ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Двойной электрический слой и электроповерхностные явлеЭлектрокапиллярные явления из "Курс коллоидной химии 1995" Ввиду огромного значения ионного обмена для теории и практики следует подробнее познакомиться с его основными закономерностями. [c.189] типичные неполярные адсорбенты — уголь, графит, сажа, парафин, полиэтилен, тефлон — образуют поверхностные (хемосорбционные) соединения с кислородом воздуха или воды либо адсорбируют ПОИ (ОН , Н+ и др.) из раствора. Вопросы ионного обмена, составляющего лишь один из разделов учения о двойном электрическом слое, оказываются в некоторых отношениях более широкими и выходят за рамки представлений о существовании границы раздела фаз и ДЭС. Дело в том, что основные закономерности ионного обмена не изменяются с ростом дисперсности и сохраняются не только при частичном вырождении понятия поверхности раздела (активные угли, цеолиты), но и при переходе к студням ВМС (типично гомогенным системам), где представления о поверхности раздела и ДЭС теряют физический смысл. Здесь следует познакомиться с ионитами (ионообменными материалами) , широко используемыми в практике. [c.190] Эти вещества состоят из жесткой высокомолекулярной матрицы (каркаса, сетки, скелета), включающей фиксированные ионы одного знака и пропитанной раствором, который содержит в основном подвижные противоионы. Такие студни получаются, например, путем окисления полимерной сетки с образованием карбоксильных групп или сульфирования (путем обработки концентрированной Н2804, олеумом), вводящего сульфогруппы в матрицу. При контакте с водными растворами эти вещества диссоциируют на анноны, закрепленные в матрице, и ионы Н+, выходящие в пропитывающий матрицу раствор, по типу Н(80 )п пН+, где К — матрица. Такие системы,способные к обмену псздвижных Н+ на катионы раствора, называются катионитами (рис. XI.1). [c.190] В матрицу ВМС могут быть введены и группы с основными свойствами,, например амино- или пириДиниевые группы, для которых характерна диссоциация по типу К (КН )т /пОН-. В этом случае матрица приобретает положительный заряд (за счет фиксированных КН -групп), и такие иониты, на которых протекает обмен анионов, называют анионитами. [c.190] Наряду с органическими полимерными материалами в настоящее время для целей ионного обмена синтезируют большое количество неорганических ионитов . Эти материалы, получаемые на основе комплексных соединений 8Ь, Р, 2г и других элементов, также образуют высокомолекулярные сетки (матрицы) с фиксированными ионами и подвижными противоионами в растворе, пропитывающем сетку. [c.190] При описании явлений обмена, общих для обоих классов, желательно пользоваться термином поглощение (сорбция) вместо адсорбции — понятия, связанного с поверхностью раздела. [c.191] Системы фиксированные ионы — подвижные противоионы целесообразно называть обменным комплексом, объединяя этим термином различные способы фиксации ионов в гомогенной матрице или же во внутренней обкладке ДЭС на границе раздела фаз. Введение таких обобщающих терминов мы считаем целесообразным для отражения той глубокой общности, которая существует между суспензоидами и молекулярными коллоидами (см. раздел 1.2) и проявляется в ионном обмене (как и в других явлениях) в единстве основных закономерностей. [c.191] Ряд (Х1.5), называемый лиотропным, наблюдается во многих случаях не только для гетерогенных (высокодисперсных), но и для гомогенных (высокомолекулярных) ионитов. [c.191] Интересно отметить, что для некоторых ионитов характерно обращение адсорбционного ряда в области ионов равной валентности (Ы+ N3+ К ), свидетельструющее о дегидратации противоионов в процессе взаимодействия их с ионитом. Некоторые особенности присущи и биологическим системам, например клеточным мембранам с протеино-фосфолипидным обменным комплексом. [c.191] Ион Н+ не занимает определенного места в ряду. Для почв, грунтов, белковых веществ и многих других объектов он стоит перед А1з+, тогда как для других