Задание 5. Адсорбция красителей

Дата: 2025-06-14; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Приготовить 6 чистых и сухих пробирок, пронумеровать их. В пробирки №1-3 вно­сят по 0,25 г измельченного активированного угля, который является гид­рофобным адсорбентом. В пробирку №1 с углем по заданию преподавателя наливают 5 мл разбавленного и слабо окра­шенного водного раствора кислотного кра­сителя (пикриновой кислоты, эозина, или флуоресцеина). В пробирку №2 с углем по заданию преподавателя наливают 5 мл разбавленного водного раствора основного кра­сителя (фуксина, бриллиант-зеленого, метиленового голубого, метилового фиолетового и др.). В пробирку №3 с углем по заданию преподавателя наливают 5 мл спиртового раствора какого-либо красителя.

Смеси в пробирках многократно взбалтывают, затем дают отстояться и через 10-15 мин каждый раствор фильтруют через бумажный фильтр в чистые пробирки под теми же номерами. После фильтрации водных окрашенных растворов жидкость в пробирках №1 и №2 окажется бесцветной или окрашен­ной слабее, чем исходный раствор. Отметить, что в пробирке №3, где находился спиртовой раствор, окраска после фильтрации практически не изменится, т.е. адсорбция не происходит.

Фильтры №1 и №2 с содержимым перенести в фарфоровую чашку и добавить 2-5 мл спирта. Убедиться в том, что происходит десорбция красителя из адсорбента, а раствор окрашивается в соответствую­щий цвет. Результаты записать в рабочую тетрадь.

Аналогичные опыты проводят, используя в качестве адсорбентов мел (СаCO₃), силикагель, кварцевый песок (SiO₂), сухую глину, льнокостру. Сопоставляют полученные результаты с данными предыдущего опыта. В выводах дают объяснение полученным результатам.

8 . ИОННЫЙ ОБМЕН. ИОНИТЫ

Ионный обмен – это обратимая химическая реакция обмена ионами между адсорбентом (твердым веществом - ионитом) и раст­вором электролита. Процесс ионного обмена происходит в соответствие со следующими уравнениями:

ВН _тв. + МеАn _р-р → ВМе _тв. + НАn _р-р (8.1)

или

ВОН _тв. + МеАn _р-р → ВАn _тв. + МеОН _р-р (8.2)

где ВН и ВОН — твердые вещества (иониты) соответственно кис­лотной и основной природы, МеАn — свободная соль, ВМе — новая соль и НАn — новая кислота.

В результате протекания реакции (8.1) концентрация катионов водорода [H⁺] увеливается и раствор подкисляется (рН < 7). В ходе реакции (8.2) наоборот концентрация [H⁺] в растворе уменьшается, но увеличивается концентрация [OH^-] и раствор становится более щелочным (рН > 7).

В соответствие с законом действующих масс для кислотной формы ионита можно записать уравнение для константы равновесия реакции ионного обмена:

К = [H⁺] _{р-р *} [Me⁺] _тв. / [Me⁺] _{р-р *} [H⁺] _тв.

Аналогичное уравнение можно записать для щелочной формы ионита:

К = [An ^-] _{тв. *} [ОH ^-] _р-р / [An^-] _{р-р *} [OH^-] _тв.

Знание константы равновесия ионного обмена необходимо для того, чтобы узнать, в какую сторону смещается равновесие реакции ионного обмена. В природе мы часто встречаемся с ионитами природного происхождения: древесина, целлюлоза, хлопковые и льняные волокна, цеолиты, глины, торф, органическое вещество почвы. Иониты бывают с волокнистой структурой — некото­рые цеолиты (натролит, эдингтонит, сколецит, томсонит), глинный минерал аттапульгит (палыгорскит). Различают также аморфные иониты: аморфные алюмо­силикаты (пермутиты), силикагель, стекла. Среди глинных минералов широко распространены вермикулит и вермикулитоподобные минералы почв, которые обладают высокой селектив­ностью к ионам К⁺, NH₄⁺, Rb⁺ и Cs⁺.

К синтетическим ионитам относятся ионнообменные пластмассы (смолы), которые делятся на две группы: катиониты и аниониты. Катиониты обменивают свои катионы на катионы солей жидкой фазы, а аниониты – на соответстующие анионы. Катио­ниты содержат в своем составе активные группы: SО₃H– и СН₂SO₃H–, фенольные группы, ОН^–, карбоксильные —СООН, остаток кремниевой кислоты —SiOOH и др. Аниониты содержат группы: –NH₂, –NH–, –N≡. Каркас катионита имеет отрицательный заряд, а каркас анионита – положительный заряд.

