Тема 5. Ионообменные смолы

Пример 1. Расположите катионы солей CaCl₂, Na₂SO₄, KCl, FeCl₃, LiNO₃ в ряд по увеличению способности поглощаться их Н⁺–формой катионита из водных растворов. Как изменится этот ряд, если растворители будут слабо полярными ?

Решение. Адсорбционная способность ионов зависит от величины заряда и радиуса. Чем больше заряд иона, тем сильнее он проявляет способность к ионному обмену. Для ионов одинакового заряда максимальную ионообменную способность проявляют те ионы, радиус которых в гидратированном состоянии меньше. Поэтому способность поглощаться катионитами из водных растворов возрастает в ряду ионов:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Ca²⁺ < Fe³⁺

В слабо полярных растворителях надо учитывать радиус несольватированных ионов, поэтому способность ионов поглощаться катионитами возрастает в следующем ряду:

K⁺ < Na⁺ < Li⁺ < Ca²⁺ < Fe³⁺

Пример 2. На титрование 0,50 г воздушно-сухого сильнокислотного катионита с сульфатными группами – SO₃H пошло 25,5 мл 0,100 М раствора гидроксида натрия. Вычислите обменную емкость катионита, если массовая доля воды в образце составляет 8%.

Решение. Дано Решение

m = 0,50 г V(NaOH)= 25,5 мл C(NаOH) = 0,100 М (H2O) = 8 %	Обменную емкость ионитов (ОЕ) характеризуют количеством эквивалентов (ммоль) активных групп (или противоинов), содержащихся в 1 г сухого ионита и способных обмениваться в растворе на эквивалентное количество ионов того же знака.
ОЕ – ?

1. Реакция ионного обмена протекает по уравнению:

R–SO₃H + NaOH R – SO₃Na + H₂O

Из этого уравнения видно, что обмен происходит между Н⁺ и Na⁺ в эквивалентных количествах. Следовательно, количество NaOH равно количеству ионов Н⁺, содержащихся в сухом катионите.

2. Находим массу сухого катионита:

m(сухого катионита) = m(катионита) (катионита) = 0,50,92 = 0,46 (г)

3. Рассчитаем ОЕ катионита, исходя из ее определения:

ОЕ = = = =5,54 (ммоль/г)

Пример 3. Через колонку с катионитом в Н⁺ – форме пропустили 20.00 мл раствора KCl. Элюат оттитровали 15.00 мл 0.1 М раствора NaOH. Определить содержание KCl в анализируемом растворе.

Решение. При пропускании через катионит в Н⁺ – форме раствора KCl в результате ионообменной реакции в элюате появляется соляная кислота, количество которой эквивалентно количеству соли, т.е. . При титровании кислоты раствором щелочи справедливо равенство:   или . Тогда, содержание KCl в анализируемом растворе рассчитывают следующим образом:

Пример 4. Какая масса Со²⁺ останется в растворе, если через колонку, заполненную 5 г катионита в Н⁺ – форме, пропустили 200.0 мл 0.1 н раствора CoCl₂. Полная динамическая емкость катионита равна 1.60 мэкв/г.

Решение. 1. Рассчитаем количество миллимоль эквивалентов Со²⁺ – ионов, пропущенных через колонку с катионитом:

2. Количество миллимоль эквивалентов Со²⁺ – ионов, поглощенных 5 г катионита вычисляем из формулы:

3. Количество миллимоль эквивалентов Со²⁺ – ионов, оставшихся в растворе, равно:

4. Масса Со²⁺ – ионов, оставшихся в растворе, составляет:

Задачи

В колонку, заполненную сильнокислотным катионитом КУ-2,8 введен раствор, содержащий катионы (см. табл.). В какой последовательности выйдут эти катионы из колонки при вымывании их 0,5 М HCl? Дать пояснения.

Вариант	Катионы
1	Fe3+	Ca2+	Li+	К+
2	Ni2+	Mg2+	Rb+	Na+
3	Al3+	Be2+	In3+	Mo2+
4	Fe3+	Ca2+	Li+	К+
5	V2+	K+	Pb2+	Be2+
6	Zr2+	Mn2+	Na+	Cr3+
7	Eu3+	Nb3+	Nd3+	Mg2+
8	Sr2+	Ti2+	Bi3+	Li+
9	La3+	W2+	Ba2+	Tb3+
10	Co2+	Cr3+	Ni2+	Mn2+
11	Y3+	Sn2+	Cu2+	In3+

В какой последовательности при вымывании раствором щелочи из колонки, заполненной анионитом, выйдут растворы солей (см. табл.).

