Реферат: Синтез, кинетика, термодимика

В состав анионитов в качестве функциональных групп мо­гут входить первичные, вторичные и третичные аминогруппы, четвертичные аммониевые и пиридиновые основания.

В зависимости от величины константы диссоциации катионитов в Н⁺ -форме и анионитов в ОН^- -форме все смолы делятся на сильно- и слабокислотные катиониты и соответствен­но сильно и слабоосновные аннониты.

При выборе сорбентов в первую очередь нужно учесть, с чем удобнее работать –с катионитом или анионитом. Многие задачи могут быть успешно решены и на том, и на другом типе сорбентов. Например, для разделения ионов металлов можно с успехом применить катиониты. Однако применение для этой же цели анионитов, основанное на разделении анионных ком­плексов этих металлов, часто бывает проще и быстрее.

Необходимо учитывать также избирательность поглощения сорбентами тех или иных ионов, которая обусловлена хими­ческой природой сорбента и определяется относительной проч­ностью связей обменивающихся ионов в фазе смолы. При этом энергия связи сорбируемого иона зависит не только от проч­ности связи этого иона с активной труппой сорбента, но и от прочности его связей с любыми другими, так называемыми неактивньгми, структурными группами ионита.

Сильные катиониты и аниониты, например, сульфокатиониты и аниониты типа четвертичных аммониевых оснований, не проявляют большой избирательности в отношении большин­ства ионов. Большая емкость смол такого типа, а также их способность функционировать в широком интервале рН могут быть использованы для концентрирования сильно разбавлен­ных растворов, для обессоливания и в других случаях, когда необходимо полное извлечение всех катионов или анионов из раствора. Для выделения какого-либо одного элемента из сме­си элементов бывает удобно подобрать такой сорбент, который избирательно поглощал бы ионы интересующего элемента.

В настоящее время известно большое количество селектив­ных сорбентов. Синтез таких сорбентов сводится к задаче по­лучения смолы с такой структурой, которая подобна структуре веществ, образующих прочные комплексы или нерастворимые соединения с данным ионом. Так была синтезирована смола (селективно сортирующая никель) путем введения в структуру смолы глиоксимовых группировок.

После выбора соответствующего сорбента необходимо опре­делить область кислотности, в которой работает выбранный ионообменник, и его химическую устойчивость по отношению к тем рабочим средам и температурам, при которых должна проводиться очистка.

Процесс обмена ионов описывается уравнением изотермы, предложенным Б.П.Никольским:

где X₁ ⁽²⁾ и X₂ ⁽²⁾ -концентрации обменивающихся ионов в ионите (ммоль/г); X₁ ⁽¹⁾ и X₂ ⁽¹⁾ -концентрация обменивающихся ионов в равновесном растворе (ммоль/мл); γ₁ ⁽²⁾ и γ₂ ⁽²⁾ -коэффициенты активности обменивающихся ионов в фазе смолы; γ₁ ⁽¹⁾ и γ₂ ⁽¹⁾ - коэффициенты активности обменивающихся ионов в фазе раствора; Z₁ и Z₂ - заряды обменивающихся ионов; K -константа обмена.

Определение коэффициента активности в фазе смолы задача весьма сложная. Однако можно принять, что отношение коэффициентов активности ионов в поглощенном состоянии остается постоянным, и эту величину (можно ввести в константу. тогда, константа ионного обмена:

где a₁ ⁽¹⁾ и а₂ ⁽¹⁾ -активности обменивающихся ионов в равновесном растворе.

Если принять, что интересующий ион отмечен индексом 1, то для этого иона из уравнения никольскова имеем:

не -множитель, содержащий отношение коэффициентов активности обменивающихся ионов в растворе (в соответствующих степенях);

Отношение количества вещества, поглощенного одним грамом сухой смолы, к его концентрации в равновесном растворе называется коэффициентам распределения данного иона. На практике для характеристики поглощения часто определяют именно эту величину, а не константу обмена, которая требует учёта не всегда известных коэффициентов активности.

По определению коэффициент распределения (α)

где q₁ ⁽²⁾ и q₁ ⁽¹⁾ -содержание исследуемого иона соответственно фазе смолы и в растворе при равновесии, выраженное в любых единицах; V-объем раствора; m-навеска ионнта.

