11900

Определение СН3СООН, СН3СООNa, NaCl в их смеси

Лабораторная работа

Химия и фармакология

Лабораторная работа №304 Определение СН3СООН СН3СООNa NaCl в их смеси Краткое теоретическое введение: Общая характеристика метода Ионообменная хроматография метод разделения смесей основанный на распределении компонентов смеси между раствором и ионообменником...

Русский

2013-04-14

402 KB

4 чел.

Лабораторная работа №304

Определение СН3СООН, СН3СООNa, NaCl в их смеси

Краткое теоретическое введение:

Общая характеристика метода

Ионообменная хроматография - метод разделения смесей, основанный на распределении компонентов смеси между раствором и ионообменником (ионитом) Ионообменники поглощают из раствора положительно или отрицательно заряженные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов с зарядом того же знака.

В зависимости от знака обменивающихся ионов иониты разделяются на катиониты, или катионообменники (между ионитом и раствором происходит обмен катионов), аниониты, или анионообменники (обмен анионов) и амфолиты, или амфолитные ионообменники (в зависимости от условий возможен обмен как катионов, так и анионов).

Ионообменники состоят из матрицы (каркаса) и ионогенных (активных) групп. Среди ионообменников широкое распространение получили ионообменные смолы, содержащие полимерную часть R и ионогенные группы, например —SO3-Н+ или —NН3+ 

Реакции ионного обмена записывают как обычные химические гетерогенные реакции:

Реакция катионного обмена

RSO3-Н+ + NA+RSO3-NA+ + Н+

             катионообменник      р-р            катионообменник        р-р

Реакция анионного обмена

R3+OH- + Сl- R3+Cl- + ОН-

             анионообменник          р-р          анионообменник         р-р

Ионный обмен — это обратимый стехиометрический процесс. Количество иона, поглощенного ионообменником, равно количеству иона, десорбированного из ионообменника. Процесс ионного обмена осуществляется на границе раздела двух фаз "зерна ионообменника—раствор". Поэтому ионообменные процессы относят к гетерогенным физико-химическим процессам.

Ионный обмен зависит от природы ионогенных групп высокомолекулярного каркаса ионообменника и свойств анализируемого раствора, т.е. от рН среды, природы поглощенных ионов, концентрации раствора. Равновесное распределение иона между фазами может быть охарактеризовано коэффициентом распределения КД:

,

где m0 - начальное количество иона в растворе, г; т — равновесное количество иона в растворе, г; Vобъем раствора, мл; g — навеска ионообменника, г; к' — коэффициент емкости.

Существует два метода проведения ионообменного процесса — статический и динамический. При выполнении анализа в статических условиях ионообменник встряхивают с исследуемым раствором (до установления равновесия), раствор отделяют от ионообменника и анализируют либо раствор, либо ионообменник. Анализ динамическим методом проводят следующим образом. Ионообменник помещают в колонку и через него пропускают анализируемый раствор, при этом ионообменник поглощает ионы. Ионообменник промывают растворителем или водой для вытеснения продуктов ионообменной реакции, задержавшихся между зернами ионообменника, а затем проводят элюирование сорбированных ионов. По результатам анализа элюата строят кривые элюирования (хроматограммы) С = f(V) и рассчитывают условия разделения ионов.

Зная коэффициент распределения для различных ионов, можно рассчитать коэффициенты разделения для любой ионной пары на данном ионообменнике при одних и тех же условиях.

Типы ионообменников.

Различают неорганические и органические ионообменники. Природные минеральные ионообменники представляют собой, как правило, кристаллические силикаты. Наиболее важными представителями этой группы являются цеолиты. К ним относятся такие минералы, как шабазит (CaNa2)(Si2AlO6)•6Н2О, стильбит (Na2Ca)[Al2Si6O10]•6Н2О, натролит Na2[Al2Si3O]0]•2Н2О. Роль противоионов выполняют ионы щелочных и щелочноземельных металлов, которые не фиксированы решеткой.

Синтетические неорганические ионообменники синтезируют на основе алюмосиликатов. Этот тип ионообменников называют пермутитами, их состав отвечает обшей формуле Аl2О3nSiO2mNa2O • рН2О.

Подготовка ионообменников к работе.

Размер и форма зерен ионообменника — основные факторы, от которых зависит его емкость, скорость протекания раствора, эффективность разделения ионов, регенерация ионита. Поэтому перед использованием ионообменников их разделяют по фракциям путем просеивания через сито с определенными отверстиями. Для аналитических целей применяют ионообменники с размером зерен 0,2—0,5 мм.

Товарные ионообменники обычно содержат примеси металлов Fe3+, Cu2+, Са2+ и других (включения, образующиеся при синтезе вследствие коррозии аппаратуры), а также низкомолекулярные и растворимые продукты, которые перед началом аналитических работ следует удалить с помощью кислот и щелочей, а также органическими растворителями.

