Научная электронная библиотека

Таланов В. М., Житный Г. М.,

2.2.2 Свойства ионитов

Рассмотрим катионит в его кислотной форме, описываемый общей формулой R^-H⁺, где R – сложный по составу анион катионита, обычно называемый матрицей, а Н⁺ – связанный с этой матрицей мобильный ион водорода, способный обмениваться на катионы, содержащиеся в жидкой фазе (растворе). Когда катионит входит в контакт с раствором, устанавливается равновесие ионного обмена:

R^-H⁺ + А⁺R^-A⁺ + H⁺(58)

ионит раствор ионит раствор

К этому равновесию приложим закон действующих масс и для него можно написать выражение константы равновесия

Здесь индексом «ф» помечены частицы, зафиксированные на катионите, а без индекса – частицы, находящиеся в растворе.

Смысл этой константы равновесия состоит в том, что она количественно характеризует сродство данного катионита к фиксируемому катиону: чем больше это сродство, тем больше равновесная поверхностная концентрация фиксированных ионитом катионов , тем, следовательно, больше численное значение константы равновесия.

В случае анионита имеем аналогичное равновесие

R⁺OH^- + B^- R⁺B^- + OH^-

ионит раствор ионит раствор

и соответствующее выражение константы равновесия

которая характеризует сродство анионита к анионам, содержащимся в растворе.

Следует учесть, что число фиксированных на ионите ионов или не может превышать определенного предельного значения, определяемого числом активных центров, имеющихся у ионита. Иными словами, ионит обладает присущей ему ионообменной емкостью. Ионообменная емкость – это количество ионов (моль), зафиксированных в результате ионообмена единицей массы ионита в состоянии насыщения. Этот параметр определяется экспериментально путем обработки известной массы катионита (анионита) в его -форме ( -форме) избытком раствора, содержащего обмениваемый ион, после чего методом титрования устанавливается количество высвободившейся кислоты(катионит) или щелочи (анионит).

Заметим, что емкость сильнокислотных катионитов не зависит от рН раствора. В случае же слабокислотных катионитов равновесие ионного обмена смещено в сторону образования формы R^-H⁺ в кислой среде и ионный обмен в этих условиях не происходит.

Разумеется, подобные явления характерны и для анионитов.

Одним из важнейших свойств ионитов является их селективность. Под селективностью ионитов понимают его различную способность фиксировать ионы в зависимости от их природы или, что то же самое, различное сродство ионов к иониту. Селективность ионитов зависит от многих факторов: от природы как ионов, так и ионитов, от заряда ионов, от кислотности раствора. В общем случае бóльшую способность к фиксации ионообменниками проявляют ионы, заряд и поляризуемость которых больше, а радиус гидратированного иона меньше.

На основании экспериментальных исследований были определены ряды селективности ионов, в которых каждый последующий член ряда обладает бóльшим сродством к ионообменнику, чем предыдущий.

Влияние заряда катиона на селективность катионита иллюстрируется следующим рядом:

K⁺< Ca²⁺ <Al³⁺ <Th⁴⁺

Это означает, что реакции, подобные следующей

практически полностью смещены вправо и катионы Ca²⁺, находящиеся в растворе, количественно вытесняют из катионита адсорбированные на нем ионы , становясь на место последних.

Для катионов, имеющих одинаковый заряд, ряды селективности имеют следующий вид (для случая сильнокислотного катионита):

Li⁺<H⁺<Na<NH₄⁺=K⁺<Rb⁺<Cs⁺<Tl⁺<Ag⁺

Ca²⁺<Be²⁺=Mn²⁺<Mg²⁺<Zn²⁺<Cu²⁺=Ni²⁺<Co²⁺<Ca²⁺<Sr²⁺<Pb²⁺<Ba²⁺

Аналогичные ряды построены и для анионов. В этом случае также действует правило, согласно которому многозарядные анионы сильнее присоединяются к иониту, чем малозарядные:

< < <.