Ионный обмен

Иониты: общее понятие

Умягчение и обессоливание воды осуществляют главным образом с помощью ионитов.

Иониты разделяют на два типа: катиониты и аниониты. Эти названия объясняют тем, какие противоионы, в процессе диссоциации, выделяет ионит в ближайшее водное окружение. Если зерно ионита само заряжено отрицательно, а водную среду выходят противоионы в виде положительно заряженных противоионов, какими могут быть ионы водорода (Н⁺ ) или ионы металлов (Меⁿ⁺ ), то такой ионит называют катионитом, так как при диссоциации образуются противоионы – катионы. Если зерно ионита само заряжено положительно, а водную среду отделяются от него противоионы в виде отрицательно заряженных противоионов, какими обычно могут быть ион гидроксила (ОН^- ) или кислотные остатки (Аn^n- ), то такой ионит называют анионитом, так как при диссоциации образуются противоионы – анионы.

Общеизвестны такие вещества как кислоты, основания и их соли. Водородные кислоты в общем можно изображать так: НХ (Х – кислотный остаток), т.е. в виде соединения иона водорода с остатком (анионом) любой кислоты. Гидроксилсодержащие основания можно изобразить как Ме(ОН)_n (Меⁿ⁺ - катион любого металла), т.е. в виде соединения аниона гидроксила с катионом любого металла. Соли, как известно, являются продуктом взаимной нейтрализации кислот и оснований и имеют вид МеХ.

Кислоты, основания и соли представляют собой электролиты. По аналогии иониты тоже называют электролитами, точнее – полиэлектролитами, подчеркивая приставкой “поли” многочисленность ионов, образуемых одной частицей ионита при диссоциации в воде. Если условно-нерастворимую частицу ионита обозначить для катионита через R^- , а для анионита через R⁺ , то получим четыре формы, в которых могут существовать иониты, а именно:

для катионитов

R^- Н⁺ - водородная форма катионита, аналогичная обычной водородной кислоте,

R^- Ме⁺ - солевая форма катионита, аналогичная структуре соли;

для анионитов

R⁺ ОН^- - гидроксильная форма анионита, аналогичная обычному гидроксилсодержащему основанию,

R⁺ Х^- - солевая форма анионита, аналогичная структуре соли.

Этими четырьмя схематическими изображениями структуры ионитов подчеркивается их общность со структурой обычных кислот, оснований и солей. Однако на этом фоне следует подчеркнуть нерастворимость ионитов в воде и большей части неводных растворителей, т.е. такое их поведение в кислотной, основной или солевой формах, при котором реакции их взаимодействия с другими растворимыми веществами можно ограничивать и завершать в объеме аппарата без распространения самих реагентов или продуктов реакции по всему объему раствора (воды), как это происходит с низкомолекулярными, мономерными кислотами, основаниями и их солями.

Синтетические иониты обычно состоят из матрицы, т.е. зерна, изготовленного из сополимера или путем поликонденсации мономерных органических молекул. В эту матрицу (зерно) путем химического взаимодействия введены ионогенные группы кислотной или основной функции, поэтому такие группы часто называют функциональными группами. Если введенные в матрицу функциональные или ионогенные группы имеют структуру кислотных остатков (-СООН; -SО₃ Н; -РО₄ Н₂ и т.п.), то такой ионит называют катионитом, так как он способен к обмену катионами-ионами водорода или положительно заряженными ионами металлов. Если введенные в матрицу ионогенные группы имеют структуру и функцию оснований (aN; =NH; -NH₂ ; -NR₃ ⁺ и т.п.), то такой ионит называют анионитом, так как он способен к обмену анионами-ионами гидроксила или отрицательно заряженными кислотными остатками. Когда в ионит введены одинаковые функциональные группы, такие иониты называют монофункциональными, а в случаях, когда вводятся группы разной структуры, иониты называют полифункциональными. Если же в одни и те же зерна ионитов введены кислотные и основные ионогенные группы, такие иониты следует называть смешанными.

Зерна органических молекул или продуктов конденсации нерастворимы в воде потому, что полимерные цепи макромолекул не только обладают большой молекулярной массой, но еще поперечно связаны между собой, как бы образуя пространственную сетку потенциально пористого вещества. У ионитов обычно нет пор в виде стабильных отверстий и проходов определенных микросечений, как, например у активированных углей, у зерен ионитов также нет стабильных геометрических размеров. Они способны набухать в воде и несколько меньше в других органических растворителях. Такую способность к набуханию ионитам придают гидрофильные ионогенные группы, способные к гидратации, т.е. к притягиванию в свое непосредственное окружение молекул воды (растворителя). Однако беспредельному набуханию, граничащему с растворением, препятствуют поперечные связи. Степень поперечной связанности задается при синтезе ионитов. Это позволяет при меньшей поперечной связанности готовить иониты, пространственно доступные даже для органических ионов крупных размеров, и увеличение поперечной связанности приводит к сдерживанию набухания и к проницаемости лишь ионов небольших размеров. Чем больший процент поперечной связки имеет ионит, тем меньше он набухает, но тем больше возрастает его механическая проч