Вариант	Соли
12	NaCl	NaBr	NаI	Na2SO4
13	К2СrO4	Na3AsO4	K2S	KCl
14	NiSO4	Na2CO3	NaNO3	KBr
15	Na2C2O4	KI	K2SO4	NaNO2
16	K3AsO4	KNO2	NH4Cr2O7	NiSO4
17	Na2CO3	KCl	K2S	(NH4)2 C2O4
18	K2CrO4	NaNO2	ZnSO4	K3AsO4
19	KNO2	NаI	Na2CO3	NaNO3
20	NaNO3	K2S	NaBr	NiSO4
21	K3AsO4	NH4Cr2O7	K3AsO4	KCl
22	Na2CO3	(NH4)2 C2O4	K2CrO4	NаI
23	Na2C2O4	ZnSO4	NaNO3	NH4Cr2O7
24	K2S	Na2CO3	K3AsO4	KCl
25	NаI	(NH4)2 C2O4	K2CrO4	Na2CO3

1. На титрование 0,4 г анионита, содержащего группы –ОН, пошло 20,8 мл 0,01н раствора соляной кислоты. Рассчитать обменную емкость анионита в ммоль/г.

2. Определите обменную ёмкость катионита КУ-2, если 1,125 г его залито 50,0 мл 0,100моль/л CaCl₂. На титрование фильтрата израсходовано 6,50 мл 0,0970 моль/л NaOH. Влажность ионита 0,12%.

3. Через колонку с катионитом в Н⁺ – форме пропустили 20,00 мл раствора KCl. Элюат оттитровали 15,00 мл 0,1 М раствора NaOH. Определить содержание KCl в анализируемом растворе.

4. Какая масса Со²⁺ останется в растворе, если через колонку, заполненную 5 г катионита в Н⁺ – форме, пропустили 200,0 мл 0,1 н раствора CoCl₂. Полная динамическая емкость катионита равна 1,60 мэкв/г.

5. Навеску 2.0000 г образца, содержащего NaNO₃, растворили в 100.0 мл воды. 10.00 мл этого раствора пропустили через колонку с катионитом в Н⁺ – форме, а элюат оттитровали 15.00 мл раствора NaOH с концентрацией 4  10^–3 г/мл. Рассчитать массовую долю NaNO₃ в образце.

6. Навеску 2.0000 г образца, содержащего ZnSO₄ и различные органические вещества, растворили в 100.0 мл воды. 10.00 мл этого раствора пропустили через колонку с катионитом в Н⁺ – форме, а элюат оттитровали 15.00 мл раствора NaOH с концентрацией 4.44 мг/мл. Рассчитать массовую долю Zn в образце.

7. Навеску 1.5000 г образца, содержащего MgCl₂, растворили в 200.0 мл воды. 20.00 мл этого раствора пропустили через колонку, заполненную катионитом в Н⁺ – форме, а элюат оттитровали 12.50 мл КOH с концентрацией 5.6 мг/мл. Рассчитать массовую долю Mg в образце.

8. Определить массовую долю азота в азотном удобрении, если навеска 1.1200 г удобрения растворена в мерной колбе емкостью 250.0 мл, и раствор пропущен через колонку с катионитом в Н⁺ – форме. На титрование 10.00 мл кислоты в элюате израсходовано 12.00 мл раствора NaOH с концентрацией 3.8 г/л.

9. Какой объем 0.07 н раствора MgCl₂ нужно пропустить через 100 мл набухшего слоя катионита КУ-2 в Н⁺ – форме, динамическая обменная емкость которого равна 1200 мэкв/л для полного поглощения Mg²⁺ – ионов?

10. Определить содержание соли в растворе CaCl₂, если 100.0 мл его пропущено через катионит в Н⁺ – форме и элюат оттитрован 10.00 мл раствора КОН с концентрацией 1.12 мг/мл.

11. Определить массовую долю фосфора в удобрении, если навеска 6.2500 г удобрения растворена в произвольном объеме воды и раствор пропущен через катионит в Н⁺ – форме. На титрование полученного элюата израсходовано 4.10 мл раствора NaOH с концентрацией, равной 1.74 г/л.

