Работа №3. Колоночная хроматография на окиси алюминия.

Цель работы: познакомиться с методом колоночной хроматографии и осуществить процесс разделения органических красителей.

Выполнение работы.

Для хроматографического разделения веществ используют стеклянные колонки диаметром 8-10 мм и длиной около 50 см (например, бюретки). В нижнюю часть колонки помещают ватный тампон. Колонку закрепляют вертикально в штативе и через воронку аккуратно тонкой струйкой насыпают слой адсорбента – оксида алюминия, высотой 5 - 7 см. Для более равномерного заполнения колонки адсорбентом ее периодически постукивают куском резинового шланга.

В ступке смешивают по 5 - 10 мг красителей – азобензола и судана II, и осторожно растирают с небольшим количеством адсорбента. Эту смесь аккуратно засыпают в колонку и прижимают вторым тампоном.

В колонку заливают 7 - 10 мл тетрахлорметана и наблюдают за разделением смеси, собирая раствор красителя в пробирку или маленькую колбу. После выхода первого вещества в колонку добавляют 10 мл бензола и элюируют второе вещество в другой приемник.

Полученные фракции можно проанализировать методом ТСХ.

Работа №4. Тонкослойная хроматография на пластинках "Силуфол".

Цель работы: познакомиться с методом тонкослойной хроматографии и осуществить процесс разделения органических красителей в тонком слое.

Сущность работы.

Тонкослойная хроматография (ТСХ) применяется для разделения малых количеств веществ. С помощью этого метода решаются задачи идентификации веществ, проверка чистоты органических соединений, контроль за ходом химических реакций и др. Существует два способа проведения ТСХ: на незакрепленном и закрепленном слое. В последнем случае очень удобны промышленно изготовляемые пластинки “Силуфол” (Silufol, Чехословакия), представляющие собой тонкий слой силикагеля, закрепленный на алюминиевой фольге при помощи крахмала.

Для проведения работы потребуется хроматографический бокс, на дно которого нужно уложить кружок фильтровальной бумаги. Для насыщения хромобокса парами растворителя в него можно вставить по стенкам цилиндр из фильтрованной бумаги.

Выполнение работы.

В хромобокс наливают элюент – четыреххлористый углерод, слоем 0,5 – 0,7 см. Вырезают прямоугольную пластинку “Силуфола” размерами 5 х 5 см. На расстоянии 0,5 см от краев пластинки проводят простым карандашом горизонтальные линии (линия старта и линия финиша). Исследуемую смесь красителей и набор стандартных веществ («свидетелей») растворяют в пробирках и нумеруют. Тонкими стеклянными капиллярами набирают растворы веществ и, на расстоянии 0,5 - 0,7 см от краев и между собой, по очереди наносят на линию старта, лишь слегка прикасаясь капиллярами к пластине. Каждое вещество и смесь наносится своим капилляром. Точки не должны превышать 0,5 см в диаметре.

Подготовленную пластинку помещают в хромобокс, при этом слой элюента не должен покрывать нанесенные точки веществ. Фронт элюента поднимается по пластине вверх до линии финиша. Измеряют длину пробега пятен красителей и определяют коэффициент распределения Rf = l ₁/ l ₂ для каждого вещества. Сравнивая коэффициенты распределения соединений, составляющих исследуемую смесь, и стандартных веществ-свидетелей, определяют состав смеси.

Хроматограмма смеси красителей (S) с веществами-свидетелями (1-4)

Бумажная хроматография

Одним из вариантов жидкостной хроматографии является бумажная хроматография - это вид метода распределительной хроматографии, в котором носителем неподвижного растворителя служит очищенная от примесей фильтровальная бумага.

Общая характеристика метода. Создание метода бумажной хроматографии (в 1944 г.) значительно расширило возможности разделения, идентификации и количественного определения ма­лых количеств веществ в различных областях химии и биохимии (исследование белков, углеводов, жиров, антибиотиков, гормонов, каротиноидов, алкалоидов и многих других природных соединений). В зависимости от того, какого типа применяют бумагу или чем ее пропитывают, механизм разделения может быть различным: распределительным, адсорбционным, ионообменным, осадочным или смешанным. Неподвижной фазой обычно является вода. Подвижной фазой служит органический растворитель или смесь органических жидкостей и воды в разных соотношениях. Подвижная фаза продвигается вдоль листа бумаги, главным образом за счет капиллярных сил.