Для количественной характеристики ионитов используют емкость обмена, которая характеризует суммарное количество противоионов (в эквивалентах) приходя­щееся на единицу массы сухого ионита. Максимальная емкость обмена теоретиче­ски должна точно соответствовать чис­лу функциональных групп в ионите, способных к ионному обмену, однако на практике это не достигается из-за наличия стерических и кинетиче­ских факторов (размеры иона, высокая степень сшивки, малый диаметр пор и т.д.).

Экспериментально емкость обмена определяют, обрабатывая ионит раствором электролита избыточной концентрации с последующей отмыв­кой избыточного количества электролита растворителями.

Почвы, глины и грунты характеризуются меньшей емкостью обмена по сравнению с синтетическими ионитами.

Как правило, для сильнокислотных и сильноосновных ионитов емкость практически не зависит от природы, концентрации и рН насыщаю­щего раствора (рис. 26).

рН рН

Рис. 26. Зависимость емкости обмена некоторых катионитов от рН

1 - монофункциональный катионит с сильнокислотными сульфогруппами; 2 - монофункциональный ионит с карбоксильной группой; 3 - бифункци­ональный катионит с сильнокислотной сульфогруппой и очень слабокис­лотной фенольной группой; 4 - катионит с фосфорнокислотной бифунк­циональной группой; 5 - каолин; 6, 7 - почвы; 8 - монтмориллонит (по Ю.А. Кокотову, 1980)

Более сложно протекает ионный обмен на слабокислот­ных и слабоосновных ионитах. Для них емкость обмена от кислотно­сти раствора (рН), общей концентрации и природы противоионов в растворе, что связано, в первую очередь, с изменением степени диссоциации функциональных групп (рис. 26, кривая 2). У природных ионитов в силь­нокислой и сильнощелочной среде происходит частич­ное разложение алюмосиликатной основы, что влияет на показатели измерений емкости. Для природных ионитов емкость характеризуют величиной при определенном зна­чении рН (например, для почв рН = 6,4 или рН = 7).

При использовании ионитов для разделения компонентов смеси применяют понятия избирательности и степени извлечения компонента. Например, для сравнения избирательности сорбции ионов и степени извлечения иона из раствора используют следующий прием. Сор­бент в равновесных условиях обогащают этим компонентом (ионом) по сравнению с раствором. Мерой обеднения или обогащения сорбента является коэффи­циент распределения К_р (частное от деления):

К_р = [Meⁿ⁺]_{сорбент} / [Meⁿ⁺]_р-р

где [Meⁿ⁺]_{сорбент} - концен­трации компонента (иона) в сорбенте, [Meⁿ⁺]_р-р - концентрация компонента (иона) в растворе. При К_р < 1 сорбент обеднен компонентом, а при К_р > 1 - обогащен компонентом (ионом) по сравнению с раствором.

На практике, как правило, отделяют один ион от других ионов раствора, т.е. происходит обо­гащение ионита этим ионом и обеднение другими присут­ствующими ионами. Для оценки избирательности (селективности) используют коэффициент избирательности К_изб равный отношению коэффициентов распределения конкурирующих ионов.

К_изб = К_р^I/ К_р^II

Верхний индекс (I и II) относится к первому и второму ионам. При К_изб > 1 ионит избирателен к иону I по сравнению с ионом II, а при К_изб< 1 из раствора избирательно сорбируется ион II. При К_изб = 1 ионит не обладает селективностью ни к одному из ионов, и разделить эти ионы невозможно в данных условиях. При малых значениях К_изб используют различные технические приемы, например, удлиняют разделительную колонну, наполненную ионитом, а также с помощью различных вариан­тов хроматографического метода разделяют ионы с относительно малой разницей в избирательности.

Иониты часто проявляют высокую избира­тельность по отношению к какому-нибудь одному иону или к группе близких по свойствам ионов по сравнению с многими другими, т.е. наблюдается так называемая специфичность ионита. Это явление, как правило, связано с особенностями химического взаимодействия данного иона или группы ионов с ионитом. Специфичность ионита поз­воляет эффективно выделять из раствора необхо­димые ионы.

Биологическое значение

Иониты находят широкое применение во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют для полной деминерализации природных вод, очистки сточных и загрязненных вод, минеральных и синтетических масел, горючего, сахарного сиропа, плодово-ягодных соков, вина, приготовления лекарственных препаратов, выделения или концентрирования редких металлов (никеля, ко­бальта, меди, сурьмы, мышьяка, золота, молибдена, вольфрама, свинца, цинка и др.), в различных технологических процессах в химической промышленности, в ядерной энергетике при выделении, очистке и переработке сырья для ядерных реакторов, разделении радиоактивных продуктов ядерных реакций и получении чистых радиоактивных изотопов;

Например, при помощи ионитов проводят разделение амино­кислот на группы и выделение чистых препаратов. В основе этого метода лежат следующие уравнения:

для катионитов

RH + NH₂CHR’COOH ↔ RNH₃CHR’COOH

и для анионитов

RNH₂*HX + HZ ↔ RNH₂HZ + HX

где RNH₂- HX — анионит; HZ — аминокислота.