12. Навеску 2.0000 г образца, содержащего Na₂SO₄ и различные органические примеси, растворили в 100.0 мл воды. 10.00 мл этого раствора пропустили через колонку, заполненную катионитом в Н⁺ – форме, а элюат оттитровали 15.00 мл NaОН с концентрацией 4 г/л. Рассчитать массовую долю Na₂SO₄ в образце.

13. 1.0000 г образца, содержащего KCl и различные органические вещества, растворили в 50.0 мл воды. 5.00 мл этого раствора пропустили через катионит в Н⁺ – форме. Элюат оттитровали 15.00 мл раствора КOH с концентрацией, равной 0.56 г/л. Определить массовую долю KCl в образце.

14. Сколько граммов анионита АВ-17 в Cl^– – форме потребуется для выделения NO₃^– – ионов из 500.0 мл раствора NaNO₃ с титром 0.008500 г/мл, если статическая обменная емкость анионита составляет 5 мэкв/г?

15. 20.00 мл раствора NH₄Cl из мерной колбы емкостью 200.0 мл пропустили через колонку с катионитом КУ-2 в Н⁺ – форме. Элюат оттитровали 10.00 мл раствора NaОН с титром по соляной кислоте, равным 0.003650 г/мл. Определить содержание соли в анализируемом растворе.

16. Какой объем 0.5 М раствора NaNO₃ нужно пропустить через 100 мл набухшего слоя катионита КУ-2 в Н⁺ – форме, динамическая обменная емкость которого равна 1.2 мэкв/мл для полного поглощения Na⁺ – ионов?

17. Сколько граммов цинка останется в растворе, если через колонку с 3 г катионита пропустили 250.0 мл раствора Zn(NO₃)₂ с титром, равным 0.009470 г/мл? Полная динамическая обменная емкость катионита составляет 5 мэкв/г.

18. Навеску 2.0000 г образца, содержащего NaNO₃, растворили в 100.0 мл воды. 10.00 мл этого раствора пропустили через колонку с катионитом в Н⁺ – форме, а элюат оттитровали 15.00 мл раствора NaOH с концентрацией 4  10^–3 г/мл. Рассчитать массовую долю NaNO₃ в образце.

19. Навеску 1.5000 г образца, содержащего MgCl₂, растворили в 200.0 мл воды. 20.00 мл этого раствора пропустили через колонку, заполненную катионитом в Н⁺ – форме, а элюат оттитровали 12.50 мл КOH с концентрацией 5.6 мг/мл. Рассчитать массовую долю Mg в образце.

20. Сколько граммов анионита АВ-17 в Cl^– – форме потребуется для выделения NO₃^– – ионов из 250.0 мл раствора NaNO₃ с титром 0.008100 г/мл, если статическая обменная емкость анионита составляет 5 мэкв/г?

21. Определить содержание соли в растворе CaCl₂, если 50.0 мл его пропущено через катионит в Н⁺ – форме и элюат оттитрован 10.00 мл раствора КОН с концентрацией 1.00 мг/мл.

22. Навеску 1.0000 г образца, содержащего MnSO₄ и различные органические вещества, растворили в 100.0 мл воды. 10.00 мл этого раствора пропустили через колонку с катионитом в Н⁺ – форме, а элюат оттитровали 15.00 мл раствора NaOH с концентрацией 4.44 мг/мл. Рассчитать массовую долю Mn в образце.

23. Какой объем 0.5 М раствора КNO₃ нужно пропустить через 100 мл набухшего слоя катионита КУ-2 в Н⁺ – форме, динамическая обменная емкость которого равна 1.2 мэкв/мл для полного поглощения К⁺ – ионов?

24. Определить массовую долю фосфора в удобрении, если навеска 4.000 г удобрения растворена в произвольном объеме воды и раствор пропущен через катионит в Н⁺ – форме. На титрование полученного элюата израсходовано 2.10 мл раствора NaOH с концентрацией, равной 2.05 г/л.

25. Через колонку с катионитом в Н⁺ – форме пропустили 10,00 мл раствора KCl. Элюат оттитровали 11,00 мл 0,1 М раствора NaOH. Определить содержание KCl в анализируемом растворе.

1