Для количественной оценки подвижности вещества в хроматографической системе используют коэффициент подвижности R_f, равный отношению расстояния l, пройденного веществом, к расстоянию, пройденному растворителем L: R_f = l / L.

На подвижность вещества (R_f) в условиях хроматографии на бумаге влияет не только коэффициент распределения (D = C_s/C_m, где С_m и C_s – концентрации вещества в подвижной и неподвижной фазах соответственно), но и взаимодействие их с волокнами бумаги, характеристика бумаги, температуры, времени хроматографирования и условие проведение эксперимента.

Растворители, используемые в бумажной хроматографии, располагают в так называемый миксотропный ряд по гидрофильности и полярности в порядке уменьшения значений этих параметров:

Вода Формамид Муравьиная кислота Ацетонитрил Метиловый спирт Уксусная кислота Этиловый спирт Изопропиловый спирт Ацетон

трет- Бутиловый спирт Метил этилкетон Циклогексанон н -бутиловый спирт Этилацетат Фуран Диэтиловый эфир Метиленхлорид

Хлороформ Бензол Толуол Ксилол Четыреххлористый углерод Циклогексан Гексан Керосин

Техника эксперимента. Бумажные хроматограммы можно получать путем восходящего, нисходящего, горизонтального или радиального движения растворителя. При восходящей хромато­графии подвижная фаза движется снизу вверх; движение жид­кости обусловлено капиллярными силами. При нисходящей хро­матографии подвижная фаза, содержащаяся в верхней части ка­меры, под действием гравитационных сил движется вниз по бумаге. В горизонтальной или радиальной хроматографии раствори­тель подводится к центру бумажного диска, куда нанесена капля анализируемого раствора. Кольца на хроматограмме имеют форму эллипсов, так как скорость всасывания растворителя зави­сит от направления волокон бумаги.

Если под­вижная фаза движется в одном направлении, то получают одно­мерную хроматограмму. На одномерной хроматограмме в одной подвижной фазе не всегда можно разделить сложную смесь ве­ществ — тогда применяют двумерный вариант бумажной хромато­графии. Для этого подвижную фазу пропускают в одном направ­лении, достигая группового разделения, т. е. получают зоны, со­стоящие из нескольких веществ, затем лист бумаги высушивают, поворачивают на 90° и погружают в другую подвижную фазу, где происходит разделение пятен, не полностью разделившихся в первом направлении движения:

Оборудование. Методика эксперимента. Применяемая в бу­мажной хроматографии аппаратура отличается своей простотой и доступностью, что выгодно отличает этот метод от колоночной хроматографии. Хроматографирование проводят в хроматографической каме­ре, в качестве которой можно применить любой сосуд с гермети­ческой крышкой, чтобы не происходило испарения растворите­ля, которое может привести к нежелательному изменению состава одной или обеих фаз. Внутрь камеры вставляют держатель или подставку-стойку для полоски хроматофафической бумаги и небольшую емкость для подвижной фазы.

Анализируемый раствор наносят на стартовую линию в объеме не более 5–10 мкл с помощью микропипетки, калиброванного капилляра или микрошприца. Чем меньше площадь стартового пятна, тем менее размытой будет зона вещества после хроматографирования. Поэтому пробу смеси веществ объемом более 1 мкл наносят в одну и ту же точку повторно в несколько приемов, ка­ждый раз подсушивая пятно. Подсушивать пятно над нагревательными приборами надо осторожно, чтобы не удалить из пор хроматофафической бумаги неподвижную фазу.

Во время хроматофафирования ни в коем случае нельзя откры­вать крышку сосуда, чтобы не сместить равновесие между фазами. После развития хроматофамм их сушат под тягой в специаль­ном шкафу в токе теплого воздуха или под инфракрасной лам­пой. После высушивания приступают к обнаружению и иденти­фикации пятен.

Оформление практических работ. При разделении и обнаруже­нии катионов в рабочем журнале следует записать условия хро­матографирования: растворитель, способ подведения раствори­теля, время хроматографирования, проявители. После проявле­ния нужно измерить величины Rf и записать их в журнал, а хроматограмму наклеить. Следует помнить, что окраска зон, полу­ченных при помощи летучих реагентов (NH₃, ацетон), со време­нем исчезает. Поэтому рекомендуется такие зоны "раскрасить" цветными карандашами.

