Хроматография
Хроматография – это процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижной фазы.
Этот метод анализа разработан в 1903г.
Характерными признаками хроматографии являются наличие достаточно большой поверхности раздела между фазами и динамический способ выполнения процесса. Сочетание этих двух признаков делает хроматографию высокоэффективным методом разделения, позволяющим отделять друг от друга очень близкие по свойствам вещества.
Существуют различные способы классификации хроматографических методов:
1. По физической природе подвижной фазы – жидкостная (подвижная фаза жидкая) и газовая (подвижная фаза газовая) хроматография.
2. По технике выполнения – колоночная хроматография (неподвижная фаза находится в колонке), плоскостная – бумажная (неподвижная фаза – слой бумаги) и тонкослойная (неподвижная фаза – тонкий слой сорбента на пластинке) хроматография.
3. По механизму сорбции – молекулярная и хемосорбционная хроматография. В молекулярной хроматографии природа сил взаимодействия между неподвижной фазой (сорбентом) и компонентами разделяемой смеси – межмолекулярные силы типа сил Ван-дер-Ваальса. Причиной сорбции в хемосорбционной хроматографии являются соответствующие химические реакции.
4. По способу хроматографирования – фронтальная, проявительная (элюентная) и вытеснительная хроматография. В аналитической химии чаще всего применяют проявительный метод.
Ионообменная хроматография
Ионообменная хроматография – это сорбционный динамический метод разделения смесей ионов на сорбентах, называемых ионообменниками. При пропускании анализируемого раствора электролита через ионообменник в результате гетерогенной химической реакции происходит обратимый стехиометрический эквивалентный обмен ионов раствора на ионы того же знака, входящие в состав ионообменника.
Ионообменный цикл состоит из стадии поглощения ионов (сорбции) ионообменником и стадии извлечения ионов (десорбции) из ионообменника раствором (элюентом), который проходит через сорбент. Разделение ионов обусловлено их различным сродством к ионообменнику и происходит за счет различия скоростей перемещения компонентов по колонке.
Каждый ионообменник (ионит) состоит из основы (матрицы) – безводного, способного к набуханию вещества, имеющего пространственную решетчатую структуру с закрепленными ионообменными группами. Ионообменные группы состоят из неподвижных ионов и связанных с ними противоионов. По характеру ионогенных групп иониты делятся на катиониты и аниониты.
Катиониты обладают функциональными группами, такими, как сульфогруппа –SO3H, в которой атомы водорода обмениваются с другими катионами, находящимися в растворе пробы.
Анионитами служат иониты, имеющие основные функциональные группы. Типичным примером является группа –NH3OH. Гидроксид-ион, находящийся на поверхности частиц смолы, может участвовать в реакции обмена с другим анионом в растворе.
Свойства ионита зависят от природы его противоиона, поэтому при характеристике ионита указывают, какой именно ион является противоионом. Если противоионами катионита являются ионы Н+, то он находится в Н-форме. Анионит, противоионом которого является хлорид-ион, находится в Cl-форме. В зависимости от свойств ионогенных групп различают сильные и слабые катиониты и аниониты.
В настоящее время широко используются иониты на основе высокомолекулярных соединений – ионообменные смолы, представляющие собой органические полимеры, в макромолекуле которых содержаться ионизированные атомы или группы атомов, способные к ионному обмену.
Ионный обмен можно охарактеризовать следующими реакциями:
(катионный обмен),
(анионный обмен),
где R – радикал, образующий вместе с ионогенной группой элементарную ячейку ионита;
горизонтальная черта показывает фазу ионита.
Подготовка колонки и ионитов
Для ионообменной хроматографии в количественном анализе применяют в большинстве случаев стеклянные колонки.
Навеску ионита помещают в стакан, заливают насыщенным раствором NaCl и выдерживают в течение суток (вся масса ионита должна находиться под раствором). Через сутки раствор удаляют и ионит отмывают водой декантацией (жидкость сливают после осаждения зерен на дно стакана).
Набухший ионит переносят в колонку, предварительно заполненную на ⅓ объема водой, чтобы исключить попадание пузырьков воздуха в пространство между зернами ионита (обычно ионит занимает половину объема колонки). Необходимо помнить, что над слоем ионита все время должна находиться жидкость.
Для получения определенных форм ионитов применяют промывание растворами солей, кислот и щелочей. В практике широко применяют сильнокислые катиониты в Н-форме и высокоосновные аниониты в Сl-форме.
Переведение ионита в необходимую форму (зарядка ионита)
Процесс зарядки ионита можно показать на примере следующей реакции:
Реакция протекает вправо при избытке кислоты. Ионит в колонке отмывают от избытка кислоты, после чего он готов к применению.
Перед каждым последующим применением необходимо проводить регенерацию ионита, возвращая его в исходное состояние.
Регенерация катионитов. При регенерации катионитов колонку наполняют 2 моль/л HCl. Скорость протекания жидкости через ионит обычно 1 мл/мин. Регенерация катионита заканчивается, когда концентрация кислоты в вытекающем из катионита растворе будет равна концентрации исходного раствора.
После пропускания раствора кислоты катионит промывают дистиллированной водой. Полноту отмывания катионита от кислоты проверяют по индикатору метиловому оранжевому.
Катионит, переведенный таким образом в Н+-форму, подготовлен для проведения хроматографического разделения.
Регенерация анионитов. При регенерации анионитов (переведение его в Cl–-форму) колонку с анионитом наполняют 2 моль/л HCl. Регенерацию анионита заканчивают, когда концентрация Cl– в вытекающем из колонки растворе будет равна концентрации Cl– в исходном растворе кислоты. Затем анионит отмывают от избытка кислоты дистиллированной водой или спиртом.
Ионообменная хроматография в количественном анализе
Ионообменная хроматография не является самостоятельным методом количественного анализа. Ее используют как вспомогательный метод, т. е. метод разделения и выделения веществ, предшествующий их количественному определению. Ионообменная хроматография используется для разделения ионов путем выделения одного (или группы ионов) из смеси, концентрирования вещества из сильно разбавленных растворов, удаления ионов, мешающих выполнению анализа. Выделенные компоненты определяют обычными химическими, физико-химическими методами анализа.
Основные задачи, решаемые методом ионообменной хроматографии:
1. Отделение катионов от анионов с помощью катионита или анионита.
2. Разделение ионов одного знака, основанное на различном их сродстве к иониту.
Эмпирически установлено, что чем больше заряд иона, тем он имеет большее сродство к иониту, т. е. сильнее им удерживается и труднее элюируется. Сродство к иониту, как правило, усиливается в рядах:
M+ < M2+ < M3+ < M4+ и
X– < X2– < X3–,
что позволяет разделять ионы разного заряда.
Подбирая состав элюирующего раствора, можно разделить ионы, имеющие одинаковый заряд. Например, элюирование раствором 0,1 моль/л HCl сорбированных на катионите ионов Na+ и K+ позволяет провести их разделение: вначале «вымывается» Na+, затем K+.
Использование в качестве элюентов растворов веществ, образующих с определяемыми ионами комплексы различной устойчивости, позволяет разделять очень близкие по свойствам ионы.
3. Определение суммарного содержания катионов или анионов в растворе и анализ растворов чистых солей.
В результате эквивалентности ионного обмена количество вещества эквивалентов ионов Н+ в фильтрате после пропускания анализируемого раствора через колонку с катионитом в Н-форме равно общему количеству вещества эквивалентов ионов металла, внесенных в колонку, если в анализируемом растворе не было свободных кислот.
Например, при пропускании через катионит в Н-форме раствора соли натрия в результате ионного обмена
в растворе появится эквивалентное количество Н+-ионов:
n(Na+) = n(H+).
Таким образом можно готовить стандартные растворы хлороводородной кислоты, пропуская раствор точной навески NaCl через катионит в Н-форме.
4. Получение деионизированной воды пропускание воды через катионит и анионит. Такая вода используется вместо дистиллированной.
Комбинированные и гибридные методы анализа
Селективных аналитических реакций очень мало. Поэтому перед качественным и количественным определением часто приходится проводить разделение определяемых компонентов. Используются химические, физико-химические (экстракция, сорбция, соосаждение и др.), физические (дистилляция и др.) методы разделения.
В настоящее время получили распространение так называемые гибридные и комбинированные методы анализа. В гибридных методах в одном приборе совмещается разделение и количественное определение (например, газовая хроматография).
В комбинированных методах разделение и количественное определение осуществляется посредством разных устройств (приборов). К ним относят: экстракционно-спектральный, экстракционно-фотометрический, сорбционно-фотометрический, экстракционно-вольтамперометрический, фотометрический или потенциометрический анализ после ионообменного разделения и т. д.
