mål
- kända och okända lösningar av metalljonerna \(\ce{Ag^{+}}\), \(\ce{Fe^{3+}}\), \(\ce{Co^{2+}}\), \(\ce{Cu^{2+}}\) och \(\ce{Hg^{2+}}\) analyseras med papperskromatografi.
- en okänd lösning som innehåller några av dessa katjoner kommer att identifieras genom jämförelse med Rf-värdena och färgerna på de färgade fläckarna av kända lösningar.
de flesta kemister och många andra forskare måste rutinmässigt separera blandningar och identifiera deras komponenter. Förmågan att kvalitativt identifiera de ämnen som finns i ett prov kan vara kritisk. Till exempel vill en miljökemist som undersöker prover av förorenat grundvatten veta vilka giftiga joner som kan vara närvarande i ett prov.
kromatografi är ett av de första verktygen som används i sådana situationer. I denna teknik kan många typer av blandningar separeras i komponentens rena ämnen; i jämförelse med ett standardprov kan varje komponentsubstans också identifieras preliminärt.
många sorter av kromatografi finns, var och en utformad för att separera specifika typer av blandningar. Det gemensamma kännetecknet för varje typ av kromatografi är att en mobil fas (en vätska eller gas) skjuts genom en stationär fas (en fast substans). Tabell 1 listar flera varianter av kromatografi och typiska identiteter av faserna. Papperskromatografi kommer att användas i detta experiment.
|
Type of Chromatography |
Mobile Phase |
Stationary Phase |
|---|---|---|
|
Gas (GC) |
inert gas (helium) |
waxy liquid or silicone inside narrow tubing |
|
Liquid |
solvent/solvent Mixture (organic or aqueous) |
solid packing (silica, alumina) |
|
Paper |
solvent/solvent Mixture (organic or aqueous) |
paper |
|
Thin-Layer (TLC) |
solvent/solvent Mixture (organic or aqueous) |
silica/alumina coated glass, plastic or metal |
exemplet med kolonnkromatografi (Figur 1) visar de typiska egenskaperna som finns i denna analytiska teknik. Diagrammet visar ett experiment där en tvåkomponentblandning utsätts för kolonnkromatografi. Kolonnen är packad med ett fast material som kallas den stationära fasen. Ett flytande lösningsmedel eller elueringslösning hälls i kolonnen och väter helt det fasta förpackningsmaterialet. Därefter laddas blandningen på toppen av den våta kolonnen och mer eluent tillsätts. Gravity drar den mobila fasen ner genom den stationära fasen och komponenterna i blandningen börjar röra sig genom kolonnen med olika hastigheter. I diagrammet rör sig komponent a snabbare än komponent B; således behålls komponent B på kolonnen under en längre tid än komponent A. vanligtvis beror detta på en skillnad i löslighet hos de två föreningarna i lösningsmedlet och/eller till en skillnad i attraktion mot det fasta förpackningsmaterialet. När mer eluent läggs till överst i kolumnen kommer komponenterna så småningom att lämna kolumnen separat. Den tid det tar att lämna kolumnen, kallad retentionstid, kommer att reproduceras för varje komponent under de givna inställda förhållandena—mobila och stationära fasidentiteter, temperatur och kolumnbredd. När komponenterna lämnar kolonnen kan lösningsmedlet avlägsnas genom avdunstning och de rena komponenterna kan analyseras eller identifieras ytterligare.
Figur 1: ett typiskt kolonnkromatografiexperiment visar separationen av en tvåkomponentblandning.
preliminär identifiering av komponenterna kan uppnås genom att jämföra den okända blandningen en noggrant beredd känd blandning: om en känd komponent har samma retentionstid som en okänd komponent under samma förhållanden är det troligt—men inte avgörande—att de två komponenterna är desamma. Ytterligare analys kan behövas för att bekräfta denna hypotes. Om det kända och det okända har olika retentionstider är det inte troligt att de två komponenterna är identiska.
andra variationer av kromatografi använder kapillärverkan—attraktionen av en vätska till en fast yta-för att dra ett lösningsmedel genom fast material. En informell version av papperskromatografi kan observeras när en bläckskriven sida kommer i kontakt med vatten eller andra vätskor. Bläcket körs och flera färger separeras i bläckstrålen.
diagrammet nedan (Figur 2) visar resultatet av ett tunnskiktskromatografiexperiment. Två svarta bläckfläckar på den fasta ytan har fått ett lösningsmedel passerat genom dem. Lösningsmedlet är vatten eller annan vätska som dras genom den stationära fasen genom kapillärverkan. I detta exempel används en bit plast belagd med ett pulveriserat fast ämne som den stationära fasen. Alternativt kan en bit filterpapper användas som stationär fas. Experimentet visar att det svarta bläcket är en blandning som innehåller flera olika färgade ämnen. Varje komponent har en något annorlunda löslighet i mobilfasen, så när vätskan dras genom den stationära fasen rör sig varje komponent i en annan hastighet och separerar bläcket i fläckar i olika färger.
