Ионный обмен

СОРБЦИЯ

Сорбцией называется процесс поглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями, находящимися на твердом носителе (сорбенте). Различают адсорбцию, распределение вещества между несмешивающимися фазами (растворитель и жидкий поглотитель на сорбенте) и капиллярную конденсацию. На активированных углях адсорбция физическая, за счёт дисперсионных сил. При адсорбции воды, спиртов, кетонов, аминов и др. полярных веществ на сорбентах, поверхность которых покрыта гидрокси- и окси-группами (кремнезем, оксид алюминия), образуется водородная связь. На природных и синтетических сорбентах с ионогенными и хелатообразующими группами возможна хемосорбция, в том числе ионный обмен, комплексообразование. Наиболее эффективна сорбция с хелатообразующими группами, для группового и селективного разделения и концентрирования ионов металлов. Для сорбции органических соединений применяются сорбенты с химически привитыми длинными алкильными или алкилсилильными группами. Кремнеземы с привитыми молекулами органических соединений широко применяются в аналитической химии. Они могут быть также использованы для очистки воздуха и воды от органических примесей.

Основные количественные характеристики сорбции такие же, как экстракции - коэффициент распределения и коэффициент разделения.

Иониты рассматриваются как частный случай сорбентов. Это вещества с трехмерной структурой, нерастворимые в воде и органических растворителях и обратимо обменивающие входящие в их состав ионы на эквивалентное количество других ионов того же знака, находящиеся в растворе. Различают иониты неорганические и органические, искусственные и естественные. Каркас неорганического ионита - кристаллическая решетка минерала типа цеолита или аморфного вещества с мельчайшими порами (алюмосиликаты). В их структуре жестко закреплены функциональные группы, способные диссоциировать в растворителе, при этом закреплённые группы становятся заряженными (фиксированные ионы), а ионы противоположного знака переходят в раствор. Их место может быть занято другими ионами того же знака, находившимися в растворе Ионообменными свойствами обладают различные формы кремнеземов - диоксидов кремния (аэросил, силохром, силикагель, пористые стекла).

Бывают органические иониты природного происхождения, например, целлюлоза, но в технике применяются синтетических ионнообменные смолы. Каркасом служит полимер, содержащий закрепленные на поверхности ионогенные группы. Пример - сополимеры стирола с дивинилбензолом. Функциональные группы вводятся в мономер при полимеризации либо прививаются к полимеру после полимеризации. В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор, различают катиониты и аниониты.

Катиониты содержат ионогенные группы кислотного характера, например -SH, -SO₃H, -COOH, OH и могут обменивать свои протоны на катионы из раствора:

R-COOH + Me⁺ = R-COOMe + H⁺

Аниониты содержат закрепленные группы основного характера, например NH₂, N(CH₃)₃OH, -NH(CH₃)₂OH. Они могут обменивать анионы в растворе:

R-N(CH₃)₃OH+Cl^- = R-N(CH₃)₃Cl+OH^-

Амфолиты содержат одновременно кислотные и основные группы.

Ионный обмен обратимый и может характеризоваться константой равновесия; рассмотрим реакцию обмена ионов А (сидящих на ионите) на свободные ионы В в растворе:

ИОНИТ-А + В⁺=ИОНИТ-В +А⁺,

при достижении равновесия ионит и раствор содержат ионы А и В в соотношении, определяемом константой ионного обмена К_АВ:

К_АВ=С_ВиС_Ар/C_АиС_Вр,

где С_Аи и С_Ви - равновесные концентрации ионов в ионите, С_Ар и С_Вр - равновесные концентрации ионов в растворе. Константа ионного обмена К_АВ дает количественную характеристику способности ионита к обмену с теми или иными ионами в растворе, то-есть преимущественной сорбции одного из двух обменивающихся ионов, и называется коэффициентом селективности.

Наряду с коэффициентом селективности для количественной характеристики ионитов используется коэффициент распределения К_р=В_и/В_р, который представляет собой отношение концентраций иона В в ионите и в растворе к моменту достижения равновесия. Таким образом, К_р характеризует степень извлечения ионитом растворенного иона.

Отношение коэффициентов распределения двух ионов, разделяемых в одинаковых условиях, называется коэффициентом разделения, который характеризует способность данного ионита к разделению смеси двух различных ионов в растворе. Если коэффициент разделения равен единице, то разделение смеси этих ионов невозможно.

Сорбционная способность ионитов оценивается емкостью: в миллиэквивалентах сорбированного иона на 1 г массы ионита. Неорганические иониты имеют невысокую емкость (менее 1 мэкв/г.), а ионообменные смолы имеют емкость 3 - 8 мэкв/г.

Иониты применяют для разделения неорганических веществ.

Дата добавления: 2014-01-07