После очистки ионообменник переводят в требуемую ионную форму, применяя для этого растворы соответствующих реагентов и воду, которая не содержит примесей. В качестве реагентов используют раствор НСl для перевода катионообменника в Н-форму, раствор щелочи для перевода анионообменника в ОН-форму, раствор хлоридов или других растворимых солей для получения соответствующих солевых форм (Na-форма, Сl-форма и т. д.). Ионообменник будет заряжен в ту или иную форму, если концентрации реагента на входе в колонку с ионообменником и в элюате равны.

Регенерацию ионообменников чаще всего проводят химическим методом, который заключается в обработке ионообменника реагентами, содержащими вытесняющий ион. Катионообменники регенерируют соляной кислотой, а также разбавленными растворами азотной и серной кислот. Анионообменники можно регенерировать раствором гидроксида натрия. Скорость регенерации повышается в случае нагревания регенерирующего раствора.

Аппаратура.

Для хроматографического разделения веществ в динамических условиях применяют   колонки.

Ионообменные колонки представляют собой стеклянную трубку, в нижней части которой впаян стеклянный фильтр или вложен тампон из стеклянной ваты для поддержания слоя ионообменника. Если при анализе используются концентрированные растворы, то загруженный в колонку ионообменник может всплывать. Чтобы этого не происходило, вверху колонки над ионообменником помещают пробку из стеклянной ваты. Воздух не будет проникать в ионообменник, если входное отверстие колонки находится выше слоя ионообменника. Высота слоя ионообменника тем меньше, чем меньше диаметр колонки. Оптимальное отношение высоты колонки к диаметру колеблется от 10:1 до 20:1.

Ионообменные равновесия.

В общем виде ионообменная реакция между однозарядными ионами и ионами с различными зарядами может быть представлена уравнениями:

  

  

Как было указано выше, ионный обмен — обратимый стехиометрический процесс, протекающий до установления динамического равновесия. Поэтому в соответствии с законом действия масс для ионообменных реакций можно записать термодинамические константы равновесия:

      (1)

     (2)

где, - активности ионов А+, В+, Аa+, Вb+ в ионообменнике (черточкой отмечены ионы, находящиеся в фазе ионообменника); - активности А+, В+, Аa+, Вb+ в растворе при равновесии; a, b – заряды ионов.

Если ввести коэффициенты активности, то выражение термодинамической константы равновесия будет таким:

  

где  — аналитические концентрации индивидуальных компонентов;  — коэффициенты активности.

Для расчета термодинамической константы равновесия по уравнениям (1 и 2) активности ионов в растворе могут быть вычислены с учетом коэффициента активности по концентрации соответствующих солей, находящихся в системе. Активности ионов в фазе ионообменника определяют при помощи сложных математических расчетов.

В аналитической практике обычно вместо термодинамической константы равновесия ионного обмена используют концентрационную константу равновесия (т. е. не учитываются коэффициенты активности):

  

Эту константу равновесия часто называют коэффициентом селективности.

В случае, если обмениваются ионы разного заряда, то коэффициент селективности принимает вид:

     (3)

Коэффициент селективности не является постоянной величиной и зависит от свойств раствора, общей его концентрации, количественных соотношений ионов А+ и В+, от температуры. Он характеризует сродство данного ионообменника к иону В+ по сравнению с ионом А+.

Если KB/A = 1, то селективность ионообменника отсутствует, отклонение коэффициента селективности от единицы является мерой различия в сродстве противоионов в фазе раствора и ионита.

Коэффициент селективности рассчитывают по экспериментальным данным. Если обмениваются ионы одинакового заряда, то коэффициент селективности не зависит от единиц измерения концентрации иона в растворе и ионите. В случае обмена ионов с различными значениями зарядов, показатели в уравнении (3) будут различными, и, следовательно, коэффициент селективности будет зависеть от единиц измерения концентрации в обеих фазах. Обычно в практике ионного обмена концентрации растворов выражают через молярные или эквивалентные концентрации, а в фазе ионита — через молярные или эквивалентные доли.

Селективность ионообменника к тому или иному иону можно оценить с помощью изотерм обмена, которые показывают зависимость равновесной концентрации или эквивалентной доли иона в ионообменнике от концентрации или эквивалентной доли его в растворе при заданной температуре.

Если KB/A = 1, изотерма линейна (изотерма Генри), при этом сродство ионита к разделяемым ионам одинаково. При KB/A > 1 изотерма выпуклая (изотерма типа Ленгмюра), она линейна при малых концентрациях иона в растворе, а при больших концентрациях количество сорбированного вещества стремится к постоянному значению.

