化学分离与富集实验讲义

1、化学分离与富集实验讲义昆明理工大学基础化学实验中心2012-12实验一 表面活性剂增溶增敏的应用实验目的1、了解不同性质的表面活性剂在溶液的作用原理；2、了解表面活性剂的增溶、增敏在光度法中的应用； 3、熟悉分光光度计的使用。实验原理表面活性剂，包括阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性离子表面活性剂。(I)阴离子表面活性剂：此类表面活性剂在水溶液中会离解为带负电荷的离子(阴离子)和带正电荷的离子(阳离子)，而阴离子是其表面活性的载体。(2)阳离子表面活性剂：此类表面活性物质在水溶液中亦会离解成阴、阳离子，而阳离子是其表面活性的载体。(3)非离子表面活性剂：此类表面活性物质

2、在水溶液中不会离解成离子在水中的溶解度主要靠它的极性基团提供的，其表面活性的载体是它的极性基团。(4)两性表面活性剂：此类表面活性物质在水溶液中，于同一分子内不但含有正电荷，而且还含有负电荷，它是根据组成和介质的pH 值来决定它的阴离子或阳离子的性质。尽管表面活性剂有不同的结构和极性基团，在不同的介质中表现出不同的特性，但对大多数的表面活性剂而言，仍有其共同的特征。表面活性剂最重要的两个特征是在界面上吸附的趋向性和在各种条件下形成具有各种结构的分子聚集体 ，如：胶束、反胶束。表面活性剂分子溶于水后会不停地旋转，最终找到亲水基与憎水基的恰当位置而基本固定下来，相互靠在一起，形成形状、大小不一的胶

3、束或胶团(如图3所示)。这种情况容易在逐渐提高表面活性剂浓度而达到某一个浓度数值以上时发生。该浓度称为临界胶束浓度(用CMC表示)。1、增溶作用当水溶液中表面活性剂的浓度大于临界胶束浓度时生成胶团或胶束，通过加热与搅拌，体系中难容性成分（显色剂、显色化合物）分散为很小的微粒，被包裹在大量的胶束与胶团之中而间接溶入了体系。表面活性剂的这种能增大不溶物溶解度的作用就叫增溶作用。2、增敏作用显色化合物在有表面活性剂胶束存在或不存在时的吸收光谱，往往有明显的不同。通常是由于生成了新的化合物 胶束配合物。胶束的存在，生成高配位化合物(所谓高次化现象)，被认为是胶束增效的主要原因。这属于介质和显色分子的特

4、殊相互作用，特殊的相互作用所引起的吸收光谱的吸收波长，吸收强度改变。例如：当pH6.3时，二甲酚橙与金属生成的螯合物一样呈红色无法使用，但在有阳离子表面活性剂（CTMAB）存在时，二甲酚橙的应用范围可以扩展到碱性范围，用这个特点，我们可以找到合适的条件测定试样中的铜。仪器及试剂仪器：U-1901紫外分光光度计 、1cm比色皿、25ml比色管 、10ml移液管试剂：10g/ml铜标液、0.02mol/LCTMAB水溶液、0.2%二甲酚橙水溶液、氨-氯化铵缓冲溶液（pH=10）实验部分实验方法：1 测定酸度为pH=10的二甲酚橙水溶液的吸收曲线取2中加入0.02mol/L的CTMAB0.00ml的

5、试液，以试剂空白作为参比，作二甲酚橙水溶液的吸收曲线。（取25ml的比色管，分别加入0.2%二甲酚橙水溶液2.00ml，pH=10的氨-氯化铵缓冲溶液5.00ml, 稀释至刻度线，摇匀，静置十分钟，以试剂空白作为参比，作吸收曲线。）2 CTMAB的量对显色剂的退色效果取（6只）25ml的比色管，分别加入0.2%二甲酚橙水溶液2.00ml，pH=10的氨-氯化铵缓冲溶液5.00ml,然后依次加入0.02mol/L的CTMAB0.00、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00ml，稀释至刻度线，摇匀，静置十分钟，以各自的试剂空白作为参比，作吸收曲线。3 测定Cu2+与二甲酚橙水溶液的吸收曲

6、线取4中加入0.02mol/L的CTMAB 0.00ml的试液，以试剂空白作为参比，作Cu2+与二甲酚橙水溶液的吸收曲线。（取25ml的比色管，分别加入0.2%二甲酚橙水溶液2.00ml，10mg/L铜标液2.00ml，pH=10的氨-氯化铵缓冲溶液5.00ml, 稀释至刻度线，摇匀，静置十分钟，以试剂空白作为参比，作吸收曲线。）4 CTMAB的量对显色化合物的曾敏效果取（6只）25ml的比色管，分别加入0.2%二甲酚橙水溶液2.00ml，10mg/L铜标液2.00ml，pH=10的氨-氯化铵缓冲溶液5.00ml, 然后依次加入0.02mol/L的CTMAB 0.00、0.50、1.00、2.

