калия.