Уральский Федеральный Университет

Физико-технологический институт

Кафедра Физико-Химических Методов Анализа

Отчёт по лабораторной работе

«Разделение и определение меди и железа (III)

при их совместном присутствии.»

Преподаватели: Данилов Д.А.

Кубрина Е.Д.

Студенты: Сапунов А.Г.

Хитрых А.В.

Екатеринбург

2024 г.

Теоретическое введение

Ионообменная хроматография

В основе метода лежит обмен ионами между двумя фазами, одна из которых является неподвижной, в качестве которой выступает неорганический или синтетический органический ионообменник, а другая, является подвижной, которую непрерывно пропускают через неподвижную фазу.

В качестве подвижной фазы выступают растворы кислот, солей, оснований, буферные растворы с различным значением pH, растворы комплексообразующих реагентов и т.д.

В качестве неподвижной фазы чаще всего применяются синтетические органические ионообменники (иониты). Иониты можно представить себе состоящем из основы, матрицы, которая содержит фиксированные функциональные группы. Часть этих функциональных групп жестко связана с матрицей, вследствие чего последняя несет на себе тот или иной заряд. Этот заряд компенсируется подвижными ионами функциональных групп, которые называют противоионами, что в свою очередь обуславливает способность ионита к обмену ионов на ионы, находящиеся в растворе. В соответствии с природой функциональных групп иониты бывают катионообменниками или катионитами, анионообменниками или анионитами, амфолитами, проявляющими склонность к обмену как катионов, так и анионов, и комплексообразующими иониты, в которых помимо ионной связи происходит образование дополнительной координационной связи с обмениваемым ионом.

RH + Na⁺ RNa + H⁺ - катионный обмен

R`OH + Cl<sup>-</sup> R`Cl + OH^- - анионный обмен

(R –полианион катионообменника, R’ – поликатион анионообменника)

Коэффициент селективности характеризует относительное удерживание или относительную подвижность двух разделяемых веществ:

Если α_А,В >1, то это означает, что находящийся в растворе ион В имеет большее сродство к иониту, чем ион А. Если α_А,В<1, то будет преобладать противоположный процесс.

Коэффициент селективности ионного обмена зависит от природы ионита и обмениваемых ионов, от концентрации иона в растворе, pH, комплексообразования, температуры и т.д. Ограничением органических ионообменных материалов является их не высокая селективность.

Наиболее значительными факторами, влияющими на селективность, являются величина заряда иона и его размер. Ионы, имеющие одинаковые заряд, будут сорбироваться ионообменником тем лучше, чем больше радиус иона. При сравнении степени сродства ионов с разными зарядами, можно сказать, что с увеличением заряда иона увеличивается и сорбция.

С разбавлением раствора увеличивается сорбция с более высоким зарядом.

Ионообменное равновесие зависит от ионной силы раствора. Это особенно резко выражено при её небольших значениях. Чем меньше ионная сила раствора, тем лучше

В данной работе используется ионообменная смола - КУ-2 (в NH 4 + - форме), на которой, необходимо реализовать разделение ионов меди и железа (III).

Часть I. Определение фактора разделения меди и железа (III).

Цель: Нахождение оптимальных условий хроматографического разделения элементов – определение фактора разделения α_А/В.

Задачи: 1. Провести ряд измерений сорбции ионов на катионите статическим способом, в предложенных условиях.

2. На основе полученных результатов, рассчитать коэффициент распределения K_D, для каждого из ионов.

3. Определить факторы разделения меди и железа, выбрать оптимальные условия разделения этих элементов.

Оборудование: Бюретка, электрическая плитка, конические колбы, пластиковые пробирки с крышками, мерные пипетки, груша, мерные цилиндры, химический стакан, индикаторная бумага.

Реактивы: ра-р CuSO₄ (C~0,05М), ра-р FeCl₃(C~0,05М), ра-р HCl (C=1М), Трилон Б(C=0,05М), ра-р NH₄OH (1:1), ра-р NH₄OH (ω=10%), ра-р лимонной кислоты (ω=20%), ра-р NH₄Сl (C=0,1M), Мурексид (насыщ.рас-р), ра-р ПАН (ω=10%), Катионит КУ-2 в NH₄⁺ -форме.

Подготовительная часть:

Перед началом измерений, были определены концентрации солей меди и железа, комплексонометрическим методом.

Условия титрования железа (III):

Среду выравнивают до pH=1 добавляя HCl 1M, затем раствор нагревают до 60-70°C, вводят пару капель раствора сульфосалициловой кислоты и титруют раствором комплексона III, до перехода тёмно-красной окраски в жёлтую.

