 |
Методы разделения и концентрирования. Качественные реакции анионов III аналитической группы
|
|
|
|
План занятия
1. Проверка посещаемости и информация
2. Устный опрос и коррекция знаний
3. Лабораторная работа № 12 “Качественные реакции анионов III группы”
4. Тест-контроль № 3
5. Подведение итогов занятия
УЧЕБНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕМЫ
Разделение – это операция (процесс), в результате которой компоненты, составляющие исходную смесь, отделяются друг от друга. При этом концентрации разделяемых компонентов могут быть одинаковыми или различными.
Концентрирование – это такая операция (процесс), в результате которой повышается отношение концентрации (количества) микрокомпонента к концентрации (количеству) макрокомпонента (или основы).
Под микрокомпонентом и макрокомпонентом подразумевают составные компоненты смеси, находящиеся соответственно в микроколичестве и макроколичестве.
Различают абсолютное концентрирование и относительное концентрирование.
Абсолютное концентрирование – это перевод микрокомпонента из большой массы (или большого объема) образца в малую массу (или малый объем). При этом повышается концентрация микрокомпонента.
Относительное концентрирование (обогащение) – это увеличение отношения между количествами микрокомпонента и макрокомпонента. К макрокомпонентам в этом случае относится и растворитель. Относительное концентрирование можно рассматривать как частный случай разделения, в результате которого концентрации смеси оказываются резко различными.
Результаты концентрирования количественно характеризуют коэффициентом (фактором) концентрирования F (встречаются и другие обозначения):
Q1 Q10 Q1Q20
F = ―:― =
Q2 Q20 Q10Q2
где Q10, Q20 - соответственно количество (или концентрация) микрокомпонента и макрокомпонента до концентрирования; Q1 и Q2 - соответственно количество (или концентрация) микрокомпонента и макрокомпонента после концентрирования. В случае абсолютного концентрирования Q10, Q20 - количество (объем) раствора до и после концентрирования.
|
|
|
Например, в 1 л (103 мл) раствора до концентрирования содержалось 10-5 г растворенного вещества. Раствор упарили до объема равного 1 мл.
Дано: Решение:
Q10 = 10-5 
Q20 = 103
Q1 = 10-5 т.е. при упаривании произошло
Q2 = 1 тысячекратное концентрирование
F =?
Методы разделения и концентрирования
1. Метод испарения.
Методы испарения (упаривание, перегонка, сублимация) основы, в которой содержится концентрируемый компонент. Обычно различают упаривание и выпаривание. Упаривание – испарение основы, при котором часть ее остается в системе по окончании процесса испарения. Выпаривание (т.е. досуха) – испарение основы, при котором последняя удаляется полностью.
Озоление.
Озоление – метод, при котором исходный анализируемый материал путем термической обработки на воздухе превращают в минеральный остаток – золу. Применяют тогда, когда определяемый компонент (например, металлы-микроэлементы) распределен в большой массе сгораемой основы. Метод часто используют при анализе растительного лекарственного сырья.
а) При сухом озолении анализируемый образец (1 – 5 г) помещают в фарфоровый, кварцевый или платиновый тигель, медленно нагревают, не допуская бурного удаления продуктов сгорания, после их выгорания и улетучивания осторожно прокаливают остаток при красном калении (~ 500 0С) до постоянной массы тигля с зольным остатком, охлаждают тигель в эксикаторе при комнатной температуре каждый раз перед очередным взвешиванием. В случае неполного сгорания углеродсодержащих частиц остаток охлаждают, прибавляют к нему небольшой объем воды или насыщенного раствора нитрата аммония NH4NO3, выпаривают воду (на водяной бане) и сухой остаток прокаливают. Эту операцию при необходимости повторяют.
|
|
|
б) При влажном (мокром) озолении (например, в случае определения сульфатной золы – типичной операции в фармакопейном анализе) исходную навеску анализируемого вещества, помещенную в фарфоровый, кварцевый или платиновый тигель, обрабатывают раствором соответствующего реактива (например, смачивают небольшим объемом концентрированной серной кислоты), медленно нагревают для удаления летучих продуктов и растворителя, после чего осторожно прокаливают остаток (при ~ 500 0С, красное каление) до постоянной массы. Операцию при необходимости повторяют.
