Rodział jonów niklu i kobaltu - chromatografia jonowymienna

Przegrzebując fotograficzne archiwa dotarłem do pierwszego roku studiów, na którym mieliśmy zajęcia z chemii nieorganicznej, i tam znalazłem kilka zdjęć dokumentujących pewne stare ćwiczenie, które chyba warto tu omówić.

Kobalt i Nikiel są pierwiastkami należącymi do raczej dziś już historycznej triady żelazowców. Wszystkie trzy wraz z żelazem charakteryzują się bardzo podobnymi właściwościami chemicznymi, podobieństwo w okresie jest większe niż w grupie. To metale, ferromagnetyki, chętnie występujące na +2 i +3 stopniu utlenienia. Właściwości ich soli są na tyle podobne, że rozdział metodami fizycznymi i chemicznymi jest trudny - o ile można to jeszcze przeprowadzić dla żelaza, to już kobalt i nikiel reagują tak samo.

Na samym początku przygotowaliśmy roztwory chlorku kobaltu II i chlorku niklu II, o różnych kolorach:

i zmieszaliśmy je ze sobą. Otrzymana mieszanka miała kolor brunatny. I co też tu teraz zrobić? A no napełnić kolumnę kationitem.

Substancje jonowymienne to bądź minerały i materiały ceramiczne bądź tworzywa sztuczne zawierające przyłączone do powierzchni grupy kwasowe lub zasadowe. W pewnym stopniu można je uznać za nierozpuszczalne kwasy i zasady. Przykładem może być choćby żel krzemionkowy, zawierający na powierzchni reszty kwasu krzemowego, albo polimer styrenowy z resztami kwasu siarkowego. Te "stałe kwasy" w odróżnieniu od takich nierozpuszczalnych substancji jak wolne kwasy tłuszczone, mają jednak specyficzną właściwość - chętnie dysocjują, zwłaszcza gdy mogą wymienić jony wodoru na jakieś inne kationy. Taki kationit zachowuje się w roztworach soli jak kwas siarkowy w proszku - zakwasza roztwór i tworzy sole, przy czym są to oczywiście sole przytwierdzone o podłoża polimerowego. Kation przyłącza się do podłoża i uwalnia jon wodorowy, który sam uwalnia się trudno.
Jest to cenna właściwość i korzysta się z niej wówczas, gdy potrzebne jest zakwaszenie ale nie potrzebne wprowadzanie nowych jonów pochodzących od reszt rozpuszczalnego kwasu. Bywa używany w modyfikacji klasycznej reakcji estryfikacji kwasu z alkoholem. Najczęstsze zastosowanie, z jakim co niektórzy mogą się spotkać w życiu codziennym, to zmiękczanie wody - po dodaniu kationitu z przyłączonym sodem, jony wapniowe i magnezowe przyłączają się do niego.

Szczególnym przypadkiem jest otrzymywanie wody dejonizowanej - wówczas woda przepuszczana jest przez bęben z wypełnieniem kationitu, który wyłapuje kationy, a potem przez bęben wypełniony anionitem, który pochłania aniony. Uwolnione kationy wodorowe i aniony hydroksylowe zobojętniają się i powstaje nam czysta, pozbawiona soli woda, jest to szybsze i bardziej energooszczędne od wielokrotnej destylacji.

Zużyty jonit można zregenerować - ten kwasowy przemywając roztworem mocnego kwasu, ten sodowy przemywając stężonym roztworem soli (tak właśnie zmywarki do naczyń regenerują kationit zmiękczający i do tego potrzebna jest sól do zmywarek).

Jak jednak ma się to do rozdziału jonów?
Do podłoża przyłączać mogą się różne jony, przy czym siła tego wiązania zależy od właściwości jonu. Powinowactwo kationu metalu do grupy sulfonowej w dużym stopniu zależy od ładunku, toteż kationy dwudodatnie jak Ca²⁺ będą przyłączane chętniej niż jednododatnie jak Na⁺ . W przypadku jonów o tym samym ładunku znaczenie ma też siła tego ładunku zależna od liczby atomowej i wielkości jonu, co wpływa na zagęszczenie ładunku. Jon silniej wiążący się z podłożem, będzie  wypierał jon słabiej związany. Wypieranie następuje też gdy jon słabszy występuje w dużym stężeniu.

Jak to wszystko ma się do rozdziału pierwiastków?
Nasze pierwiastki, kobalt i nikiel, leżą obok siebie w układzie okresowym, ich atomy mają podobną wielkość, jednak między kationami występuje niewielka różnica - kation niklu jest większy. Wobec tego ładunek na zewnątrz kationu jest mniej zagęszczony a sam kation jest słabiej wiązany do kationitu. Różnica jest niewielka, ale wystarczająca. Gdy nałożymy mieszankę obu pierwiastków na kolumnę kwaśnego żelu i będziemy przemywali ją kwaśnym roztworem, wymywającym kationy przez wypieranie, słabiej związany nikiel będzie po pierwsze bardziej wymywany przez eluent a po drugie nieco bardziej wypierany przez silniej wiążący kobalt. Ta niewielka różnica doprowadzi do tego, że kation niklu oddzieli się od kobaltu i będzie szybciej przepływał przez wypełnienie. Dzięki temu dokona się rozdział.

Tak więc na początek napełniłem szklaną kolumnę sypkim wypełnieniem, i przepłukałem wodą destylowaną, następnie przepłukałem kolumnę zasadowym buforem cytrynianowym mającym za zadanie zdeprotonować powierzchnię i usunąć wszystkie kationy. Przemywałem kolumnę tak długo aż odczyn wycieku stał się obojętny. Teraz przepłukałem ją ponownie ale roztworem kwasu, był to chyba rozcieńczony kwas solny, aby sprotonowac wszystkie grupy. Całość należało teraz przemywać wodą tak długo, aż wyciek będzie obojętny. Żel podczas tych manipulacji to puchł to kurczył się. Taka kolumna była już gotowa do użytku:

Na szczyt kolumny nalałem mieszankę soli, które zostały silnie zaabsorbowane, tworząc brunatną warstewkę:

Pochłonięte kationy dosyć dobrze związały się z podłożem, dlatego kolumnę przemyłem jeszcze wodą, aby odmyć aniony, po czym zacząłem przepłukiwać ją kwaśnym roztworem. Kationy ruszyły w dół i zaczeły rozdzielać się na szybsze zielone i wolniejsze różowe pasmo.

 

Teraz należało obserwować kolor wycieku i podstawić w odpowiedniej chwili odbieralniki, najpierw na frakcję zieloną:

a potem na różową:

I tak dwa bardzo podobne pierwiastki zostały oddzielone.

W praktyce używa się tej techniki do rozdziału lantanowców - bardzo cennych pierwiastków mających zastosowanie w technice i elektronice (na przykład neodym), o praktycznie identycznych właściwościach fizycznych, występujących na raz w tym samym minerale. Można też w ten sposób rozdzielać związki organiczne, na przykład aminy w formie kationów amoniowych.