7、00、3.00、4.00ml，稀释至刻度线，摇匀，静置十分钟，以各自的试剂空白作为参比，作吸收曲线。问题讨论1 实验中存在那些可能影响因素影响吸收曲线的变化？2 对1-2、3-4作对比各自能得出什么样的结论？3 本实验最终加入表面活性剂的影响结论是什么？实验二 溶剂萃取分离微量镍的条件试验一、实验目的1 掌握溶剂萃剂分离微量镍的原理及操作。2 了解控制酸度，丁二酮肟加入量等条件的重要性。二、实验原理溶剂萃取分离方法是利用亲水性（水合）阳离子与萃取剂形成中性疏水螯合物后，溶于合适的有机萃取溶剂如氯仿、正丁醇中被提取出来的方法。相反，利用一种新的不含被萃取物的水相（反萃剂）与萃取液接触，使被萃取物

8、返回水相的过程叫反萃取，可进一步提高溶剂萃取的选择性。本实验用以柠檬酸钠作掩蔽剂，在一定碱度下，镍离子与丁二酮肟生成溶解度很小的红色螯合物沉淀，用正丁醇作为萃取溶剂，稀氨水洗涤除去共存元素，稀盐酸反萃回水相。反应式如下： 引入疏水基 溶于正丁醇亲水疏水在氨溶液中，碘存在下，镍与丁二酮肟作用，形成组成比为1：4的酒红色可溶性络合物，于波长530nm测定其吸光度。为了使测定结果有较高的灵敏度和准确性，必须选择适宜的测量条件，主要包括入射波长，萃取剂用量，有色溶液的稳定性，溶液酸度，反萃溶剂用量等。三、试剂与仪器试剂：100mg/L镍标准贮备液(准确称取金属镍(含量99.9以上)0.1000g溶解在

9、10 mL硝酸溶液(3.7)中，加热蒸发至近干，冷却后加硝酸溶液（3.7)溶解，转移到100 mL容量瓶中，用水稀释至标线）；10mg/L镍标准溶液。碘溶液(0.05 molL)：称取12.7 g碘片(I2)，加到含有25g碘化钾(KI)的少量水中，研磨溶解后，用水稀释至1000 ml)；丁二酮肟溶液(5 gL)：称取0.5 g丁二酮肟溶解于50 ml氨水(3.2)中，用水稀释至100 ml)；丁二酮肟乙醇液(10 gL)：称取1g丁二酮肟，溶解于100 ml乙醇(3.4)中)；正丁醇；1：1氨水溶液，0.5mol/L氨水溶液；0.5mol/L盐酸溶液；氨水-氯化铵缓冲溶液(pH100.2)：

10、称取16.9氯化铵(NH4C1),加到143 mL氨水(3.2)中，用水稀释至250 mL)；仪器：TU-1901紫外可见分光光度计，125mL分液漏斗，比色管，5mL吸量管。四、分离萃取方法取5mL标样（含镍量10g/L标液），置于125mL分液漏斗中并用水稀释至约10mL，加2mL的丁二酮肟乙醇溶液摇匀。加一滴1：1氨水，再加pH=10的氨水-氯化铵缓冲液1mL，溶液颜色由无色变成粉红色，加水至30 mL摇匀。用10 mL正丁醇萃取1-2min，静止分层后，分掉水相。加入5mL氨水溶液1：30振摇半分钟，洗涤有机相一次，分掉水相。加入5mL盐酸溶液0.5振摇1-2min，反萃镍。分层后将水

11、相转入25mL比色管中，再用5mL水洗涤一次有机相，合并水相。五、实验步骤 (1)空白试验在测定的同时应进行空白试验，所用试剂及其用量与在测定中所用的相同，测定步骤亦相同，但用同体积的去离子水代替标样。(2)条件实验1吸收光谱按显色实验绘制镍与丁二酮肟络合物的吸收曲线，确定合适的测定波长。2酸度按照上述分离萃取方法固定其它条件，改变氨水-氯化铵缓冲液的pH=（8.0，9.0，9.5，10.0，11.0），获得镍与丁二酮肟反应生成溶解度很小的红色沉淀的合适的酸度。3丁二酮肟用量按照上述分离萃取方法固定其它条件，改变丁二酮肟用量（0.1，0.2，0.4，0.6，0.8mL）,获得镍与丁二酮肟反应生

