Опыт проведения ионообменной хроматографии в простейшем аппаратурном исполнении

Доброго времени суток, уважаемые читатели VC. Данный пост носит исключительно образовательный и обучающий характер, и посвящён лабораторному процессу количественного определению ионов магния с применением ионообменной хроматографии. Опыт проведен в рамках реализации проектной деятельности школьников по изучению и оптимизаций условий протекания ионообменной хроматографии в лабораторных условиях. Химический анализ сделан в учреждении дополнительного образования ГНБОУ Академия Цифровых Технологий города Санкт-Петербург.

Полный текст методики анализа представлен во вложенном файле в конце данного поста.

Данный опыт сделан учеником 10 класса Гринько Степаном Леонидовичем, который является победителем регионального этапа WorldSkills Russia Juniors по компетенции Лабораторный Химический Анализ.

Цель анализа: определение содержания химически чистого вещества в пробе химического реактива. Определить квалификацию химического реактива

Объект анализа: сульфат магния 7 водный (MgSO4*7H2O)

Метод анализа: катионообменная хроматография, индикаторное кислотно-основное титрование.

Ионообменная хроматография - аналитический метод разделения, качественного и количественного определения содержания исследуемых веществ (подвижная фаза или элюент), основанный на их специфике к ионному обмену с поверхностью ионита (неподвижная фаза).

С помощью ионообменной хроматографии проводят качественное и количественное определение чистоты и качества реактивов, лекарственных препаратов, очистку антибиотиков, белковых соединений от примесей. Для каждой группы или конкретного химического соединения, прочих объектов анализа существуют соответствующие аналитические методики, которые представлены в таких нормативных документах, как государственный стандарт (ГОСТ), общая (ОФС) и частная (ФС) фармакопейные статьи.

В ОФС Ионообменная хроматография, есть пояснение на счёт таких двух сходных терминов, как ионообменная хроматография и ионная хроматография. Привожу выдержку из данного нормативного документа:

Классический метод ионообменной хроматографии подразумевает разделение ионов в условиях низкого давления подачи элюента в колонку. Ионный обмен происходит при атмосферном давлении.

Ионная хроматография - высокоэффективный вариант ионообменной хроматографии, в котором для детектирования определяемых соединений (ионов) используется кондуктометрический детектор.

Титрование – это процесс количественного определения вещества, при котором к нему постепенно прибавляют небольшие порции реагирующего с ним другого вещества до того момента, пока всё определяемое вещество не вступит в реакцию.

Реагент, используемый для проведения титрования называют титрантом. Раствор титранта – раствор с точно известной концентрацией. Суть титриметрического анализа сводится к тому, к анализируемому веществу, который находится в растворенном состоянии, добавляют титрант, до тех пор, пока всё химическое соединение (анализируемое) полностью не прореагирует с растворенном химическим соединением в растворе титранта.

Суть методики количественного определения ионов магния сводятся к тому, что катионит в H+ форме в процессе сорбции происходит замена на ионы магния в строгом стехиометрическом соотношении. Вышедший из хроматографической колонки в виде элюата свободные ионы водорода впоследствии количественно определяются индикаторным кислотно-основным титрованием. Для более точного нахождения точки эквивалентности при отттитровании всего количества свободных ионов водорода в элюате предпочтительно использовать метод кондуктометрического кислотно-основного титрования, который относят к инструментальным методам анализа и даёт повышенную точность результата анализа по сравнению с классическим методом количественного химического анализа – индикаторное кислотно-основное титрование. Определение концентрации чистого медного купороса в исследуемой пробе было сделано в двух вариантах

1 вариант: ионообменная хроматография + индикаторное кислотно-основное титрование

2 вариант: ионообменная хроматография + кондуктометрическое титрование

Этапы выполнения химического анализа

• Приготовление 3% раствора соляной кислоты из 0,1 М раствора

• Приготовление и стандартизация 0,1 М раствора гидроксида натрия по щавелевой кислоте

• Перевод катионита в Н-форму

• Проведение ионного обмена

• Титриметрическое определение титра сульфата магния (индикаторное титрование и кондуктометрическое титрование)

• Расчёт количества сульфата магния и ионов магния в кристаллогидрате

В процессе выполнения химического анализа сделан упор на технику выполнения отдельных процедур выполнения анализа.

Перед проведением лабораторного химического анализа необходимо внимательно прочитать и уяснить в голове суть методики, последовательность и число параллейных выполняемых операций. Рекомендуется представить в голове ход выполнения отдельных операций, или визуализировать ход проведения анализа. После изучения методики анализа необходимо надеть средства индивидуальной защиты, подготовить рабочее место, подобрать химическую посуду требуемой номенклатуре и количестве (список представлен в методике), подготовить к работе измерительные и прочие приборы, а также подготовить протокол выполнения химического анализа. Также к подготовительным мероприятиям относят приготовление растворов, которые непосредственно используются в процессе выполнения лабораторного химического анализа.

В рамках проведения ионообменной хроматографии были подготовлены ионообменные колонки, которые были заполнены катионитом КУ-2-8, находящие в набухшем состоянии на протяжении всего времени проведения процесса ионного обмена. Также были настроены аналитические весы и откалиброван кондуктометр по 0,1 М раствору хлорида калия (калибровочный раствор).

