Nr ćwiczenia: 6	Data: 24.03.2011r.	Grupa: 1	Wydział: Technologia Chemiczna Kierunek: Technologia Chemiczna	Semestr: II
Prowadzący: dr inż. Bogdan Wyrwas		Przygotowanie:	Wykonanie:	Ocena:

1. Wstęp teoretyczny

Chromatografia jonowymienna to rodzaj cieczowej chromatografii kolumnowej. Jest to metoda preparatywna używana do wydzielenia z mieszaniny żądanej substancji. W tej metodzie chromatografii faza stacjonarna, złoże, jest obdarzona ładunkiem. Stanowi je zazwyczaj żywica jonowymienna, zawierająca obdarzone ładunkiem grupy funkcyjne, oddziałujące z przeciwnie naładowanymi grupami związków, które mają zostać zatrzymane przez nośnik. Związki związane z jonowymieniaczem mogą być wymyte z kolumny przez stopniową elucję, a także poprzez zmianę stężenia soli lub pH.

Zasadnicze typy jonitów to:

• Jonity kationowe - mają charakter kwasów lub soli kwasów i wymieniają z roztworem kationy (najczęściej jon wodorowy
  lub kationy metali alkalicznych,
  i
  ),

• Jonity anionowe - mają charakter zasad lub ich soli i wymieniają z roztworem aniony (np. jon wodorotlenowy
  , anion
  lub
  ),

• Jonity amfoteryczne (buforowe) zawierają zarówno grupy kwasowe i zasadowe (lub ich sole), mogą być również używane mieszaniny różnych jonitów.

Proces wymiany jonowej znajduje głównie zastosowanie do:

• zmiękczania,

• demineralizacji i odsalania,

• usuwania fosforanów i azotanów,

• usuwania azotu amonowego, metali i radionuklidów,

• usuwania niektórych zanieczyszczeń organicznych.

Najważniejsze zalety chromatografii jonowej to

• możliwość jednoczesnego oznaczania kilku jonów w czasie kilkunastu minut;

• granice wykrywalności i oznaczalności na poziomie μg/ L;

• niewielka ilość próbki potrzebna do analizy;

• możliwość stosowania różnych detektorów; prosty sposób przygotowania próbek;

• możliwość jednoczesnego oznaczania kationów i anionów, lub jonów organicznych i nieorganicznych

• możliwość oznaczania jonów tego samego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia

Technika stosowania jonitów

Rodzaj jonitu musi odpowiadać zadaniu jakie stawia mu analityk. W większości typowych rozdzieleń stosuje się jednofunkcyjne jonity silnie kwasowe lub silnie zasadowe. Należy stosować jonity o określonej wielkości ziaren, wpływa ona bowiem na przebieg rozdzielania. Wielkość ziarna zależy od wymiarów kolumny oraz rodzaju procesu. Jonit w kolumnie musi być ułożony równomiernie i powinien być zawsze przykryty roztworem, a złoże nie może zawierać pęcherzyków powietrza. Wysokość złoża żywicy jonowymiennej w kolumnie powinna być 10- 20 razy większa od średnicy kolumny.

Jonity służą głównie do zmiękczania wody, mają także zastosowanie w analizie chemicznej do usuwania przeszkadzających jonów z roztworu, oznaczania stężenia niektórych soli w roztworze, zagęszczania śladów oraz w chromatografii jonowymiennej. Do bardziej popularnych jonitów należą: Dowex, Wofatyt, Amberlit, Duolite, Gamranityt, Lewatyt, Varion.

Twardość wody - cecha wody, będąca funkcją stężenia soli wapnia, magnezu i innych metali, które są zdolne do tworzenia soli na wyższym niż pierwszy stopniu utlenienia.

Twardość wody dzieli się na:

• nietrwałą (przemijającą, węglanową) - która jest generowana przez sole kwaśne kwasu węglowego - wodorowęglany

• trwałą - która jest generowana przez sole innych kwasów, głównie chlorki, ale też siarczany, azotany i inne.

