Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия. Практикум
.pdf
В этом случае в чистом виде получают только один наиме‑
нее сорбируемый компонент. Остальные зоны содержат два
и большее число компонентов смеси. Полное разделение
смеси на отдельные компоненты происходит при много‑
кратном повторении хроматографирования.
В вытеснительном варианте хроматографии в колон‑
ку после подачи разделяемой смеси вводят специальное ве‑
щество (вытеснитель), которое адсорбируется лучше любо‑
го из компонентов смеси. Разделяемые вещества при этом
образуют отдельные зоны.
7.2. Молекулярно-адсорбционная хроматография
Молекулярно‑адсорбционная хроматография заключа‑
ется в адсорбции компонентов смеси на поверхности адсор‑
бента. Адсорбция проходит в соответствии с теорией Ленг‑
мюра. Согласно этой теории, на поверхности твердых тел
имеются «активные центры», обладающие способностью
притягивать молекулы адсорбтива (газа, жидкости, раство‑
ренных веществ). Вследствие этого на поверхности адсор‑
бента образуется мономолекулярный адсорбционный слой.
Процесс адсорбции продолжается до момента установления
равновесия адсорбция ↔ десорбция.
В качестве адсорбентов используют многие твердые
вещества: активированный уголь, оксид алюминия, сили‑
кагель, кремниевую кислоту, сахарозу, крахмал, различные
полимеры.
Адсорбционную хроматографию проводят в хромато‑
графической колонке (трубка, заполненная адсорбентом).
При пропускании через колонку разделяемой смеси ее ком‑
поненты адсорбируются в порядке убывания их сродства
к адсорбенту.
Вследствие различной сорбционной способности ком‑
поненты разделяемой смеси распределяются в адсорбенте
101
слоями, образуя отдельные зоны. При продолжительном
пропускании элюэнта через колонку компоненты выходят
с потоком элюэнта в определенной последовательности:
первым – компонент с минимальным сродством к адсорбен‑
ту, последним – с наибольшим.
Если адсорбируемые вещества окрашены, то в хрома‑
тографической колонке образуется несколько окрашенных
зон, получается хроматограмма. По характеру хроматограм‑
мы можно судить о составе анализируемой смеси. Если ад‑
сорбируемые вещества бесцветны, то их можно обнаружить,
пропустив через колонку специальный реактив, образую‑
щий с этими веществами окрашенные продукты реакции.
Такой процесс называют «проявлением» хроматограммы,
а используемый реактив – проявителем.
7.3. Распределительная хроматография
Распределительная хроматография основана на рас‑
пределении компонентов смеси между двумя жидкими фа‑
зами, не смешивающимися друг с другом, – неподвижной
и подвижной. Неподвижная фаза находится в порах адсор‑
бента носителя, помещенного в колонку. Для разделения
анализируемой смеси ее вводят в колонку, в которой ком‑
поненты перемещаются с помощью подвижной фазы. При
этом происходит перераспределение компонентов смеси
между двумя фазами в соответствии с коэффициентом рас‑
пределения, который вычисляется по формуле
где С
– концентрация компонента в подвижной фазе,
п. ф.
моль/л;
С
– концентрация компонента в неподвижной фазе,
н. ф.
моль/л.
К =
С
С
102
п.ф.
н.ф.
,
7.4. Ионообменная хроматография
Ионообменная хроматография – это жидкостная хро‑
матография, основанная на различной способности разде‑
ляемых ионов к ионному обмену с ионами сорбента.
Сорбенты, применяемые в ионообменной хроматогра‑
фии, называют ионитами. Иониты – полимерные вещества,
содержащие ионогенные группы, способные к обмену ио‑
нов при контакте с растворами электролитов. Большинство
ионитов – твердые нерастворимые полиэлектролиты аморф‑
ной или кристаллической структуры. Их основу составляет
молекулярный каркас (матрица), на котором закреплены ио‑
ногенные группы.
По знаку заряда подвижных ионов различают катиони‑
ты (органические кислоты), аниониты (основания) и амфо‑
терные иониты (амфолиты).