 

Вопросы по теме

1. На чем основано разделение веществ на хроматографической бумаге по распределительному механизму?

2. Что является подвижной и неподвижной фазами в бумаж­ной хроматографии?

3. В каком случае возможно разделение двух веществ на хроматографической бумаге?

4. На чем основан качественный анализ в распределительной бумажной хроматографии?

5. Пояснить сущность метода осадочной хроматографии. Назвать варианты этого метода анализа

6. Какие существуют методы количественных определений ве­ществ в бумажной хроматографии?

7. В какой последовательности от линии старта располагаются элементы, значения коэффициентов распределения которых на­ходятся в следующем соотношении D₁ > D₂ > D₃?

Практические работы

Работа №1

Разделение и обнаружение катионов II аналитической группы
способом осадочной хроматографии

Цель работы: познакомиться с разделением и идентификацией катионов методом бумажной хроматографии.

Сущность работы

Разделение смеси катионов IIаналитической группы (Hg₂²⁺, Ag⁺, Pb²⁺) и их идентификация проводится на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором иодида калия, при взаимодействии с которым они образуют окрашенные осадки (осадочная хроматография).

Бумага готовится непосредственно перед выполнением анализа.

Реактивы и оборудование:

Нитрат серебра, C (AgNO₃) = 0,25 моль/л

Нитрат ртути(I), C (Hg₂(NO₃)₂) = 0,25 моль/л

Нитрат свинца(II), C (l/2 Pb(NO₃)₂) = 0,25 моль/л

Иодид калия, 5 %-ный водный раствор.

Гидроксид натрия, C (NaOH) = 0,05 моль/л

Фильтровальная бумага (синяя лента)

Разделительная камера или цилиндр с притертой пробкой

Выполнение работы

1. Подготовка к хроматографироеанию бумаги. Фильтровальную бумагу (синяя лента) пропитывают 5%-ным раствором иодида калия, погружая ее на 3-5 мин. в данный раствор. Высушивают бумагу на воздухе. Сухую бумагу разрезают на квадраты размером 4*4 см.

2. Получение осадочной хроматограммы.

В центр бумажного квадрата наносят капилляром исследуемый раствор. После впитывания первой капли наносят вторую и дают ей впитаться. Полученную хроматограмму промывают 2-3 каплями дистиллированной воды, внося каждую последующую каплю после впитывания предыдущей. Промывание повторяют до тех пор, пока размер зоны не увеличится в два-три раза. При промывании хроматограммы чередование зон не нарушается, увеличивается лишь ширина каждой зоны и границы их становятся более отчетливыми. Хроматограмму подсушивают и проявляют, проводя кисточкой, смоченной 0,05 н. раствором NaOH от центра к периферии.

Первичная хроматограмма катионов II аналитической группы имеет вид: в центре – темно-зеленое пятно – зона Hg₂J₂, окруженное оранжевым цветом при наличии HgJ₂, за ней следует светло-желтая зона – AgJ и затем ярко-желтая зона – РbJ₂, что соответствует растворимости указанных соединений. Анализируя первичную хроматограмму, можно только определить присутствие катионов Hg₂²⁺ и Рb²⁺, так как светло-желтая зона AgJ маскируется ярко-желтой – РbJ₂. Для обнаружения Ag первичную хроматограмму проявляют 0,05н. раствором NaOH. При этом иодид свинца PbJ₂ растворяется в NaOH с образованием бесцветного плюмбита натрия Na₂PbO₂, на хроматограмме остается светло-желтое кольцо AgJ. При избытке щелочи оно постепенно чернеет, так как образуется оксид серебра – Ag₂O.

Все эти операции занимают 10–15 мин. Поэтому получение осадочной хроматограммы на бумаге можно использовать в качестве проверки правильности результатов качественного анализа катионов II аналитической группы.

Приводят рисунки хроматограмм.

 

Работа №2

Разделение и обнаружение катионов Cu(II), Fe(III) и Al(III)
методом осадочной хроматографии на бумаге

Цель работы: Провестиразделение и обнаружение катионов Сu²⁺, Fe³⁺ и Al³⁺ методом осадочной бумажной хроматографии.