В полученном зольном остатке открывают и определяют подходящими методами те или иные компоненты.
3. Осаждение.
Разделение путем осаждения основано на различной растворимости соединений. Применяют органические и неорганические осадители.
Для повышения эффективности разделения реакции осаждения комбинируют с кислотно-основными, окислительно-восстановительными реакциями и реакциями комплексообразования.
Осаждение малорастворимых соединений общим реагентом идет дробно. Вначале идет осаждение наиболее труднорастворимого соединения, произведение растворимости которого достигается при наименьшей концентрации осаждающего реагента. Затем осаждаются другие соединения в порядке возрастания их произведений растворимости.
Правило произведения растворимости позволяет рассчитать полноту осаждения каждого иона к моменту начала осаждения следующего иона.
При использовании специфических реагентов осаждение может происходить избирательно, т.е. только для одного вида ионов. Но этот случай встречается достаточно редко.
4. Соосаждение.
Соосаждение – одновременное осаждение обычно растворимого микрокомпонента с выпадающим в осадок макрокомпонентом из одного и того же раствора вследствие образования смешанных кристаллов, адсорбции, окклюзии т.д. Осадок макрокомпонента часто называют коллектором (или носителем микрокомпонента).
Так, ионы радия Ra2+, свинца Pb2+, меди Cu2+ извлекаются из раствора формирующимся осадком сульфата бария BaSO4.
Катионы Zn2+ соосаждаются с осадком оксогидроксида марганца (IV) MnO(OH)2 или (H2MnO3) вследствие образования соединения ZnMnO3.
|
|
|
Осадок AgCl при выпадении из водного раствора может захватывать KCl.
При отсутствии коллектора микрокомпонент не образует осадок, так как обычно концентрация микрокомпонента намного меньше концентрации его насыщенного раствора.
Различают поверхностное (внешнее) и внутреннее соосаждение. При поверхностном соосаждении соосаждаемое вещество адсорбируется на поверхности коллектора и удаляется вместе с ним из раствора. При внутреннем соосаждении соосаждаемый компонент увлекается из раствора вместе с коллектором вследствие механического захвата части маточного раствора, изоморфного замещения частиц коллектора частицами соосаждаемого вещества, химического взаимодействия соосаждаемого вещества с коллектором.
При изоморфном соосаждении справедлив закон Хлопина: изоморфный компонент при равновесии в системе распределяется между твердой и жидкой фазами при постоянной температуре так, что выполняется условие (1):
С(т)
К = = const, (1)
С(ж)
где К – константа распределения при изоморфном соосаждении; с(т) и с(ж) – равновесные концентрации соосаждаемого изоморфного компонента в твердой и жидкой фазах соответственно.
Соосаждение используют, в частности, для концентрирования веществ, содержащихся в растворе в микроколличествах, с последующим их определением в концентрате различными методами.
Например, можно провести концентрирование ионов Pb (II) в сульфате стронция (коллектор) вследствие изоморфного замещения ионов стронция Sr2+ ионами Pb2+ в осадке сульфата стронция.
Изоморфизм – явление замещения частиц одного компонента в узлах кристаллической решетки частицами другого компонента. Замещаемая и замещающая частицы должны быть близки по кристаллохимическим параметрам.
5. Кристаллизация – метод, применяемый для концентрирования примесных веществ. Микрокомпонент кристаллизуется вместе с макрокомпонентом. При этом происходит его концентрирование.
|
|
|
Пример: метод зонной плавки.
Сорбционные методы.
Сорбционные методы – основаны на использовании различной способности разделяемых или концентрируемых компонентов поглощаться веществами-носителями. Используют: 1) адсорбцию (поглощение поверхностью); 2) абсорбцию (поглощение в объеме); 3) хемосорбцию (поглощение, сопровождаемое протеканием химических реакций). Во многих случаях все эти виды сорбции наблюдаются одновременно.
