Wymiana jonowa

UR, Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego
Wymiana jonowa
Każdą reakcję typu
można traktować jako wymianę jonową.
Powyższa definicja obejmuje zarówno przypadki, w których oba substraty znajdują się w tej samej fazie,
jak i takie, w których występują one w różnych fazach. Znaczenie praktyczne ma wymiana
heterogeniczna, a w szczególności na granicy faz ciało stałe-roztwór
stałe
(adsorpcja jonowymienna)
jonowymienna).
Związek zdolny do wymiany jonowej (wymiany własnych jonów związanych z centrami aktywnymi
jonitu), nierozpuszczalny w roztworze to wymieniacz jonowy (jonit,, sorbent jonowymienny)
jonowymienny).
Wymieniacze jonowe można ogólnie sklasyfikować według pochodzenia i sposobu ich otrzymywania
(nieorganiczne – naturalne, syntetyczne; organiczne – naturalne, półsyntetyczne, syntetyczne).
Naturalne wymieniacze jonowe to jonity pochodzenia mineralnego (np. uwodnione glinokrzemiany
glinokrzemiany,
dolomity, ligniny). Półsyntetyczne jonity to poddane odpowiednim przemianom chemicznym
wymieniacze jonowe pochodzenia naturalnego (np. węgiel sulfonowany,
sulfonowany, krzemiany metali ciężkich).
Jonity syntetyczne to syntetyczne glinokrzemiany i syntetyczne żywice organiczne
organiczne, które otrzymywane
są na drodze polimeryzacji, koopolimeryzacji lub polikondensacji odpowiednich monomerów
organicznych zawierających grupy funkcyjne zdolne do dysocjacji elektrolitycznej. Kolejnym kryteri
kryterium
klasyfikacji jonitów jest rodzaj grup jonowymiennych/funkcyjnych (kationity – wymieniające kationy –
słabo kwaśne, silnie kwaśne;; anionity – wymieniające aniony – słabo zasadowe, średnio zasadowe,
silnie zasadowe). Grupy funkcyjne kationitów to, np. sulfonowe, karboksylowe, fenylowe, tiofenolowe,
natomiast anionitów to, np. pierwszo-,
pierwszo drugo-, trzecio- i czwartorzędowe grupy aminowe.
Rys. 1. Jonit kationowy
Rys. 2. Jonit anionowy
1
Opracowała mgr inż. Joanna Kruk
UR, Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego
Praktyczna przydatność wymieniaczy uzależniona jest od spełnienia trzech podstawowych
warunków:
1. określona masa wymieniacza powinna posiadać zdolność wiązania stosunkowo dużej ilości
jonów, oznacza to, że pojemność wymieniacza powinna być dostatecznie duża,
2. proces wymiany powinien przebiegać dostatecznie szybko; ponieważ w procesie uczestniczy
cała objętość wymieniacza, oznacza to, że szybkość dyfuzji jonów musi być znaczna,
3. wymieniacz powinien wykazywać znaczną odporność na działanie chemiczne, nie może
rozpuszczać się w roztworze, z którym wymieniane są jony.
Z procesami wymiany jonowej z wykorzystaniem jonitów wiąże się szereg istotnych zjawisk
i efektów:
- Wymiana jonowa jest procesem równowagowym, a stan równowagi odpowiada wyrównaniu
potencjału termodynamicznego
jonów w fazie wymieniacza i w roztworze. Dla reakcji wymiany
zapisanej równaniem:
+
gdzie
i
⇌
(1) oznaczają kationy wymaniane, a
+
(1)
grupy jonowe związane ze szkieletem
wymieniacza.
- Jony o wyższej wartościowości i o mniejszym efektywnym promieniu szczególnie silnie są
wychwytywane przez wymieniacz jonowy. Świadczy to, że jony związane są głównie siłami oddziaływań
kulombowskich.
