§ 6 Обменная адсорбция на твердой поверхности и её особенности.

Понятие об ионитах

Обменная адсорбция представляет собой процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой - адсорбентом, точнее, обмен ионов между двойным электрическим слоем адсорбента и средой. При этом твердая фаза поглощает из раствора ионы одного знака (катионы или анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число ионов того же знака.

Обменная адсорбция имеет ряд особенностей.

1. Обменная адсорбция специфична, т.Е. Для данного адсорбента к обмену способны только определенные ионы.

2. Обменная адсорбция протекает более медленно, чем молекулярная адсорбция. Это особенно заметно тогда, когда осуществляется обмен ионов, находящихся в глубине адсорбента. Время обмена ионов, находящихся в глубине адсорбента, лимитируется скоростью диффузии ионов из раствора в глубь адсорбента. Вытесненные из адсорбента ионы затем переходят в раствор.

3. При обменной адсорбции может изменяться рН среды. Это наблюдается тогда, когда обмениваемый адсорбентом ион является водородным или гидроксильным ионом. Если адсорбент заменяет катион на какой-нибудь водородный ион, то последний, поступая в раствор, уменьшает рН среды. Если адсорбент меняет на какой-нибудь анион гидроксильный ион, то рН раствора, наоборот увеличивается. Схематически обмен ионов можно представить следующими реакциями:

Адсорбент ~Н⁺ + Na⁺ + CL" Адсорбент ~ Na⁺ + Н⁺ + CL" АдсорбентШ" + Na⁺ + CL" АдсорбентСЬ" + Na⁺ + ОН"

Сорбенты, способные к обмену ионов, называют ионообменниками или ионитами. Иониты могут иметь кислотный, основной или амфотерный характер. Вещества кислотного типа обмениваются с раствором катионами и носят название катионитами. Основные сорбенты - аниониты - отдают в раствор анионы, на место которых становятся анионы из раствора. Амфотерные иониты содержат и катионные, и анионные обмениваемые группы. Эти иониты могут сорбировать одновременно катионы и анионы. Свойствами кислых сорбентов обладают алюмосиликаты (цеолиты, пермутиты), силикагель, целлюлоза и многие другие вещества. К основным сорбентам относятся, например, гидроксиды алюминия, железа. Амфотерные иониты - это синтетические вещества типа H⁺S0₃~—R—N⁺(CH₃)₃OH~, где R - органическая полимерная основа.

Большинство ионитов - твердые соединения; многие из них после набухания образуют мягкие гели. Существуют и жидкие иониты - низкомолекулярные соединения, содержащие в молекулах ионную группу и большой гидрофобный радикал. Эти ионы растворимы в неполярных жидкостях и используются для проведения экстракций.

Ионообменные смолы - это высокомолекулярные нерастворимые соединения, способные набухать в водных растворах, поглощая значительное

148

количество воды, и высвобождать ионы в процессе электролитической диссоциации. Высвободившиеся ионы замещаются на другие присутствующие в растворе ионы, имеющие большее сродство к ионообменнику. Процесс ионного обмена обратим, и направление его зависит главным образом от концентраций обмениваемых ионов. Природные и синтетические ионообменники могут быть органической и неорганической природы. Неорганические ионообменники имеют кристаллическую структуру различного типа; способные к обмену ионы содержатся в их решетках. Органические полимерные ионообменники имеют пространственную структуру из сшитых полимерных цепей, на которых нерегулярно расположены ионогенные группы (рис.18). Функциональные группы определяют функциональные свойства свойства ионитов, поэтому их называют функциональными группами. Функциональные группы ионитов ковалентно связаны с цепочками основы - матрицы ионита. Свободно перемещающиеся противоионы связаны с ионогенными группами электростатически и могут стехиометрически обмениваться с другими ионами, обладающими тем же зарядом. Помимо противоионов в растворе имеются сопутствующие им коионы, заряженные одноименно с потенциаобразующими ионами. В результате ионного обмена сохраняется электронейтральность как ионита, так и раствора.

Рис 9 Структура органического ионита. Свободно перемещающиеся противоионы (-) и коионы (+)

Основными достоинствами синтетических ионообменных смол как адсорбентов являются их большая обменная емкость, химическая стойкость и механическая прочность, разнообразие кислотно-основных свойств.

Значение ионного обмена для фармации чрезвычайно велико. Применяя иониты, можно умягчать жесткую воду или опреснять засоленную и получать пригодную для фармацевтических целей. В стадии изучения находится вопрос о медицинском применении ионитов путем введения их высокодисперсных форм непосредственно в желудочно-кишечный тракт для связывания ядовитых веществ, токсинов, а также для нормализации ионного баланса в организме.

149