Обмен в химии это: Реакции обмена — урок. Химия, 9 класс.

Содержание

8. Реакции ионного обмена и условия их осуществления.

Реакции ионного обмена и условия их осуществления

Теоретический материал

Реакция ионного обмена — один из видов химических реакций, характеризующаяся выделением в продукты реакции воды, газа или осадка. Химические реакции в растворах электролитов (кислот, оснований и солей) протекают при участии ионов. Если такие реакции не сопровождаются изменением степеней окисления, они называются реакциями двойного обмена.

Реакцию обмена в растворе принято изображать тремя уравнениями: молекулярным, полным ионным и сокращённым ионным. В ионном уравнении слабые электролиты, газы и малорастворимые вещества изображают молекулярными формулами.

Na2CO3 + H2SO4 → Na

2SO4 + CO2↑ +H2O

2Na+ + CO32- + 2H+ + SO42- → 2Na+ + SO42- + CO2↑ + H2O

2H+ + CO32-   → CO2↑ + H2O

1.  При написании ионных уравнений следует обязательно руководствоваться таблицей растворимости кислот, оснований и солей в воде, то есть обязательно проверять растворимость реагентов и продуктов, отмечая это в уравнениях.

2.  Следует иметь в виду, что реакции двойного обмена между солями с образованием осадков протекают во всех тех случаях, когда растворимость реагентов выше, чем растворимость одного из продуктов.

3.  Для получения малорастворимого вещества всегда надо выбирать хорошо растворимые реагенты и использовать достаточно концентрированные растворы.

Для составления уравнений реакций ионного обмена необходимо помнить следующее:

1.   Диссоциации не подвергаются: оксиды, газообразные вещества, вода, нерастворимые в воде соединения

2.   Реакция ионного обмена идёт до конца если образуется: газ, осадок, вода



Урок химии в 8-м классе «Реакции обмена»

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Основная цель урока: Развитие знаний учащихся о химических реакциях при формировании представлений о реакции обмена.

Задачи урока

  • Образовательная: ввести основное понятие-реакция обмена, сформировать понятие реакции нейтрализации, как частного случая реакции обмена. Продолжить формирование умения записывать уравнения и предвидеть продукты реакций обмена. Научить сравнивать конкретные уравнения реакций и узнавать тот или иной тип реакций. Дать первоначальное понятие об условиях течения реакций между растворами (правило Бертолле). Продолжить отработку навыков и умений в составлении формул веществ, схем химических реакций.
  • Воспитательная: воспитывать чувство ответственности за свои действия в процессе обучения, при проведении лабораторных опытов, соблюдение правил техники безопасности при работе с химическими веществами.
  • Развивающая: развивать химический язык, культуру речи, взаимоотношения. Способствовать развитию умений анализировать и обобщать, делать выводы в процессе беседы, демонстрации эксперимента, лабораторного опыта, развивать умения работать с таблицей растворимости, работать в парах, развивать умения применять имеющиеся знания в новой ситуации посредством составления уравнений.

Оборудование и реактивы: держатель для пробирок, CuO, растворы HCl, H2SO4, CuSO4, NaOH, Na2SO4, BaCl2, KCl, фенолфталеин, компьютер, проектор, ПСХЭ, таблица растворимости; на партах учеников инструктаж по технике безопасности и р-ры HNO3 и Na2CO3.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Подготовка к основному этапу усвоения учебного материала.

2.1. Проверка домашнего задания: (3 ученика у доски)

 Закончите уравнения реакций, укажите тип реакции.
А) Li + O2 → ?      Б)  HgO →?        В) Zn + CuSO4 →
2.2. Фронтальный опрос:

  1. Изучению какой темы мы посвятили последние несколько уроков?
  2. Что такое химическая реакция?
  3. По каким признакам можно судить, что происходит химическая реакция?
  4. Назовите условия, необходимые для возникновения химических реакций.
  5. Какие типы химических реакций вы знаете?
  6. Какая реакция называется реакцией соединения? Разложения? Замещения?

