Ионный обмен на катионите

Краткие теоретические сведения. Многие неорганические и органические вещества способны обратимо поглощать ионы из раствора, одновременно выделяя в раствор эквивалентные количества ионов того же знака, ранее довольно прочно связанных в структуре или на поверхности ионообменника:

R-M₁ + M₂⁺ Û R-M₂ + M₁⁺ (катионит)

R-A₁ + A₂ – Û R-A₂ + A₁^- (анионит)

Каждая из реакций ионного обмена характеризуется определенной константой равновесия. Если загрузить ионит в колонку и медленно пропускать раствор через нее, то за счет многократного установления равновесия процесс поглощения ионов из раствора идет особенно эффективно. При достаточно длинной колонке в ней будут количественно поглощаться даже ионы с относительно низкими константами ионного обмена (с низким сродством к данному иониту). Синтетические ионообменные смолы могут поглощать до 10 мг-экв ионов на 1 г своей массы, одновременно выделяя в раствор столько же других ионов того же знака. Если исследуемый раствор имеет слишком высокую концентрацию солей или если взят слишком большой объем раствора, обменной емкости колонки может не хватить, произойдет «проскок», то есть часть катионов пройдет в приемник, не вступив в реакцию обмена. Проскок может произойти и по другой причине: если пропускать раствор через колонку слишком быстро, в этом случае не успевает установиться равновесие ионного обмена. При использовании процессов ионного обмена в анализе проскок приводит к систематическим погрешностям.

Если пропускать исследуемый раствор через катионит в Н-форме, то соли, содержащиеся в растворе, будут замещены эквивалентными количествами своих кислот; раствор на выходе из колонки (элюат) подкисляется:

R-H + M⁺ Û R-M + H⁺ .

Оттитровав полученную в элюате сумму кислот стандартизованным раствором щелочи, можно рассчитать общую концентрацию солей в исследуемом растворе (минерализацию). Именно этот принцип используется в настоящей работе. Аналогичные методики применяются в анализе природных и сточных вод, технологических растворов, других объектов.

В работе используется синтетический ионит КУ-2, имеющий относительно близкие значения констант ионного обмена разных катионов М⁺ на катионы Н⁺. Это и позволяет определять суммарную концентрацию металл-катионов. У некоторых других катионитов константы ионного обмена разных металл-катионов на ионы Н⁺ различаются очень сильно. Это означает, что при пропускании исследуемого раствора количественно поглощаться будут лишь определенные металлы. Определение общей минерализации в этом случае невозможно, зато селективное поглощение открывает возможность раздельного определения растворенных веществ.

Константы ионного обмена металл-катионов на ионы Н⁺ для катионита КУ-2 имеют высокие значения. Следовательно, поглощение катионов металлов с выделением эквивалентного количества ионов Н⁺ даже в разбавленных растворах идет количественно, этот процесс возможен и в щелочных, и в нейтральных, и даже в слабокислых средах. Обратный процесс идет лишь в сильнокислых средах, то есть регенерация катионита затруднена. Для регенерации (перевода КУ-2 в Н-форму) надо медленно пропускать через колонку довольно концентрированный раствор сильной кислоты, обычно берут 2 М НСl .

Обмен на ионитах используют в анализе не только для определения общей минерализации раствора. Распространены, например, следующие приемы:

1. Концентрирование. Ведут поглощение металл-катионов из большого объема исследуемого разбавленного раствора, а затем элюируют их с катионита малым объемом кислоты. Полученный концентрат анализируют подходящим методом, например, спектрофотометрическим или потенциометрическим.

2. Очистка воды. Воду вначале пропускают через катионит в Н-форме, затем через анионит в ОН-форме. Катионы и анионы солей поглощаются в соответствующих колонках, заменяясь на ионы Н⁺ и OH^-, которые соединяются между собой в молекулы воды. На полученной деионизированной воде в аналитических лабораториях готовят растворы реагентов особой чистоты. По отношению к примесям ионного характера этот способ очистки более эффективен, чем обычная перегонка, однако примеси молекулярного характера так удалить из воды нельзя.

3. Отделение электролитов от неэлектролитов. Проводится в ходе пробоподготовки с целью устранения влияния мешающих примесей. Так, определение сахарозы рефрактометрическим методом возможно только после отделения солей. С этой целью пропускают исследуемый водный раствор вначале через колонку с катионитом в Н-форме, затем через колонку с анионитом в ОН-форме. Молекулы сахарозы остаются в растворе.

4. Разделение смесей электролитов. Существуют разные приемы для такого разделения, они будут рассмотрены и использованы в лабораторной работе № 16.