1. CHROMATOGRAFICKÉ DĚLENÍ ANIONTŮ NA IONEXECH Teorie: Uplatnění iontoměničů v analytické chemii je založeno na vratné výměně iontů mezi mobilní kapalnou fází a stacionární iontovou fází. Stacionární fáze se skládá z nerozpustné, avšak propustné polymerní sítě, která obsahuje vázané skupiny s nábojem a pohyblivé protiionty opačného náboje. Tyto protiionty mohou být vyměněny za jiné ionty z mobilní fáze. Jako vázané skupiny (active groups) se uplatňují: - u silně kyselých měničů kationtů, katexů (DOWEX 50WX) -SO[3]^-H^+ - u slabě kyselých katexů (DOWEX CCR2) -COOH - u silně bazických měničů aniontů, anexů (DOWEX 1X) -[N(R)[3]^+] Cl^- Výměnné reakce jsou téměř úplně vratné a rovnovážný stav nezávisí na směru, ze kterého byl dosažen. V dokumentaci k ionexům určeným pro použití v klasické kolonové nízkotlaké (gravitační) chromatografii nalezneme údaje rozhodující pro jejich používání (v {} závorkách jsou uvedeny údaje platné pro silně bazický anex DOWEX 1X8 se strukturou polystyrenu kopolymerovaného s divinylbenzenem s funkčními skupinami trimethylbenzylamonium, se kterým budeme pracovat): - velikost částic {50–100 mesh} (mesh je pomocná jednotka, odvozená od rozměrů ok ve standardních sítech, používaných k dělení velikostních frakcí: 50 mesh – otvor 0,29 mm; 100 mesh – otvor 0,14 mm) - zesítění (crosslinkage) – % divinylbenzenu {8} - sypná hmotnost (shipping density) - k určení množství ionexu pro naplnění kolony určitého objemu {0,7 kg/dm^3} - obsah vody (moisture) – voda na 1 g suchého ionexu. Přijímáním vody se gelová struktura rozpíná, bobtná a zvětšuje svůj objem. Ionexy jsou zpravidla dodávány v nabotnalém stavu. {43 %} - celková výměnná kapacita (odpovídá počtu funkčních skupin v hmotnostní jednotce sušiny a závisí na iontové formě ionexu) – vyjadřuje se jako „g of CaCO[3]/dm^3“ {66} - celková hmotnostní kapacita (mol chem. ekvivalentů na 1 g sušiny) {3,5 mmol chem. ekv./1 g} - celková objemová kapacita (mol chem. ekvivalentů v 1 ml usazené nabobtnalé vrstvy) {1,33 mmol chem.ekv./1 ml} - užitková výměnná kapacita (kapacita do průniku iontu) – jde o skutečnou pracovní kapacitu pro určitou velikost částic, teplotu kolony, pro určitou průtokovou rychlost, určitý stupeň plnění a určitou koncentraci přiváděného roztoku Pro vyhodnocování výsledků měření, zejména určování tzv. mrtvého objemu, je důležitým údajem poměr e = V[o]/V[c] označovaný jako relativní porozita kolony (V[c] je celkový objem náplně v koloně, V[o] je objem mezer mezi zrnky ionexu). Hodnota tohoto poměru pro polystyrendivinylbenzenový typ ionexu je zpravidla e = 0,40. SELEKTIVITA charakterizuje rozdíly v afinitě iontů k příslušnému měniči iontů. Je vyjadřována selektivitním koeficientem, který určuje mol chem. ekvivalentů iontů sorbovaných z 1 ml roztoku na 1 g sušiny pryskyřice, u anexu v chloridové, u katexu ve vodíkové formě. Selektivitní koeficient je označován také jako koncentrační výměnná konstanta, charakterizující výměnnou rovnováhu {R^+Cl^-}[t] + X^- « {R^+X^-}[t] + Cl^- pevná fáze fáze roztoku pevná fáze fáze roztoku Selektivitní koeficient není konstantou, závisí na velikosti obou vyměňovaných iontů i na celkové koncentraci a pro daný typ ionexu se mění se stupněm zesítění. Dává však dobrou informaci pro rozhodování o separaci iontů. Například pro silně bazický anex Cl^- cyklu má selektivitní koeficient pro některé anionty tyto hodnoty: OH^- F^- Cl^- Br^- NO[3]^- I^- 0,09 0,09 1,00 2,8 3,8 8,7 Čím je větší, tím lépe nahrazuje ion X^- v roztoku ion Cl^- v ionexu. Za rovnováhy (zastavený tok v koloně) nelze