     Далее слушаем ответы учеников у доски.
Затем учитель предлагает определить типы химической реакции (на слайде записаны):

  1. 2Cu+O2=2CuO
  2. Zn(OH)2=ZnO+H2O
  3. Mg+H2SO4=MgSO4+h3
  4. 2NaOH+H2SO4=Na2 SO4+2H2O

Идет обсуждение.
Вопрос: Как вы думаете, к какому типу относится последняя химическая реакция?

Ученики затрудняются определить тип 4 реакции.
Учитель: Это-наша новая тема, то есть эта реакция является реакцией обмена, о  которой мы сегодня узнаем.
Ученики в тетрадях записывают тему урока:»Реакции обмена».

3. Усвоение новых знаний и способов действий.

Учитель: Ребята, давайте попробуем самостоятельно вывести определение реакции обмена. Запись в тетрадь: Реакции обмена-это реакции, протекающие между двумя сложными веществами, в результате чего они обмениваются своими составными частями.

3.1. а) Демонстрация опыта (NaOH и HCl).

Беседа с классом:

  1. Какая химическая связь в NaOH?
  2. Какие частицы образуются в растворах гидроксида натрия и соляной кислоты?
     (В р-ре гидроксида натрия Na+ и OH , а в растворе соляной кислоты H
    +
    и Cl).
  3. Какие это ионы по составу? По заряду?

      (Na+, Cl и H+ -простые, а ОН -сложный; Na+ и H+ -катионы, а ОН и Cl -анионы).
Запись уравнения реакции

Na+OH + H+Cl = Na+Cl + H+OH
2О)
Вопрос классу:
1)Какая среда в  растворе гидроксида натрия? (Ответ:щелочная).
2)Какая среда в растворе кислоты? (Ответ: кислотная).
3)Какая среда в воде? (Ответ: нейтральная).

щелочная +кислотная =нейтральная
среда       среда           среда
(     ОН    +       Н+      =   Н2О  )

Учитель: Ребята, а какое еще можно дать определение реакции обмена, если реакция протекает между веществами в растворе?  

Вывод: Тип реакции-реакция обмена (обмен ионами).
              Вид реакции-реакция нейтрализации.
(Ученики сами формулируют понятия).

3.2.  б) Демонстрация реакции между нерастворимым основанием и кислотой:
гидроксидом меди (II) и соляной кислотой.

Учитель перед учениками выставляет проблему:
Мы рассмотрели реакцию растворимого основания с кислотой. А будет ли реакция протекать между нерастворимым основанием и кислотой? И будет ли она относится к реакции нейтрализации?

1) Получение нерастворимого основания Cu(OH)2
Запись уравнения реакции учеником:

СuSO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + Cu(OH)2
2) Демонстрация реакции между нерастворимым основанием и кислотой:
гидроксидом меди (II) и соляной кислотой.

На доске ученик записывает уравнение реакции
Cu(OH)2+2HCl=CuCl2+2H2O

Ученики рассуждают и приходят к выводу, что реакция между нерастворимым основанием и кислотой не является реакцией нейтрализации, но нейтрализовать кислотой нерастворимое основание можно.

3.3.Учитель: Назовите в каких классах соединений мы встречаем ионную связь?
(Ответ: ионная связь в солях и основаниях).
Учитель перед учениками выставляет новую проблему.
Вопрос: А будет ли протекать реакция, т.е. обмен ионами а) между солями?
б) солью и кислотой?

Демонстрация:
А) Na2SO4 и BaCl2      Б)  Н2SO4  и BaCl2
Уравнения записывают ученики. Работают с таблицей растворимости.

 Na2SO4 + BaCl2 = 2NaCl + ↓BaSO4    

  Н2SO4  + BaCl2 = 2HCl + ↓BaSO4    

3.4. Лабораторный опыт.

Инструктаж по ТБ
Ученики проводят реакцию между Na2CO3 и HNO3
Записывают уравнение реакции, работают с таблицей растворимости, рассуждают.

Подводится итог этой части урока. Ученики делают вывод: реакции обмена протекают между сложными веществами, т.е. между основаниями и кислотами, солями и щелочами, солями и кислотами, между солями.

3.5.

