ИОННЫЙ ОБМЕН

Ионный обмен - это процесс, в результате которого ионы, находящиеся в твердой фазе, обмениваются с ионами, находящимися в растворе. Нерастворимое твердое вещество может представлять собой какой-либо природный материал либо синтетическую смолу. Природные материалы, используемые для ионного обмена, включают цеолиты (комплексные алюмосиликаты натрия) и глауконитовый песок. Синтетические смолы представляют собой сложные полимерные вещества. Обычно они изготовляются в виде маленьких нерастворимых шариков.

На поверхности этих твердых веществ имеются электрически заряженные центры, расположенные на более или менее регулярном расстоянии друг от друга. Эти центры удерживают на себе простые ионы с зарядами противоположного знака. Именно эти ионы обмениваются с другими ионами, содержащимися в растворе.

Катионообменники. Катионообменные материалы состоят из трех частей:

1) основная масса, или скелет, обычно обозначаемый символом ;

2) активные центры (такие группы, как либо );

3) катионы, подлежащие обмену (обычно это ионы или ).

Когда твердый катионообменник приходит в соприкосновение с раствором, в котором содержатся какие-либо ионы, между ними устанавливается равновесие. Например,

Для проведения ионного обмена в лабораторных условиях твердый катионообменник помещают в колонку (см. описание колоночной хроматографии в гл. 6). Затем раствор, содержащий ионы, которые подлежат обмену, заливают в колонку сверху и дают ему протекать через колонку. В качестве элюента используется вода. Если первоначально раствор содержит, например, хлорид натрия, то ионы натрия обмениваются с ионами водорода и из нижней части колонки вытекает разбавленный раствор соляной кислоты.

Ионообменный материал можно регенерировать (восстанавливать), промывая колонку разбавленной соляной кислотой. Это приводит к смещению влево рассматриваемого равновесия, в результате чего ионы натрия замещаются ионами водорода.

Аиионообменники. Анионообменник удаляет из раствора анионы. Типичным примером анионного обмена является следующее равновесие:

Для регенерации анионообменника может использоваться какое-либо основание, например раствор гидроксида натрия. Это сдвигает указанное равновесие влево.

Многие аиионообменники представляют собой синтетические смолы, содержащие группировки четвертичного аммония

Применения ионного обмена

Объемный анализ (волюметрия). Ионный обмен может использоваться для волюметрического определения концентраций ионов, которые трудно поддаются определению другими методами. В качестве примера приведем сульфат-ион Если, например, пропускать раствор сульфата натрия через катионообменную колонку, ионы натрия будут, как это было показано выше, обмениваться с ионами водорода (или ионами гидроксония). В результате произойдет превращение сульфата натрия в серную кислоту, которую можно затем титровать, скажем, гидроксидом натрия, чтобы определить концентрацию сульфат-ионов.

Разделение ионов. В процессе ионного обмена происходит распределение ионного растворенного вещества между жидкой фазой (раствором) и твердой фазой. Каждый ион характеризуется определенным коэффициентом распределения. Отсюда следует, что для разделения ионов может использоваться ионообменная хроматография. Ионы каждого типа перемещаются вдоль колонки с разной скоростью. Например, раствор, содержащий ионы со сходными свойствами, как, скажем, ионы натрия и калия, можно промывать в катионообменной колонке с помощью разбавленной кислоты. Таким способом удается разделять ионы натрия и калия.

Умягчение воды. Умягчители воды используются для удаления из нее ионов кальция, магния и других ионов. Вода, содержащая более растворенных солей кальция, магния и других солей, называется жесткой. Жесткая вода образует отложения карбонатных солей, так называемую накипь, на внутренних поверхностях паровых котлов, кухонной утвари и труб, по которым проходит горячая вода или пар. Эти соли осаждаются под действием жирных кислот, содержащихся в

В тех местностях, где приходится пользоваться жесткой водой, в каждом домашнем хозяйстве за год накапливается в среднем столько накипи, что ею можно было бы наполнить два мусорных ведра. Разумеется, эта накипь отнюдь не попадает в мусорные ведра или в канализацию, а накапливается в чайниках, котлах, в трубах горячей воды и в других местах, если не принять меры к умягчению воды.

мылах, в виде пленки, препятствуя пенообразованию и моющему действию мыла в жесткой воде.

Для умягчения жесткой воды в промышленных масштабах разработаны различные виды умягчителей воды. Например, ионообменные фильтры на основе полистирола позволяют обмениваться ионам натрия из фильтра на ионы кальция и магния:

Ионы натрия, переходящие в воду в результате обмена, не приводят к осаждению мыла. Ионообменную смолу можно регенерировать, промывая фильтр раствором хлорида натрия.

Алюмосиликат натрия (цеолит) также обменивает ионы кальция и магния из воды на ионы натрия. Этот обмен можно представить следующим уравнением:

цеолит

Деионизация воды. Чтобы удалить из воды различные содержащиеся в ней ионы, т.е. деионизовать воду, ее пропускают сначала через катионообменную колонку, в которой происходит обмен катионов на ионы водорода. Затем эту воду пропускают через анионообменную смолу, в результате чего происходит обмен анионов на гидроксидные ионы. Ионы водорода и гидроксидные ионы соединяются друг с другом, образуя воду

Таким способом можно получать очень чистую воду, необходимую, например, для проведения экспериментов по определению электропроводности.

Итак, повторим еще раз!

1. Соли образуются в результате реакций между кислотой и основанием.

2. Некоторые соли подвергаются в воде кислотно-основным реакциям, в результате чего их растворы обладают кислыми либо щелочными свойствами.

3. Буферный раствор обладает способностью поддерживать приблизительно постоянное значение pH при добавлении к нему небольших порций кислоты либо основания.

4. Уравнение Гендерсона для буферного раствора, содержащего слабую кислоту, имеет вид

5. В насыщенном растворе соли с общей формулой устанавливается равновесие

Произведение растворимости такой соли определяется выражением

6. Уменьшение растворимости соли в растворе, обусловленное добавлением в него другого вещества, имеющего общий ион с этой солью, называется эффектом общего иона.

7. Осаждение соли из раствора в результате добавления в него другого вещества называется высаливанием.

8. Равновесие образования комплексного иона, например

характеризуется константой равновесия, которая называется константой устойчивости комплексного иона; в рассматриваемом случае эта константа определяется выражением

9. Типичный катионообменник имеет формулу Содержащиеся в нем ионы обмениваются на другие катионы.

10. Типичный анионообменник имеет формулу и позволяет осуществлять следующую реакцию: