CHROMATOGRAFICZNA METODA ROZDZIAŁU ŻELAZA OD MIKROILOŚCI KOBALTU-ćwiczenie, chemia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
CHROMATOGRAFICZNA METODA ROZDZIAŁU ŻELAZA OD MIKROILOŚCI KOBALTU
Chromatograficzna metoda rozdziału mieszanin opiera się na zjawisku usuwania
z powierzchni adsorbenta substancji już zaadsorbowanej przez inną, lepiej adsorbowaną. Metoda ta została zastosowana po raz pierwszy przez Cwieta w 1903 roku.
W ostatnich czasach dużo uwagi poświęca się chromatografii. Stosuje się kolumny wypełnione syntetycznymi żywicami (wymiennikami jonowymi). Na tych żywicach następuje adsorpcja substancji rozdzielanej. Wymienniki jonowe dzielimy na:
- wymienniki kationowe (kationity)
- wymienniki anionowe (anionity).
Kationity są to kwasy organiczne, które mogą wymieniać jon wodoru na inne kationy. Anionity są natomiast zasadami organicznymi wymieniającymi grupę OH- na anion. Do żywic kationowych należy Dowex 50, Amberlit IR 120, Amberlit IRC 50, do anionowych: Dowex 1, Dowex 2, Amberlit IRA 400 (są to ich nazwy fabryczne).
W radiochemii metoda ta jest często stosowana do rozdzielania i wydzielania małych ilości substancji promieniotwórczych ze względu na swoją prostotę, dokładność i szybkość. Główną jednak jej zaletą jest możliwość rozdziału radioizotopów bez użycia nośników,
a więc uzyskanie preparatów o wysokich aktywnościach właściwych.
W podanym poniżej przykładzie można otrzymać radiochemicznie czysty i beznośnikowy preparat 60Co. Przy naświetlaniu żelaza w reaktorze drogą poniższych reakcji powstają dwa radioizotopy:
54Fe (n,g) 55Fe T1/2 = 2.94 lat E = 7 keV z wychwytu K
58Fe (n,g) 59Fe T1/2 = 45.1 dni E = 1.1 MeV i 1.29 MeV
oraz jako zanieczyszczenie radiochemiczne
60Co T1/2 = 5.3 lat E = 1.17 MeV i 1.33 MeV
W preparatach handlowych 55Fe i 59Fe około 1.7 % aktywności pochodzi od 60Co.
Rozdział żelaza od kobaltu następuje przez zaadsorbowanie na wymienniku anionowym kompleksowych anionów FeCl4¯ i CoCl3¯ tworzących się w silnie kwaśnym środowisku 6 M kwasu solnego z jonów Fe3+, Co2+ i Cl¯. Kompleksowy jon CoCl3¯ rozkłada się w środowisku o niższym pH jon niż FeCl4¯, to też z chwilą zmiany środowiska z 6M HCl na 4M HCl kobalt w postaci kationów Co2+ opuszcza kolumnę anionitową. Rozkład FeCl4¯ następuje dopiero po dalszym zmniejszeniu kwasowości. Wymywa się wówczas kation Fe3+. Wskaźnikiem rozpoczęcia i zakończenia wymywania danego radioizotopu jest promieniotwórczość frakcji wypływającej z kolumny chromatograficznej. Bada się ją przez przepuszczenie wypływającej cieczy przez spiralną rurkę otaczającą kryształ licznika scyntylacyjnego. Jeżeli rozdziału izotopów Fe i Co dokonuje się na starym preparacie radioaktywnego żelaza, to w rezultacie zaniku 59Fe (T1/2 = 45.1 dni) nie udaje się zauważyć promieniotwórczości (energia promieniowania 55Fe = 7 keV – mała przenikliwość). Rozpoznanie frakcji zawierającej jony Fe3+ można wtedy wykonać drogą chemiczną, korzystając z obecności dużej ilości nośnika Fe3+, pochodzącego z rozpuszczenia materiału tarczowego (żelaza) naświetlonego neutronami. Innym sposobem jest badanie wysuszonej kropli, pobranej z każdego wypływającego mililitra cieczy, pod licznikiem kielichowym.
Aparatura:
§ licznik scyntylacyjny
§ układ do zbierania danych pomiarowych zintegrowany z komputerem, program LabView do rejestracji danych
§ kolumna chromatograficzna (napełniona żywicą anionitową – Amberlit IRA 400)
Odczynniki:
§ roztwór 59FeCl3 i 60CoCl2
§ 6M HCl, 4M HCl, 0.5M HCl
§ roztwór rodanku amonu (NH4SCN)
Wykonanie ćwiczenia:
Aparaturę zestawiamy wg rysunku nr 1, gdzie:
a – kolumna chromatograficzna wypełniona Amberlitem IRA 400, pod żywicą znajduje się
warstwa waty szklanej
b – wężyk igielitowy, nawinięty na licznik, przez który płynie ciecz wypływająca z kolumny
c – sonda scyntylacyjna
d –zbiornik na wypływającą ciecz
e – ekran ołowiany.