Сущность работы

Разделение смеси катионов Cu(II), Fe(III) и Al(III) и их идентификация проводится на фильтровальной бумаге, пропитанной раствором осадителя гексацианоферратом(II) калия, при взаимодействии с которым они образуют окрашенные малорастворимые осадки (осадочная хроматография).

В центр листа бумаги, пропитанной раствором осадителя – феррацианида калия K₄[Fe(CN)₆], капилляром наносится анализируемый водный раствор. Ионы меди Сu²⁺ и железа Fe³⁺ взаимодействуют цианид-ионами с образованием малорастворимых осадков:

2Cu²⁺+[Fe(CN)₆]^4– → Cu₂[Fe(CN)₆] (коричневый)

4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]^4‑ → Fe₄[Fe(CN)₆]₃ (синий)

Поскольку ферроцианид меди(II) менее растворим, чем ферроцианид железа(III), то вначале выделяется осадок ферроцианида меди(II), образующий центральную коричневую зону (Рис.). Затем образуется синий осадок ферроцианида железа(III) дающий синюю зон. Ионы алюминия перемещаются на периферию, давая бесцветную зону, поскольку они не образуют окрашенного ферроцианида алюминия. Алюминий обнаруживают реакцией с ализарином, опрыскивая фильтровальную бумагу.

Реактивы и оборудование:

Анализируемая смесь катионов: Сu²⁺, Fe³⁺ и Al³⁺

Реагенты проявители: 10%-ный раствор аммиака, 1%-ный раствор гексацианоферрата(II) калия, раствор ализарина-S.

Оборудование: Фильтровальная бумага (синяя лента)

Разделительная камера или цилиндр с притертой пробкой

Выполнение работы

1. Подготовка к хроматографироеанию бумаги. Фильтровальную бумагу (синяя лента) пропитывают 1%-ным раствором гексацианоферратом(II) K₄[Fe(CN)₆], погружая ее на 2-3 мин. в данный раствор. Высушивают бумагу на воздухе. Сухую бумагу разрезают на квадраты или оставляют как есть.

2. Получение осадочной хроматограммы. Первичная хроматограмма

В центр листа бумаги капилляром наносят исследуемый водный раствор. После впитывания первой капли наносят последующие капли и дают им впитаться. Полученную хроматограмму промывают 2-3 каплями дистиллированной воды, внося каждую последующую каплю после впитывания предыдущей. Промывание повторяют до тех пор, пока размер зоны не увеличится в два-три раза. При промывании хроматограммы чередование зон не нарушается, увеличивается лишь ширина каждой зоны. Таким путем получают первичную хроматограмму, на которой зоны осадков частично перекрываются.

Затем получают вторичную хроматограмму. Для этого подходящий растворитель (водный раствор аммиака) наносят капилляром в центр первичной хроматограммы. Растворитель самопроизвольно перемещается от центра бумаги к периферии, увлекая с собой и осадки, которые перемещаются с различной скоростью: зона бо­лее растворимого осадка ферроцианида железа перемещается быстрее зоны менее растворимого осадка ферроцианида меди. На этом этапе за счет различия в скоростях перемещения зон происходит их более четкое разделение.

Для открытия ионов алюминия, образующих бесцветную перифери­ческую зону, вторичную хроматограмму проявляют – опрыскивают (из пульверизатора) раствором ализарина – органического реагента, образующего с ионами алюминия продукты реакции розового цвета (ализариновый лак). Получают внешнее розовое кольцо.

Приводят рисунки хроматограмм.

 

Работа №3

Разделение и обнаружение катионов VI аналитической группы
(Ni ⁺, Со²⁺, Сu²⁺, Сd²⁺) методом распределительной хроматографии

Цель работы: познакомится с разделением смеси катионов методом распределительной хроматографии с последующей идентификацией их с помощью проявителей.

Сущность работы

Распределительная хроматография на бумаге основана на различном распределении хроматографируемых веществ между двумя несмешивающимися жидкостями, одна из которых подвижная (как правило, смесь органических растворителей), а другая неподвижная и представляет собой воду, находящуюся в волокнах хроматографической бумаги. При обработке бумаги растворителем, ионы с растворителем образуют подвижную фазу и перемещаются с различной скоростью по капиллярам бумаги. Поэтому компоненты смеси (ионы) разделяются, концентрируясь на различных участках хромато граммы.