Figur 2: tunnskiktskromatografi av svart bläck efter utveckling. Den här bilden visar ett vanligt problem där fläckarna vidgas när de rör sig upp plattan, så småningom samman på toppen av plattan.
i detta experiment används liknande principer för att separera flera metallkatjoner med en papperskromatografiprocedur. Metalljoner – \(\ce{Ag^{+}}\), \(\ce{Fe^{3+}}\),\(\ce{Co^{2+}}\), \(\ce{Cu^{2+}}\) och \(\ce{Hg^{2+}}\)—har olika löslighet i mobilfasen—vattenhaltig \(\ce{HCl}\) med etyl och butylalkohol—och kommer att röra sig i olika takt upp papperet. De olika metalljonlösligheterna beror troligen på bildandet av olika föreningar med kloridjonen och deras varierande förmåga att lösa upp i det organiska lösningsmedlet.
ett diagram som visar hur man förbereder papperet visas nedan. Standardlösningar som innehåller var och en av dessa joner kommer att upptäckas på papperet med hjälp av ett kapillärrör, tillsammans med en standardlösning som innehåller alla fem jonerna. En okänd kommer också att upptäckas på papperet. När papperet är förberett kommer det att utvecklas genom att placera papperet i eluenten. Efter 75-90 minuter visualiseras papperet genom att väta det med en vattenlösning innehållande kaliumjodid, \(\ce{KI}\) och kaliumferrocyanid, \(\ce{K4}\). Den unika färgen som observeras för varje jon produceras genom en kemisk reaktion med visualiseringslösningen. Detta är ett användbart sätt att identifiera vilka joner som finns i en okänd blandning.
Figur 3: Diagram som visar hur man förbereder papperet för kromatografiexperimentet
avståndet som Jonen flyttar upp papperet kan också användas för att identifiera Jonen. Men eftersom eleverna kommer att utveckla sina kromatografiexperiment under olika tidsmängder och under något olika förhållanden, kommer varje elev att ha något annorlunda uppmätt avstånd för en given Jon. Förhållandet mellan Avståndet som flyttas av en Jon (\(D\)) och avståndet som flyttas av lösningsmedlet (\(F\), lösningsmedelsfronten) är karakteristiskt och bör vara nästan detsamma för alla studenter. Detta förhållande kallas Rf, eller ” retentionsfaktor.”
\
procedur
material och utrustning
kemikalier: 0.1 m vattenlösningar av \(\ce{AgNO3}\), \(\ce{Hg(NO3)2}\), \(\ce{Fe(NO3)3}\), \(\ce{Co(NO3)2}\) och \(\ce{Cu(NO3)2}\), var och en med dedikerade kapillärrör; eluerande lösning (vattenhaltig \(\ce{HCl}\) med etyl-och butylalkohol); visualiseringslösning (vattenlösning av \(\ce{Ki}\) och \(\CE{K4}\)).
utrustning: ren bit kromatografipapper; Engångslatexhandskar (nitrilhandskar är tillgängliga i lagerrummet för personer med allergier mot Latex); 600 mL bägare; plastfolie; tång eller bägare tång; ruler*
* objekt som erhållits från lagerrum
säkerhet
Undvik kontakt med metalljonlösningarna, elueringslösningsmedlet och visualiseringslösningen. Använd engångshandskar för att röra vid ditt kromatogram efter elueringen och under resten av experimentet. Andas inte in ångorna i det eluerande lösningsmedlet eller den visualiserande lösningen. Placera det våta kromatogrammet på en pappershandduk, inte direkt på laboratoriebänken. Använd endast visualiseringslösningen i det utrymme som tillhandahålls av din instruktör. Kassera handskarna och kromatogrammet i den angivna avfallsbehållaren efter att experimentet är klart. Tvätta händerna noggrant efter kontakt med alla lösningar i detta laboratorium.
förberedelse av papperet för kromatografi
- varje par studenter ska få ett filterpapper med måtten som visas i Figur 3. Se till att papperet är rent och utan tårar eller veck. Använd en penna—inte en penna—och en linjal för att rita en linje över papperet en cm från papperets långa kant. Du kommer att upptäcka metalljonlösningarna på denna linje. Skriv ditt namn med penna i det övre vänstra hörnet av papperet.