Ионообменник селективен к тому или иному иону, если 1 < KB/A < 1.

Ионы, имеющие одинаковый заряд, сорбируются ионообменником тем лучше, чем больше радиус иона, так как ион большого радиуса менее гидратирован.

Из щелочных металлов хуже всех на сульфокатионообменниках сорбируется наиболее гидратированный ион лития. Его коэффициент селективности условно принят за единицу. Ион Cs+ имеет большой коэффициент селективности (К= 3,25), он наименее гидратирован. Порядок селективности гидратированных ионов щелочных металлов на сульфокатионообменниках соответствует следующему ряду: Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ < <Ag+, т. е. с возрастанием порядкового номера элемента увеличивается селективность иона к ионообменнику.

Для щелочноземельных металлов селективность возрастает в ряду: Mg2+ < Са2+ < <Sr2+ < Ba2+. В случае ионов с разными зарядами сорбция их возрастает с увеличением заряда иона: М4+ >  М3+ > М2+ > М+. При разбавлении раствора увеличивается сорбция ионов с более высоким зарядом, что используется при групповом ионообменном разделении ионов.

Если катион М+ образует с анионом L в растворе комплексы ML, ML,..... MLn, то поглощение комплексного иона будет оказывать влияние на ионообменное равновесие, так как образующиеся комплексы MLn могут быть нейтральными, катионными и анионными. Процессы комплексообразования широко применяются для разделения ионов в ионообменной хроматографии.

На селективность ионного обмена оказывает влияние температура, которая влияет на вязкость раствора. Ионообменное равновесие зависит также от ионной силы раствора, что особенно резко выражено при небольших ее значениях. Чем меньше ионная сила раствора, тем лучше сорбируется исследуемый ион.

Экспериментальная часть

Суть данной работы заключается в том, что анализируемый раствор пропускают через сильнокислотный катионообменник в Н-форме, в результате ионного обмена получается смесь кислот НСl и СН3СООН, содержание каждой кислоты определяют потенциометрически, титруя элюат раствором щелочи. Содержание свободной уксусной кислоты СН3СООН в исходной смеси определяют титрованием пробы исходного анализируемого раствора.

Приборы и реактивы

Хроматографическая колонка длиной 300 мм, диаметром 15 мм, содержащая 10 г катионообменника КУ-2.

Потенциометр со стеклянным и хлоридсеребряным электродами.

Магнитная мешалка.

Стаканы вместимостью 150 и 200 мл.

Пипетка вместимостью 10 мл.

Бюретка вместимостью 25 мл.

Мерная колба вместимостью 100 мл.

Стандартный раствор NaOH, 0,1 М.

Анализируемый раствор: смесь СН3СООН, CH3COONa и NaCl с концентрацией 1,0—3,0 мг/мл каждого компонента.

Выполнение  работы

Переведение катионообменника в Н-форму.

 Через колонку пропускают 200 мл 2 М раствора НСl (или H2SO4) со скоростью 1—2 капли/с. Затем катионообменник отмывают от кислоты 200—250 мл дистиллированной воды (скорость пропускания 2— 3 капли/с). При этом периодически отбирают на часовое стекло несколько капель раствора, вытекающего из колонки, и проверяют рН среды с помощью индикатора метилового оранжевого. Промывание проводят до получения желтой окраски метилового оранжевого.

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.

Анализируемый раствор помещают в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводят объем раствора до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Отбирают пипеткой 10 мл раствора и пропускают через колонку со скоростью 1 капля/с. Элюат собирают в стакан вместимостью 150 мл. Для полного вымывания выделившихся кислот (рН проверяют по метиловому оранжевому) через колонку пропускают 60—100 мл дистиллированной воды порциями по 10—15 мл, без потерь собирая элюат в тот же стакан.

Потенциометрическое титрование.

В стакан с элюатом, содержащим растворы кислот, погружают электроды (индикаторный — стеклянный, электрод сравнения — хлоридсеребряный), бюретку заполняют стандартным раствором NaOH, включают магнитную мешалку и приступают к титрованию. Результаты титрования записываются в таблицу.

Объем NaOH, мл

рН (или Е, мВ)

Сначала титрант добавляют порциями по 0,5 мл и постоянно следят за изменением рН (или потенциала Е) анализируемой смеси. Как только изменение рН (или Е) станет заметно отличаться от предыдущих значений (наступает скачок титрования), титрант добавляют меньшими порциями, по 2—3 капли.

После первого скачка новые одинаковые порции прибавляемого титранта будут вызывать почти одинаковые изменения рН (или потенциала) системы. На этом этапе титрант снова приливают порциями по 0,5 мл до тех пор, пока очередная порция раствора NaOH не вызовет резкого изменения рН (или потенциала) системы. Второй скачок титрования измеряют, приливая титрант порциями по 2—3 капли. После достижения второго скачка титрант добавляют по 0,5 мл до тех пор, пока не установится постоянное значение рН (или Е).