Лабораторная работа №
Разделение смеси меди (II) и железа (III) методом ионообменной хроматографии с последующим количественным их определением
Сущность хроматографического разделения меди (II) и железа (III) заключается в переводе меди (II) и железа (III) в комплексы противоположных знаков и сорбируемости одного из компонентов катионитом. В аммиачной среде в присутствии сульфосалициловой кислоты эти катионы образуют анионы трисульфосалицилата железа (III) [Fe(HSO3C6H3OCOO)3]3– и катионы аммиаката меди (II): [Cu(NH3)4]2+.
При пропускании через колонку с катионообменником в NH4-форме смеси комплексных ионов отрицательно заряженные ионы трисульфосалицилата железа (III) не сорбируются на колонке, а комплексные катионы меди (II) поглощаются катионообменником:
После извлечения комплекса железа (III) ионы меди (II) извлекают из катионита 2 моль/л раствором HCl:
Содержание ионов железа (III) определяют фотометрическим методом, основанном на образовании в щелочной среде при рН 8-11 комплексных анионов трисульфосалицилата железа (III) желтого цвета (λmax = 410 нм).
Содержание ионов меди (II) можно определять фотометрическим или иодиметрическим методом.
Подготовка катионита к работе
Ход работы
1. Переведите катионит в Н-форму. Для этого через колонку с катионитом КУ-2 пропустите 200 мл 2 моль/л раствора HCl со скоростью 1-2 капли/с.
2. Отмойте катионит от кислоты 200-250 мл дистиллированной воды (скорость пропускания 2-3 капли/с). Периодически отбирайте несколько капель раствора, вытекающего из колонки, и проверяйте рН среды с помощью индикатора метилового оранжевого. Промывание проводите до получения желтой окраски метилового оранжевого.
Над слоем катионита все время должна находиться жидкость. В случае образования в колонке пузырьков воздуха катионит следует взрыхлить стеклянной палочкой.
3. Переведите катионит из Н-формы в NH4-форму. Для этого пропустите через катионит 100 мл 5% раствора аммиака. Жидкость в колонке спустите до верхнего слоя катионита.
Разделение смеси
Ход работы
1. В стакан вместимостью 100 мл, содержащий анализируемый раствор смеси ионов Fe3+ и Cu2+, добавьте 15 мл 10% раствора сульфосалициловой кислоты, перемешайте и прилейте 10 мл концентрированного раствора аммиака.
Полученную смесь пропустите через катионит КУ-2 в NH4-форме со скоростью 1-2 капли/с.
2. Вымывание ионов железа (III). Приготовьте около 50 мл промывной жидкости (смесь 5 мл 10% раствора сульфосалициловой кислоты, 5 мл концентрированного раствора аммиака и 40 мл дистиллированной воды).
Стакан, в котором находился анализируемый раствор, дважды ополосните промывной жидкостью и вылейте ее в колонку.
Пропустите через колонку оставшуюся промывную жидкость.
Вытекающий из колонки элюат с момента внесения в нее анализируемой смеси собирайте в мерную колбу на 100 мл и, после заполнения колбы до метки, тщательно перемешайте (раствор 1).
3. После извлечения комплексных анионов трисульфосалицилата железа (III) промойте катионит 50 мл дистиллированной воды.
4. Извлечение ионов Cu2+ из катионита. Пропустите через катионит около 100 мл 2 моль/л раствора HCl порциями по 10-15 мл. Раствор, вытекающий из колонки, соберите в мерную колбу на 100 мл и, после заполнения колбы до метки, хорошо перемешайте (раствор 2).
Катионит после извлечения Cu2+ переведен в Н-форму и, после отмывания от кислоты, может быть использован для работы.
Определение железа
Содержание железа (III) определяют фотометрическим методом, основанном на образовании в щелочной среде комплексных анионов трисульфосалицилата железа (III).
Ход работы
Приготовление эталонных растворов железа (III).
1. Приготовьте стандартный раствор железа (III), содержащий 0,10 мг/мл Fe3+.
2. В мерные колбы вместимостью 50,0 мл отберите, соответственно, 1,00; 1,50; 2,00; 2,50; 3,00 мл раствора соли железа, содержащего 0,10 мг/мл Fe3+. В каждую колбу добавьте 5 мл 10% раствора сульфосалициловой кислоты, 5 мл раствора аммиака (1:1), доведите до метки водой и тщательно перемешайте.
Подготовка анализируемого раствора железа (III).
1. Отберите пипеткой аликвоту анализируемого раствора из мерной колбы, содержащей раствор трисульфосалицилата железа (III) (раствор 1), и перенесите в мерную колбу на 50,0 мл, доведите объем до метки дистиллированной водой и тщательно перемешайте.