Учитель перед классом ставит  проблемный вопрос:
Будет ли протекать реакция между оксидами металлов и кислотами?
Демонстрируется взаимодействие оксида меди(II) с раствором серной кислоты при нагревании.
Ученик на доске записывает уравнение реакции:
CuO +  Н2SO4  = CuSO4 + H2O

3.6. Условия течения реакций между растворами до конца.
Эта часть урока дается только на предмет возможности протекания реакций между растворами до конца.
Учитель перед классом ставит проблемный вопрос:
Все ли реакции, протекающие в растворах между двумя сложными веществами, будут протекать до конца?
Правило Бертолле (слайд). Газ, осадок, вода.

3.7. Демонстрация опыта: NaOH и KCl

NaOH + KCl ≠ NaCl + KOH

Ученики фиксируют, что нет признаков реакции, записывают уравнение реакции, работают с таблицей растворимости, делают вывод, что данная реакция не идет до конца, т.к. не происходит связывания ионов.

4. Закрепление и применение полученных знаний.

Игра «Что лишнее?» (На слайдах).
1. 2Н2  +  О2 =  2Н2О                            3. NaOH + HCl = NaCl + H2O
СаО + СО2 = СаСО3                             Zn(OH)2 = ZnO +H2O
СuО + Н2 = Cu + Н2О                           2H2O = 2H2 + O2

2. MgCO3 = MgO + CO2                      4.  CuO + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + H2O
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2                      CuSO4 +Zn = ZnSO4 + Cu
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2                  NaOH + HCl = NaCl + H2O

5. Рефлексия.
Учитель задает вопрос: Что нового вы узнали на уроке?

6. Подведение итогов занятия.

Подведем итоги нашего урока-точно сформулируем понятия:

  • Реакция обмена
  • Реакция нейтрализации
  • Условия течения реакции между растворами до конца

7. Домашнее задание:
Учебник: О.С.Габриелян. Химия 8 класс. Дрофа 2007.
§32, № 3 (а), № 4(в,г,д), №6(задача).

Реакции ионного обмена » HimEge.ru

В разбавленных растворах электролитов (кислот, оснований, солей) химические реакции протекают обычно при участии ионов . При этом все элементы реагентов могут сохранять свои степени окисления ( обменные реакции ) или изменять их ( окислительно – восстановительных реакции ).
В соответствии с правилом Бертолле , ионные реакции протекают практически необратимо, если образуются твердые малорастворимые вещества (они выпадают в осадок), легколетучие вещества (они выделяются в воде газов) или растворимые вещества —  слабые электролиты (в том числе и вода). Ионные реакции изображаются системой уравнений – молекулярным , полным и кратким ионным . Ниже полные ионные уравнения опущены.
При написании уравнений ионных реакций надо обязательно руководствоваться таблицей растворимости .
Примеры реакций с выпадением осадков:
a)   Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2H 2 O
Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4
б)  AgNO 3 + KI = AgI↓ + KNO 3
Ag + + I = AgI↓
в) MgCl 2 + 2KOH = Mg(OH) 2 ↓ + 2KCl
Mg 2+ + 2OH = Mg(OH) 2
г) 3Zn(CH 3 COO) 2 + 2Na 3 PO 4 = Zn 3 (PO 4 ) 2 ↓ + 6Na(CH 3 COO)
3Zn 2+ + 2PO 4 3- = Zn 3 (PO 4 ) 2
Обратите внимание, AgCO 3 , BaCO 3 и CaCO 3 ПРАКТИЧЕСКИ НЕРАСТВОРИМЫЕ В ВОДЕ И ВЫПАДАЮТ В ОСАДОК КАК ТАКОВЫЕ, НАПРИМЕР:
Ba(NO 3 ) 2 + K 2 CO 3 = BaCO 3 ↓ + 2KNO 3
Ba 2+ + CO 3 2- = BaCO 3
Соли остальных катионов, такие как MgCO 3 , CuCO 3 , FeCO 3 , ZnCO 3 и другие, хотя и нерастворимые в воде, но не осаждаются из водного раствора при проведении ионных реакций (т. е. их нельзя получить этим способом).
Например карбонат железа (II) FeCO 3 , полученный «сухим путем» или взятый в виде минерала сидерит , при внесении в воду осаждается без видимого взаимодействия. Однако при попытке его получения по обменной реакции в растворе между FeSO 4 и K 2 CO 3 выпадает осадок основной соли (приведен условный состав, на практике состав более сложный) и выделяется углекислый газ:
2FeSO 4 + H 2 O + 2Na 2 CO 3 = 2Na 2 SO 4 + Fe 2 CO 3 (OH) 2 ↓ + CO 2
2Fe 2+ + H 2 O + 2CO 3 2- = Fe 2 CO 3 (OH) 2 ↓ + CO 2
Аналогично FeCO 3, сульфид хрома (3) Cr 2 S 3 (нерастворимый в воде) не осаждается из раствора:

