XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Иониты – твердые нерастворимые высокомолекулярные вещества, способные вступать в реакции ионного обмена, диссоциации и адсорбции, благодаря наличию в них специальных (ионогенных) функциональных групп. Ионный обмен, представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой (ионитов), обладающей способностью обменивать ионы, содержащей в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Выделяют два типа ионитов: катиониты (нерастворимые кислоты) – иониты, способные поглощать положительные ионы – и аниониты (нерастворимые основания) – иониты, способные поглощать отрицательные ионы. Явление ионного обмена, широко распространенное в живой и неживой природе, успешно используется во всех областях науки и производства. Иониты играют важную роль в современной аналитической химии. Они находят применение при разделении смесей ионов, концентрировании микроэлементов из чрезвычайно разбавленных растворов, в процессах получения и очистки растворов, реактивов, воды. [1]

Для аналитической химии наибольшее значение имеют такие основные физико-химические характеристики, как влажность, набухание, обменная ёмкость и селективность. Влажность (W, %) характеризует способность ионита поглощать влагу из воздуха. Её можно рассчитать на основании экспериментальных данных:

где m_о и m – масса ионита до и после сушки.

Набухание характеризует степень увеличения объёма ионита при контакте с водой или другим растворителем. Величина набухания зависит от степени сшивки высокомолекулярной матрицы ионита (относительного содержания дивинилбензола).

Ионообменная емкость – это количество ионов, зафиксированных в результате ионного обмена единицей массы ионита в состоянии насыщения. Этот параметр определяется экспериментально путем обработки известной массы катионита (анионита) в его Н⁺-форме (OH^--форме) избытком раствора, содержащего обмениваемый ион, после чего методом титрования устанавливается количество высвободившейся кислоты, если образец катионит, или щелочи, если анионит.

Под селективностью ионитов понимают его различную способность фиксировать ионы в зависимости от их природы. Селективность ионитов зависит от многих факторов: от природы как ионов, так и ионитов, от заряда ионов, от кислотности раствора. В общем случае большую способность к фиксации ионообменниками проявляют ионы, заряд и поляризуемость которых больше, а радиус гидратированного иона меньше:

K+ < Ca2+ <Al3+ <Th4+

Ca2+<Be2+=Mn2+<Mg2+<Zn2+<Cu2+=Ni2+<Co2+<Ca2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+

Ионообменные смолы используют как селективные носители для разделения близких по свойствам веществ. На основе свойств ионитов был разработан метод ионообменной хроматографии. Ионообменная хроматография – это задержание молекул веществ в неподвижной фазе, обусловленное их связыванием с поверхностью твердого гидрофильного материала сплошных или пористых гранул, находящихся в контакте с жидким элюентом (подвижной фазой). Неподвижную фазу образуют ионогенные группы ионитов. Кулоновским взаимодействием молекул вещества с этими группами обуславливается их задержание в неподвижной фазе. [2] Простейшая методика разделения заключается в поглощении смеси компонентов и последовательном элюировании (вымыванием подвижной фазой) каждого компонента подходящим растворителем. В качестве элюента берут раствор, содержащий любой из одноименно заряженных ионов, не прочно удерживаемых ионитом по сравнению с разделяемыми. Например, для сильнокислотных катионитов универсальными элюентами являются растворы сильных минеральных кислот, так как ионы Н⁺ являются наименее прочно сорбируемыми катионами. Возможно использование в качестве элюентов растворов ионов, соизмеримых по прочности сорбции с разделяемыми, например, растворов солей аммония при разделении ионов щелочных металлов.

Рисунок 1.Хроматограмма разделение на катионите Dowex-50 в NH4-форме ионов щелочных металлов при элюировании растворами NH4Cl [3]

С помощью ионитов также происходит отделение мешающих ионов. Например, ионы железа (III) и ионы калия мешают гравиметрическому определению сульфат-ионов, соосаждаясь с сульфатом бария. Чтобы устранить их влияние, раствор анализируемого образца пропускают через колонку с катионитом в Н+-форме и мешающие примеси обменивают на катионы водорода. После этого получают осадок сульфата бария, не содержащий посторонних катионов.