2. Аналогично в другой мерной колбе на 50,0 ил приготовьте еще один раствор анализируемого вещества для параллельного определения содержания железа (III).
Измерение оптической плотности растворов.
1. Измерьте оптическую плотность полученных эталонных растворов на колориметре на λ = 410 нм в кюветах с толщиной слоя l = 1,0 см, используя дистиллированную воду в качестве раствора сравнения. Результаты измерений занесите в табл.1.
2. Измерьте оптическую плотность подготовленных анализируемых растворов Ах в условиях, при которых фотометрировали эталонные растворы.
Таблица 1
Данные для построения градуировочного графика для определения содержания Fe3+
(Прибор ; l = ; l = ; Vр-ра = 50,0 мл)
№ | Добавлено р-ра Fe3+, мл | Содержание mi(Fe3+), мг | A1i | A2i |
|
1 | 1,00 | ||||
2 | 1,50 | ||||
3 | 2,00 | ||||
4 | 2,50 | ||||
5 | 3,00 |
Определение железа (III) методом градуировочного графика.
1. Постройте градуировочный график зависимости Ai от содержания Fe3+ в растворе.
2. Пользуясь градуировочным графиком, по измеренным значениям оптической плотности Ах найдите содержание Fe3+ в фотометрируемых растворах.
Рассчитайте массу железа (III) 
в растворе 1 (анализируемой смеси).
Определение меди
Содержание меди определите фотометрическим методом, основанном на измерении интенсивности окраски аммиачного комплекса [Cu(NH3)4]2+, имеющего максимум поглощения при λ = 610 нм.
Ход работы
Приготовление эталонных растворов меди (II).
1. Приготовьте стандартный раствор меди (II), содержащий 5,0 мг/мл Cu2+.
2. В мерные колбы на 50,0 мл отберите, соответственно, 1,00; 1,50; 2,00; 2,50 и 3,00 мл раствора, содержащего 5,0 мг/мл Cu2+.
В каждую колбу добавьте по 5 мл раствора аммиака (1:1), доведите раствор до метки дистиллированной водой и тщательно перемешайте.
Подготовка анализируемого раствора меди (II).
1. Из мерной колбы, содержащей раствор 2, отберите пипеткой аликвоту, перенесите в мерную колбу на 50,0 мл, прилейте 5 мл раствора аммиака (1:1) и доведите до метки дистиллированной водой.
2. Аналогично в другой мерной колбе на 50,0 мл приготовьте еще один раствор анализируемого вещества для параллельного определения меди (II).
Измерение оптической плотности растворов.
1. Измерьте оптические плотности эталонных растворов на колориметре на λ = 610 нм в кюветах с толщиной слоя l = 1,0 см, раствором сравнения служит вода. Результаты измерений занесите в табл.2.
2. Измерьте оптические плотности анализируемых растворов Ах на колориметре на λ = 610 нм в кюветах с толщиной слоя l = 1,0 см.
Таблица 2
Данные для построения градуировочного графика для определения содержания Cu2+
(Прибор ; l = ; l = 1,0 cм; Vр-ра = 50,0 мл)
№ | Добавлено р-ра Cu2+, мл | Содержание mi(Cu2+), мг | A1i | A2i |
|
1 | 1,00 | ||||
2 | 1,50 | ||||
3 | 2,00 | ||||
4 | 2,50 | ||||
5 | 3,00 |
Определение содержания меди(II) методом градуировочного графика.
1. Постройте градуировочный график для определения Cu2+ в растворе в координатах 
– mi(Cu2+).
2. Пользуясь градуировочным графиком, по измеренным значениям оптической плотности Ах найдите содержание Cu2+ в фотометрируемых растворах (mx(Cu2+), мг).
3. Рассчитайте массу меди (II) 
в растворе 2 (в анализируемой смеси).
Лабораторная работа
Определение содержания Na2SO4 в растворе
Определение Na2SO4 основано на проведении реакции ионного обмена на катионите в Н-форме:
и последующим потенциометрическом титровании выделившейся серной кислоты стандартным раствором NaOH.
Реакция двухосновной серной кислоты с щелочью проходит в две стадии:
H2SO4 + NaOH Û NaHSO4 + H2O; fэкв.(H2SO4) = 1
NaHSO4 + NaOH Û Na2SO4 + H2O;
________________________________________________________
H2SO4 + 2 NaOH Û Na2SO4 + 2 H2O, fэкв.(H2SO4) = ½.
Однако, поскольку рКа(HSO4–) = 1,9, на кривой титрования будет наблюдаться один скачок, соответствующий оттитровыванию кислоты по двум стадиям.
