методами ионного обмена, нейтрализации и комплексонометрии

Метод ионного обмена при решении аналитических задач

Метод ионного обмена основан на динамическом стехиометрическом обмене ионами между анализируемым раствором и ионообменником (ионитом). Ионный обмен выполняют в колоночном варианте: стеклянную колонку заполняют специально приготовленным ионообменником, ионитом. При пропускании раствора электролита через колонку происходит обмен ионами: ионит поглощает из раствора либо катионы, либо анионы, выделяя в раствор эквивалентное количество других ионов с зарядами того же знака.

Различают катиониты – ионообменники, способные обмениваться с раствором катионами, и аниониты – ионообменники, способные обмениваться с раствором анионами.

Катиониты (катионообменники) – синтетические полимерные материалы, нерастворимые в воде, содержащие в своей структуре неподвижную полимерную матрицу и активные ионогенные группировки кислотного характера: -SO₃H; -COOH; -OH; -PO₃H₂; -AsO₃H₂. Химические формулы катионообменников схематически можно изобразить следующим образом:

RSO₃-H или R-H, если катионит обменивается ионами Н⁺ – называют: катионит в Н-форме(подвижным, способным к обмену, является Н⁺ в составе катионита), RSO₃-Na или R-Na, если катионит обменивается ионами натрия - катионит в Na – форме; R – полимерная матрица.

Аниониты (анионообменники) содержат в своей структуре так5же неподвижную полимерную матрицу и ионогенные группы основного характера: =NH₂⁺, ºNH⁺ (слабоосновные) четвертичные аммониевые основания; [RN(CH₃)₃⁺OH^-] – сильноосновные аниониты. Подвижными, способными к обмену анионами, являются ОН- ионы, образующиеся при гидратации органических оснований, поэтому все аниониты такого типа являются анионитами в ОН – форме. Если анионообменную смолу обработать концентрированным раствором хлорида натрия, то образуется анионит в Cl – форме, например, RN(CH₃)₃⁺Cl.

Уравнения ионного обмена

Процесс катионного обмена характеризуется равновесием:

хRSO₃^-H⁺ + M^х+ Û (RSO₃^-)_хM^х+ + хH⁺

твердый раствор твердый раствор

ионит ионит

М^х+ - катион раствора, участвующий в обменной реакции

R –матрица

- SO₃^-H⁺ - ионогенная группировка, содержащая подвижный, способный участвовать в обменном взаимодействии, ион Н⁺.

Закон эквивалентов: n(1/x M^x+) = n(1/1 H⁺)

Процесс анионного обмена:

хRN(CH₃)₃⁺ OH^- + A^х- Û (RN(CH₃)₃⁺)_хA^х- + хОН^-

твердый раствор твердый раствор

ионит ионит

A^{х –} - анион.

Закон эквивалентов: n(1/x A^{х –}) = n(1/1 ОН^-)

В ионообменной реакции с многозарядными ионами участвует более чем одна функциональная группа ионита.

Регенерация катионита заключается в переводе его в исходную Н-форму. Для регенерации через колонку с катионитом пропускают раствор соляной кислоты с молярной концентрацией 0,1 моль/дм³ до кислой реакции раствора на выходе из колонки.

Лабораторная работа

Определение содержания ионов Mg²⁺ и Na⁺ при их совместном присутствии в растворе

методами ионного обмена, нейтрализации и комплексонометрии

Посуда и реактивы: задача –водный раствор, содержащий определенное количество солей хлорида натрия и сульфата магния; мерная колба вместимостью 100,0 см³; раствор едкого натра с молярной концентрацией эквивалента NaОН 0,1 моль/дм³; индикатор фенолфталеин (раствор); универсальная индикаторная бумага; стандартный раствор трилона Б (Na₂H₂Y) с молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/дм³; аммиачный буферный раствор с рН 9,6; индикатор ЭХЧ-Т (сухая смесь); катионит КУ-2 в Н-форме (см. приложение); колонка, заполненная катионитом; стаканы химические различной вместимости; колбы для титрования вместимостью 200 см³; установка для титрования; воронка для заполнения бюретки; пипетка на 10,0мл; груша резиновая; шпатель.

Выполнение работы:

1. В нижнюю часть колонки (бюретки) поместить небольшое количество стекловаты и заполнить через воронку катионитом КУ-2 в Н-форме; высота столба катионита примерно 12 см. Отмыть от кислоты, пропуская через слой катионита дистиллированную воду до значения рН на выходе из колонки, равного рН дистиллированной воды. Контролировать рН при помощи универсальной индикаторной бумаги; уровень жидкости в колонке должен быть всегда выше уровня катионита примерно на 0,5 – 1 см.

