3.3.3. Ионообменная адсорбция и хроматография

Ионообменная адсорбция происходит за счет кулоновских взаимодействий растворенных в воде ионов с полимерными сетками, содержащими ионогенные группы. Такие адсорбенты называются ионообменниками (ионитами).

Синтезируют такие адсорбенты, как правило, методом радикальной сополимеризации (по реакциям Ad_R, знакомым Вам из курса органической химии). Так, если в определенных условиях провести радикальную сополимеризацию стирола, дивинилбензола и стиролсульфокислоты, то получатся гранулы катионообменника (катионита), на сетке которого будут «пришиты» группы –SO₃^-H⁺. При этом ионы H⁺ будут способны обмениваться на катионы металлов.

Если вместо стиролсульфокислоты взять диметиламиноэтилметакрилат, то в результате сополимеризации получатся гранулы анионообменника (анионита), на сетке которого “пришиты” группы –N⁺R₃(OH)^- (-R – две метильных группы –СH₃ и этильная –С₂H₅). Такие группы способны адсорбировать растворенные в воде анионы солей, обменивая их на гидроксил-ионы ОH^-.

Cхема ионного обмена на ионитах выражается реакциями:

Катионный обмен: │-SO₃H + Na⁺ ↔ │-SO₃Na + H⁺

Анионный обмен: │–N⁺R₃(OH)^- + Сl^- ↔ │–N⁺R₃Cl^- + OH^- (3.6)

Закономерности ионообменной адсорбции лежат в основе процесса очистки воды от растворенных солей. При очистке вода сначала пропускается через колонку с катионитом (на выходе - смесь кислот, т.е. рН<7), а затем этот раствор проходит через колонку с анионитом (на выходе – деионизованная вода, рН=7). При обратной последовательности прохождения колонок после колонки с анионитом на выходе в растворе – смесь оснований (рН>7). Та или иная последовательность выбирается в зависимости от состава очищаемой воды, чтобы не образовывались нерастворимые соединения, засоряющие колонки.

Каждая колонка характеризуется обменной емкостью (s, моль-экв/г ионита). В процессе работы колонка насыщается ионами и вблизи насыщения (s) теряет способность замещать катионы или анионы в растворе на ионы H⁺ или OH^-. В этом случае проводят регенерацию колонок, пропуская через колонку с катионитом раствор HCl, а через колонку с анионитом – раствор NaOH (схемы процессов регенерации приводятся в курсе лекций).

Процессы ионообменной адсорбции протекают и в природе. Все глины – природные катионообменники (отрицательные заряды на четырехкоординированных атомах Al). Кислотные дожди переводят глинистые частицы в Н-форму, при таянии снега, загрязненного антигололедными препаратами (NaCl), глинистые частицы переходят в Na-форму, а талые воды становятся кислыми.

Ионообменная адсорбция лежит в основе ионообменной хроматографии - качественного и количественного метода анализа ионного состава растворов (подробнее об этом можете узнать из курса лекций).

3.4. Примеры решения задач и задачи для самостоятельной работы Примеры решения задач

Пример 1. Какова площадь поперечного сечения молекулы стеариновой кислоты С₁₇Н₃₅СООН, если 0,0001 г ее образует на поверхности воды мономолекулярный слой площадью 470 см² ? Рассчитайте гиббсовскую адсорбцию молекул этого ПАВ на поверхности воды (Г, моль/м²).

Решение.

Определяем молекулярную массу стеариновой кислоты М = 284 г/моль и число молекул, содержащихся в 0,0001 г стеариновой кислоты: N = 6,02 ×10²³ × 10^-4 / 284 = 2.12×10¹⁷.

Рассчитываем площадь, занимаемую одной молекулой стеариновой кислоты на поверхности воды: ώ = 470 см² / 2,12×10¹⁷ = 222 × 10^-17 см² = 22,2 × 10^-20 м² = 22,2 (1= 10^-10 м).

Рассчитываем Г = m(г) / М(г/моль) × Ω (м²) = 10^-4 / 284×0.047 = 7.49×10^-6 моль/м².

Пример 2. Вычислите удельную площадь поверхности катализатора, 1 г которого адсорбирует 95 мл азота N₂ (при нормальных условиях) до образования мономолекулярного слоя. Площадь поперечного сечения адсорбированной молекулы N₂ равна 16,2.

Решение.

Удельная площадь поверхности равна

_УД = × ω × N_А = м²/ г.

Пример 3. Зависимость поверхностного натяжения (σ, Дж / м²) водного раствора ПАВ от его концентрации (с, моль/ л) при 298 K выражается уравнением: σ = 0.073 – 8с. Определите избыток ПАВ в поверхностном слое раствора (гиббсовскую адсорбцию Г, моль / м²) при концентрации ПАВ с = 1.25×10^-4 моль/ л.

Решение. Рассчитываем поверхностную активность, дифференцируя уравнение эмпирической зависимости σ от с:

(dσ/dc) = - 8. Подставляем ее и заданную концентрацию в адсорбционную формулу Гиббса (3.2): Г = 8×1.25×10^-4 (Дж/м²) / 8.31×298 (Дж/моль) = 4.04×10^-7 моль/м².