Ионная адсорбция из растворов на твердых адсорбентах.

В растворах сильных электролитов растворенные вещества присутствуют в виде ионов, поэтому на поверхности твердого адсорбента из таких растворов будут адсорбироваться ионы. Ионная адсорбция протекает на поверхности твердых адсорбентов с полярной структурой, т.е. имеющих кристаллическую решетку из ионов или полярных молекул.

Ионная адсорбция имеет ряд характерных особенностей.

1. Адсорбция потенциалопределяющих ионов вызывает возникновение у поверхности адсорбента определенного заряда, который притягивает из раствора противоположно заряженные ионы. В результате на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой.

2. Скорость ионной адсорбции существенно меньше скорости молекулярной адсорбции вследствие того, что гидратированные ионы движутся к поверхности медленнее, а разрушение их гидратной оболочки происходит с трудом.

3. Ионная адсорбция может приводить к химическому взаимодействию с поверхностью адсорбента, т.е. превращаться в хемосорбцию, поэтому она не всегда обратима.

4. Адсорбируемость ионов зависит от величины их заряда, радиуса и степени гидратации. При равенстве заряда лучше адсорбируются ионы с большим радиусом, так как они менее гидратированы. По величине адсорбции ионы располагаются в так называемые лиотропные ряды. Например, лиотропные ряды однозарядных катионов и анионов для водных растворов выглядят так:

Li⁺ < Na⁺< K⁺< NH₄⁺< Rb⁺< Cs⁺

Увеличение радиуса иона

Увеличение адсорбции

F^- < Cl^-< Br^-< I^-< CNS^-

Увеличение радиуса иона

Увеличение адсорбции

Многозарядные ионы адсорбируются лучше однозарядных (за исключением катиона Н⁺):

Na⁺ < K⁺< NH₄⁺< Mg²⁺< Ca²⁺< Ba²⁺< Al³⁺< Fe³⁺< H⁺

Увеличение адсорбции

5. Если в растворе присутствуют ионы, входящие в состав твердого адсорбента, то ионная адсорбция приобретает избирательный характер, описываемый правилом Панета - Фаянса - Пескова, согласно которому на поверхности кристалла преимущественно адсорбируются те ионы, которые входят в состав кристаллической решетки адсорбента (или изоморфны им по строению) и могут достроить кристаллическую решетку.

Например, если реакцию получения осадка хлорида серебра

mAgNO₃ + mKCl ® mAgCl¯ + mKNO₃

проводить с эквивалентными количествами реагентов, то на поверхности осадка будут адсорбироваться и катионы, и анионы так, что поверхность осадка не будет заряжена (эквивалентная адсорбция). Однако при избытке одного из реагентов в результате избирательной адсорбции одноименных ионов поверхность кристаллов осадка будет приобретать характерный для этих ионов заряд (избирательная адсорбция). При избытке AgNO₃ этот заряд будет положительным вследствие адсорбции катионов Ag⁺:

(m + n)AgNO₃ + mKCl ® [mAgCl · nAg⁺]¯ + nNO₃^- + mKNO₃

При избытке KCl заряд поверхности кристаллов будет отрицательным из-за адсорбции анионов Cl^-:

mAgNO₃ + (m + n)KCl ® [mAgCl · nCl^-]¯ + nK⁺ + mKNO₃

Важной разновидностью ионной адсорбции является ионообменная адсорбция.

Ионообменная адсорбция - процесс эквивалентного обмена собственных ионов нерастворимого адсорбента, посылаемых в раствор, на другие ионы того же знака, находящиеся в растворе.

Адсорбенты, способные к обмену ионами с раствором, называют ионитами. В зависимости от знака ионов, которые обменивают иониты, их подразделяют на катиониты и аниониты.

Катиониты представляют собой нерастворимые многоосновные полимерные кислоты естественного или искусственного происхождения, способные к обмену катионов. Чаще всего используют обмен катионов Н⁺ катионита на эквивалентное количество других катионов. Например, для уменьшения жесткости воды, связанной с наличием в ней растворимых солей магния и кальция, воду пропускают через катионит в Н⁺-форме. При этом катионит адсорбирует катионы кальция и магния:

[Kat]· 2n H⁺ + nCa²⁺ ⇄ [Kat] · nCa²⁺ + 2nH⁺

Аниониты представляют собой нерастворимые многокислотные полимерные основания, способные к обмену анионами, например:

[An](OH)_n^- + nCl^- ⇄ [An] · nCl^- + nOH^-

Иониты имеют ограниченную адсорбционную емкость, определяемую количеством подвижных ионов в их составе, способных к обмену. Однако отработанный ионит можно регенерировать и использовать многократно: для этого использованные катиониты обрабатывают раствором кислоты, переводя их в Н⁺-форму, а использованные аниониты - раствором щелочи, переводя их в ОН^--форму.

Ионообменная адсорбция успешно используется для очистки воды, для удаления Са²⁺ при консервировании крови, детоксикации организма при различных отравлениях. Ионообменными свойствами обладают ткани растений и животных. Почва представляет собой сложный природный катионит, который способен удерживать катионы, необходимые для нормального питания растений.