К крупным потребителям ионитов относится пищевая промышленность и сахароварение, где ионный обмен используют для по­лучения и очистки лимонной, молочной, яблочной, щавелевой и других органических кислот из природного сырья; обесцвечивания сахарных сиропов, умягчения соков. Не обойтись без ионитов в космосе, а также в различных замкнутых системах, например, в подводных лодках, где необходимо очищать и осушать воздух, перерабатывать отходы жизнедеятельности человека, выращивать растения на искусственных почвах.

Важную роль играет ионный обмен в процессах минерального питания растений. Большинство природных ионитов (глины, гуминовые и многие другие вещества неорга­нического и органического происхождения) находится в коллоидном состоянии.

Для ряда электрохимических процессов, производства щелочей и хлора, электродиализа, обессоливания морской воды, выпуска аккумуляторов и т.п., широко применяют ионооб­менные мембраны из ионитов в форме тонких пластин. В состав ге­терогенных мембран входит порошок ионита и связующее (полиэтилен, каучук, поливинилхлорид т.п.). Состав гомогенных мембран однороден и состоит из ионообменной смолы, которую в некоторых случаях ар­мируют химически инертной сеткой из ткани или стекловолокна. Мембраны обладают меньшей обменной емкостью по сравнению с ионообменными смолами, они слабо набухают в воде и стабильно сохраняют размеры мембран.

Ионный обмен в биологических системах изучают давно. Ионоообменными свойствами обладают корни растений, где на поверхности корневых волосков происхо­дит обмен ионов металлов с выделяемыми корнями ионами водорода. Этот процесс лежит в основе сложного процесса поглощения ионов из почвы рас­тениями. Экспериментально доказано, что корень растения ведет себя как водородный электрод и его элект­рический потенциал изменяется с изменением рН пита­тельного раствора в соответствии с уравнением Нернста.

Тка­ни растений при нормальных условиях также обладают катионообменными свойства­ми. Величина обменной емкости может составлять от 1 до 40 мг-экв/100 г, а изолированных оболочек растительных клеток — 12-26 мг-экв/100 г. Ионообменными свойствами обладают структурные элементы расти­тельных клеток (митохондрии, пласти­ды и т.п.). Установлена амфотерность многих структурных элементов, перезарядка которых и пере­ход к анионному обмену происходит в слабокислой среде (рН = 3-4).

Катионообменные свойства этих структур обусловлены наличием в основном карбоксильных и фосфорно­кислыехгрупп, анионообменные — аминогруппами белков. В ионообменных процессах растений и живых организмах важна роль процессов комплексообразования (хелатообразования) с участием карбоксильных, амино- и имидазольных групп.

Ионный обмен — важная часть сложных биохимических механизмов. Так у многих ферментов свойства каталитического центра определяются находящимся в нем катионом (металлоферменты), либо анионом. Эти ионы удержи­ваются электростатическими силами, коор­динационными связями и способны к обмену на другие ионы. При замене одних ионов на друние меняется струк­тура и свойства каталитического центра, что приводит к ослаблению или полной потере каталитических свойств фермента. Аналогичный эффект наблюдается при изменении рН раствора, влияющем на диссоциацию функциональных групп белковых цепей фермента и на форму молекулы бел­ка в целом. По этой причине ферменты действуют лишь в определенном интервале рН.

В биологических мемб­ранах ионный обмен осуществляется как за счет диффузии, так и против градиента концентраций. Переносят ионы через мембрану белки, обладающие в раз­личных состояниях неодинаковой селективностью к обменивающимся ионам (в случае так называемого «натриевого насоса» — к ионам Na⁺ и К⁺). Состояние белка-переносчика может изменяться за счет взаимодействия в клетках с молекулами аденозинтрифосфата.

На основе ионообменной адсорбции русским химиком М.С. Цветом раз­работан метод хроматографического анализа, при помощи которого проводят исследования аминокислотного состава пищевых продуктов.

Вопросы для самоконтроля

1. К какому типу реакций относится реакция ионного обмена.

2. Запишите константу равновесия реакции ионного обмена для катионита и анионита.

3. Какие катионы будут предпочтительнее поглощаться катионитами: одно-, двух- или трехзарядные?

4. Если катионы имеют одинаковый заряд, то какие из них в зависимости от радиуса иона будут предпочтительнее поглощаться катионитами: Na⁺ или K⁺, Mg²⁺ или Ca²⁺, Al³⁺ или Fe³⁺?

5. Какие существуют типы ионитов?

6. Чем отличаются по составу катионитов от анионитов?

7. Что такое коэффициент распределения, и каков его физический смысл?

8. Каков физический смысл коэффициента избирательности?

9. В каких областях промышленности используют ионный обмен?

Экспериментальная часть