12、成红色沉淀的合适的用量。4稀氨水用量按照上述分离萃取方法固定其它条件，改变稀氨水洗涤浓度获（1：90，1：60，1：30，1：10，1：1），得除去铜、钴杂质离子的最佳稀氨水浓度。5稀盐酸用量按照上述分离萃取方法固定其它条件，改变反萃溶剂盐酸的浓度（0.1，0.25，0.5，0.75，1.0），获得返萃所用稀盐酸最佳浓度。(3)显色实验于上述条件实验试样中加1mL碘溶液加水至20mL摇匀，加2mL丁二酮肟溶液，摇匀。加水至标线，摇匀。（注：加入碘溶液后，必须加水至约20mL并摇匀否则加入丁二酮肟后不能正常显色）。(4)测定用1cm比色皿，以水为参比液，530nm波长下测量上述显色液的吸光度并减

13、去空白试验所测的吸光度。六、结果处理1.绘制吸光度-波长曲线，找到合适的测定波长；2.绘制吸光度-碱度曲线，找到合适的测定碱度；3.绘制吸光度-萃取剂用量曲线，找到合适的萃取剂用量；4.绘制吸光度-氨水浓度曲线，找到合适的测定氨水浓度；5.绘制吸光度-盐酸浓度曲线，找到合适的反萃溶剂浓度。七、思考题1.实验中为什么要进行各种实验条件的试验？2.如果试样中有某干扰离子，此干扰离子在测定波长处也有吸收，应如何处理？实验三 离子交换分离与富集 水中微量铁的测定一、 实验目的1 熟悉水中微量铁的分离富集方法。2 掌握离子交换分离与富集的方法原理与技术。二、 实验原理水体中铁的含量极低，可用H型阳离子交

14、换树脂将其富集，用一定浓度HCl洗脱，洗脱液用原子吸收光度计测定铁的含量。三、 实验仪器与试剂H型（阳离子）交换树脂；交换柱；0.5mol/L盐酸；（600ml），2mol/L盐酸；（500ml），4mol/L盐酸；（500ml），6mol/L盐酸（2500ml）（4组用量）。四、 实验步骤1树脂的处理；将树脂用4mol/L的HCl浸泡约4个小时，转化为H+型。2装柱；取交换柱，底部垫玻璃棉，自顶部注入经处理的上述树脂悬浮液，使树脂沉降后高度约40cm高，柱子顶部垫层玻璃棉。于柱子顶部加入蒸馏水洗涤，冲洗流速3-4滴/s，使流出液pH为7左右为止，关闭柱子出口。3洗脱曲线的测定：（1）加入铁标

15、溶液 mL（2）分别用0.5mol/L；2mol/L；4mol/L；6mol/L的盐酸对树脂进行洗脱，收集洗脱液，每10ml或20ml收集一次，保持流速1-2滴/s并注意勿使树脂表面干燥。然后将洗脱液收集至比色管中，用蒸馏水稀释至刻度，用原子吸收光度计测定铁的含量。根据测定结果，以洗脱液体积为横坐标，Fe浓度为纵坐标，制作洗脱曲线。洗脱曲线如下：V1：开始流出被交换上的Fe的洗脱液体积。V2：流出的洗脱液中检测不到被交换的Fe的洗脱液的体积。（3） 洗脱条件的确定：根据制作的洗脱曲线，比较得到最佳的洗脱条件。（包括确定洗脱液的浓度和应收集的洗脱液的体积）4 蒸馏水洗涤：于柱子顶部加入蒸馏水洗涤

16、，冲洗流速3-4滴/s，使流出液pH为7左右为止，关闭柱子出口。5 100ml自来水中微量铁的分离与富集（1）用100ml的自来水进行交换，交换速率1-2滴/s。（2）根据步骤（3）确定的洗脱条件，用一定浓度的盐酸溶液，以1-2滴/s的滴速进行洗脱，初始收集V1ml的洗脱液弃之不用，其后收集V2-V1ml的洗脱液，取10ml洗脱液，至比色管中，用蒸馏水稀释至刻度，用原子吸收光度计测定铁的含量，得到自来水中微量Fe的浓度。五、 注意事项1在装柱时必须防止气泡、分层及柱子液面在树脂表面以下等现象发生。2注意勿使树脂表面干燥。六、 实验时间表装柱蒸馏水洗涤交换酸液洗脱/取样蒸馏水洗涤自来水交换酸液洗

