«Ионный обмен»

обмен ионов в растворах электролитов (гомогенный И. о.). При смешении разбавленных растворов электролитов, например NaCl и KNO₃ в смеси присутствуют ионы Na⁺, К⁺, NO₃^— и Cl^—. Равновесное состояние выразится в этом случае уравнением:

При выпаривании равновесного раствора прежде всего начинается кристаллизация соли (комбинации ионов), обладающей меньшей растворимостью. Избирательность кристаллизации может быть вызвана также добавлением органических растворителей (спирт, ацетон, диоксан и т. п.).

При гетерогенном И. о. (ионообменная сорбция) обмен происходит между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твёрдой фазы — ионита. При соприкосновении ионита, насыщенного одним ионом, например Н⁺, с раствором, содержащим другие ионы, например Na⁺ и Ca²⁺, происходит обмен ионов между раствором и ионитом: в растворе уменьшаются концентрации Na⁺ и Ca²⁺ и появляется эквивалентное количество ионов Н⁺.

Гетерогенный И. о. имеет место при сорбции из растворов электролитов на некоторых минералах (алюмосиликатах, гидратах окисей металлов, цеолитах (См. Цеолиты)), в клетках и мембранах живых организмов и в синтетических ионообменных сорбентах. Гетерогенный И. о. широко применяется для обессоливания воды, идущей для питания котлов паром высоких параметров, в гидрометаллургии, в химической и фармацевтической промышленности (см. Иониты).

К. В. Чмутов.

ИОННЫЙ обмен - обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита либо между различными электролитами, находящимися в растворе. Ионный обмен применяют для обессоливания воды, в гидрометаллургии, в хроматографии.

Ion exchange — Ионный обмен.

Обратимый обмен ионов между жидкостью и твердым телом без заметных структурных изменений в твердом теле.

спец. ion exchange

обратимый процесс стехиометрич. обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Обычно одна из фаз р-р электролита, другая - ионит. Диссоциация ионогенной группы ионита дает ионную пару, "фиксированный ион" к-рой ковалентно связан с каркасом (матрицей) ионита, а "противоион" подвижен и может обмениваться на ионы одноименного заряда, поступающие из "внешнего" р-ра. Благодаря эквивалентности обмена ионами обе фазы сохраняют электронейтральность в течение всего процесса. Принято рассматривать И. о. как гетерог. хим. р-цию обмена и количественно характеризовать ее одной из трех констант равновесия К: концентрационной (не учитывает коэф. активности компонентов); кажущейся (учитывает коэф. активности только в р-ре); термодинамической (учитывает коэф. активности в р-ре и фазе ионита). Копределяют из ур-ния Никольского:

K =(c₁/a₁)^1/z1(a₂/c₂)^1/z2

где c₁ и с ₂ -концентрации или активности противоионов 1 и ионов 2 в равновесном р-ре, a₁ и а ₂ - концентрации или активности ионов 1 и 2 в равновесной фазе ионита, z₁ и z₂ - зарядовые числа ионов. Изменение термодинамич. потенциала Гиббса в ходе И. о. подчиняется ур-нию: DG= Ч RTlnK. В процессе И. о. меняется также объем сорбента Q, совершается работа Аизотермич. расширения (сжатия), причем A =pDQ, где p - осмотич. давление в фазе сорбента; поэтому суммарное значение DG = -RTlnK- pDQ. Однако в подавляющем большинстве случаев вторым членом ур-ния можно пренебречь. В простейшем случае И. о. система содержит два типа обменивающихся ионов и, следовательно, характеризуется четырьмя равновесными концентрациями (для каждого иона в р-ре и в ионите). Все задачи решаются на основе системы четырех ур-ний: баланса, изотермы И. о., эквивалентности обмена и электронейтральности. Задачу нахождения Кможно свести к эксперим. определению равновесной концентрации содного компонента в р-ре. В случае обмена однозарядных ионов справедливо ур-ние а = Ка₀ с/[с ₀ +( К Ч1)с], где а- равновесная концентрация иона в фазе ионита, а ₀ -> обменная емкость ионита, с ₀ - концентрация исходного р-ра. Это ур-ние иллюстрирует связь вида изотермы со значением К(рис. 1).

Рис. 1. Изотермы ионного обмена для систем с разл. значениями констант равновесия ( А ₀ -> исходное кол-во в-ва, m - масса р-ра, v - объем р-ра).

При расчетах обмена смесей ионов на практике исходят из предположения, что значения Кдля каждого из компонентов в индивидуальных р-рах и в смеси тождественны. Это положение хорошо выполняется при сорбции микрокомпонентов на фоне макрокомпонента и в случае разб. (до 0,1 н.) р-ров любого состава. Сорбируемость ионов возрастает с увеличением заряда иона, у ионов с равными зарядами - с уменьшением степени их гидратации. При расчетах равновесий И. о. необходимо учитывать степень ионизации функциональных групп ионитов и степень диссоциации к-т и оснований в р-рах. Во многих реальных ионообменных системах И. о. сопровождается побочными явлениями, в первую очередь комплексообразованием, переносом р-рителя (воды), неэквивалентным обменом, окислит.-восстановит. р-циями. Значения Кдля сорбции на комплексообразующих сорбентах больше, чем Кобычного И. о. При И. о. многих орг. ионов помимо их удерживания ионогенными функц. группами сорбентов имеет место и дополнит. взаимод. этих ионов с матрицей сорбента (межмол. дисперсионные силы, водородная связь). Вследствие этого Кдля орг. соед. часто на 1-2 порядка выше, чем для неорганических. Поглощение воды ионитами сопровождается увеличением объема зерен и слоя сорбента и зависит от суммарного солесодержания р-ра и степени сшивки ионита. При расчетах, учитывающих поглощение воды (р-рителя), вода рассматривается как равноценный компонент ионообменной системы, а константа равновесия И. о. W находится из ур-ния:

где К- термодинамич. константа равновесия И. о., число молей воды, приходящееся на 1 эквивалент емкости ионита, - эквивалентная доля i-гo компонента в сорбенте. Неэквивалентный И. о. обусловлен проникновением необменивающихся катионов и анионов электролита в фазу ионита, а также взаимод. не полностью диссоциированной многоосновной к-ты с функц. группами анионита или многозарядных оснований с катионитом. Окислит.-восстановит. р-ции для собственно ионообменных сорбентов обычно обусловлены низкомол. примесями в них, удаляемыми предварит. обработкой сорбентов к-тами, щелочами, окислителями.