Методическое пособие к лабораторному практикуму по физической химии (Часть 1. Химическая термодинамика). Маршаков И.К - 82 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ВГУ | Воронеж

Составители: 

Рубрика: 

82
Работа 2
РАВНОВЕСИЕ КАТИОННОГО ОБМЕНА
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Ионообменники представляют собой пористые высокомолекулярные
вещества, способные поглощать из раствора электролита положительные или
отрицательные ионы в обмен на эквивалентные количества других ионов,
имеющих заряд того же знака. По знаку заряда обменивающихся ионов различают
катионообменники и анионообменники. Типичная реакция катионного обмена:
R
-
H
+
+ NaCl R
-
Na
+
+ HCl
R
+
OH
-
+ NaCl R
+
Cl
-
+ NaOH
Здесь R-полимерная матрица .
Ионообменник состоит из полимерного каркаса, в котором имеются
ионогенные группы положительного или отрицательного заряда. Последний
компенсируется зарядом ионов противоположного знака, так называемых
противоионов. Они подвижны внутри каркаса и могут быть заменены другими
ионами с зарядом того же знака. Плотность заряда каркаса определяет количество
способных к обмену противоионов, характеризующих обменную емкость смолы.
Ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение: в обмен на
каждый эквивалент одного иона, поглощенного из раствора, ионообменник отдает
в раствор один эквивалент другого иона с зарядом того же знака. Если
ионообменник , содержащий только противоионы сорта А , поместить в раствор, в
котором находятся только противоионы сорта В , то через некоторое время
установится равновесие: ионообменник и раствор будут содержать ионы обоих
сортов в определенном (не обязательно одном и том же) количественном
соотношении. Это состояние называется ионообменным равновесием.
Количественная зависимость между степенью обмена и концентрацией ионов
выражается с помощью константы равновесия. Для реакции обмена между двумя
одновалентными ионами :
++++
++ ABBA
,
где
++
B,A
- ионы в растворе ,
++
B,A
- соответствующие ионы в
катионообменнике. Константа равновесия равна:
(
)
(
)
++++
⋅
⋅
=
BAAB
a
aaaaK
, (1)
где
++
BA
a,a
- активности ионов в водном растворе ,
++
BA
a,a
- активности ионов в
фазе ионообменника.
При использовании уравнения (1) трудность состоит в определении
активности компонента в фазе смолы. Обычно для обмена ионов со сходными
свойствами применяется следующая запись константы расвновесия:
(
)
(
)
++++
⋅
⋅
=
BAAB
c
ccccK
, (2)
где c
i
- концентрации соответствующих компонентов.
Таким образом, при обмене сходных по свойствам ионов для достаточно 
                                                                                            82
                                         Раб ота 2

                     Р А В НО В Е С И Е КА ТИ О ННО Г О О БМ Е НА

                  О БЩ АЯ ХАР АК ТЕР И СТИ К А Р АБО ТЫ
       И о но о б ме нник и пре дставляю т со б о й по ристые высо к о мо ле к улярные
ве щ е ства, спо со б ные по гло щ ать из раство ра эле к тро лита по ло ж ите льные или
о трицате льные ио ны в о б ме н на эк вивале нтные к о личе ства других ио но в,
име ю щ их заряд то го ж е знак а. По знак у заряда о б ме ниваю щ ихсяио но в различаю т
к атио но о б ме нник и и анио но о б ме нник и. Т ипичнаяре ак цияк атио нно го о б ме на:
                                  R-H+ + NaCl            R-Na+ + HCl
                                R+OH- + NaCl             R+Cl- + NaOH
       З де сьR-по лиме рнаяматрица.
       И о но о б ме нник со сто ит из по лиме рно го к арк аса, в к о то ро м име ю тся
ио но ге нные группы по ло ж ите льно го или о трицате льно го заряда. По сле дний
к о мпе нсируе тся зарядо м ио но в про тиво по ло ж но го знак а, так называе мых
про тиво ио но в. Они по движ ны внутри к арк аса и мо гут б ытьзаме не ны другими
ио нами с зарядо м то го ж е знак а. Пло тно стьзаряда к арк аса о пре де ляе тк о личе ство
спо со б ных к о б ме ну про тиво ио но в, харак те ризую щ их о б ме нную е мк о стьсмо лы.
И о нный о б ме н пре дставляе т со б о й сте хио ме триче ск о е заме щ е ние : в о б ме н на
к аж дый эк вивале нто дно го ио на, по гло щ е нно го из раство ра, ио но о б ме нник о тдае т
в раство р о дин эк вивале нт друго го ио на с зарядо м то го ж е знак а. Е сли
ио но о б ме нник , со де рж ащ ий то лько про тиво ио ны со рта А , по ме ститьв раство р, в
к о то ро м нахо дятся то лько про тиво ио ны со рта В , то че ре з не к о то ро е вре мя
устано вится равно ве сие : ио но о б ме нник и раство р б удут со де рж атьио ны о б о их
со рто в в о пре де ле нно м (не о б язате льно о дно м и то м ж е ) к о личе стве нно м
со о тно ше нии. Э то со сто яние называе тсяио но о б ме нным равно ве сие м.
       К о личе стве ннаязависимо стьме ж ду сте пе нью о б ме на и к о нце нтрацие й ио но в
выраж ае тся с по мо щ ью к о нстанты равно ве сия. Д ля ре ак ции о б ме на ме ж ду двумя
о дно вале нтными ио нами:
                                      A + + B+          B+ + A+ ,
где A + , B + - ио ны в раство ре , A + , B + - со о тве тствую щ ие ио ны в
к атио но о б ме нник е . К о нстанта равно ве сияравна:
                                      K a = (a B ⋅ a A ) (a A ⋅ a B ) ,
                                             +       +       +       +                      (1)
где a A , a B - ак тивно сти ио но в в во дно м раство ре , a A , a B - ак тивно сти ио но в в
       +   +                                                             +   +


фазе ио но о б ме нник а.
       При испо льзо вании уравне ния (1) трудно сть со сто ит в о пре де ле нии
ак тивно сти к о мпо не нта в фазе смо лы. Об ычно для о б ме на ио но в со схо дными
сво йствами приме няе тсясле дую щ аязаписьк о нстанты расвно ве сия:
                                     K c = (c B ⋅ c A ) (c A ⋅ c B ) ,
                                         +       +       +       +                          (2)
где ci - к о нце нтрации со о тве тствую щ их к о мпо не нто в.
       Т ак им о б разо м, при о б ме не схо дных по сво йствам ио но в для до стато чно

Страницы