11.3 Ионный обмен

Процесс обмена ионов, находящихся в твердой фазе с ионами раствора, называется ионным обменом. Твердое ве­щество при этом не растворяется в растворе. Это либо природные вещества, например, цеолиты и сложные алюмосиликаты щелочных или щелочно-земельных металлов М общей формулы М_ХО •, либо синтетические вещества. Синтетические вещества — это полимерные материалы, содержащие функциональные группы, например SO₃H, NH₃OH, при диссоциации которых в раствор посту­пают ионы одного знака, а на твердом веществе остаются заряды другого знака. Ионы, перешедшие в раствор, притягиваются к по­верхности твердого тела электростатическими силами его заряжен­ных частиц. Эти ионы могут замещаться другими ионами того же знака заряда. Вещества, которые способны обменивать свои ионы на катионы раствора, называются катионообменниками (катионитами), а на анионы раствора -анионообменниками (анионитами).

Равновесие катионного обмена можно записать в виде

,

где И — ионит;

р-р — раствор.

В данном случае катионит находился в форме Н-катионита, а по­сле обмена превратился в Na-катионит, в раствор перешел ион водо­рода. Ионный обмен происходит в соответствии с законом эквива­лентов, т. е. моль эквивалентов одних ионов обменивается с молем эквивалентов других ионов. При введении в раствор кислоты равно­весие ионного обмена сместится влево и произойдет регенерация катионита, который снова перейдет в Н-форму.

Равновесие анионного обмена можно представить следующим уравнением:

,

В данном случае анионит в ОН-форме в результате ионного обме­на переходит в хлоридную форму, а в раствор поступают гидроксид-ионы. При введении в воду щелочи равновесие смещается влево, и анионит регенерируется, превращаясь снова в ОН-форму.

Ионный обмен широко используется для удаления из природных и сточных вод тех или иных ионов или солей.

Итак, в растворах электролитов устанавливается равновесие, ко­торое может смещаться в сторону образования малорастворимых твердых или газообразных веществ, слабых электролитов, в том чис­ле комплексов, а также ионов, закрепленных на ионитах.

11.4 Буферные растворы

Буферные растворы – это растворы, рН (концентрация ионов водорода) которых сохраняется практически постоянной при разбавлении или при добавлении небольших количеств серной кислоты или сильного основания.

Буферным действием обладают:

1. Система слабая кислота – её соль с сильным основанием, а также сочетание кислой и средней солей слабых кислот или двух кислых солей. Примеры:

   Система	Область буферного действия
   СН3СООН/СН3СООNa	pH: 3,8-5,8
   H2CO3/NaHCO3	pH: 5,4-7,4
   NaHCO3/Na2CO3	pH: 9,3-11,3
   NaH2PO4/Na2HPO4	pH: 6,2-8,2

2. Система слабое основание – его соль с сильной кислотой:

   NH3H2O/NH4Cl

   pH: 8,2-10,2

3. Ионы и молекулы амфолитов – аминокислотные и белковые системы.

Буферная емкость почв:

В почвах катионы водорода, приносимые дождевой водой или образующиеся в результате жизнедеятельности, вытисняют из твердой фазы Са²⁺. В результате почва приобретает определенную буферную емкость – при добавлении щелочных веществ ионы Н⁺, связанные с твердой фазой почвы, переходят в почвенный раствор, компенсируя потери этим раствором ионов Н⁺ при нейтрализации щелочами. Из кислых глинистых материалов наибольшей буферной емкостью обладают минералы, монтриллонит Na_0,7(Al_3,3Mg_0,7)(Si₈O₂₀)nH₂O.

Буферная емкость океана:

Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому, что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:

H₂CO₃ H⁺+HCO ,

При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:

CO₂+Н₂О H₂CO_{3 ,}

При повышении кислотности происходит дополнительное растворение карбонатных пород (раковины, меловые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:

H₂+CO HCO ,

СаCO₃ Са²⁺+CO .

Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует “парниковому эффекту” – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли.

Буферная емкость измеряется количеством кислоты или щелочи (моль или моль эквивалентов), добавление которого к 1л буферного раствора изменяет рН на единицу.

Механизм буферного действия хорошо описан в рекомендованной литературе [1], поэтому приведем только готовые формулы для расчета рН:

Для кислотного буфера рН=рK_кисл + l g[соль]/[кислота], (11.13)

Для основного буфера рН=14-рK_осн - lg[соль]/[основание], (11.14)

где pK_кисл и рK_осн – соответственно отрицательные десятичные логарифмы констант диссоциации слабой кислоты и слабого основания.

Кислотно – основными индикаторами называют вещества, меняющие свою окраску в определенной области рН раствора: лакмус (рН = 6-8), фенолфтаилин (рН = 8,2-10), метиловый оранжевый (рН = 4,2-6,3).