В два химических стакана на 50 мл отбирают и взвешивают на технических весах одинаковые навески сухого катионита КУ-2-8, которые затем добавляют дистиллированную воду, чтобы катионит набух. Набухание катионита осуществляется в течение 10 – 15 минут. С помощью длинного штыря или проволоки во внутрь двух бюреток на 25 мл проталкивают кусочек ваты, которая выполняет роль гидравлического затвора для ионообменной колонки. В бюретки через микроворонку медленно заливают раствор набухшего катионита, таким образом чтобы катионит осел на вату равномерным слоем. Высота ионита в двух бюретках должна быть одинаковой.

Исходный катионит КУ-2-8 находится в Na-форме. Для переведения катионита в H-форму в сперва приготавливают 3% раствор по массе соляной кислоты из 0,1 М раствора путем разбавления. Затем пристеночным образом заливают раствор 3% соляной кислоты в колонку с ионитом и выдерживают в колонке в течение 30 минут.

Взвешивание навески сульфата магния семиводного проводят на аналитических весах. Для взвешивания твёрдых и жидких проб и используют бюксы для взвешивания. Предварительно регулируют горизонтальность положения аналитических весов, а затем проводят процесс взвешивания отобранной массы навески объекта анализа (МgSO4*7H2O).

Процедура взвешивания навески реактива на аналитических весах представлена в следующем видеоролике

Отобранную и взвешенную на аналитических весах навеску реактива количественно переносят в мерную колбу на 100 мл, доливают примерно 30 мл дистиллированной воды, чтобы навеска семиводного сульфата магния растворилась и затем доводят дистиллированной водой до метки. Весь процесс растворения навески семиводного сульфата магния в мерной колбе представлен в видеоролике.

После подготовки катионита к проведению анализа и переводу его в H-форму в двух колонках происходит пропускание по 10 мл раствора растворенной в мерной колбе навески семиводного сульфата магния регулируя скорость пропускания жидкости через колонку, а также на протяжении всего процесса проводят поддержание уровня жидкости в бюретке на одном уровне путем подлива дистиллированной воды. Слившуюся из колонки жидкость образует элюат, который содержит свободные ионы водорода в стехиометрическом количестве. Периодически в процессе на протяжении всего времени проведения ионного обмена проводят проверку уровня кислотности вытекающей жидкости из колонки, реакцией по индикатору метиловому оранжевому. Момент появления в пробирке для пробоотбора нейтральной реакции по метиловому оранжевому свидетельствует об окончании процесса ионного обмена в колонке (все ионы магния сорбировались на колонке с ионитом).

Проведение ионного обмена также представлено в виде видеоролика

Контрольные точки процесса - совокупность параметров процесса, которые характеризуют степень завершённости процесса. Контрольными точками ионообменной хроматографии является уровень кислотности элюата вытекающее из колонки в процессе проведения ионного обмена

Вариант 1: индикаторное кислотно-основное титрование

В собранный с каждой колонки элюат добавляют 2 – 3 капли спиртового раствора фенолфталеина и титруют раствором гидроксида натрия, который предварительно был отстандартизован 0,1 нормальным раствором щавелевой кислоты, приготовленный из ампулы фиксанала. Первая капля, добавленной из бюретки щелочи, которое устойчиво меняет оранжевый оттенок цвета раствора на малиновый свидетельствует о наступлении точки эквивалентности. Каждый раствор элюата титруют по одному разу. Результаты индикаторного титрования по фенолфталеину показывали более близкое к опорному значению.

Вариант 2: кондуктометрическое кислотно-основное титрование

В собранный с каждой колонки элюат погружают кондуктометрический электрод и якорь магнитной мешалки, включают мешалку и титруют раствором гидроксида натрия, который предварительно был от стандартизован 0,1 нормальным раствором щавелевой кислоты, приготовленный из ампулы фиксанала. В процессе титрования, измеряют удельную проводимость раствора при равномерном покапельным интервальном добавлении раствора щелочи в элюат до тех пор, пока не наметится наименьшее значение проводимости раствора. Далее добавляют ещё несколько раз равными интервалами раствор титранта для образования места точного излома на кривой кондуктометрического титрования.

Строят график зависимости величины удельной электропроводности раствора элюата от величины объёма добавленного раствора щелочи в программе MS Excel. На графике строят две аппроксимирующие прямые точка пересечения которых свидетельствует о месте нахождения излома, соответственно о точке эквивалентности

Статистическая обработка и представление результатов выполнения химического анализа прописана в методике. Статистической обработке подвергают конечные численные результаты химического анализа. Математическая реализация статистической обработки и представления результатов анализа представлено во вложении в виде протокола выполнения анализа.

Результаты индикаторного титрования по фенолфталеину показывали более близкое к опорному значению содержание чистого семиводного сульфата магния, чем кондуктометрическое титрование. Причиной больших отклонений результатов при кондуктометрическом титровании от опорных значений заключалась в несоответствии используемого в работе кондуктометра своим метрологическим характеристикам, а также вклад растворённой углекислоты, находящейся в растворе элюата. Результаты, также говорят о том, что основной причиной отклонений от требуемых значений результатов анализа вероятно является значение концентрации раствора щелочи, которое содержит погрешность, возникшая при проведении стандартизации

Прилагаемые файлы текста методики и протокола выполнения анализа смотрите здесь