При концентрировании микроколичеств веществ из сорбционных методов часто применяют избирательную адсорбцию. В качестве сорбента используют твердые фазы с высокоразвитой поверхностью – активированный уголь, кремнезем (силикагель), оксиды и гидроксиды металлов, их соли, синтетические полимерные вещества и др.
7. Электрохимические методы.
Для разделения и идентификации компонентов смесей применяют методы электрофореза (электрофоретические методы), основанные на использовании различий в скоростях движения заряженных частиц растворенных веществ во внешнем электрическом поле. Перемещаясь с различными скоростями под действием внешнего электрического поля, заряженные частицы (ионы) в конце концов разделяются на зоны, каждая из которых содержит ионы одинаковой природы. Эти зоны можно затем идентифицировать различными способами.
Электрофорез проводят либо в свободной незакрепленной среде (в свободной жидкости) – фронтальный электрофорез, либо в закрепленной среде – зональный электрофорез – на крупнопористых носителях (фильтровальная бумага, целлюлоза, порошкообразная пластмасса, агар-агар, ацетилцеллюлоза, стеклянный порошок) или на мелкопористых носителях (силикагель, полиакриламидные гель, целлюлоза, оксид алюминия, крахмал и др.).
8. Хроматографические методы.
Хроматографические методы – совокупность различных методов, основанных на различии в сродстве разделяемых компонентов, перемещающихся с подвижной фазой (жидкость, газ), к неподвижной (стационарной) фазе (твердое вещество, вязкая жидкость).
Экстракция.
Экстракция – совокупность методов, основанных на использовании различий в растворимости извлекаемого компонента в двух контактирующих несмешивающихся фазах (двух жидких или жидкой и твердой).
Жидкостная экстракция основана на использовании различной способности веществ разделятся между двумя несмешивающимися контактирующими жидкими фазами, т.е. на их различной растворимости в этих жидких фазах. Жидкостную экстракцию можно использовать как для разделения, так и для концентрирования веществ.
Отметим, что полное разделение или полное извлечение веществ методом экстракции в равновесных условиях невозможно, некоторая, пусть даже очень незначительная, часть экстрагируемого вещества всегда остается в исходной фазе.
|
|
|
Экстракционные методы обладают рядом достоинств:
1) простота, доступность, избирательность;
2) возможность работы как с большими, так и с очень малыми концентрациями;
3) быстрота проведения операций, дешевизна оборудования и т.д.
Аналитические реакции анионов третьей группы:
NO2-, NO3-, CH3COO-
Эти анионы не имеют группового реагента.
Их реакции см. в лабораторной работе.
Контрольные вопросы и задания по теме занятия
1. Что называют разделением и концентрированием? Что называют абсолютным и относительным концентрированием?
2. Как количественно характеризуют результаты концентрирования?
3. В чём различие между упариванием и выпариванием?
4. Что называют озолением? В чём сущность сухого и влажного озоления?
5. В чём сущность дробного и избирательного осаждения?
6. Что называют соосаждением? Что называют коллектором? Приведите примеры
7. В чём сущность поверхностного (внешнего) и внутреннего соосаждения?
8. Что называют изоморфным замещением? Сформулируйте закон Хлопина.
9. Для каких целей используют кристаллизацию?
10. Что лежит в основе сорбционных методов разделения? Какие сорбционные методы вы знаете?
11. В чём сущность электрофореза? Фронтальный и зональный электрофорез
12. Что называют экстракцией и хроматографией?
13. Как протекают качественные реакции анионов III группы?
Основная литература:
1. Аналитическая химия (аналитика). Общие теоретические основы. Качественный анализ. [Текст]: учеб. для вузов / Ю.Я. Харитонов [и др.]. - М.: Высш. шк., 2008. – 233 – 239; 464 – 473 с.
Дополнительная литература:
1. Основы аналитической химии. Практическое руководство. Учеб. пособие для вузов [Текст] / Под ред. Ю.А. Золотова - М.: Высш. шк., 2001. – 95 – 100 с.
|
|
|