Получают кривую потенциометрического титрования смеси кислот, на которой первый скачок соответствует нейтрализации НСl (V1, мл NaOH), второй скачок — нейтрализации СН3СООН (V2, мл NaOH).

Для определения содержания исходной СН3СООН из мерной колбы отбирают пипеткой 10 мл анализируемого раствора, помещают в стакан вместимостью 150 мл, добавляют 50 мл дистиллированной воды и титруют раствором NaOH. По кривой потенииометрического титрования определяют объем раствора NaOH (V, мл), пошедший на титрование СН3СООН.

Для более точного определения точки эквивалентности поступают следующим образом. Используя результаты титрования, строят график зависимости ∆рН/∆V (или ∆E/∆V) от VNaOH, на участке кривой по обе стороны от предполагаемой точки эквивалентности выбирают по 3—4 точки и координаты этих точек обрабатывают, как показано на рисунке:

Содержание СН3СООН, СН3СООNa, NaCl (в г) вычисляют по формулам:

,

где VК и VП – вместимость колбы и пипетки, соответственно.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53006. Фізкультурні паузи як психофізіологічні аспекти уроку іноземної мови 29 KB
  Комплексність уроку іноземної мови, а також характер функцій видів мовленнєвої діяльності - бути метою або засобом навчання - створюють сприятливі умови для врахування зазначених вище даних у межах кожної навчальної задачі, що планується.
53007. ФИЗКУЛЬТМИНУТКИ НА УРОКАХ 113 KB
  Упражнения способствующие развитию мышц пальцев руки предплечья. Действия на счет 1 Действия на счет 2 Действия на счет 3 Действия на счет 4 Основная стойка руки вниз Руки к плечам Руки вверх Руки к плечам И. Руки в стороны Руки вверх Руки в стороны И. Руки в стороны Руки к плечам Руки в стороны И.
53008. ВИНИКНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ КУЛЬТУРИ В СТАРОДАВНЬОМУ СВІТІ 63 KB
  Австралійцям широко були відомі різноманітні ігри та розваги. У первісних народів Америки індіанців ескімосів та ін були відомі ігри з киданням мяча в ціль. Первісні племена Африки широко застосовували у вихованні дітей підлітків та юнаків фехтування на палицях боротьбу ігри з бігом і стрибками стрільбу з лука вправи з розгойдуванням на ліанах з подальшими стрибками. Самою ранньою формою фізичного виховання були колективні ігри.
53010. Акробатика. Игры - эстафеты 48.5 KB
  Строевые упражнения Повороты Налево Направо Кругом Расчет на 13 Ходьба на носках руки на поясе; на пятках руки за головой; на внешней стороне стопы руки на поясе на внутренней стороне стопы руки на поясе в полном присесте руки на коленях Бег в среднем темпе; приставными шагами правым ⁄ левым боком бег со сменой направления Ходьба с восстановлением дыхания. Руки на поясе. руки к плечам. – стойка ноги врозь руки на поясе 1.
53011. Основна гімнастика 67 KB
  Дистанція витягнутої руки Розповісти про правила поведінки на уроці фізичного виховання. 15хв Стежити за чіткістю виконання Під час ходьби руки на поясі тулуб прямий плечі розведені. Біг: звичайний; з підніманням колін; із закиданням гомілок; з підскоками і сплесками руками над головою; Ходьба: звичайна підняти руки через сторони вгору – вдих опустити руки – видох Гра Світлофор: Учні шикуються в колону по одному і в повільному темпі біжать по спортзалу. руки на поясі.
53012. Використання дидактичного фольклору і творів дитячих письменників на уроках навчання грамоті 368 KB
  Це стимулює учнів до роботи і вони з великим бажанням виконують завдання вчителя: Хто швидше та вірніше складе слово відгадку При роботі над значенням слова загадку можна використовувати поряд з уже відомими в методиці прийомами пояснення значення слова. Хто це Спробуй вiдгадати. Хто це Спробуй відгадати. Хто ж вона така Берізка польова II.
53013. Український пісенний фольклор як джерело народознавства 580 KB
  Особливу роль в посібнику приділяється тому щоб привернути увагу та шанобливе ставлення учнів до української пісні. Урок №1 Пісня як джерело народознавства: а виникнення народної пісні; б пісенна творчість українського народу; в пісня – жанр народної творчості; г родинно – побутові пісні; д важливість фольклорних творів; е усна народна творчість; є українська народна пісня; ж пісня – голос душі; з пісенна етнологія – частина народознавства; і додатки до уроку №1. Урок №3 Народний потенціал забавлянок та дитячих пісень:...