17、脱测定配备药品（1：1各种浓度的盐酸）准备比色管测定、制作洗脱曲线、洗脱条件的确定实验四 溶剂萃取分离钴、镍1.实验目的：（1）学习和掌握溶剂萃剂分离的基本原理和实验操作技能；（2）了解分离系数的测定方法。2. 实验原理 溶剂萃取分离法是利用与水不相溶的有机溶剂同试液一起振荡，把和某种亲水性组分转化为疏水性物质进入有机相并被提取出来的方法。与此相反，将某一组分从有机溶液中提取到水溶液中去，叫做反萃取。萃取与反萃取的配合使用，可提高萃取分离的选择性。由于溶剂萃取法具有简便、快速、分离效率高、适用范围广的优点，因而在分析化学中广泛应用于元素的分离和富集。钴、镍同属第四周期族元素，性质彼此相似又呈一

18、定的递变性，因此难以用一般的化学方法进行分离。本实验选用P507-煤油萃取剂进行Co2+、Ni2+的萃取分离。P507为2-乙基己基磷酸-2-乙基己基脂，其分子结构式为：它常以二聚体（H2A2）形式存在。在萃取Co2+、Ni2+离子时，其羟基上的H+与金属离子M2+发生交换作用，使亲水性的M2+转化为疏水性的P507-M盐而溶于煤油中，其反应为可逆反应：M2+ + 2+x2 H2A2 = MA2xHA + 2H+该反应在一定条件（特别是H+浓度增加到一定程度时）下达到平衡，从而限制了P507对M2+离子的萃取能力。因此，通常用碱对P507进行皂化处理，将其部分转化为钠盐或铵盐，来控制萃取过程的

19、pH。从P507萃取Co2+、Ni2+的pH-E（%）曲线（图6-1）可知，当pH 1 时，有机相中，钴、镍离子的浓度接近于零，这便是这两种离子的反萃取条件。根据以上原理，本实验选用预先对P507 皂化处理的萃取剂系统，控制适当的pH，使Co2+有较高的萃取效率，大部分进入有机相，而Ni2+的萃取效率很低，绝大部分留在水相中。这样，通过35次萃取，水相中基本只含有Ni2+而不含Co2+，从而达到分离的目的。最后，在有机相中加入1molL-1 HCl 进行反萃取，Co2+即可被反萃取回到水相中。用P507萃取分离Co2+、Ni2+有较大的分离系数，分离效果好。本实验要去测定器分离系数： Co/N

20、i = DCoDNi= c有Coc水Coc有Nic水Ni式中：c有Co、c有Ni、c水Co、c水Ni分别为钴、镍在有机相、水相中的浓度。温度是影响分配系数、萃取效率及分离系数的重要因素。因此，本实验的萃取温度以不低于20为宜。3.仪器与试剂 仪器：分液漏斗（125mL），烧杯（500mL），锥形瓶（250mL），移液管（5、10mL），比色管（25mL），ICAP-6300原子发射光谱仪。 试剂：20%P507-煤油，NH3H2O，NH3H2O（1:1），Co2+、Ni2+混合液（含CoCl216.6551g/L、NiCl2 47.5380g/L），HCl(1molL-1)。4.实验内容（1）

21、P507的皂化：取20.0mL 20% P507煤油置于125mL分液漏斗中，加入3.0mL 1.0molL-1 NH3H2O，充分振荡10min，待分层后弃去水相，备用。（2）萃取：在经皂化的萃取液中，准确加入20.0mL Co2+、Ni2+混合液，充分振荡10min，静置，分层后，将水相放入50mL烧杯中（留作分析用样品1）。测试pH在4.14.2之间，pH过高或过低时，需将水相倒回原分液漏斗中，滴加1.0molL-1 HCl或NH3H2O调整pH后，重新萃取一次。将有机相转移至另一干燥、洁净的分页漏斗中。（3）反萃取：在萃取后的有机相中，准确加入5.00mL 1.0molL-1 HCl，

22、充分振荡2min，静置分层后，将水相放入25mL烧杯中，在有机相中加入5.00mL 1.0molL-1 HCl，充分振荡2min，静置分层后，将水相放入25mL烧杯中，在有机相中加入5.00mL 1.0molL-1 HCl，如前进行第二次反萃取，合并两次水相溶液，留作分析用（样品2）。（4）测定水相中钴、镍的含量：取实验（2）中萃取得到的水相溶液1.00mL 于25mL比色管中，用蒸馏水定容至刻度线。使用ICAP6300原子发射光谱仪对此样品进行分析测定，得到Cw（Co）、。（5）测定有机相中钴、镍的含量：取实验（3）中萃取得到的水相溶液1.00mL 于25mL比色管中，用蒸馏水定容至刻度线。

