§ 6. Константа ионного обмена

Реакция обмена двух однозарядных ионов выражается уравнением:

Равновесие при обмене ионов достигается в результате одновременного действия сил различной природы, и оно может быть в первом приближении списано законом действия масс:

где В и А — соответственно концентрации ионов в твердой фазе; — соответственно концентрации ионов в жидкой фазе; в — константа ионного обмена.

Константа ионного обмена дает возможность количественно характеризовать сорбируемость одного иона по сравнению с другим.

При этом возможны три случая:

— ионы раствора имеют большее сродство к иониту, чем ионы, входящие в состав ионита (процесс обмена ионов из раствора протекает быстро и полно);

— ионы раствора имеют меньшее сродство к иониту, чем ионы, входящие в ионит (процесс обмена ионов незначителен);

— сродство к иониту обоих ионов одинаково.

С учетом коэффициентов активности ионов константа обмена выражается следующим уравнением:

где — коэффициенты активностей ионов в жидкой фазе; — коэффициенты активностей ионов в твердой фазе.

Расчет реальных систем ионного обмена сложной смеси ионов весьма сложен. Обычно для этой цели применяют уравнение изотермы ионного обмена, предложенное Б. П. Никольским:

где — активности сорбируемых ионов в ионите, сорбента; активности ионов в жидкой фазе; — заряды обменивающихся ионов; — константа иоиного обмена.

Уравнение справедливо для следующих случаев: объем ионита не меняется вследствие ионного обмена; «каркас» ионита не вступает в химическое взаимодействие с ионами раствора (коэффициенты активности сорбированных ионов равны единице); не происходит молекулярной сорбции, а также сорбции противоположно заряженных ионов; разделяемые ионы малы по сравнению с микропорами ионита и беспрепятственно проникают внутрь частицы ионита.

Связь между объемом раствора, который должен быть пропущен через колонку до появления максимума концентрации вещества на выходной кривой, и константой обмена выражается уравнением:

где — объем промывного раствора, соответствующий максимуму концентрации вещества на выходной кривой, ; — концентрация ионов водорода в промывном растворе кислоты, ; Е — полная емкость ионита, ; — заряд вытесняемого иона; V — объем, занимаемый набухшей навеской ионита, .

Скорость ионного обмена между двумя фазами, а также установление ионообменного равновесия связано с природой ионитов, хроматографируемых веществ и техникой эксперимента.

Изучение кинетики ионного обмена позволяет судить о структуре сорбентов, доступности их активных групп и об их участии в ионообмене.