5.2. Ионный обмен

Иониты - вещества трехмерной структуры, практически нерастворимые в воде и органических растворителях и обратимо обменивающие входящие в их состав ионы на эквивалентное количество других ионов того же знака в растворе. Различают иониты неорганические и органические, искусственные и естественные. Каркас неорганического ионита - кристаллическая решетка минерала типа цеолита или вещества аморфного характера с мельчайшими порами (алюмосиликаты). В их структуре жестко закреплены группы атомов с нескомпенсированным зарядом - фиксированные ионы. Этот заряд нейтрализуется противоионами, которые способны переходить в раствор и заменяться на другие ионы того же знака. Ионообменными свойствами обладают различные формы кремнеземов - диоксидов кремния (аэросил, силохром, силикагель, пористые стекла).

Бывают органические иониты природного происхождения - например, целлюлоза.

Наиболее широко в технике применяются синтетических ионнообменные смолы. Их каркас - высокомолекулярное соединение, содержащее закрепленное на ней с помощью химических связей ионогенные группы, заряд которых нейтрализуется подвижнымми ионами. В качестве полимеров, служащих основой (матрицей) для ионитов, применяют, например, сополимеры стирола с дивинилбензолом. Матрица имеет большое число функциональных групп, которые вводятся в мономер при полимеризации либо прививаются к полимеру после полимеризации. Функциональные группы способны диссоциировать в растворе, при этом ионы одного знака переходят в раствор, а другого остаются на матрице. В зависимости от того, какие ионы переходят в раствор, различают катиониты и аниониты.

Амфолиты содержат одновременно кислотные и основные группы. 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^-

Ионный обмен обратимый и может характеризоваться константой равновесия; для реакции обмена ионов А на В:

ИОНИТ-А +В+=ИОНИТ-В +А+,

при достижении которого 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. Поэтому константа ионного обмена 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.

Таким образом, способность ионита к разделению смеси ионов определяется различием в коэффициентах селективности разных ионов и коэффициентами разделения ионов.

Сорбционная способность ионитов оценивается в единицах емкости: 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.