Ogólna twardość wody jest sumą twardości węglanowej i trwałej.

Nazwa "twardość nietrwała" wynika z faktu, że wodorowęglany są nietrwałe termicznie i podczas ogrzewania przekształcają się do nierozpuszczalnych w wodzie węglanów, które wytrącają się z roztworu (jest to proces odwrotny do rozpuszczania w wodzie skał węglanowych w obecności CO₂), np.:

Ca²⁺ + 2HCO−3 ⇌ CaCO₃ + H₂O + CO₂↑

Natomiast chlorki, siarczany i azotany są trwałe i pozostają również po przegotowaniu wody.

Twardość wody ma wpływ na jej napięcie powierzchniowe. Czym większe napięcie powierzchniowe wody, tym trudniej zwilża ona wszelkie powierzchnie, na skutek czego trudniej jest za jej pomocą czyścić zabrudzone powierzchnie. Twarda woda wymaga stosowania większych ilości mydła, gdyż powoduje wytrącenie trudno rozpuszczalnych soli kwasów tłuszczowych i metali odpowiedzialnych za twardość wody.

Duża, nietrwała twardość wody kotłowej stanowi często poważny techniczny problem, gdyż w trakcie wielu procesów technologicznych związanych z podgrzewaniem wody następuje wtedy osadzanie się tzw. kamienia kotłowego.

Twardość wody wyraża się w trzech różnych skalach:

• stopniach niemieckich (°n lub °d) - 1 °n = 10,00 mg CaO w 1 litrze wody oraz 1 °n = 17,86 mg CaCO₃ w 1 litrze wody,
  w literaturze angielskojęzycznej również oznaczanych jako równoważna skala dGH (ang. degrees of General Hardness - stopnie twardości ogólnej)

• stopniach francuskich (°f) - 1 °f = 10,00 mg CaCO₃ w 1 litrze wody

• milivalach na litr (mval/l) - 1 mval = 1 miligramorównoważnik (0,5 milimol) jonów Ca²⁺ oraz 1 mval = 50 mg CaCO₃ w 1 litrze wody.

Typowa twardość wody użytkowej (kranowej) wynosi ok. 10 °n. Woda poniżej 3 °n jest uważana za miękką, zaś woda powyżej 30 °n jest uważana za twardą:

• bardzo miękka: <75 mg CaCO₃/dm³

• miękka: 75-150 mg CaCO₃/dm³

• średnio twarda: 150-300 mg CaCO₃/dm³

• twarda: 300-500 mg CaCO₃/dm³

• bardzo twarda: >500 mg CaCO₃/dm³

Twardość wody pitnej wg norm polskich powinna wynosić 60-500 mg CaCO₃/dm³

OPRACOWANIE WYNIKÓW:

1. Rozdzielanie proste.

a) Po dodaniu kationitu do roztworu chlorku chromu (CrCl₃), barwa kationitu pociemniała z koloru jasnobrązowego na ciemnobrązowy. Po dekantacji i zalaniu żywicy 2M H₂SO₄, żywica odbarwiła się, czyli przyjęła początkową barwę. Zaszły reakcje:

(K = kationit)

1) 3 HK + Cr³⁺ CrK₃ + 3 H⁺

2) CrK₃ + 3 H⁺ 3 HK + Cr³⁺

b) Po dodaniu kationitu do roztworu siarczanu (VI) miedzi (II) (CuSO₄), barwa kationitu zrobiła się jaśniejsza, a roztwór przybrał barwę zielonkawą. Po dekantacji i zalaniu żywicy 2M NH_3aq, żywica zmieniła barwę na ciemnoniebieską.