- Maksymalna liczba jonów, która może być związana, uwarunkowana jest pojemnością
wymieniacza (zdolnością wymienną – całkowita, robocza). Wielkość ta jest zazwyczaj wyrażana
w milirównoważnikach (mval) danych jonów na jednostkę masy (g) lub objętości (dm3) suchego jonitu.
- Dzięki wytworzeniu sie stanu równowagi, można – zmieniając stężenia jonów – prowadzić
wymianę w jednym lub w drugim kierunku. Oznacza to, że proces wymiany jest typowym procesem
odwracalnym i może być teoretycznie przeprowadzany nieograniczoną ilość razy.
- Czas potrzebny do osiągnięcia równowagi jest przede wszystkim uzależniony od szybkości
dyfuzji jonów na granicy faz oraz w ziarnach wymieniacza. Kinetyka procesu zależna jest także od
warunków prowadzenia wymiany.
- Wymieniacze jonowe jako związki wielkocząsteczkowe można zaliczyć do układów
koloidalnych. Jednocześnie są to typowe tzw. polielektrolity nierozpuszczalne. W związku z tym
obserwuje się wiele ciekawych zjawisk fizykochemicznych, charakterystycznych dla tego typu układów.
2
Opracowała mgr inż. Joanna Kruk
UR, Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego
Kinetykę reakcji wymiany jonowej (1) w warunkach statycznych można opisać równaniem
kinetycznym, które przypomina kinetykę prostych reakcji II rzędu:
=
gdzie
,
∙
– ubytek stężenia jonu A lub B po czasie
∙
(
)
(
)
w roztworze,
(2)
- początkowe stężenie jonów A,
- stężenie jonów B w stanie równowagi.
Wyznaczenie stałej szybkości reakcji wymiany jonowej dla kationitu
(Amberlit IRC-50) metodą statyczną.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej szybkości reakcji zgodnie z równaniem (2) dla
wymiany
RH + K+ ⇌ RK + H+ w warunkach „statycznych”, tj. dla wymieniacza zawieszonego
w roztworze przy zachowaniu intensywnego mieszania. Przebieg wymiany śledzony jest za pomocą
pH-metru jako wskaźnika zmian stężenia jonów w roztworze. Przedmiotem badań jest słabo kwaśny
kationit (karboksylowy) Amberlit IRC-50.
Aparatura i elementy stanowiska
pH-metr,
mieszadło magnetyczne z płytą grzewczą,
mieszadło mechaniczne,
zlewka szklana o pojemności 250cm3,
mieszadełko magnetyczne,
mieszadło szklane łopatkowe,
stojak laboratoryjny + łapy laboratoryjne.
Odczynniki
0,01n roztwór KCl,
wymieniacz jonowy Amberlit IRC-50.
3
Opracowała mgr inż. Joanna Kruk
UR, Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego
Wykonanie ćwiczenia
0,25g suchego Amberlitu IRC-50 wprowadzić do 100cm3 0,01n roztworu KCl intensywnie
mieszanego za pomocą mieszadła magnetycznego lub mechanicznego w stałej temperaturze 20°C. Nie
wyłączając mieszadła należy odczytywać wartość pH roztworu w funkcji czasu aż do ustalenia się
wskazań pH-metru, co następuje po upływie około 1 godziny. Intensywne mieszanie jest wymagane
zwłaszcza w okresie początkowym, gdyż wtedy konieczne jest możliwie szybkie zwilżenie powierzchni
ziaren jonitu.
Wykonanie sprawozdania
1. Wykonać wykres zależności
∙
(
)
(
)
od czasu .
2. Obliczyć stałą szybkości reakcji .
3. Wnioski.
Literatura
1. Sobczyk, L., Kisza, A., Ganter,K., Koll, A. Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1982.
2. Kowal, A. L., Świderska-Bróż, M. Oczyszczanie wody, PWN, Warszawa – Wrocław 1996.
3. Tremillon, B. Jonity w procesach rozdzielczych, PWN, Warszawa 1970.
4
Opracowała mgr inż. Joanna Kruk