1. Иониты и ионный обмен

Ионный обмен – гетерогенный химический процесс, в котором участвует электролит и ионит. Ионит – твердая или жидкая, не смешивающаяся с водой или другим растворителем фаза, содержит закрепленные ионогенные группы, которые не могут переходить ее границу, и подвижные ионы, способные к обмену с внешней средой.

Иониты могут быть твердыми или жидкими. Они практически нерастворимы в воде. Обмен ионов на ионитах происходит в эквивалентных количествах. Это обратимый процесс. Его записывают как обычную химическую реакцию:

2R-H + Ca²⁺ ⇄ R₂-Ca + 2H⁺ (катионный обмен),

2R-ОН + SO^2-₄⇄ R₂-SO₄ + 2OH^- (анионный обмен).

Буквой R обозначают твердую фазу (матрицу) с фиксированными неподвижными ионами. Ионы Н⁺ и ОН^- называются противоионами. Они могут обмениваться на другие ионы в растворах электролитов.

1.1. Общие свойства ионитов

Иониты представляют собой полиэлектролиты, состоящие из каркаса (матрицы) и функциональных (ионогенных) групп. Вследствие их ионизации в ионите образуются две разновидности ионов: фиксированные, закрепленные на матрице и не способные перейти во внешний раствор, а также ионы, противоположные по знаку заряда фиксированным ионам. Их называют противоионами. Они легко переходят во внешний раствор в обмен на строго эквивалентное количество ионов того же знака, поступающих в ионит из внешнего раствора.

Эквивалентность обмена является главным признаком ионита и ионного обмена. Она основана на условии электронейтральности фазы ионита: суммарный заряд всех противоионов должен быть равен общему заряду фиксированных ионов. При этом количество эквивалентов противоионов должно быть равно количеству эквивалентов фиксированных ионов. Следует отметить, что это положение справедливо в разбавленных растворах электролитов.

При контакте ионитов с раствором электролита устанавливается обменное равновесие, так как при этом происходит диффузия ионов из растворов в ионит и эквивалентная диффузия подвижных противоионов из ионита в раствор. Положение равновесия определяется, в общем, законом действия масс. Однако при анализе ионообменного равновесия на основе этого закона необходимо учитывать явления, протекающие в ионите одновременно с ионным обменом и связанные с ним.

Обменными или активными группами являются группы кислотного или основного характера. Иониты с однотипными функциональными группами называют монофункциональными, а при содержании обменных групп различной природы - полифункциональными.

Фиксированные ионы присоединены к матрице ковалентной связью, полярность которой зависит от электроотрицательности непосредственно связанных атомов. У катионитов фиксированные ионы заряжены отрицательно, у анионитов – положительно.

При введении ионита в органическую или неорганическую жид­кость происходит сольватация противоионов и фиксированных ионов с одновременным увеличением объема, то есть набухание полимерной матрицы. Набухший ионит можно сравнить с губкой, подвергающейся чередованию сжатия и растяжения трехмерной структуры, через которую осуществляется движение обменивающихся ионов. Структурные неоднородности матрицы ионита, по которым движутся обменивающиеся ионы, образуют "каналы" и "микропоры".

Необходимо отметить, что формулы элементарных ячеек ионитов отража­ют лишь идеальную структуру, которая предполагает полную однород­ность матрицы (неизменное сочетание звеньев и узлов, энергетичес­кую тождественность обменных центров и наличие только указанных обменных групп). Однако имеющийся обширнейший экспериментальный материал показывает, что матрица имеет неоднородную структуру, а активные группы могут занимать различное положение.