vyměnit 100 % iontu X^- (rovnovážná reakce). Kvantitativní výměnu lze realizovat dynamicky - stálým průtokem mobilní fáze. Tento děj si lze představit jako opakované ustavování rovnováh se stále klesající Velikost koeficientu je určující pro rychlost výměny, velikost poměru / určuje možnost separace iontů X2^- a X1^-. Na rozdílech afinit iontů k sorbentu jsou založeny postupy chromatografického dělení iontů, kdy lze separace iontů ze směsi dosáhnout vhodnou volbou typu a koncentrace elučního činidla. Obr. 1.1: Fáze práce s kolonou 1.1. Přípravné práce 1.1.1. Faktorizace odměrného roztoku 0,02 M AgNO[3] Provádí se titrací standardního roztoku NaCl na indikátor chroman draselný. 1 ml 0,02M AgNO[3] » 1,1688 mg NaCl » 0,70906 mg Cl^- M(NaCl) = 58,44 g/mol Na analytických váhách navážit přibližně 0,1 g NaCl, navážku zapsat s přesností na 4 desetinná místa, rozpustit ve 100 ml odměrné baňce a po rozpuštění doplnit po rysku destilovanou vodou. Do titračních baněk napipetovat 10 ml roztoku NaCl, přidat 3 kapky roztoku K[2]CrO[4]. Poté titrovat 0,02 M AgNO[3] po až do první pozorovatelné změny zbarvení ze žlutého do oranžového (podle množství přidaného indikátoru béžového až červenohnědého). Titraci provést 3x. Z výsledků titrací vypočítat přesnou koncentraci odměrného roztoku AgNO[3]. 1.1.2. Převedení ionexu do NO[3]^- cyklu Kolonu naplněnou ionexem 10 minut promývat roztokem 2 M NaNO[3 ](gravitačně – samospádem). POZOR! Kolona v části, kde je umístěný ionex, musí být stále zaplněna kapalinou. Proto je třeba kontrolovat výšku hladiny elučního roztoku. 1.2. Ekvilibrace kolony Po promytí chromatografické kolony 2 M NaNO[3] promývat kolonu (naplněnou ionexem) 10 minut elučním roztokem 0,08 M NaNO[3]. 1.3. Příprava modelového roztoku vzorku Do 100 ml odměrné baňky napipetovat 2,5 ml zásobního roztoku Cl^- (1 M NaCl) a současně také 2,5 ml zásobního roztoku Br^- (1 M KBr), odměrnou baňku doplnit destilovanou vodou po rysku. 1.4. Dávkování modelového roztoku na kolonu Po protečení veškerého 0,08 M roztoku NaNO[3] a srovnání hladiny v chromatografické koloně nadávkovat na kolonu modelový vzorek, tj. pod ústí kolonky postavit 5 ml odměrný válec a do kolony napipetovat 5 ml připraveného modelového vzorku (tj. toto množství nanést na kolonu). Zaznamenat čas (čas nátoku) nanesení kapaliny na kolonu. POZOR! Veškeré množství nanést na kolonu pouze 1x, Cl^- a Br^- se vymývají postupně. Po natečení 5 ml kapaliny do odměrného válce, přelít jeho obsah do titrační baňky a válec vypláchnout 5 ml destilované vody do téže titrační baňky (pořadové číslo 0). 1.5. Postupná eluce aniontů a jímání frakcí. Stanovení obsahu analytu ve frakcích eluátu. Eluce chloridů a stanovení obsahu chloridů ve frakcích eluátu Kolonu postupně promývat elučním roztokem 0,08 M NaNO[3]. Pod výtok z kolonky postavit 5 ml odměrný válec. Po natečení 5 ml odměrný válec odstavit, nahradit dalším odměrným válcem a pokračovat v jímání eluátu. První frakci přelít do titrační baňky, odměrný válec propláchnout 5 ml destilované vody do téže titrační baňky a odměrný válec připravit k jímání další frakce. Tento postup stále opakovat. V titračních baňkách stanovovat halogenid titrací odměrným roztokem 0,02 M AgNO[3] Mohrovou metodou na chroman draselný jako indikátor. Do titrační baňky přidat 3 kapky indikátoru K[2]CrO[4] a titrovat roztokem 0,02 M AgNO[3], dokud se původně nažloutlý zakalený roztok nezmění první kapkou zbarvení do červenohnědého tónu chromanu stříbrného. Celkovou spotřebu odměrného roztoku porovnat s hodnotou teoretické maximální spotřeby 