Ионныи обмен. 
Общая и неорганическая химия

Обсуждая свойства поверхности твердой частицы, находящейся в водном растворе, содержащем электролит, мы говорили о том, что между поверхностью и раствором образуется двойной электрический слой. В действительности во многих случаях взаимодействие твердой фазы с раствором не ограничивается поверхностными взаимодействиями, но затрагивает и весь объем твердой фазы, хотя, конечно, распределение ионов между водным раствором и объемом твердой фазы происходит гораздо медленнее, чем обмен ионов в двойном электрическом слое на поверхности. Проникновение ионов в объем твердой фазы можно облегчить, увеличив поверхность контакта этой фазы с раствором. Химики синтезировали искусственные полимерные вещества, включающие ионогенные группировки и набухающие в воде с образованием гелей. Такие вещества получили название ионообменных смол.

В зависимости от природы полимера, размеров пор, характера ионогенных группировок ионообменные смолы могут избирательно поглощать из раствора определенные ионы — как катионы, так и анионы (такие смолы называют соответственно катионитами и анионитами). Ионообменные смолы широко используются в гидрометаллургии для извлечения из растворов и разделения солей редких элементов (см. разд. 33.1), в очистных сооружениях для удаления из промышленных растворов вредных примесей, для умягчения жесткой воды, для опреснения соленых вод и т. д. Так, пресная вода рек и озер, используемая в промышленности, содержит от 50 до 1 000 мг/л растворенных солей (например, вода Байкала содержит 150 мг/л солей). В ряде случаев необходима более чистая вода, и тогда ее обессоливают, пропуская последовательно сначала через катионит, а затем через анионит. Если количество растворенных в воде солей невелико, то ионный обмен экономически выгоднее обычной перегонки с получением дистиллированной воды.

В современных электрохимических исследованиях и электрохимических методах анализа все большее распространение получает так называемый стеклянный электрод, работа которого также основана на распределении ионов между раствором и поверхностью твердой фазы.

Обычное стекло, из которого сделан химический стакан, содержит значительное количество натрия, располагающегося в виде ионов в силикатном каркасе. Если в стакан налить воды, то между твердой и жидкой фазами устанавливается ионное равновесие — часть ионов натрия переходит в раствор. В результате между стеклом и раствором возникает разность потенциалов, которая для данного стекла зависит от концентрации ионов натрия в растворе. Измеряя разность потенциалов, после соответствующей калибровки можно таким образом определять концентрацию ионов натрия в растворе. На основе специальных сортов стекла изготовляют электроды, избирательно (селективно) определяющие концентрации ионов водорода, калия, натрия и других катионов.

Контрольные вопросы

• 1. Коэффициент распределения NH₃ между водой и хлороформом К = ~^Н, о/^хлф ⁼ 22. В каком из растворителей лучше растворяется газообразный аммиак?
• 2. Чем можно объяснить, что коэффициент распределения азотной кислоты между водой и диэтиловым эфиром, найденный как отношение аналитически определенных молярных концентраций, следующим образом зависит от концентрации HNO, в воде: С = 0,0847 моль/л, К = 77,0; С = 0,4326 моль/л, К = 26.2; С = = 1,9071 моль/л, К = 4,5. Какое значение К ближе к истинному?
• 3. Представьте себе, что Вы выпили молоко из пол-литровой бутылки и должны ее вымыть, имея пол-литра воды. Как разумнее это сделать, потратив минимальное время и наименьшее количество воды?
• 4. Коэффициенты распределения С, /С₂ уксусной кислоты при небольших (С <0,1 моль/л) концентрациях между водой и другими растворителями равны:

Диэтиловый эфир 2.

Бензол 13.

Хлороформ 8.

Тстрахлорид углерода 38.

Какой из растворителей наиболее пригоден для экстракции кислоты из водного раствора?