2. Получить задачу у преподавателя (мерная колба), разбавить дистиллированной водой до метки, тщательно перемешать. При помощи пипетки отобрать и внести в колонку аликвоту исследуемого раствора, содержащего соли сульфата магния и хлорида натрия. Со скоростью примерно 2 капли в секунду пропустить (фильтровать) аликвоту исследуемого раствора через катионит, собирая фильтрат в коническую колбу для титрования. Затем пропустить через колонку с той же скоростью порциями по 2-3 см³ дистиллированную воду, собирая раствор на выходе из колонки в ту же колбу для титрования. Промывание продолжать до тех пор, пока рН фильтрата не станет равным рН дистиллированной воды.

Полученный раствор, содержащий ионы Н⁺, перешедшие в раствор в результате ионного обмена, титровать щелочью в присутствии фенолфталеина. По результатам титрования рассчитать суммарное количество ионов Н⁺, которое равно сумме количеств эквивалентов ионов Mg²⁺ и Na⁺ в аликвоте исследуемого раствора. В основе расчетов лежит закон эквивалентов:

n(1/1 H⁺) = с(1/1 NaОН).V_бюр. = n(1/2Mg²⁺) + n(1/1 Na⁺)

Опыт повторить не менее трех раз; расхождения между отдельными титрованиями (объемами титранта) не должны превышать 0,1 см³. Результаты объединить в таблицу.

Как показывает практика, емкость катионного обмена достаточно высокая: катионообменная колонка эффективна, регенерацию ионита в ходе эксперимента проводить не требуется.

3. Для определения содержание ионов Mg²⁺ в исследуемом растворе используют метод комплексонометрического титрования (см. определение общей жесткости воды). Для этого к равной по объему аликвоте исследуемого раствора прибавляют 5 см³ аммиачного буферного раствора с рН 9,6, индикаторную смесь ЭХЧ -Т на кончике шпателя, тщательно перемешивают и титруют стандартным раствором трилона Б до изменения окраски раствора из вино-красной на синюю от одной избыточной капли титранта. Опыт повторяют не менее трех раз.

Рассчитывают количество эквивалентов ионов магния по закону эквивалентов:

n(1/2Mg²⁺) = с(1/2 Na₂H₂Y) V(Na₂H₂Y)

Результаты комплексонометрического определения Mg²⁺ в исследуемом растворе объединяют в таблицу.

Содержание ионов Na⁺ в аликвоте находят следующим образом: из количества эквивалентов ионов Н⁺ вычитают количество эквивалентов ионов магния:

n(1/1 Na⁺) = n(1/1H⁺) - n(1/2Mg²⁺)

По полученным результатам рассчитывают массы солей хлорида натрия и сульфата магния в задаче, заполняют таблицу.

Таблица

Результаты анализа раствора солей NaCl и MgSO₄ методом

комплексонометрии и ионного обмена (V_{задачи.}=100 мл;

С(1/2Na₂H₂Y)=0,05 моль/л; С(1/1NaOH)=0,1 моль/л;

Катионит КУ-2 в Н-форме; V_ал.=10мл)

Комплексонометрия	Ионный обмен	m(MgSO4/задача), г	m(NaCl/ задача), г	Ж, ммоль/л
V(Na2H2Y), мл	n(1/2Mg/ал), ммоль	V(NaOH) мл	n(Н^+/ал), ммоль	n(1/1Na/ал), ммоль
…		…
…		…
…		…
Vср		Vср

Все вычисления по результатам эксперимента, выводы по проделанной работе представить в отчете.

Приложение: Подготовка катионита в Н-форме.

В стакан помещают 15-20 г воздушно-сухого сильнокислотного катионита, заливают дистиллированной водой и оставляют на 30 минут для набухания зерен катионита.

Затем катионит отмывают декантацией дистиллированной водой от пыли. Набухший катионит переносят в стеклянную колонку (диаметр 12-20мм, высота 300мм), в которую предварительно на 1/3 высоты наливают воду. Над слоем ионита все время должна находиться жидкость. В случае попадания пузырьков воздуха в колонку ионит надо взрыхлить стеклянной палочкой.

Для переведения катионита в Н-форму через колонку пропускают 2н. раствор НСl. Если в колонке 15г катионита, то достаточно пропустить 200-300мл 2н. раствора НСl. Катиониты обычно содержат ионы железа (III), поэтому окончание промывания катионита устанавливают по отсутствию Fe³⁺ в жидкости на выходе из колонки. Для этого отбирают в пробирку или на часовое стекло 2 капли вытекающего из колонки раствора и добавляют 2 капли раствора K₄[F(CN)₆]. В присутствии Fe³⁺ выпадает синий осадок Fe[Fe(CN)₆]₃. (Для промывания катионита кислотой колонку можно присоединить к сосуду с нижним тубусом, находящемуся выше колонки и наполненному 2н. раствором HCl).

Кислоту пропускают через катионит со скоростью 10 мл/мин (примерно 2 капли в 1 сек.). После окончания пропускания кислоты жидкость в колонке спускают до верхнего слоя катионита и промывают катионит дистиллированной водой. Полноту отмывания катионита от кислоты проверяют по метиловому оранжевому. Если окраска раствора станет желтой, то считают, что катионит отмыт полностью от кислоты.

Катионит готов к работе.

Дата добавления: 2015-12-08