Катионы обычно содержат в своих молекулах группы:
–Н, – SO3H, – COOH; аниониты: (–NH2), (=NH). Ионообмен‑
ный процесс на катионите происходит по схеме:
2RH + Ca
2 +
↔ R2Ca
2 +
+ 2H
+
Ионообменный процесс на анионите протекает по схеме:
2ROH + H2SO4 ↔ R2SO4 + 2H2O
Для разделения катионов используют катиониты и в ка‑
честве элюента – растворы кислот. Анионы разделяют с по‑
мощью анионитов, а в качестве элюэнта используют раство‑
ры щелочей. Реакция обмена ионов обратима, что позволяет
регенерировать иониты.
Ионообменная хроматография широко применяет‑
ся для умягчения и обессоливания воды, очистки сточных
вод, крови и лимфы, сахарных сиропов, очистки и разделе‑
ния витаминов, аминокислот, нуклеиновых кислот, белков,
для получения несвертывающейся крови, удаления кальция
103
из молока в производстве детского питания, понижения кис‑
лотности вина и удаления из него превышающих нормы ка‑
тионов меди, железа, кальция.
7.5. Осадочная хроматография
Осадочная хроматография основана на различной рас‑
творимости осадков, образующихся при взаимодействии
компонентов анализируемой смеси с реагентом‑осадите‑
лем. При этом анализируемая смесь находится в подвижной
фазе, а осадитель – в неподвижной. В качестве сорбентов
используют силикагель, оксид алюминия, целлюлозу, крах‑
мал, уголь, иониты, а в качестве подвижной фазы – чистый
растворитель или растворы, в которых растворимость осад‑
ков разного состава различна. Для разделения смеси тре‑
буется многократное повторение процессов образования
и растворения осадков.
Осадочная хроматография применяется для анали‑
за неорганических и органических веществ, образующих
с осадителем и элюентом осадки различной растворимости.
Вопросы для самоконтроля
1. Сущность методов хроматографии, их классификация.
2. Молекулярно‑адсорбционная хроматография.
3. Сущность распределительной хроматографии.
4. Ионообменная хроматография.
5. Понятие о катионах.
6. Сущность осадительной хроматографии.
7. Методика разделения смеси ионов.
8. Жесткость воды, её устранение ионообменной
хроматографией.
9. Практическое значение хроматографии.
104
Лабораторная работа № 11
Адсорбционная хроматография
Цель: исследовать хроматографическое разделение
ионов методом адсорбционной хроматографии.
Реактивы: растворы FeCl3 (0,1 н), CuCl2 (0,1 н), CoCl2
(0,1 н), К3 [Fе (СN)6] (0,1 н).
Приборы и материалы: хроматографические колон‑
ки, фарфоровые ванночки, пипетки, красители метилвиолет
и эозин, бумажные фильтры.
Опыт 1. Приготовление индивидуальных хроматограмм
Приготовьте упрощенную хроматографическую ко‑
лонку. Для этого возьмите стеклянную трубку диаметром
0,5 см и длиной 8–9 см и один конец ее закройте неболь‑
шим ватным тампоном. При помощи узкой ложечки на‑
сыпьте в трубку оксид алюминия слоем 1,5–2 см, поставь‑
те на фильтрованную бумагу и прилейте в неё пипеткой
несколько капель дистиллированной воды. Далее, пере‑
ставляя трубку по поверхности бумаги, «вытяните» из неё
всю воду. После увлажнения адсорбента хроматографиче‑
ская колонка к работе готова. Аналогично приготовьте ещё
4 хроматографические колонки.
Для получения индивидуальных хроматограмм при‑
лейте в первую колонку 5 капель 0,1 н раствора FeCl3, во вто‑
рую – 5 капель 0,1 н раствора CuCl2, в третью – 5 капель
0,1 н раствора CoCl2. Пропустите эти растворы через слой
адсорбента, используя для удаления растворителя фильтро‑
вальную бумагу.
Для проявления хроматограмм прилейте в каждую
колонку по 3 капли раствора «проявителя» – 0,1 н раство‑
ра K4 [Fe (CN)6] и также пропустите его через слой адсор‑
бента. После этого в колонке проявляются хорошо окра‑
шенные слои образовавшихся комплексных соединений:
105
Fe4 [Fe (CN)6]3, Cu2 [Fe (CN)6], Co2 [Fe (CN)6]. Напишите
уравнения реакций образования этих соединений и отметь‑
те цвет полученных хроматограмм.
