Определение полной динамической обменной емкости катионита

Цель работы – определить одну из основных физико-химических характеристик ионита – полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ).

Сущность работы. Максимальное количество ионов, которое может поглотить ионообменник, определяет его полную обменную емкость. Она соответствует концентрации ионогенных групп. Емкость выражается числом миллимоль эквивалентов обмениваемого иона, приходящимся на 1 г сухого (ммоль экв/г) или 1 мл набухшего ионита (ммоль экв/мл) при значениях рН, соответствующих его полной ионизации. Определение емкости ионитов проводят в статических или динамических условиях (в ионообменной колонке).

Емкость ионитов в динамических условиях определяют по выходным кривым, построенным в координатах «Концентрация обмениваемого иона на выходе из колонки – объем элюата». По ним находят полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ) и динамическую обменную емкость до проскока (ДОЕ), которая показывает количество поглощенных ионов до момента появления их в элюате (проскока).

В лабораторной работе необходимо определить ПДОЕ сильнокислотного катионита КУ-2 по меди (II). Для этого раствор CuSO₄ непрерывно пропускают через колонку, заполненную катионитом КУ-2 в Н⁺–форме, и собирают отдельные порции вытекающего раствора (элюата) в мерные колбы для последующего определения концентрации Cu²⁺ в каждой из них.

При пропускании раствора CuSO₄ через слой ионита протекает реакция ионного обмена:

2 R–SO₃H + CuSO₄ Û (R–SO₃)₂Cu + Н₂SO₄.

В первых порциях элюата ионы Cu²⁺ должны отсутствовать, так как слой ионита будет постепенно насыщаться этими ионами по мере пропускания раствора. Затем наступит проскок ионов Cu²⁺ в элюат, после которого концентрация Cu²⁺ на выходе из колонки будет увеличиваться, пока не сравняется с концентрацией Cu²⁺ на входе в колонку, что свидетельствует о полном насыщении слоя ионита.

Анализ элюата на содержание ионов Cu²⁺ проводится фотометрически. Определение основано на образовании аммиаката меди (II), обладающего интенсивной синей окраской:

Cu²⁺ + 4NH₃ ↔ [Cu(NH₃)₄]²⁺.

Максимум светопоглощения этого соединения соответствует λ = 620 нм. Для нахождения неизвестной концентрации используется метод градуировочного графика.

Оборудование, посуда, реактивы: колонка с сульфокатионитом КУ-2 в водородной форме; фотоэлектроколориметр; кюветы (l = 3 см); склянка Мариотта для равномерной подачи раствора в колонку; стаканы; мерные колбы вместимостью 25, 0 мл (3 шт.) и 50, 0 мл (6 шт.); градуированные пипетки; цилиндр мерный вместимостью 25 мл, 0, 1 н. стандартный раствор СuSO₄; 3 н. раствор HCl; реактивы для обнаружения Cu²⁺; 5%-ный водный раствор NH₃; универсальная индикаторная бумага.

Выполнение работы

1. Подготовка ионита к работе. В работе используется заранее подготовленная колонка с катионитом, навеску которого необходимо уточнить у преподавателя.

Прежде всего необходимо перевести катионит в водородную форму. Для этого через колонку пропускают 80–100 мл 3 н. раствора HCl, проверяя фильтрат на содержание Cu (II). В качестве аналитических реагентов для обнаружения меди (II) можно использовать раствор NaOH или KOH (образуется голубой осадок Cu(OH)₂), водный раствор NH₃ (образуется аммиачный комплекс меди (II) интенсивно синего цвета) и др.

При отсутствии катионов Cu (II) в фильтрате катионит в колонке промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции. В таком виде ионит считается подготовленным к работе.

Во время подготовки ионита к работе рекомендуется выполнять построение градуировочного графика.

2. Проведение ионного обмена в динамических условиях. В склянку Мариотта, присоединенную к верхней части колонки, заливают раствор CuSO₄. Затем начинают пропускать его через слой катионита, поддерживая постоянной (~ 1 мл/мин) скорость фильтрации и регулируя ее на выходе винтовым зажимом. При выполнении работы необходимо следить за тем, чтобы уровень раствора в колонке поддерживался постоянным. Фильтрат собирают отдельными порциями в мерные колбы вместимостью 25, 0 мл и в каждой из них определяют концентрацию Cu (II) (см. ниже).

Пропускание раствора CuSO₄ через катионит прекращают тогда, когда содержание насыщающего иона Cu (II) в последних двух пробах остается постоянным.

3. Проведение анализа.

§ Построение градуировочного графика. Аликвоты стандартного 0, 1 н. раствора CuSO₄ (1, 00; 2, 50; 4, 00; 5, 00; 6, 00 мл) помещают в мерные колбы вместимостью 50, 0 мл, добавляют в каждую колбу по 25 мл 5%-ного раствора аммиака и дистиллированную воду до метки. В мерной колбе той же вместимости готовят раствор сравнения, содержащий 25 мл раствора аммиака.

Измеряют светопоглощение (А) одного из приготовленных растворов в кювете с толщиной слоя 3 см со всеми светофильтрами и по зависимости A = f (λ) проводят выбор светофильтра.

Затем измеряют светопоглощение всех эталонных растворов при выбранном светофильтре. Проводят обработку результатов измерений методом наименьших квадратов, желательно с использованием ПК, и строят градуировочный график в координатах A – С, ммоль экв/мл.

§ Анализ фильтрата. Каждую собранную порцию элюата (25, 0 мл) количественно переносят в мерную колбу вместимостью 50, 0 мл и разбавляют до метки 5%-ным раствором аммиака. Измеряют светопоглощение по отношению к раствору сравнения и находят по градуировочному графику концентрацию Cu (II) в растворе.

Если измеренное значение A ≥ 0, 6, то аликвоту этого раствора (10, 0 мл) помещают в мерную колбу вместимостью 50, 0 мл, прибавляют 20 мл 5%-ного раствора NH₄OH и разбавляют дистиллированной водой до метки. Полученный раствор фотометрируют. При расчете концентрации меди (II) в каждой порции элюата необходимо учитывать проведенное разбавление.

4. Обработка полученных данных.

4.1. Расчет ПДОЕ:

· по измеренному значению светопоглощения (А) каждого из растворов определяют концентрацию ионов Cu (II), используя градуировочный график;

· по закону эквивалентов рассчитывают концентрацию ионов Cu (II) во всех порциях элюата (25 мл), учитывая все предварительно сделанные разбавления;

· рассчитывают химическое количество ионов Cu (II) (ммоль экв) в общем объеме пропущенного раствора по формуле

где V (Cu²⁺) = 25 мл – объем одной порции элюата; p – количество порций.

· рассчитывают химическое количество ионов Cu (II) (ммоль экв) во всех порциях элюата по формуле

,

где С_i (1/2 Cu²⁺) – концентрация меди в i -й порции элюата.

· по разности находят количество ммоль экв Cu (II), поглощенных ионитом:

· значение динамической обменной емкости ионита (ПДОЕ) рассчитывают по формуле

В некоторых случаях по указанию преподавателя, кроме того, рассчитывают ДОЕ.

4.2. Построение выходной кривой. По полученным данным строят выходную кривую, откладывая по оси абсцисс объем элюата (мл) от начала опыта, а по оси ординат – концентрацию меди (II) в каждой порции элюата (ммоль экв/л).