- öva spotting vatten och / eller jonlösningar på en remsa av filterpapper så att du vet hur man skapar fläckar av rätt storlek. Använd kapillärrör av glas för att upptäcka jonerna på papperet. Lösningen appliceras genom att lätt och snabbt vidröra ett kapillärrör som innehåller lösningen på linjen du ritade på papperet. Fläckarna ska vara mellan 5-8 mm i diameter. Fläckar större än detta kommer att spridas alltför mycket under experimentet och göra analysen svår.
- känd 0.1 M vattenlösningar av \(\ce{AgNO3}\), \(\ce{Hg (NO3)2}\), \(\ce{Fe (NO3)3}\), \(\ce{Co (NO3)2}\) och \(\ce{Cu (NO3)2}\) tillhandahålls i provrör, som var och en innehåller två eller tre kapillärrör. Börja till vänster, markera jonens identitet under varje plats med en penna; placera sedan varje känd Jon försiktigt på linjen. Var noga med att undvika att förorena kapillärröret med andra joner och sätt tillbaka kapillärrören i rätt provrör. Ett provrör innehållande en känd blandning av alla fem joner är också försedd med en uppsättning kapillärrör. Spot denna blandning på linjen samt. Eftersom denna lösning är mer utspädd än de enda Jon kända lösningarna, applicera den kända blandningen tre gånger, så att fläcken torkar mellan varje applikation. En värmelampa hjälper till att torka platsen snabbare.
- flera okända finns också i provrör, tillsammans med kapillärrör. Din instruktör kommer att berätta vilket okänt som ska användas. De okända kommer att innehålla mellan en och fyra katjoner och är mer utspädda än de kända lösningarna med en jon. Det okända måste också appliceras två och fyra gånger för de två försöken, så att platsen torkar mellan varje applikation. Vid fel bör du upptäcka det okända på två ställen längs linjen så att två försök är tillgängliga för analys.
utveckla kromatografipapper
- placera en bit tejp längs den övre högra kanten, som visas i Figur 3. Forma sedan en cylinder genom att ansluta de två korta kanterna på papperet med tejpen. Se till att kanterna inte rör vid. Papperet ska se ut som Figur 4.
Figur 4: vikta papper ska se ut så här innan experimentet utvecklas.
- skaffa 15 mL av elueringslösningen. Häll försiktigt lite av detta lösningsmedel i en 600 mL bägare och virvla försiktigt i en sekund eller två. Varning: andas inte in ångorna från denna lösning! Se till att vätskenivån ligger under spotlinjen på papperet när papperet är placerat i utvecklingskammaren.
- placera papperscylindern i bägaren med den markerade kanten nedåt. Fläckarna ska ligga över lösningsmedlets nivå. Papperet ska inte röra bägarens sidor. Täck försiktigt bägaren med plastfolie och lägg den i huven i 75-90 minuter. Lösningsmedlet bör börja flytta upp papperet. När bägaren är täckt, se till att den är jämn och stör inte den under utvecklingsperioden. Din instruktör kan ha ett uppdrag för dig att arbeta med medan du väntar.
visualisering och analys av papperet
- när utvecklingsperioden är över, Använd engångshandskar och ta bort papperet från bägaren. Latexhandskar finns i labbet och nitrilhandskar finns i lagerrummet för personer med latexallergier. Låt eventuellt lösningsmedel droppa tillbaka i bägaren och ta sedan bort tejpen. Lägg kromatografipapperet på en pappershandduk och markera omedelbart lösningsmedelsfronten med en penna. Häll det använda elueringslösningsmedlet i den medföljande avfallsbehållaren. Torka papperet under en värmelampa i huven. Försiktighet: Andas inte in ångorna! Var försiktig så att du inte bränner papperet under lampan.
- när papperet är torrt, ta det till visualiseringsstationen på pappershandduken. Doppa papperet kort i visualiseringslösningen i en grund skål i rökhuven. Lyft papperet ur lösningen omedelbart och låt eventuellt överskott droppa av vid stationen. Placera det våta papperet på en torr pappershandduk och torka det omedelbart under en värmelampa och bär det sedan till din bänk för analys.