Условия титрования меди:

а) Когда отсутствуют цветовые наложения: исследуемый раствор нейтрализуют до pH=8, помощью раствора аммиака (1:1) до тех пор, пока от одной капли аммиака не появляется голубое окрашивание, затем добавляют 10мл 1М раствора NH₄Cl, 8-10 капель насыщенного раствора мурексида и титруют раствором комплексона III до перехода жёлтой окраски в фиолетовую.

* Раствор CuSO₄ имеет характерный голубоватый цвет, Мурексид, как правило, имеет переход из красно-фиолетового – в фиолетовый, однако, такой переход нельзя увидеть, если медь находится в растворе, в виде обычных ионов. Получается переход из слабо-фиолетового в фиолетовый, такой переход практически невозможно установить визуально.

б) В случае, когда есть наложение цветов: исследуемый раствор нейтрализуют до pH=6, помощью раствора аммиака (1:1), проверяя среду универсальной индикаторной бумагой, затем добавляют 1-3 капель 10% раствора ПАН и титруют раствором комплексона III до перехода индикатора из фиолетового в зеленовато-голубой цвет.

Результаты титрования:

Таблица 1 - Установленные концентрации солей.

Соль	CuSO4	FeCl3
Концентрация, М	0,0495	0,525

Произведённые расчёты:

Где: С_Т = 0,05 М концентрация титранта;

V_T объём, затраченный на титрование;

V_A = 10 мл, объём аликвоты соли, взятой на титрование.

*Параллели титрований было 2, каждая из параллелей не имела расхождений в объёме затраченного титранта.

Основная часть:

Для каждого элемента были подготовлены 4 пробы, отличающихся составом смеси, в которой проводилась сорбция. Информация, о составе каждой, представлена в таблице 2.

Таблица 2 – Составы смесей проб.

№ Пробы	1	2	3	4
Vсоли металла , мл	10	10	10	10
Vлимонная кислота, мл (ω=20%)	5	5	5	5
VNH4OH, мл (ω=10%)	10	1	-	-
VH2O, мл	-	9	10	-
VHCl, мл (С=1М)	-	-	-	10
Масса КУ-2, г	0,2016 0,2401	0,2060 0,2072	0,2000 0,2200	0,2100 0,2000

Приготовленные пробы периодически встряхивали вручную. Спустя один час, из проб были отобраны аликвоты и оттитрованы, в соответствии с необходимыми условиями. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты титрования проб.

Элемент	Cu2+				Fe3+
№ Пробы	1	2	3	4	1	2	3	4
VA, мл	5	5	5	5	5	5	10	10
VT, мл	2,0	1,5	0,8	1,7	2,0	2,0	3,2	4,0
CT, M	0,025	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05	0,05
Индикатор	Мурексид	ПАН			Сульфосалициловая кислота

На основе полученных данных, был произведён расчёт коэффициента распределения K_D. Исходная формула:

где: M₀ – общее количество элемента, содержащегося в исходном растворе, г

М – равновесное содержание элемента в растворе, г

V – суммарный объём раствора, мл

m – масса ионита, г.

Пример расчёта для первой пробы соли меди:

где, А – учёт соотношения взятой аликвоты к общему объёму раствора

М_Cu – молекулярная масса элемента

**выкладки расчётов по остальным пробам, представлены в Приложении 1.

Таблица 4 – Результаты расчётов коэффициента распределения и фактора разделения меди и железа (III).

№ опыта	KD(Fe)	KD(Cu)	α
1	5,23	121,53	23,24
2	16,38	38,84	2,37
3	35,51	184,38	5,19
4	5,62	19,60	3,49

Анализ полученных результатов:

В условиях первого опыта, наблюдается лучшее разделение элементов – разберём почему так:

Для меди, наблюдается лучшая сорбция. Медь, в данном растворе находится в форме комплексного иона (раствор имеет характерную синюю окраску) - аммиаката меди [Cu(NH₆)₄]²⁺ (lgK4=12.03), положительно заряженный ион с очень большим радиусом, (по сравнению с радиусом иона меди) в теории, может хорошо сорбироваться на ионите, что подтверждается практикой. При этом протекает реакция:

Железо (III), при тех же условиях может образовывать кислую соль FeC₆H₅O₇·(NH₄)₂C₆H₆O₇ – железо лимонноамичное зелёное, нейтральное соединение (плохо-растворимо в спирте), которое в теории плохо сорбируется на ионите, что подтвердилось и на практике.

Выводы: На основе рассчитанных факторов разделения, было принято решение об использовании условий первого опыта, так как именно в этих условиях наблюдается наибольшее значение фактора.