7. Характеристика і властивості іонітів: аніоніти, катіоніти

Пом'якшення і знесолення води здійснюють головним чином за допомогою іонітів.

Іоніти поділяють на два типи: катіоніти і аніоніти. Ці назви пояснюють тим, які протівоіони, в процесі дисоціації, виділяє іоніти найближчим водне оточення. Якщо зерно іоніти само заряджена негативно, а водне середовище виходять проти оіони у вигляді позитивно заряджених проти іонів, якими можуть бути іони водню (Н +) або іони металів (Меn +), то такий іоніти називають катіонітів, так як при дисоціації утворюються проти іони - катіони. Якщо зерно іоніти само заряджена позитивно, а водне середовище відокремлюються від нього проти іони у вигляді негативно заряджених проти іонів, якими зазвичай можуть бути іон гідроксилу (ОН-) або кислотні залишки (Аnn-), то такий іоніти називають аніонітів, так як при дисоціації утворюються проти іони - аніони.

Загальновідомі такі речовини як кислоти, підстави та їх солі. Водневі кислоти в загальному можна зображати так: НХ (Х - кислотний залишок), тобто у вигляді з'єднання іона водню з залишком (аніоном) будь-якої кислоти. Гідроксилвмісних підстави можна зобразити як Ме (ОН) n (Меn + - катіон будь-якого металу), тобто у вигляді з'єднання аніона гідроксилу з катіоном будь-якого металу. Солі, як відомо, є продуктом взаємної нейтралізації кислот і підстав і мають вигляд Мех.

Кислоти, підстави і солі є електроліти. За аналогією іоніти теж називають електролітами, точніше - поліелектролітів, підкреслюючи приставкою "Полі" численність іонів, що утворюються однією часткою іоніти при дисоціації у воді. Якщо умовно-нерозчинну частку іоніти позначити для катіоніту через R-, а для аніоніти через R +, то отримаємо чотири форми, в яких можуть існувати іоніти, а саме:

для катіонітів

R-Н + - Воднева форма катіоніту, аналогічна звичайної водневої кислоти,

R-Ме + - Сольова форма катіоніту, аналогічна структурі солі;

для аніонітів

R + ОН - - Гідроксильна форма аніоніти, аналогічна звичайному гідроксилвмісних основи,

R + Х - - Сольова форма аніоніти, аналогічна структурі солі.

Цими чотирма схематичними зображеннями структури іонітів підкреслюється їх спільність з структурою звичайних кислот, основ і солей. Однак на цьому тлі слід підкреслити нерозчинність іонітів у воді і більшої частини наведених розчинників, тобто таке їх поведінка в кислотної, основний або сольовий формах, при якому реакції їх взаємодії з іншими розчинними речовинами можна обмежувати і завершувати в обсязі апарата без розповсюдження самих реагентів чи продуктів реакції по всьому об'єму розчину (води), як це відбувається з низькомолекулярними, мономірні кислотами, основами та їх солями.

Синтетичні іоніти зазвичай складаються з матриці, тобто зерна, виготовленого з сополимера або шляхом поліконденсації мономірних органічних молекул. У цю матрицю (зерно) шляхом хімічної взаємодії введені йоногенних групи кислотної або основної функції, тому такі групи часто називають функціональними групами. Якщо введені в матрицю функціональні або йоногенних групи мають структуру кислотних залишків (-СООН;-SО3Н;-РО4Н2 і тощо), то такий іоніти називають катіонітів, тому що він здатний до обміну катіонами-іонами водню або позитивно зарядженими іонами металів. Якщо введені в матрицю йоногенних групи мають структуру і функцію підстав (aN; = NH;-NH2;-NR3 + і т.п.), то такий іоніти називають аніонітів, тому що він здатний до обміну аніонами-іонами гідроксилу або негативно зарядженими кислотними залишками. Коли в іоніти введені однакові функціональні групи, такі іоніти називають монофункціональних, а у випадках, коли вводяться групи різної структури, іоніти називають поліфункціональними. Якщо ж в одні і ті ж зерна іонітів введені кислотні та основні йоногенних групи, такі іоніти слід називати змішаними.

Зерна органічних молекул або продуктів конденсації нерозчинні у воді тому, що полімерні ланцюги макромолекул не тільки володіють великою молекулярною масою, але ще поперечно пов'язані між собою, як би утворюючи просторову сітку потенційно пористого речовини. У іонітів зазвичай немає часу у вигляді стабільних отворів та проходів певних мікросеченій, як, наприклад у активованих вугіль, у зерен іонітів також немає стабільних геометричних розмірів. Вони здатні набухати у воді і дещо менше в інших органічних розчинниках. Таку здатність до набухання іонітів надають гідрофільні йоногенних групи, здатні до гідратації, тобто до притягнення свого безпосереднє оточення молекул води (розчинника). Однак безмежного набухання, що межує з розчиненням, перешкоджають поперечні зв'язку. Ступінь поперечної пов'язаності задається при синтезі іонітів. Це дозволяє при меншій поперечної пов'язаності готувати іоніти, просторово доступні навіть для органічних іонів великих розмірів, і збільшення поперечної пов'язаності призводить до стримування набухання і до проникності лише іонів невеликих розмірів. Чим більший відсоток поперечної зв'язки має іоніти, тим менше він набухає, але тим більше зростає його механічна міцність.

Для більшої частини іонітів характерне зростання обсягу при набуханні в 1,5 - 3,5 рази -- це значний розбіг розмірів, і він повинен враховуватися при завантаженнях іонітів в іонообмінні фільтри. При одній і тій же поперечної "сшітості" і концентрації гідрофільних йоногенних груп в обсязі зерна іоніти величина набухаемості залежить від того, якими протівоіонамі заряджений іоніти. Зазвичай однозарядного іони, особливо водню і гідроксилу, приводять до найбільшого набухання; багатозарядні протівоіони призводять до деякого стиснення та зменшення обсягу зерен.