Правила ионной адсорбции

· На сорбенте адсорбируются либо катионы, либо анионы.

· Адсорбированный ион удерживается на поверхности очень прочно, и адсорбция часто носит необратимый характер.

· Адсорбционная способность ионов сильно зависит от их заряда. Чем больше заряд иона, тем сильнее он притягивается противоположно заряженными микроучастками поверхности. Катионы различной валентности по их адсорбционной способности можно расположить в следующий ряд:

К⁺ < < Са²⁺ < < Al³⁺ < < Th⁴⁺

· На адсорбционную способность ионов одинакового заряда сильно влияет их радиус. Ряды ионов, составленные в порядке увеличения их способности адсорбироваться, называются лиотропными рядами, или рядами Гофмейстера.

Однозарядные катионы можно поставить в следующий ряд

по возрастающей способности адсорбироваться:

Li ⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺.

Для двухзарядных катионов это будет следующий ряд:

Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Ba²⁺.

Однозарядные анионы по их возрастающей способности

адсорбироваться располагаются в такой последовательности:

Cl ^– < Br ^– < NO₃^– < I ^– < NCS ^–.

Различают два особенно важных случая адсорбции ионов: специфическая и обменная адсорбция.

Специфическая ионная адсорбция

Специфическая адсорбция наблюдается в условиях, которые определяются индивидуальной химической природой адсорбента и адсорбируемого электролита. Эта совокупность необходимых условий может быть сформулирована в виде положения, известного под названием правила Пескова – Фаянса:

на поверхности твердого тела адсорбируются ионы, входящие в состав кристаллической решетки этого тела либо изоморфные с ними.

Иными словами, избирательно адсорбируются ионы, способные принять участие в достройке кристаллической решетки твердой фазы. Например, иодид серебра AgI практически нерастворим в воде. Кристаллы AgI состоят из чередующихся в узлах кристаллической решетки ионов Ag⁺ и I^-.

В растворе, содержащем ионы К⁺, Са²⁺, Al³⁺, Ag⁺, NO₃^-, SO₄^2-, кристаллы иодида серебра адсорбируют ионы серебра Ag⁺ (рисунок 5, а).

а: в растворе ионы К⁺, Са²⁺, Al³⁺, Ag⁺, NO₃^-, SO₄^2-

б: в растворе ионы К⁺, Са²⁺, Al³⁺, NO₃^-, SO₄^2-, I^-

Рис. 5. Специфическая адсорбция ионов из раствора на кристалле AgI

Соответственно из раствора, содержащего ионы К⁺, Са²⁺, Al³⁺, NO₃^-, SO₄^2-, I^- на кристалле AgI адсорбируются ионы иода I^– (рисунок 5, б).

Таким же образом на поверхности не растворимых в воде кристаллов BaSO₄ могут адсорбироваться ионы Ba²⁺ или SO₄^2–.

Поскольку адсорбируются заряженные частицы (ионы), то поверхность, заполненная ими, приобретает заряд. Поэтому специфически адсорбирующиеся ионы носят название потенциалопределяющих ионов; они определяют величину электрического потенциала поверхности и его знак. К заряженной поверхности электростатически притягиваются оставшиеся в растворе ионы противоположного знака (противоионы), образуя около поверхности двойной слой ионов.

Таким образом, при адсорбции ионов электронейтральность раствора остается ненарушенной.

Рисунок 5 схематически иллюстрирует пример специфической адсорбции электролитов на иодиде серебра. В растворе AgNO₃ поверхность кристалла заряжается положительно, поскольку на ней адсорбируются ионы Ag⁺, достраивающие кристаллическую решетку AgI. В растворе KI поверхность кристалла заряжается отрицательно, поскольку на ней адсорбируются ионы I^–, достраивающие кристаллическую решетку AgI.

Ионообменная адсорбция

Значительный практический интерес представляет ионообменная адсорбция, при которой более адсорбционно-активные ионы вытесняют с поверхности адсорбента менее адсорбционно-активные ионы. В результате протекания такого процесса в раствор вместо адсорбировавшихся катионов (анионов) переходит эквивалентное количество десорбировавшихся (вытесненных) с поверхности адсорбента ионов соответствующего знака заряда.

Адсорбенты, способные к ионному обмену, называют ионитами. Это твердые тела (матрица), содержащие в своем составе подвижные ионы, способные при контакте с водным раствором обмениваться на ионы, содержащиеся в растворе.Они встречаются в природе (некоторые силикаты, цеолиты), а также изготавливаются искусственно (сульфоугли и др.) или синтезируются (ионообменные смолы).

Иониты, способные к катионному обмену, называют катионитами, а к анионному обмену – анионитами.

Для проведения ионообменной адсорбции ионит помещают в колонку и пропускают через колонку раствор, содержащий ионы (рисунок 6).

На практике, в основном, используют катиониты в Н-форме, которые содержат подвижные ионы водорода, способные обмениваться на катионы, содержащиеся в растворе. В этом случае катионообменный процесс можно записать следующим образом (например, для иона Na⁺):

Катионит (Н⁺)+ Na ⁺(раствор) ® Катионит (Na ⁺) + Н⁺(раствор).

Рис. 6. Ионообменная адсорбция

Аниониты, в основном, используются в ОН-форме, они способны обменивать анионы, содержащиеся в растворе, на ионы гидроксила. Анионообменный процесс можно записать следующим образом (например, для иона Сl^-):

Анионит (ОН^–) + Сl^- (раствор) ® Анионит (Сl^-) + ОН^– (раствор).

Из описанных свойств ионитов следует, что пропуская воду, содержащую растворенные соли, последовательно через катиониты и аниониты, можно достичь практически полного обессоливания её, не прибегая для этого к дистилляции.

В результате такой очистки в воде вместо катионов и анионов появятся ионы Н⁺ и ионы ОН^–, которые при взаимодействии образуют воду, вода обессолится.

Отработанные катиониты легко регенерируются обработкой их растворами сильных кислот (2-3% НСl или H₂SO₄):

Катионит (Ме²⁺) + 2НС l(раствор) ® Катионит (2Н⁺) + МеCl₂ (раствор).

Подобным же образом регенерируются отработанные аниониты обработкой их растворами щелочей (5% NaOH или КОН):

Анионит (Аn^2–) + 2NаОН (раствор) ® Анионит (ОН^–)₂ + Na₂An (раствор).

Регенерированные иониты снова пригодны к использованию.

Иониты нашли широкое применение во многих отраслях науки и техники: для водоподготовки, очистки сточных вод, приготовления питьевой воды из морской, при извлечении редких элементов из растворов, при крашении тканей, в сельском хозяйстве, в медицине и т.д.