Przy zestawianiu aparatury należy uważać, by kolumna chromatograficzna i zbiornik z wypływającą cieczą nie były po tej samej stronie osłony co licznik.
Przemyć kolumnę chromatograficzną 50 cm3 wody destylowanej. Pod koniec przemywania sprawdzić, czy wypływająca ciecz nie zawiera żelaza. Próbę na obecność żelaza wykonać przy użyciu rodanku amonu (czerwone zabarwienie świadczy o obecności żelaza). Ma to na celu sprawdzenie, czy wszystkie jony z poprzedniego eksperymentu zostały wymyte z kolumny. Następnie nalać do kolumny 20 cm3 6M HCl i ustalić szybkość wypływu na ok. 90 kropli/min. W czasie, kiedy z kolumny wypływa 6M HCl przygotować w zlewce 5 cm3 6M HCl i dodać do niego mieszaninę 59FeCl3 z 60CoCl2 w takiej ilości, aby częstość zliczeń roztworu była rzędu 5*103 imp./min.
Tak przygotowaną mieszaninę wlać do kolumny w momencie, kiedy nad górną warstwą żywicy znajduje się około 1 cm3 cieczy. Zmienić szybkość wypływu na ok. 50 kropli/min., uruchomić program do rejestracji aktywności. Gdy ponad górną warstwą żywicy znajduje się 1 cm3 adsorbowanego płynu przemyć kolumnę 4M HCl celem wymycia jonów Co2+. Szybkość wypływu ok. 60 kropli/min. Aby zachować w przybliżeniu stałą szybkość wypływu cieczy z kolumny należy utrzymywać stałą wysokość słupa cieczy nad żywicą. Przemywanie kolumny prowadzić do chwili gdy aktywność cieczy opływającej licznik będzie równa lub zbliżona do wartości aktywności cieczy przed wymywaniem. Wymyciu uległ kobalt.
Następnie wymywa się 59FeCl3 0.5M HCl. Przebieg wymywania 59FeCl3 można kontrolować dwoma metodami. Jedna z nich jest identyczna z metodą uprzednio stosowaną przy kobalcie. Metodę tą stosuje się wtedy, gdy żelazo promieniotwórcze zawiera izotop 59Fe. Natomiast jeżeli zawiera tylko 55Fe to należy uciec się do metody chemicznej. W takim przypadku do wypływającej cieczy dodaje się rodanek amonu NH4CNS: zanik reakcji na żelazo świadczy o jego wymyciu. Po zakończeniu ćwiczenia przemyć kolumnę wodą destylowaną.
UWAGA:
1. W celu zapewnienia prawidłowej pracy kolumny jonitowej należy unikać jej zapowietrzenia. W czasie całego eksperymentu nad górną powierzchnią anionitu powinno się znajdować, co najmniej 1 ÷ 2 cm3 cieczy. Po zakończeniu ćwiczenia zostawić całą kolumnę wypełnioną wodą destylowaną. Jeżeli kolumna zostanie przypadkowo zapowietrzona zwrócić się do asystenta o pomoc.
2. Wymiennik jonowy posiada skończoną pojemność adsorpcyjną. Wynosi ona kilka miligram-równoważników jonu na 1 g żywicy. Przy wprowadzeniu do kolumny zbyt dużej ilości jonów nie zostają one całkowicie zaadsorbowane i w postaci nierozdzielonej mieszaniny przepływają przez kolumnę. Można to stwierdzić przez badanie pierwszej frakcji (kobaltowej) na obecność żelaza. Jeżeli to nastąpi, należy kolumnę przemyć dużą ilością czystej wody i eksperyment powtórzyć, biorąc wielokrotnie mniejsze ilości roztworu do rozdziału.
do układu liczącego
Rys.1. Schemat układu pomiarowego
Opracowanie wyników.
Początkowa cześć krzywej wymywania, odpowiadająca wymianie jonów na powierzchni ziaren żywicy powinna być zbliżona do krzywej eksponencjalnej. Gdy najwolniejszym procesem staje się dyfuzja w głąb ziaren, szybkość procesu maleje.
1. Sprawdzić czy krzywa ma charakter taki, jak opisano powyżej.
2. Wyznaczyć połowiczny czas wymywania dla początkowej części krzywej.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]