1) 2 HK + Cu²⁺ CuK₂ + 2 H⁺

2) CuK₂ + 4 NH₃ Cu(NH₃)₄K₂

2. Dejonizacja wody:

Twardość wody w stopniach niemieckich obliczmy ze wzoru

Twardość wody =

Gdzie: v - objętość EDTA zużyta do miareczkowania [ml]

c - stężenie EDTA [mol/l]

V - objętość próbki miareczkowanej wody [ml]

56,08 - masa molowa CaO [g/mol]

Przyjmujemy ze 1ml wody = 1g

1. 50 ml wody wodociągowej z dodanymi 5 ml roztworu buforowego o pH = 10 oraz ok. 0,1 g wskaźnika czerni eriochromowej.

2. 50 ml wody przegotowanej (przepuszczonej przez ROH) z dodanymi 5 ml roztworu buforowego o pH = 10 oraz ok. 0,1 g wskaźnika czerni eriochromowej.

3. 50 ml wody przepuszczonej przez złoże jonowymienne (RH) z dodanymi 5 ml roztworu buforowego o pH = 10 oraz ok. 0,1 g wskaźnika czerni eriochromowej.

Miareczkowałam te 3 próby roztworem 0,02 M EDTA z biurety.

Obserwacje i wyniki:

1. Roztwór zmienił barwę z fioletowej na niebieską po dodaniu 13 ml.

2. Roztwór zmienił barwę z różowej na niebieską po dodaniu 7 ml.

3. Roztwór od samego początku był niebieski, nie wymagał miareczkowania.

Obliczenia:

1. 0,02 mola EDTA - 1000 ml EDTA

X moli - 13 ml EDTA

X = 0,00026 mola

0,00026 mola - 50 ml wody

X moli - 1000 ml wody

X = 0,0052 mola

56,08 g CaO - 1 mol

X g - 0,0052 mola

X = 0,291616 g

0,291616 * 1000 = 291,616 mg

1 stopień niemiecki - 10 mg CaO

X - 291,616 mg CaO

X = 29,1616 stopnie.

Wg wzoru na twardość wody :

(5 ml * 0,02 M * 56,08 * 100) / 13 ml = 29,1616 stopnie niemieckie.

2. 0,02 mola EDTA - 1000 ml EDTA

X moli - 7 ml EDTA

X = 0,00014 mola

0,00014 mola - 50 ml wody

X moli - 1000 ml wody

X = 0,0028 mola

56,08 g CaO - 1 mol

X g - 0,0028 mola

X = 0,0157024 g

0,157024 * 1000 = 157,024 mg

1 stopień niemiecki - 10 mg CaO

X - 157,024 mg CaO

X = 15,7024 stopnie.

Wg wzoru na twardość wody :

(5 ml * 0,02 M * 56,08 * 100) / 7 ml = 15,7024 stopnie niemieckie.

3. Twardość wody wynosi 0 stopni niemieckich.

(5 ml * 0,02 M * 56,08 * 100) / 0 ml = 0 stopni niemieckich.

Wnioski:

Wyniki doświadczeń są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Badana woda cechuje się średnią twardością. Wyciąg z kolumny RH zawierał pewną ilość kationów, bo mogło być spowodowane przekroczeniem momentu przebicia kolumny.

3. Do wody wodociągowej i wody przepuszczonej przez złoże jonowymienne dodanie 2 M HCl i 0,5 M BaCl₂

W probówce 1, gdzie była woda wodociągowa, zaobserwowaliśmy zmętnienie świadczące o obecności siarczanów; w probówce 2, gdzie była woda przepuszczona przez RH, zmętnienie było prawie niewidoczne.

Obecność zmętnienia świadczy o obecności siarczanów w roztworach.

Ba²⁺ + SO₄^-2 BaSO_{4 ↓}

1. Do wody wodociągowej i wody przepuszczonej przez złoże jonowymienne dodanie 0,1 M AgNO_3.

Po dodaniu do wody z kolumny RH roztworu AgNO₃ roztwór lekko zmętniał, natomiast tam gdzie była sama woda wodociągowa roztwór zmętniał bardzo mocno, prawie zrobił się biały.

Obecność zmętnienia w każdej probówce świadczy o obecności chlorków w roztworach.

Ag⁺ + Cl^- AgCl ↓

---