- hitta varje känd singeljon först och spela in de färger du observerar. Vissa fläckar kan blekna med tiden, så spela in färgerna medan papperet fortfarande är vått. Mät avståndet varje plats flyttas, D, med en linjal. Mät till mitten av varje plats. Spela in dina data i datatabellen.
- Mät avståndet till lösningsmedelsfronten, F. värdet på F ska vara ungefär detsamma över hela papperet. Använd dessa värden för att beräkna Rf för varje jon. Gör dina mätningar som visas i Figur 5. Varje observerad plats har sitt eget Rf-värde. Spela in dina resultat i datatabellen.
Figur 5: Mätning av avstånd som används vid beräkning av Rf för en plats.
- i banan som innehåller blandningen hittar du varje jon och registrerar avståndet som flyttas av varje jon. Beräkna Rf för varje jon i denna körfält. Värdena bör nära matcha de som observeras i single-ion knowns.
- i körfältet som innehåller de okända, lokalisera mitten av varje observerad plats och registrera dess avstånd och beräkna Rf-värdena. Använd körfältet som har de tydligaste platserna. Färg-och Rf-värdena för de okända fläckarna bör nära matcha några av de kända jonerna. Du bör nu kunna identifiera vilken jon eller joner som finns i ditt okända. Spela in dina data i motsvarande tabell.
- gör en skiss av ditt kromatogram i det utrymme som finns på ditt labbrapportformulär, var noga med att ange positionen och ungefärlig storlek och form på varje plats på papperet. Kassera papperet i den avsedda avfallsbehållaren.
Cleanup
Placera kromatografipapperet och de använda handskarna i den medföljande avfallsbehållaren. Den använda elueringslösningen borde redan ha placerats i en annan avfallsbehållare. Observera att två olika avfallsbehållare är för detta experiment så se till att läsa etiketterna så att du kommer att använda rätt! Var noga med att tvätta händerna noggrant innan du lämnar laboratoriet.
Prelaboratorietilldelning: Papperskromatografi
- en tvåkomponentblandning analyseras med papperskromatografi. Komponent A är mer löslig i mobilfasen än komponent B. följande resultat erhålls. Beräkna Rf för varje komponent och märk identiteten på varje plats.
- blandningen från Fråga 1 (ovan) analyseras med kolonnkromatografi med samma mobila fas och en stationär silikagelfas. Vilken komponent har kortare retentionstid? Förklara ditt svar. (Antag att samma typ av bindningskrafter mellan komponenterna och den stationära fasen finns i både papperskromatografi och kolonnkromatografi.)
- ett okänt vätskeprov analyseras med papperskromatografi med lösningsmedel X som mobilfas. En plats observeras efter att plattan har utvecklats och visualiserats. Samma okända substans analyseras igen med lösningsmedel Y som mobilfasen. Den här gången observeras tre fläckar efter att plattan har utvecklats och visualiserats.
- är det okända provet en ren substans eller en blandning? Förklara ditt svar, inklusive en möjlig orsak till de olika observationerna i de två experimenten.
Lab Report for Paper Chromatography
Data, Observations, Calculations and Analysis Known Ions
Known Ions
|
Ion |
Spot Color (Stained) |
D (Single- Ion) |
F (Single- Ion) |
Rf |
D (Ion Mixt.) |
F (Jonmixt.) |
Rf |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
\(\ce{Ag^{+}}\) |
|||||||
|
\(\ce{Co^{2+}}\) |
|||||||
|
\(\ce{Cu^{2+}}\) |
|||||||
|
\(\ce{Fe^{3+}}\) |
|||||||
|
\(\ce{Hg^{2+}}\) |
Unknown ID Code _________________
Unknowns
|
Spot Number (from lowest Rr) |
Spot Color (Stained) |
D (Unknown) |
F (Unknown) |
Rf |
Identity of Spot |
|---|---|---|---|---|---|
- Sketch of Chromatogram:
Summary:
| okänd ID-kod | ioner identifierade |
|---|---|
frågor och slutsatser
- vilka kriterier användes för att identifiera Jon(er) som finns i din okända? Förklara ditt svar i minst tre meningar. Inkludera eventuella svårigheter att identifiera eventuella joner.
- Om du låter experimentet springa i bara 30 minuter, Vad skulle det troliga resultatet vara? Skulle några problem uppstå vid identifiering av det okända?
- Om \(\ce{Co^{2+}}\) och \(\ce{Cu^{2+}}\) fläckar var samma färg, skulle identifieringen av en okänd vara svårare? Förklara ditt svar.