Основной характеристикой разделения веществ, показывающей положение зоны вещества на бумаге, является фактор R_f. Чем больше R_f, тем лучше проходит процесс разделения.

Идентификацию катионов проводят, используя проявители – вещества, реагирующие с данными катионами с образованием окрашенных соединений.

Реактивы и оборудование:

Анализируемая смесь катионов: Ni²⁺, Со²⁺, Сu²⁺, Cd²⁺

Подвижная фаза (элюент): система растворителей (HCl – Н₂O – ацетон в соотношении 8: 5: 87 соответственно)

Реагенты проявители: 25%-ный раствор аммиака, 10%-ный раствор гексацианоферрата(II) калия, спиртовой раствор диметилглиоксима, 10%-ный раствор роданида аммония, 10%-ный раствор сульфида натрия

Оборудование: Разделительная камера. Хроматографическая бумага. Песчаная баня.

Выполнение работы

Нанесение образца на полоску хроматографической бумаги.

На полоске хроматографической бумаги шириной 2 сми длиной 20 смна расстоянии 1,5–2 смот края проводят карандашом линию старта, в центре которой наносят каплю пробы анализируемого раствора. Диаметр нанесенного пятна не должен превышать 2–3 мм, чем пятно меньше, тем лучше разделение. Пятно обводят карандашом и подсушивают.

Получение хроматограммы.

Полоску хроматографической бумаги, с нанесенной каплей исследуемого раствора, опускают в хроматографическую камеру (цилиндр, эксикатор или просто в пробирку) так, чтобы ее конец был погружен в растворитель не более чем на 0,5 см. Пятно не должно касаться растворителя! Бумажная полоска не должна касаться стенок цилиндра. Цилиндр закрывают притертой крышкой.

Время хроматографирования составляет 1,5–2 ч. Процесс прекращают после того, как растворитель пройдет от линии старта не менее 10 см. После этого бумажную полоску вынимают, отмечают положение фронта растворителя и тщательно высушивают полоску над горячей песчаной баней. Измеряют расстояние между стартовой линией и фронтом растворителя L. Затем по табличным R_f и экспериментально найденной величине L вычисляют l - высоту подъема зоны каждого катиона из данной смеси (Табл.).

Величина R_f некоторых катионов

катион	Rf
Ni(II)	0,13
Co(II)	0,54
Cu(II)	0,70
Cd(II)	1,0

Можно проводить обратный расчет (решать обратную задачу: расчет R_f по L и l).

При определении смеси катионов VI группы первичная хроматограмма представляется в следующем порядке от линии старта движения растворителя (Рис. 4а): бесцветная зона – Ni²⁺, голубая – Со²⁺, желтая – Сu²⁺ и ближе к финишу бесцветная зона – Cd²⁺.

Рис. 4. Хроматограмма смеси катионов VI группы

3. Обнаружение катионов.

Большинство катионов образуют невидимые зоны, поэтому для их обнаружения хроматограмму обрабатывают растворами органических и неорганических реагентов - проявителей. При обработке хроматограммы специфическими реагентами происходит проявление первичной и образование вторичной хроматограммы (Рис. 4). Для этого капилляром с реагентом для обнаружения катиона прикасаются только к участку хроматограммы на высоте размещения зоны данного компонента. Появление характерной окраски подтверждает присутствие катиона в исследуемом растворе.

При обработке зоны никеля(II) концентрированным раствором аммиака и насыщенным спиртовым раствором диметилглиоксима появляется красное окрашивание.

Голубая зона кобальта(II) при действии концентрированного раствора аммиака переходит в розовую, постепенно буреющую. А при добавлении раствора тиоцианата аммония образуется голубое окрашивание.

Если желтую зону меди(II) обработать концентрированным раствором аммиака, то появляется голубая окраска, а при добавлении раствора гексацианоферрат(II) калия – красно-бурая.

Для обнаружения ионов кадмия бесцветную зону обрабатывают раствором сульфида аммония, образование желтой окраски – признак присутствия Cd²⁺.

Результаты определения оформляют в виде таблицы:

 

Разделение и определение катионов VI группы

Вид хроматографии (по технике выполнения и доминирующему механизму)

Объект исследования

Химическая природа подвижной фазы

Химическая природа неподвижной фазы

Описание хроматограммы (число зон, их окраска и соответствие ионам)

 

Приводят рисунок хроматограмм.