2CrCl 3 + 6H 2 O + 3Na 2 S = 6NaCl + 2Cr(OH) 3 ↓ + 3H 2 S↑
2Cr 3+ + 6H 2 O + 3S 2- = 2Cr(OH) 3 ↓ + 3H 2 S↑
Некоторые соли разлагаются водой – сульфид алюминия Al 2 S 3 (а также BeS) и ацетат хрома(III) Cr(CH 3 COO) 3 :
а) Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 S↑
б) Cr(CH 3 COO) 3 + 2H 2 O= Cr(CH 3 COO)(OH) 2 ↓ + 2CH 3 COOH
Следовательно, эти соли нельзя получить по обменной реакции в растворе:
а) 2AlCl 3 + 6H 2 O +3K 2 S = 6KCl + 2Al(OH) 3 ↓ +3H 2 S↑
2Al 3+ + 6H 2 O + 3S 2- = 2Al(OH) 3 ↓ + 3H 2 S↑
б) CrCl 3 + 2H 2 O + 3Na(CH 3 COO) =
3NaCl + Cr(CH 3 COO)(OH) 2 ↓ + 2CH 3 COOH
Cr 3+ + 2H 2 O + 3CH 3 COO =
Cr(CH 3 COO)(OH) 2 ↓ + CH 3 COOH

Примеры реакций с выделением газа:
а) BaS + 2HCl = BaCl 2 + H 2 S↑
S 2- + 2H + = H 2 S↑
б) Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + CO 2 ↑ + H 2 O
CO 3 2- + 2H + = CO 2 ↑+ H 2 O
в) CaCO 3(T) + 2HNO 3 = Ca(NO 3 ) 2 + CO 2 ↑ + H 2 O
CaCO 3(T) + 2H + = Ca 2+ + CO 2 ↑ + H 2 O
Примеры реакций с образованием слабых электролитов:
а) 3NaOH + H 3 PO 4 = Na 3 PO 4 + 3H 2 O
3OH + H 3 PO 4 = PO 4 3- + 3H 2 O
б) Mg(CH 3 COO) 2 + H 2 SO 4 = MgSO 4 + 2CH 3 COOH
CH 3 COO + H + = CH 3 COOH
в) NH 4 F + HBr = NH 4 Br + HF
F + H + = HF
Если реагенты и продукты обменной реакции не являются сильными электролитам, ионный вид уравнения отсутствует, например:
Mg(OH) 2( T) + 2HF = MgF 2 ↓ + 2H 2 O

Реакции обмена

Реакции обмена – это реакции, в результате которых, два сложных вещества обмениваются своими составными частями.

Запишем реакцию взаимодействия двух сложных веществ: гидроксида натрия и сульфата меди (II). Они должны обменяться своими составными частями, т.е. у натрия вместо гидроксид-иона будет сульфат-ион, а у меди вместо сульфат-иона будет гидроксид-ион. Осталось правильно составить формулы продуктов реакции согласно зарядам. Т.е. образуется сульфат натрия – Na2SO4 и гидроксид меди (II) – Cu(OH)2.

Запишем правило: щелочь + соль = основание + соль

Признаком этой реакции является образование осадка голубого цвета. Этот осадок – гидроксид меди (II), поэтому мы ставим после него стрелку, направленную вниз. Еще образуется соль – сульфат натрия. В этом легко убедится, если отфильтровать садок, а на предметное стекло поместить несколько капель раствора и выпарить. После чего на стекле появятся белые кристаллы соли.

Аналогично обмениваются ионами йодид натрия с нитратом свинца (II). В результате реакции выпадает осадок йодида свинца (II).