Опыт 2. Получение хроматограммы смеси ионов
Для получения хроматограммы смеси ионов внесите
в чистую хроматографическую колонку 5 капель раствора,
содержащего ионы Fe
3 +
, Cu
2 +
, Co
2 +
. Пропустите через ад‑
сорбент. После пропускания всего раствора через колонку
добавьте в неё 5 капель «проявителя» – 0,1 н раствора K4
[Fe (CN)6]. Обратите внимание на вид полученной хромато‑
граммы и расположите ионы в порядке возрастания их ад‑
сорбционной способности.
Опыт 3. Бумажная хроматография (разделение сме-
си органических красителей)
В фарфоровой ванночке приготовьте смесь из трех ка‑
пель эозина и трех капель метилвиолета. Смесь перемешай‑
те и пипеткой перенесите одну каплю на фильтровальную
бумагу. В центр полученного пятна внесите каплю воды.
Наблюдайте появление зон различной окраски. Зарисуйте,
сделайте выводы.
Лабораторная работа № 12
Разделение пигментов хлорофилла методом
адсорбционной хроматографии
Цель: получить хроматограмму при адсорбции хлоро‑
филла.
Реактивы: этиловый спирт, бензин, дистиллирован‑
ная вода.
Приборы и материалы: хроматографическая колон‑
ка, заполненная сухим крахмалом, свежие или высушенные
зеленые листья.
Разотрите в ступке с песком свежие или высушенные
зеленые листья (лучше всего крапивы). В обычную пробир‑
106
ку поместите слой листьев (1–2 см), смочите 3–5 каплями
этилового спирта и оставьте, слегка встряхивая, на 3–4 мин.
Затем в пробирку добавьте бензин, покрыв им листья. Спирт
хорошо экстрагирует хлорофилл из листьев, после встря‑
хивания бензиновый раствор приобретает темно‑зеленую
окраску. По стенке прилейте в пробирку дистиллированную
воду. Всплывший бензиновый слой слейте в чистую про‑
бирку и снова промойте его водой от спирта, слегка встря‑
хивая пробирку. Спирт мешает разделению компонентов
на колонке.
На дно хроматографической колонки (длиной 8–9 см
и диаметром 1 см) поместите ватный тампон слоем около
0,5 см, заполните ее сухим крахмалом, внося небольшими
порциями и уплотняя легкими постукиваниями колонки
о стол. Колонка должна быть равномерно заполнена на 2/3,
без пустот, и закреплена в вертикальном положении.
Несколько капель (8–10) бензинового экстракта вне‑
сите пипеткой в верхнюю часть колонки, стараясь не допу‑
стить попадания воды. При перемещении экстракта вдоль
колонки идет разделение на адсорбционные слои (первич‑
ная хроматография). Хроматограмму проявите, добавляя
сверху чистый бензин. Он увлекает с собой разделенные ве‑
щества по степени их адсорбируемости. Основные пигмен‑
ты зеленого листа располагаются сверху вниз следующим
образом: I – желтый (ксантофилл β); II – желто‑зеленый
(хлорофиллин β); III – сине‑зеленый (хлорофиллин α); IV –
желтый (ксантофилл); V – желтый (ксантофилл α); VI – жел‑
тый (ксантофилл α); VII – красный (каротин).
Ксантофиллы слабо адсорбируются, а каротин на крах‑
мале не адсорбируется совсем. Для получения зоны адсорб‑
ции каротина в нижнюю часть колонки на ватный тампон
помещают слой прокаленной окиси алюминия.
107
Лабораторная работа № 13
Обессоливание воды с помощью ионитов
Цель: получить обессоленную воду при помощи ион‑
ного обмена.
Реактивы: (NH4)2C2O4 (0,1 н), ВаСl2 (0,5 н), метилоранж.
Приборы и материалы: бюретки, катиониты и анио‑
ниты.