ионитов он располагается в конце ряда. Эти особые свойства Н+ часто связаны с тем, что обменный комплекс образуется в результате диссоциации слабых кислот (поликремииевых, гуминовых), характеризующихся прочной связью кислотного остатка с Н+ (водородной связью). В то же время соли этих кислот обычно хорошо диссоциированы. Поэтому Н+ вытесняет легко все остальные катионы из внешней обкладки и в почвах, даже в нейтральных растворах (при pH = 6,5), занимает около половины мест в обменном комплексе. Такая же прочная связь присуща и слабокислотным (карбоксильным) высокомолекулярным ионитам, тогда как для ионитов сильнокислотного типа (например, с фиксированными группами К50з )Н+ не обладает высокой энергией связи и расположен в конце ряда среди одновалентных катионов. [c.192] Подобный же ряд анионов с особыми свойствами иона ОН- присущ и анионитам. В случае слабоосновных ионитов ион ОН- стоит в начале ряда (левее 804—, С2О4—и др.), тогда как в случае сильноосновных (например, образованных четвертичными аммониевыми основаниями) — в конце. [c.192] Как для теории ионного обмена, так и для всех практических применений важно прежде всего знать, какое количество ионов может быть поглощено из раствора единицей массы ионита в данных условиях, т. е. получить уравнение ионного обмена, соответствующее изотерме адсорбции. Очевидно, что в условиях конкуренции з,а место двух или более ионов одного знака водных растворах солей всегда присутствуют Н+ и 0Н , и число компонентов одного знака 2) ион данного вида будет поглощаться тем больше, чем сильнее его сорбци-оннай способность и выше его активность в растворе. [c.192] Константа К, 2 имеет смысл константы равновесия процесса ионного обмена и является количественным выражением отношения сорбционных способностей обоих ионов. Действительно, если в растворе а1 = а2=1, то К, 2 равна отношению по-глошенных количеств (в степенях 1 /г,) этих ионов. [c.193] Уравнение (Х1.6) — фундаментальное соотношение, справедливое как для высокодисперсных, так и для высокомолекулярных ионитов и независимое от механизма (химического или адсорбционного) процесса. Эта общность процессов и систем согласуется с положениями, высказанными ранее. [c.193] Уравнение (Х1.6) получило экспериментальное подтверждение , и его широко используют в практике ионного обмена. Для разбавленных растворов вместо а, можно пользоваться равновесными значениями концентраций, определяемых аналитически. [c.193] Если соотношение поглощенных количеств двух (или нескольких) ионов определяется значениями Кц и а,-, то общее количество поглощенных ионов зависит от поглощающей способности. Обменную адсорбцию (поглощающую способность ионита) определяют как число г-экв ионов, поглощенных 1 кг ионита (или мг-экв/г) зависит она от природы и свойств ионита. [c.193] Ввиду особой роли иона Н+(ОН ) и присутствия его в любом водном растворе общее количество поглощенных остальных катионов (анионов) зависит не только от а/ и ионного состава, но также от pH. Поэтому целесообразно ввести величину д (экв/кг), характеризующую поглощение ионов в определенных стандартных условиях—условную емкость обмена. Условной емкостью обмена называют число г-экв солевых ионов, поглощенных 1 кг ионита при заданных значениях pH, концентрации и состава раствора. [c.193] Значения д для почв и неорганических высокодиеперсных ионитов обычно не превышают 1 экв/кг. Синтетические ионообменные СМОЛЫ характеризуются емкостью 3—10 экв/кг, и поэтому их чаше всего используют. Разрабатываются иониты, обладающие высокой специфичностью (большие К1,2) по отношению к тому или иному виду ионов. [c.194] Механизм действия водородного и других ионоселективных электродов основан на обмене ионов . [c.194] В настоящее время ионный обмен находит широкое практическое применение в самых различных отраслях народного хозяйства. Имеются специальные монографии и сборники по этой теме (см. например, [14]). Мы ограничимся рассмотрением лишь отдельных примеров. [c.194] Вернуться к основной статье