Знакомство с действием ионитов

Многие твердые вещества в контакте с водным раствором обнаруживают заметную тенденцию терять одни компоненты, сохраняя другие. При этом теряемые компоненты замещаются подобными компонентами из раствора, но в целом структура первоначального вещества не изменяется. Если потерянные или приобретенные компоненты представляют собой ионы, то процесс называют ионным обменом. Различают катионный обмен и анионный обмен.

Иониты (ионообменные смолы) представляют собой твердые высокомолекулярные соединения, не растворяющиеся в воде и других растворителях. Иониты обладают замечательным свойством – способностью обменивать свои подвижные ионы на ионы проходящих через них растворов.

Иониты широко применяют в науке и промышленности. Это – смягчение и обессоливание воды, очистка сточных вод промышленных предприятий, улавливание и концентрирование из отходов многих ценных продуктов, очистка автомобильного горючего от сернистых соединений, атомная энергетика, производство полупроводников, пищевая и фармацевтическая отрасли промышленности, медицина. Таков неполный перечень областей применения ионитов в настоящее время. Поскольку научное и практическое значение ионитов велико, необходимо в той или иной мере ознакомить учащихся с ними. Лучше всего это сделать на факультативных занятиях.

Приступая к объяснению материала об ионитах, необходимо пояснить, что реакция обмена может протекать не только между двумя растворенными веществами, но и в тех случаях, когда одно из веществ нерастворимо. Такие реакции обмена происходят между растворами солей, кислот и оснований и твердыми нерастворимыми веществами – ионитами. Иониты встречаются в природе, например природные алюмосиликаты. Но наибольшее применение и значение получили искусственно синтезированные иониты. Все они представляют собой твердые нерастворимые вещества, обладают механической прочностью, химической устойчивостью и содержат в своем составе подвижные ионы, которые способны при соприкосновении обмениваться на катионы или анионы растворенного вещества. В зависимости от способности нести положительно или отрицательно заряженные подвижные ионы иониты подразделяют на катиониты и аниониты.

Для демонстрации способности ионитов обменивать свои подвижные ионы на катионы (для катионитов) и на анионы (для анионитов) внешней среды, можно воспользоваться ионообменной колонкой, имеющей кран и цилиндрическую воронку (рисунок).

Рис. Принцип действия ионообменной колонки

На дно колонки кладем слой стеклянной ваты, наливаем дистиллированную воду, насыпаем ионит и сверху помещаем еще слой стеклянной ваты. Верхний уровень ионита должен быть все время покрыт жидкостью. Заряженную колонку перед использованием следует выдержать в течение суток для набухания ионита. Колонку закрепляем в штативе на специальной подставке.

До урока катионит переводим в Н-форму. Для этого через колонку пропускаем 10–15 мл 5%-го раствора серной или соляной кислоты. После этого катионит промываем дистиллированной водой до нейтральной реакции на универсальный индикатор.

Для перевода анионита в ОН-форму в колонку приливаем 10–15 мл 5%-го раствора едкого кали или едкого натра и также промываем дистиллированной водой до нейтральной реакции на универсальный индикатор.

Для объяснения действия катионита через колонку пропускаем около 10 мл дистиллированной воды и проверяем индикатором. Индикатор показывает нейтральную среду. Затем берем 0,5 н. раствор поваренной соли, доказываем его нейтральность индикатором и пропускаем 10–15 мл раствора через колонку. Полученный фильтрат проверяем универсальным индикатором. Индикатор окрашивается в красный цвет, что указывает на наличие в фильтрате катионов водорода. Делаем вывод, что раствор хлористого натрия, проходя через катионит, обменивает катионы натрия на подвижные водородные катионы ионита, переходящие при этом в раствор. Записываем уравнение реакции, условно обозначив зерно катионита через К:

К–Н + NaCl К–Na + HCl.

Запись в сокращенном ионном виде:

К–Н + Na⁺ К–Na + H⁺.

Наличие ионов хлора в растворе определяем с помощью раствора нитрата серебра. Наличие катионов натрия в исходном растворе и отсутствие их в полученном растворе определяем по окрашиванию пламени спиртовки или по отсутствию окрашивания.

После того как поглотительная способность катионита будет исчерпана, его можно регенерировать. С этой целью через катионит пропускают раствор кислоты:

К–Na + HCl К–H + NaCl.

Аналогичным образом проводим эксперимент при объяснении работы анионита. Сначала через анионит пропускаем воду и проверяем фильтрат индикатором, доказывая нейтральность среды. Затем опять пропускаем 0,5 н. раствор поваренной соли в количестве 10–15 мл.

Фенолфталеин окрашивается в фильтре в малиновый цвет, что указывает на наличие ионов ОН^–. По аналогии с катионитным процессом учащиеся сами могут объяснить происходящую реакцию обмена и указать, что в данном случае анионы хлора обмениваются на подвижные ионы ОН^– анионита. После этого записываем уравнение реакции в молекулярном и сокращенном ионном видах, обозначив зерно анионита через А:

А–ОН + NaCl A–Cl + NaOH,

А–ОН + Cl^– A–Cl + OH^–.

Анионит также можно регенерировать, для этого через него пропускают раствор щелочи:

А–Cl + NaOH A–OH + NaCl.

Для проведения описанных экспериментов можно использовать катиониты и аниониты различных марок. Мы пользовались катионитами КУ-1, КУ-2 и анионитами АВ-17, АН-22-8, которыми пользуются для очистки аквариумной воды.

Л и т е р а т у р а

Белинская Ф.А., Матерова Е.А. Электродные свойства ионитовых мембран. Вестник ЛГУ. Сер. физ. и хим., 1957, т. 16, вып. 3, с. 85; Никольский Б.П., Шульц М.М., Пошехонова Н.В. Теория стеклянного электрода. Влияние посторонних ионов на натриевую и калиевую функцию стеклянных электродов. Журн. физ. химии, 1958, № 1, с. 19; Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1969; Берснев А. Техническое обеспечение аквакультуры. Интернет.

С.П.НОВИКОВ,
учитель химии
Листвянской средней школы
(п. Листвянка, Тяжинский р-н,
Кемеровская обл.)