Опыт 1. Подготовка хроматографических колонок
к работе
Для выполнения работы используйте 2 хроматографи‑
ческие колонки (бюретки), заполненные зернами ионитов:
в одной из них катионит в Н+ форме, в другой – анионит
в ОН‑ форме. Перед началом работы промойте обе колон‑
ки дистиллированной водой по два раза. Для этого запол‑
ните каждую из них до верха водой и дайте ей медленно
стечь в стакан со скоростью 1 мл в минуту (так же и во всех
остальных опытах). Скорость вытекания воды из колонок
отрегулируйте поворотом крана бюретки или зажимом Гоф‑
мана. Промывание колонок прекратите, когда уровень воды
в них окажется на 2–3 см выше уровня ионитов.
Опыт 2. Определение состава жесткой воды
Перед умягчением воды определите в ней ионы Ca
2‑
SO
и установите реакцию среды.
4
2 +
Для этого налейте в 3 пробирки по 1 мл испытуемой
воды и добавьте в одну из пробирок 5 капель 0,1 н раство‑
ра (NH4)2C2O
в другую – столько же 0,5 н раствора ВаСl2,
4,
а в третью – 2 капли метилоранжа.
Объясните наблюдаемые явления, напишите уравне‑
ния реакций, по окраске индикатора определите реакцию
среды в третьей пробирке.
Опыт 3. Умягчение жесткой воды
Отмерьте цилиндром 10 мл воды и влейте её в колон‑
ку с катионитом КУ‑2. Пропустите исследуемую воду через
,
108
катионит и соберите элюат (1) в чистый стакан. После этого
промойте колонку 10 мл дистиллированной воды и промыв‑
ную воду соберите в тот же стакан. Напишите уравнение
реакции ионного обмена в колонке с катионитом.
Определите состав и реакцию среды элюата (1). Да‑
лее налейте по 1 мл элюата в 3 пробирки и добавьте в одну
из них 5 капель 0,5 н раствора ВаСl2, во вторую – 2 капли
метилоранжа.
Определите, какой из ионов присутствует в элюате (1),
напишите уравнение реакции его обнаружения. Определите
рН воды и используйте её в следующем опыте.
Опыт 4. Обессоливание умягчённой воды
Отмерьте цилиндром 10 мл умягчённой воды‑элюа‑
та (1), пропустите её через колонку с анионитом и соберите
вытекающий из неё элюат (2) в чистый стакан. Напишите
уравнение реакции ионообменного процесса с анионитом.
Определите реакцию среды элюата (2), исследуйте
его на присутствие ионов (SO
2‑
). Затем налейте в две про‑
4
бирки по 1 мл элюата и добавьте в одну из них 5 капель
0,5 н раствора ВаСl2, а в другую – 2 капли метилоранжа. От‑
метьте свои наблюдения.
После работы промойте дважды обе колонки дистил‑
лированной водой и залейте ею иониты на 2–3 см выше их
уровня в колонке.
109
II. КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Предметом изучения коллоидной химии являются
высокодисперсные микрогетерогенные системы, состо‑
ящие из дисперсной фазы, равномерно распределенной
в твердой, жидкой или газообразной дисперсионной среде.
Дисперсная фаза обладает высокой дисперсностью, и чем
мельче частицы, тем выше степень дисперсности. Степень
дисперсности – это величина, обратная размеру (диаметру)
дисперсной частицы. Она определяется по формуле
D =1/a,
где D – степень дисперсности, м‑1;
a – диаметр частицы.
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Классификацию дисперсных систем проводят на ос‑
новании различных признаков: размера частиц, агрегатного
состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды, харак‑
теристик взаимодействия частиц.
По степени дисперсности системы подразделяют
на три типа:
1. Молекулярные или ионные растворы: а < 10 –9 м.
Частицы этих систем представляют собой молекулы
или ионы, а сами системы являются истинными раствора‑
ми, обладающими и кинетической, и термодинамической
устойчивостью.
2. Коллоидные системы: а =10 –7–10 –9 м.
Это системы с хорошо развитой поверхностью раздела
между фазами. Их частицы не оседают под действием силы
тяжести, проходят через бумажные фильтры, но задержива‑
ются растительными и животными мембранами. Благода‑
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]