23、使用ICAP6300原子发射光谱仪对此样品进行分析测定，得到Co（Ni）。（6）计算分离系数。5.思考题（1）什么叫萃取、反萃取？二者在本质上有什么区别？（2）实验中为什么要对P507进行皂化预处理？（3）萃取操作中应注意哪些问题？实验五 中草药中有效成分的提取及动力学研究七、 实验目的1 熟悉天然产物的提取分离方法。2 掌握黄酮类化合物的分析方法。二、实验原理中草药有效成分的提取过程中，同时伴随其他成分的浸出，其机理十分复杂。但在提取过程中，无论何种成分的浸出，其实质都是溶质溶于溶剂并从固相迁移到液相中的过程，一般包括三个步骤，即：（1）溶剂向中草药颗粒内部渗透，浸润中草药颗粒并溶解溶质；（

24、2）被溶解的溶质以分子形态从中草药颗粒内部扩散迁移到固液界面上；（3）溶质从固液界面（扩散面）向溶剂主体扩散。（2）、（3）步骤相对于（1）步骤是一个较慢过程，在提取过程中起主导作用，其中内扩散更是整个提取过程中传质阻力最大的步骤，对传质起重要作用，是提取速率的控制步骤。在提取过程中溶质在固相内的扩散是复杂而不稳定的传质过程，其质量传递与原料特性、组织结构、形状、粒度、提取溶剂特性、提取温度等多种因素有关。中草药可视为多孔性固体，其有效成分的提取过程属于溶质在固液两相中的传质过程。因此，可借助于Fick定律来描述在提取过程中有效成分的扩散过程。假设；药材颗粒是均匀的球形颗粒；溶质的扩散方向是沿

25、颗粒的径向进行的：扩散开始时药材颗粒内部有效成分分布均匀；颗粒和溶剂的温度相等，且分布均匀。由Fick扩散定律可导出药用植物的有效成分的提取速率方程遵循一级动力学方程，其通式可写成c：提取液最大浓度；c0：提取液初始浓度；c：提取液即时浓度；k：速率常数；t：时间三、实验材料及主要设备1、实验材料（1）灯盏花（烘干的全草）。（2）芦丁（芸香叶苷），C27H30O163H2O，进口（solarbio）。芦丁标准品溶液的配制称取干燥至质量恒定的芦丁标准品102 mg，用体积分数60 的乙醇溶解，定容至50 mL，摇匀得0204 0 mg/ml的芦丁标准溶液。（3）亚硝酸钠；5 的亚硝酸钠溶液。（4

26、）无水乙醇。（5）氢氧化钠；l0氢氧化钠溶液。（6）硝酸铝；l0硝酸铝溶液。2、主要设备（2） UV-2550双光束紫外可见分光光度计（3） CW-2008微波辅助萃取（4） HH-S26恒温水浴锅（6）电子天平（7）SHB-循环水式多用真空泵四、实验方法1、样品的处理将灯盏花全草先用自来水浸泡，洗去灯盏花全草上沾有的泥土；将浸泡过的全草自然晾干，再降灯盏花全草研细；将研细后的灯盏花颗粒分别用20目、60目、80目的筛子筛出粒径为20目、60目、80目的灯盏花颗粒，装好备用。2、溶剂回流提取黄酮化合物的试验方法分别称取1.5000g不同粒度灯盏花粉末，100ml提取液60%乙醇，在一定的回流温

27、度（313、323、333k）下回流提取，每隔5min取样一次(5-6次)，每次取样3.00ml用分光光度法或高效液相色谱法测定灯盏黄酮化合物的浓度，同时补充3.00ml提取液。回流提取达到平衡（约2.5h）后过滤，再加入60%乙醇提取液100ml 继续回流至平衡，重复4次，合并滤液测定最大浓度。3、微波辅助提取黄酮化合物的实验方法分别称取1.5000g不同粒度灯盏花粉末，60ml提取液60%乙醇，在一定的微波功率（400w）和微波时间（15、20、25、30s）条件下，经过微波处理后，用40ml60%乙醇清洗，在一定的回流温度（313、323、333k）下回流提取，每隔5min取样一次(5-6次)，每