0,02 M AgNO[3 ]na stanovovaný halogenid[.] POZOR! Je třeba si předběžně spočítat celkové teoretické látkové množství Cl^- / Br^- a množství Cl^- / Br^-, které byly vneseny na kolonu. Tyto hodnoty uvést do laboratorního deníku. Při titracích zaznamenávat postupný růst obsahu halogenidů v titračních baňkách a jejich následný pokles. Pořadí baněk, kdy začíná a vrcholí eluce, závisí při konstantním toku mobilní fáze na koncentraci NaNO[3] v elučním roztoku. Eluci je třeba provádět tak dlouho, až se při titracích minimalizují spotřeby AgNO[3] (POZOR! Neklesnou na původní hodnotu, hodnoty se pouze ustálí). Po dosažení tohoto stavu ukončit promývání kolony 0,08 M NaNO[3]. Eluce bromidů a stanovení obsahu bromidů ve frakcích eluátu Po klesnutí hodnoty spotřeby titračního činidla 0,02 M AgNO[3] na frakci stanovovaných halogenidů (tj. chloridů) na konstantní hodnotu, změnit eluční činidlo na 1 M NaNO[3]. Dále pokračovat v eluci Br^-. Eluci provádět tak dlouho, až se při titracích minimalizují spotřeby AgNO[3] na úroveň jako v baňkách na začátku eluce. Po dosažení tohoto stavu eluci ukončit. 1.6. Ukončení analýzy a příprava kolony k další analýze Po ukončení analýzy promývat 10 minut kolonu roztokem 2 M NaNO[3]. 1.7. Vyhodnocení analýzy Průběžný kontrolní výpočet: Výsledky titrací zaznamenávat do tabulky, počítat celkovou spotřebu 0,02 M AgNO[3] od první pozitivní frakce: frakce č. V[frakce] V[(spotřeba] [ 0,02 M AgNO3 na frakci]) V[celková spotřeba] n stanoveno Cl^- / Br^- m stanoveno Cl^- / Br^- [ml] [ml] [ml] [mmol] [mg] n 5 0,11 0,11 n + 1 5 1,1 1,21 n + 2 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 atd. 1.8. Sestrojení eluční křivky Z naměřených dat sestrojit eluční křivku, tj. závislost obsahu Cl^- a Br^- v eluátu na objemu elučního činidla. Do grafu vynést na osu x celkový objem eluátu, naměřený na výstupu z kolony od frakce označené 0, vytlačené při nanášení vzorku, a na osu y spotřebovaný objem titračního činidla AgNO[3], tj. hodnoty přímo úměrné obsahu Cl^- a Br^- ve frakci. Do grafu uvést i hodnotu objemové rychlosti průtoku mobilní fáze kolonou, vypočítanou z údajů o čase a objemu (odst. 1.4). Průměr kolony je 0,9 cm, výšku náplně je třeba změřit. V grafu označit změnu koncentrace elučního činidla. 1.9. Vyhodnocení Při vyhodnocení chromatografického dělení aniontů na ionexech uvést do protokolu: · teoretické látkové množství Cl^- a Br^- nanesené na kolonu v mmol, teoretický obsah Cl^- a Br^- nanesené na kolonu v mg. · určit skutečné látkové množství Cl^- a Br^- v mmol, obsah Cl^- a Br^- v mg a porovnat je s vneseným známým množstvím Cl^- a Br^-. · mrtvý objem V[M], tj. objem, v němž se eluuje látka nezadržovaná na koloně, a stanovení předpokládané první frakce, v níž bude stanoven Cl^-, tj. vypočítat objem náplně z hodnoty poloměru kolony a výšky sloupce sorbentu h podle vzorce vztahu Z tohoto objemu 40 % zaujímá roztok vně mezi zrny ionexu a tento objem je minimálním objemem, který opustí kolonu, než začne vytékat analyt, pokud není na koloně zadržován. · V[M] vyznačit do sestrojeného elučního grafu. Pokud se analyt bude zadržovat, objeví se až v následujících frakcích. · celkovou spotřebu odměrného roztoku porovnat s hodnotou teoretické maximální spotřeby 0,02 M AgNO[3] vypočítanou jako objem titračního činidla, odpovídající celkovému látkovému množství Cl^- a Br^- vnesenému na kolonu. · přiložit grafické zobrazení eluční křivky s vyznačeným mrtvým objemem, hodnotou objemové rychlosti průtoku mobilní fáze kolonou. V grafu vyznačit také změnu koncentrace elučního činidla.