Адсорбция электролитов. Ионный обмен.

Растворы электролитов содержат разноименно заряженные ионы. Адсорбция ионов сопровождается перераспределением зарядов вблизи поверхности. Если, например, адсорбируются катионы, то поверхность заряжается положительно, а вблизи поверхности создается избыточный отрицательный заряд. Таким образом возникает двойной электрический слой у поверхности адсорбента.

Условие адсорбционного равновесия выражается в этом случае равенством не химических, а электрохимических потенциалом.

 _{ =} _ + z_F

 _⁽¹⁾ = _⁽²⁾

П ри установлении адсорбционного равновесия происходит переход ионов вида из фазы с большим потенциалом, в фазу с меньшим потенциалом. Межфазный скачок потенциала

 = ⁽¹⁾ + ⁽²⁾

возникая при этом, препятствует дальнейшему переходу ионов. Состоянию равновесия отвечает равновесный скачок .

_ = _ ^(т) - _ ^(ж)

 = ^(т) - ^(ж)

Таким образом в состоянии равновесия фазы заряжаются разноименно и возникает двойной электрический слой. Это явление общее для металлов, полупроводников и диэлектриков. Адсорбция ионов является потенциалопределяющими. Ионы внешней обкладки – противоионы.

Адсорбироваться на поверхности кристалла могут лишь ионы, входящие в состав кристаллической решетки и изоморфные с ними. При этом адсорбция приводит к достраиванию кристаллической решетки адсорбирующимися ионами.

Адсорбционная способность ионов возрастает пропорционально их заряду и радиусу. AI³⁺ > Ba²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > NH₄⁺ > Na⁺ > Li⁺ (Лиотропный ряд).

Если на поверхности адсорбента уже адсорбирован какой – либо ион, то при контакте адсорбента с элементом возможен эквивалентный обмен между ионами из раствора и адсорбентами ранее.

Ионный обмен количественно характеризуется уравнением Никольского:

Ионообменная реакция

Z₂M₁ + Z₁M₂  Z₁M₂ + Z₂M₁

где Z₁ и Z₂ - заряды обменивающихся ионов M₁ и M₂

Константа равновесия этой реакции называется константой ионного обмена:

Ka =

а и а – активности ионов в ионите и в растворе.

Коэффициент ионного обмена записывают через концентрации:

К =

Возведем левую и правую часть уравнения (1) в степень 1/z₁z₂

К¹ = уравнение Никольского

Для данного ионита константа обмена характеризует свойства обменивающихся ионов и их относительное сродство к иониту, т. е. селективность ионита к тому или иному иону.

В обмене могут участвовать ионы в глубине сорбента. При этом скорость обмена чаще всего лимитируется диффузией ионов в сорбенте (ионите). Если среди обменных ионов есть ионы Н+ или ОН-, то обменная адсорбция сопровождается изменением рН среды. Общее количество поглощенных ионов зависит от поглощающей способности адсорбента (ионита), которая определяется числом моль - эквивалентно, поглощенных 1 килограмм - моль ионита.

Классификация и методы получения ионитов. Иониты По происхождению По составу По знаку заряда обменивающихся ионов

Природные Синтетические Неорганические Органические Кат-ты Аниониты Амфолиты

Природные неорганические – кристаллические силикаты типа неолитов. Если в порах сетчатой структуры располагаются ионы щелочных металлов, способных обмениваться с катионами раствора, то это катионы (шабазит, глауконит). Некоторые минералы (апатит) – аниониты.

Природные органические иониты это, например, гумусовые вещества (карбоксильная группа участвует в ионном обмене). Типичным амфотерным природным ионитом является почва (может быть обмен катионами или анионами).

Синтетические иониты. К ним относятся гелеобразные пермутиты (алюмосиликаты), применявшиеся для умягчения воды; гели гидроксидов AI и Fe (аниониты). Это неорганические синтетические иониты. Они разрушаются кислотами и щелочами. Синтетические иониты органической природы получают из каменного угля, дерева, торфа, обрабатывая их кислотами. Широкое распространение получили синтетические иониты на основе органических смол. Они обладают большой емкостью обмена и химической стойкостью. Ионообменные смолы получают двумя методами; поликонденсацией и полимеризацией.

Синтез включает три стадии: 1) получение линейных полимеров;

2) образование сетчатой структуры с помощью мостикообразователей;

3) введение активных ионогенных групп.

Готовые ионообменные смолы обычно состоят из отдельных гранул.