Важная область применения ионитов в аналитической химии и системе мониторинга качества окружающей среды – предварительная подготовка и хранение арбитражных проб воды и воздуха. Высокая способность сорбента к концентрированию целевого вещества на микроколонках – ионообменных концентраторах объемом 1–4 мл – позволяет решать проблемы предварительного концентрирования, арбитражного хранения и транспортировки проб до центральной аналитической лаборатории. При этом возможно и селективное групповое концентрирование ряда элементов с определением малых и следовых количеств вещества, а также определение супертоксикантов, действующие концентрации которых лежат далеко за пределами прямых аналитических определений. Иммобилизация ферментов на ионитах позволяет создавать тест-системы для определения токсичных агентов, обратимо или необратимо ингибирующих ферменты. Так, с помощью тест-системы с иммобилизованной уреазой удается оценить количество ионов тяжелых металлов на уровне 1–0,01 ppm, а высокотоксичных, например серебра и ртути, – 10–5–10–3 ppm. [4]

Часто возникает необходимость определить общую концентрацию электролитов в каких-либо экстрактах, содержащих смесь нескольких электролитов, вследствие сложности состава. Примерами таких определений могут служить анализы воды, почвенных экстрактов, вытяжек из растений, сывороток и так далее. В этом случае применяют H-катионит. Раствор пропускают через колонну катионита, и получаемый фильтрат титруют щёлочью. Однако, в некоторых случаях когда исходный раствор содержит гидраты окисей, карбонаты или бикарбонаты, для которых H-катионит не даёт эквивалентного количества кислоты, необходимо определить щелочность в исходном растворе.

При анализе смеси редкоземельных элементов в качестве критерия для определения природы смеси используют её средний атомный вес. Для определения этой величины используют способ осаждения оксалатов в параллельных образцах. Один из осадков титруют перманганатом, а другой прокалывает до окиси. На основании полученных таким образом данных можно вычислить вес смеси редкоземельных элементов, связанной определённой навеской щавелевой кислоты, а отсюда определить средний атомный вес анализируемой смеси. Этот способ упрощают, пропуская раствор смесей редкоземельных элементов через H-катионит, и титруют выделившуюся кислоту. Катионит затем прокаливают для получения остатка редкоземельных элементов. Средний атомный вес можно вычислить, как и по прежнему методу, по результатам титрования и весу окислов.

Во многих аналитических лабораториях, где проводятся анализы хлоридов калия и натрия, расходуется большое количество ценных реактивов: нитрата серебра, платина хлористоводородной кислоты и уранил ацетата. Установлено, что хромат и хлорид серебра, образующегося при титровании по Мору, можно регенерировать, пропуская смесь после титрования через H-катионит. Осадок растворяется, серебро остаётся на ионите и может быть удалено в форме нитрата следующим вымыванием при помощи нитрата кальция. Растворенный осадок хлороплатината калия и избытка платинохлористоводородной кислоты, полученный при количественном определении калия, может быть поглощен Cl-анионитом с последующей десорбции соляной кислотой. Избыток соляной кислоты удаляют концентрированием и выпариванием. Ион уранила в растворах уранила и осадках, образующихся при определении натрия, можно регенерировать адсорбцией на катионите с последующим выпариванием уксусной кислотой в виде уранилацетата. [5]

Таким образом, иониты используют во многих областях аналитической химии и с их помощью облегчаются процессы извлечения ионов.

Список литературы

1. Кириленко В.А., Паршаков Н.М., Боровская Л.В. ОРГАНИЧЕСКИЕ И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНИТЫ // Материалы XIII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: https://scienceforum.ru/2021/article/2018025505.

2. Смирнова Е. Е., Кисель А. В. Ионообменная хроматография. Общие сведения и понятия // Вестник науки. – 2019. – №3(12). – С. 80-89.

3. Ганеев А. А., Зенкевич И. Г., Карцова Л. А., Москвин Л. Н., Родинков О. В. Аналитическая химия. Методы разделения веществ и гибридные методы анализа: Учебник / Под ред. Л. Н. Москвина. – СПб.: Издательство «Лань», 2019. – 332 с.

4. Лейкин Ю. А. Физико-химические основы синтеза полимерных сорбентов [Электронный ресурс]: учебное пособие / Ю. А. Лейкин. — 3-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 416 с.). — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — (Учебник для высшей школы). — Систем. требования: Adobe Reader XI; экран 10".

5. Кунин Р. Майерс Р. Ионообменные смолы. [Текст] / Пер. с англ. А. Л. Козловского; Под ред. проф. Г. С. Петрова. - Москва: Изд-во «Иностранная литература», 2012. - 218 с.