В соответствии с законом эквивалентов:
С(NaOH)∙Vт. э.(NaOH) = n(½H2SO4) = 2n(H2SO4),
где n(½H2SO4) – количество вещества эквивалентов H2SO4, взятого для титрования, моль.
Поскольку ионный обмен является стехиометрическим процессом, то
n(H2SO4) = n(Na2SO4),
где n(Na2SO4) – количество вещества Na2SO4, взятого для ионного обмена, моль.
Исходное количество вещества Na2SO4, n`(Na2SO4), равно:
где Vк(Na2SO4) – общий объем раствора Na2SO4, равный объему мерной колбы, л;
Vаликв.(Na2SO4) – объем аликвоты раствора Na2SO4, взятого для ионного обмена, л.
Массу Na2SO4 в анализируемом растворе рассчитывают по формуле:
Переведение катионита в Н-форму
Ход работы
1. Переведите катионит в Н-форму. Для этого через колонку с катионитом КУ-2 пропустите 200 мл 2 моль/л раствора HCl со скоростью 1-2 капли/с.
2. Отмойте катионит от кислоты 200-250 мл дистиллированной воды (скорость пропускания 2-3 капли/с). Периодически отбирайте несколько капель раствора, вытекающего из колонки, и проверяйте рН среды с помощью индикатора метилового оранжевого. Промывание проводите до получения желтой окраски метилового оранжевого.
Над слоем катионита все время должна находиться жидкость. В случае образования в колонке пузырьков воздуха катионит следует взрыхлить стеклянной палочкой.
Проведение ионного обмена
Ход работы
1. В мерную колбу вместимостью 100,0 мл с анализируемым раствором, содержащим Na2SO4, добавьте воды до метки и тщательно перемешайте раствор.
2. Отберите пипеткой аликвоту анализируемого раствора и пропустите через колонку с катионитом со скоростью 1 капля/с. Затем промойте колонку 60-100 мл дистиллированной воды, проверяя полноту вымывания кислоты по индикатору метиловому оранжевому.
Раствор, вытекающий из колонки с момента пропускания аликвоты анализируемого раствора и до полного вымывания из нее кислоты (желтая окраска метилового оранжевого), собирайте в стакан вместимостью 150 мл.
3. Повторите реакцию ионного обмена еще раз, собирая раствор из колонки в другой стакан.
4. Проведите регенерацию катионита – переведите его в Н-форму.
Потенциометрическое титрование
Ход работы
1. Заполните бюретку стандартным раствором гидроксида натрия.
2. В стакан с полученным элюатом, содержащим Н2SO4, опустите электроды (стеклянный – индикаторный, хлоридсеребряный – электрод сравнения), включите магнитную мешалку и приступайте к титрованию. Результаты титрования внесите в табл.1.
Таблица 1
Объем NaOH, мл | рН (или Е, мВ) |
Титрование проводят дважды.
При проведении первого (ориентировочного) титрования стандартный раствор щелочи добавляйте порциями по 0,5 мл.
При повторном (более точном) титровании в области скачка титрования раствор щелочи следует добавлять порциями по 0,1 мл.
3. По данным титрования постройте график зависимости рН от объема раствора NaOH.
Из кривой титрования определите объем раствора NaOH, пошедшего на титрование серной кислоты, Vт. э.(NaOH).
4. Чтобы точнее определить положение точек эквивалентности, постройте график зависимости ∆рН/∆V от V(NaOH).
Для этого на участке кривой титрования по обе стороны от предполагаемой точки эквивалентности выберите по 3-4 точки и координаты этих точек обработайте, как показано в табл. 2.
Таблица 2
V(NaOH), мл | ∆V, мл | рН | ∆рН | ∆рН/∆V |
На графике зависимости ∆рН/∆V от V(NaOH) точке эквивалентности будет соответствовать максимум.
5. Вычислите содержание сульфата натрия в анализируемом растворе.
Вопросы для допуска к лабораторным работам по ионообменной хроматографии
1. В чем сущность ионообменной хроматографии?
2. В чем заключается процесс зарядки катионита, регенерации катионита?
3. На чем основано разделение ионов Fe3+ и Cu2+ методом ионообменной хроматографии?
4. Какими методами можно определить содержание железа (III) и меди (II) после ионообменного разделения?
5. На чем основано определение солей при использовании ионного обмена? Соли каких кислот можно определять дифференциально в их смеси?
6. Как определяется точка эквивалентности при кислотно-основном потенциометрическом титровании?