Коэффициент распределения являетcя величиной постоянной не зависит от концентрации интересующего иона в определенном интервале концентраций. Последнее означает, что поглощение ионов элемента -примеси прямо пропорционально его концентрации в растворе, и, следовательно, при очень малых концентрациях изотерма сорбции линейна. Величина коэффициента распределения зависит от природы второго обменивающегося иона, присутствия в растворе других ионов, в том числе мплексообразователей, кислотности раствора, температуры и давления.

Отношение коэффициентов распределения двух различных ионов в одних и тех же условиях называется коэффициентом разделения этих ионов в данных условиях.

Очистку соединений с помощью ионного обмена можно осу­ществлять разными способами. Если вещества-примеси содержат ионы с величиной заряда, отличающейся от величины заряда очищаемого элемента, то отделение основывается на том, что многозарядные ионы из разбавленных и умеренно концентри­рованных растворов поглощаются намного сильнее, чем ионы с меньшей величиной заряда. Так, если на сульфокатионитетипа КУ -2 или дауэкс -50 поглотить смесь щелочных, щелочноземельных и редкоземельных элементов, то при элюировании разбав­ленными растворами хлорной или соляной кислоты в первую очередь будут вымываться ионы щелочных металлов.

В более сложных случаях, когда необходимо разделить эле­менты, коэффициенты разделения которых близки к единице, чаще всего используют метод комплексообразовательной хроматографии. В этом случае весьма существенными становятся данные о составе, условиях образования и константах устойчи­вости различных комплексов разделяемых элементов.

В первом варианте все разделяемые ионы сначала поглоща­ются смолой. Затем производят их (разделение, пропуская (через колонку со смолой раствор комплексообразоаателя., который раздвигает -первоначально образовавшиеся близко расположен­ные зоны и последовательно вымывает их. При этом подбирают условия, наиболее благоприятные для комплексообравования (рН, температура, концентрация, скорость.пропускания раствора и т. п.). Все ионы вымываются в строго определенном порядке, который задается соотношением прочности связи данного иона со смолой с прочностью образующихся в фильтрате комплексов. Первыми вымываются те ионы, которые образуют наиболее прочные комплексы и слабее всего удержшваютоя смолой.

Во втором варианте комплексообразователь, добавляют к раствору, содержащему смесь разделяемых элементов, и в этом растворе создают условия, благоприятствующие комплексообразованию. Затем производят сорбцию этой смеси комплексов на соответствующем ионите, например, на анионите, если были получены анионные комплексы. При этом лучше все­го сорбируютоя наиболее прочные комплексы, которые имеют наибольшее сродство к смоле.

Чем больше различие констант устойчивости, использован­ных для разделения комплексов, тем полнее и эффективнее достигаемое разделение в обоих вариантах.

Знание констант устойчивости различного вида комплексов очень полезно также при выборе сорбентов, селективно погло­щающих определенные ионы. Известно, что во многих случаях сорбированные ионы образуют комплексные соединения со структурными элементами смолы. Очевидно, что чем более

прочные комплексы образуются в фазе смолы, тем большей (избирательностью в отношении данного иона будет обладать смола. В литературе имеется немного работ, посвященных изучению прочности комплексов с функциональными группами :молы. Поэтому, на практике при выборе селективного сорбента пользуются данными об устойчивости аналогичных комплексов в растворах.

Комплексообразование в фазе смолы объясняет, например, высокую избирательность карбоксильных и фосфатных катионов в отношении некоторых катионов. Установлен следующий порядок селективности фосфорнокислых смол в отношении катионов: Th⁴⁺ >U ⁴⁺ >UO₂ ²⁺ Fe³⁺ > редкоземельные элементы > Н⁺ > Сu²⁺ >Со²⁺ >Вa²⁺ >Na⁺ .

Известно также, что многие ионы образуют весьма прочные хелатные комплексы. Оказалось, что смолы, синтезированные (а основе хелатообразующих соединений, обладают весьма высокой избирательностью

по отношению к катионам различных металлов. Поведение хелатных ионитов во многих отношениях сходно с поведением обычных хелатных соединений. В частноси, образование хелатов в фазе ионита сильно зависит от рН и поглощение увеличивается с ростом рН раствора.

Аниониты также обладают способностью координационно связывать некоторые катионы, имеющие ярко выраженную тенденцию к образованию анионных комплексов.

1.Периодическая система и её закономерности как методологическая основа неорганического синтеза .