ИОННЫЙ ОБМЕН

ИОННЫЙ ОБМЕН, обратимый процесс стехиометрич. обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Обычно одна из фаз р-р электролита, другая - ионит. Диссоциация ионогенной группы ионита дает ионную пару, "фиксированный ион" к-рой ковалентно связан с каркасом (матрицей) ионита, а "противоион" подвижен и может обмениваться на ионы одноименного заряда, поступающие из "внешнего" р-ра. Благодаря эквивалентности обмена ионами обе фазы сохраняют электронейтральность в течение всего процесса. Принято рассматривать ионный обмен как гетерог. хим. р-цию обмена и количественно характеризовать ее одной из трех констант равновесия К: концентрационной (не учитывает коэф. активности компонентов); кажущейся (учитывает коэф. активности только в р-ре); термодинамической (учитывает коэф. активности в р-ре и фазе ионита). К определяют из ур-ния Никольского:

K = (c1/a1)1/z1(a2/c2)1/z2

где c1 и с2 - концентрации или активности противоионов 1 и ионов 2 в равновесном р-ре, a1 и а2 - концентрации или активности ионов 1 и 2 в равновесной фазе ионита, z1 и z2 - зарядовые числа ионов. Изменение термодинамич. потенциала Гиббса в ходе ионного обмена подчиняется ур-нию: DG = — RTlnK. В процессе ионного обмена меняется также объем сорбента Q, совершается работа А изотермич. расширения (сжатия), причем A = pDQ, где p - осмотич. давление в фазе сорбента; поэтому суммарное значение DG = - RTlnK - pDQ. Однако в подавляющем большинстве случаев вторым членом ур-ния можно пренебречь. В простейшем случае ионного обмена система содержит два типа обменивающихся ионов и, следовательно, характеризуется четырьмя равновесными концентрациями (для каждого иона в р-ре и в ионите). Все задачи решаются на основе системы четырех ур-ний: баланса, изотермы ионного обмена, эквивалентности обмена и электронейтральности. Задачу нахождения К можно свести к эксперим. определению равновесной концентрации с одного компонента в р-ре. В случае обмена однозарядных ионов справедливо ур-ние а = Ка0с/[с0 + (К — 1)с], где а - равновесная концентрация иона в фазе ионита, а0 - обменная емкость ионита, с0 - концентрация исходного р-ра. Это ур-ние иллюстрирует связь вида изотермы со значением К (рис. 1).
Изотермы ионного обмена для систем с различными значениями констант равновесия
Рис. 1. Изотермы ионного обмена для систем с различными значениями констант равновесия0 - исходное кол-во в-ва, m - масса р-ра, v - объем р-ра).