3.3.6 Йонна адсорбція з розчинів на твердому адсорбенті

Адсорбція електролітів не вкладається в рамки вчення про молекулярну адсорбцію і вимагає спеціального розгляду, оскільки адсорбент може по-різному адсорбувати йони, на які дисоціює молекула електроліту в розчині. Мікроділянки поверхні адсорбенту, які мають певний заряд, адсорбують протилежно заряджені йони під дією сил електростатичного притягання, утворюючи згаданий раніше подвійний електричний шар (ПЕШ).

Радіус йонів сильно впливає на їхню здатність адсорбуватися. З йонів однакової валентності максимальну адсорбційну здатність проявляють йони з найбільшим радіусом. Причина цього явища, з одного боку, полягає в більшій здатності таких йонів поляризуватися, а отже здатності притягатися до зарядженої поверхні; з другого боку, в меншій гідратації йонів (оскільки чим більший радіус йону, тим менша, при одному і тому ж заряді, його гідратація).

Ряди йонів, складені в порядку зменшення їх здатності гідратуватися, називаються ліотропними рядами або рядами Гофмейстера.

Л іотропний ряд одновалентних катіонів має вигляд

Р яд двовалентних катіонів

Адсорбційна здатність йонів дуже залежить від їх валентності – вона пропорційна валентності:

.

Особливий інтерес являє адсорбція йонів поверхнею кристалу, до складу якого входять йони тієї ж природи. При цьому адсорбцію можна розглядати як добудову кристалічної гратки. Згідно з правилом Паннета-Фаянса, як уже вказувалось раніше, кристали добудовуються лише тими йонами або атомами, які входять до складу цих кристалів або є ізоморфними з ними.

3.3.6.1 Йонообмінна адсорбція

Якщо на поверхні адсорбента уже знаходяться адсорбовані йони електроліту, то при контакті цього адсорбента з іншим електролітом майже завжди тією чи іншою мірою спостерігається йонообмінна адсорбція тобто обмін йонів між подвійним електричним шаром адсорбента та йонами, що знаходяться в дисперсійному середовищі. При йонообмінній адсорбції адсорбент поглинає певну кількість певних йонів і одночасно виділяє в розчин еквівалентну кількість інших йонів цього ж знаку. Загальна назва таких адсорбентів йоніти або йонообмінники (якщо це синтетичні – то йонообмінні смоли). Йоніти, які обмінюються катіонами, називаються катіонітами (кислотні адсорбенти), аніонами – аніоніти (лужні адсорбенти). Є йоніти, які залежно від значення pH, можуть вести себе як катіоніти (при pH<7) чи аніоніти (при pH>7). Вони називаються амфолітами.

Властивості йонообмінної адсорбції:

1) специфічність;

2) еквівалентність;

3) не завжди зворотність процесу;

4) протікає повільніше, ніж молекулярна адсорбція;

5) при йонообмінному процесі може змінюватися pH середовища

адсорбент	H+ + Na+ + Cl–		адсорбент	Na+ + H+ + Cl–
адсорбент	OH– + Na+ + Cl–		адсорбент	Cl– + Na+ + OH–

Дослідження показали, що йони поверхневого шару здатні до обміну, до всіх реакцій йонів, які є в розчині, дифузії, електролізу, кристалізації тощо, але ці процеси протікають значно повільніше, ніж у справжніх розчинах.

Дослідженнями багатьох вчених було доведено, що йонний обмін підпорядковується закону діючих мас:

або

,

і рівнянню адсорбції Фрейндліха

,

де – рівноважна концентрація; і – константи.

Розглядаючи процес обмінної адсорбції з кінетичної сторони, Гапон вивів рівняння ізотерми адсорбції

,

де – число адсорбованих йонів; – граничне число йонів, які можуть бути адсорбовані даною поверхнею (ємність поглинання); – константа обмінної адсорбції; і – концентрації витісняючих і витіснених йонів (в момент рівноваги).

Кількісною характеристикою йонообмінної здатності є так звана обмінна ємність, тобто здатність йоніту зв’язувати певну кількість йонів. Вона вимірюється в ммоль/100 г йоніту.

Контрольні питання

1. Які явища спостерігаються, якщо помістити дисперсну систему в електричне поле? Поясніть, чому це відбувається.

2. Які електричні явища виникають при русі дисперсної фази і дисперсійного середовища?

3. Що таке подвійний електричний шар (ПЕШ)?

4. Які є способи утворення ПЕШ?

5. Як формулюється правило Кена і де воно застосовується?

6. Виведення першого рівняння Ліпмана.

7. Яке рівняння показує можливість визначення ПЕШ, якщо відома залежність від ?

8. Чи відбувається збільшення потенціалу на міжфазній межі? Відповідь обґрунтуйте.

9. Приведіть основні положення будови ПЕШ за Гельмгольцом-Перреном.

10. Теорія будови ПЕШ Гуї-Чепмена. Її недоліки.

11. Теорія будови ПЕШ Штерна.

12. Як теорія Штерна може пояснити причини зміни знаку дзета-потенціалу при введенні в систему багатовалентних йонів?

13. Наведіть і поясніть вирази для дзета-потенціалу у випадку електроосмосу і електрофорезу.

14. Поясніть вплив індиферентних та неіндиферентних електролітів на дзета-потенціал.

15. Хімічні гіпотези будови міцели.

16. Фізична гіпотеза будови міцели.

17. Опишіть внутрішню будову міцели.

18. Напишіть формулу міцели, утвореної взаємодією розчинів AgNO₃ з надлишком КІ.

19. Напишіть формулу міцели, утвореної взаємодією розчинів CaCl₂ з надлишком Na₂SO₄.

20. Напишіть формулу міцели, утвореної гідролізом FeCl₃.

21. Які особливості йонної адсорбції на твердому адсорбенті?