Сущность хроматографического разделения титана и ванадия

При хроматографическом разделении титана и ванадия используют способность ионов титана образовывать с пероксидом водорода Н₂О₂ в кислой среде комплексный катион состава [TiO(H₂O₂)]²⁺, а ионов ванадия – комплексный анион состава [VO₂(O₂)]^- (или [VO(O₂)]⁺). Оба эти иона в кислой среде достаточно устойчивы.

При пропускании раствора, содержащего комплексные катионы титана и комплексные анионы ванадия, через катионит (КУ-2) в Н-форме происходит сорбция катионов титана на поверхности катионита вследствие обменной реакции, протекающей между катионами титана из раствора и катионами водорода активных групп катионита. В то же время, анионы ванадия не поглощаются катионитом, остаются в растворе, который собирается на выходе из колонки, образуя элюат.

Процесс поглощения катионитом (RH) катионов титана описывается уравнением:

2RH + [TiO(H₂O₂)]²⁺ → R₂[TiO(H₂O₂)] + 2H⁺

Ионы титана вымываются из катионита раствором кислоты в соответствии с уравнением:

R₂[TiO(H₂O₂)] + 2H⁺ → 2RH + [TiO(H₂O₂)]²⁺

Таким образом на данной стадии происходит восстановление (регенерация) хроматографической колонки и, после промывания водой до нейтральной реакции, катионит готов к «работе».

Последующее фотометрическое определение титана и ванадия основано на поглощающей способности полученных в сернокислой среде с перекисью водорода комплексных ионов титана (желто-оранжевого цвета) и ванадия (красно-оранжевого цвета). Измерение оптических плотностей растворов проводят на колориметрах КФК-2 и ФЭК-56 с использованием синего светофильтра (450-480 нм).

3 Реагенты, растворы и аппаратура

– Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2

– Фотоэлектрический колориметр-нефелометр ФЭК-56

– Катионит КУ-2

– Хроматографическая колонка

– Стандартный раствор титана, 0,1 мг/см³ титана

– Стандартный раствор ванадия, 0,1  мг/см³ ванадия

– Пероксид водорода Н₂О₂, 5 % раствор

– Соляная кислота HCl, 3 н раствор

– Серная кислота, 6 н раствор

– Индикаторная бумага

– Вода дистиллированная

– Мерный цилиндр на 10 см³.

– Пипетка стеклянная на 10 см³не менее 2-го класса точности.

– Колбы мерные стеклянные лабораторные, вместимостью 100 см³

– Стаканы стеклянные, вместимостью 50–100 см³;

– Стеклянная палочка

– Фарфоровый стакан

4 Порядок выполнения работы

4.1 Хроматографическое разделение титана и ванадия

• Подготовка хроматографической колонки к использованию.

Стеклянную трубчатую хроматографическую колонку с краном в нижней части заполняют до половины катионитом КУ-2. Катионит КУ-2 обрабатывают 10 % раствором соляной кислоты (HCl), затем промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции и заполняют дистиллированной водой на 1–2 см выше верхнего уровня катионита.

Следует поддерживать уровень жидкости над катионитом, не допуская осушения сорбента, иначе появившиеся пузырьки воздуха между гранулами катионита будут затруднять истечение жидкости из колонки.

• Подготовка анализируемого раствора к разделению.

Полученный от преподавателя смесь катионов ванадия и титана в кислой среде в стакане вместимостью 100 см³ готовят к разделению. Для этого прибавляют 2,5 см³ 5 % раствора Н₂О₂ и разбавляют раствор в стакане дистиллированной водой до объема 25 см³. В этих условиях титан образует пероксидный катион, а ванадий – пероксидный анион.

• Получение раствора ванадия.

Под кран колонки ставят мерную колбу вместимостью 100 см³ с биркой, на которой написано «ванадий». Подготовленный для разделения раствор по стеклянной палочке полностью переносят в колонку и пропускают через катионит, открывая кран настолько, чтобы скорость вытекания раствора не превышала 1 капли в 2 секунды.

В освободившийся от анализируемого раствора стакан помещают 30 см³ промывной жидкости: 3 см³ 3н HCl, 3 см³ 5 % Н₂О₂ и 24 см³ Н₂О_дист. Пропускают её порциями через колонку со скоростью не более 1 капли в 2 секунды, собирая вытекающий раствор в ту же колбу с ванадием, после чего колбу отставляют (колба заполнена не полностью).

Раствор в мерной колбе окрашен в оранжевый цвет (цвет аниона ванадия в кислой среде).

• Получение раствора титана.

Для извлечения ионов титана из катионита через колонку пропускают 60 см³ 3 н НCl со скоростью 1 капля в 2 сек. Вытекающий из колонки раствор собирают в мерную колбу вместимостью 100 см³ с биркой, на которой написано «титан», после чего колбу отставляют (колба заполнена не полностью).

Раствор в мерной колбе окрашен в желтый цвет (цвет пероксидного катиона титана в кислой среде).

• Промывание хроматографической колонки и восстановление (регенерация) катионита.

Под кран колонки подставляют фарфоровый стакан, и при открытом кране промывают ее дистиллированной водой до нейтральной реакции вытекающей жидкости (проверяют индикаторной бумагой), после чего закрывают кран и заполняют колонку дистиллированной водой так, чтобы уровень ее был выше уровня катионита. Таким образом катионит восстановлен, то есть колонку можно использовать для следующего разделения.