Запишем правило: соль1 + соль2 = соль3 + соль4

Проведем эксперимент. Для этого в пробирку с раствором щелочи добавим несколько капель фенолфталеина. Раствор окрасится в малиновый цвет.  Если же к содержимому пробирки добавить кислоты, то малиновая окраска исчезает. Выпарим содержимое полученного раствора. На предметном стекле появляются кристаллы соли. В реакцию у нас вступает щелочь – гидроксид натрия и серная кислота. У гидроксида натрия – гидроксид-ионы, у серной кислоты – сульфат-ионы. Обменяем их ионами, у натрия теперь будут сульфат-ионы, у водорода – гидроксид-ионы.  В результате образуется соль – сульфат натрия и вода.

Запишем правило: щелочь + кислота = соль + вода

В каждом из этих растворов была своя седа: у щелочи – щелочная, у кислоты – кислая, а стала нейтральная. Поэтому реакцию обмена между щелочью и кислотой называют реакцией нейтрализации.

Реакция обмена наблюдается и при взаимодействии известковой воды и углекислого газа. При этом наблюдается помутнение известковой воды вследствие образования осадка – карбоната кальция.

Если в пробирку с карбонатом натрия прилить соляной кислоты, то начинается «вскипание» раствора, вследствие образования углекислого газа. Откуда же углекислый газ, ведь по правилам должна образоваться угольная кислота. Но так как это соединение непрочное, то она распадается на углекислый газ и воду.

Правило: соль + кислота = новая соль + новая кислота

Реакции обмена идут до конца, если в результате их образуется осадок, газ или вода.

Реакции ионного обмена | himiyaklas.ru

Первые химические преобразования, которые мы рассмотрим – это реакции ионного обмена (РИО).

Реакция ионного обмена (РИО) – это реакции, протекающие между растворами электролитов. В хоте этих реакций электролиты обмениваются ионами:

Почему вдруг электролиты решают обменяться своими ионами? Чтобы это произошло, нужно, чтобы образовался газ, осадок (нерастворимое вещество) или же просто слабый электролит.

Если слить вместе раствор хлорида калия и раствор нитрата серебра:

В одном растворе одновременно оказываются четыре иона: K+, Cl, Ag+, NO3. Ионы  не могут находиться в одном растворе (см. таблицу растворимости:  AgCl – нерастворимое вещество):

Ag+ + Cl → AgCl↓

Поэтому реакция идет до конца.

«Обычная» запись уравнения:

Называется уравнением в молекулярном виде. Так как записываются формулы молекул, не обозначаются взаимодействия ионов.

А вот если мы распишем каждый электролит в ионном виде (что более точно отображает действительность, ведь именно в виде отдельных ионов электролиты существуют в растворе):

Мы получим полное ионное уравнение. Оно отражает, что происходит с ионами в ходе реакции. Какие ионы объединяются, какие остаются в свободном виде в растворе.

А если мы запишем отдельно процесс того, как ионы «не ужились» в растворе и объединились:

А вот если добавить к раствору NaCl раствор CuSO4:

Нет ионов, которые могут образовать осадок, газ или слабый электролит: ионы остаются неизмененном виде в растворе. Реакция не может пройти до конца.

Всего три условия протекания реакции ионного обмена до конца:

  1. Образование осадка
  2. Выделение газа
  3. Образование слабого электролита

Берем любые два электролита: если соблюдается одно из этих условий – значит реакция между ними протекает.

Разберем примеры.

  1. Образование осадка.

Например, взаимодействие сульфата калия и хлорида бария.

  1. Выделение газа.

Газом может быть, например, сульфид водорода (чаще его называют сероводородом) – H2S. Водный раствор этой кислоты вам уже знаком, под названием сероводородная кислота. Когда H2S образуется в результате реакции – то он не успевает растворяться и выделяется в виде газа.

  1. Образование слабого электролита.

Ни газ, ни осадок, а просто слабодиссоциирующее вещество – слабый электролит. Таким слабым электролитом может быть слабая кислота или вода.

Золотая пятерка неожиданных продуктов.

  1. Гидроксид серебра (AgOH)

Что образуется при взаимодействии нитрата серебра и гидроксида натрия?

Смотрим в таблицу растворимости: и видим, что гидроксид серебра не существует (прочерк «–» в квадратике)

Оксид серебра (Ag2O) – это осадок – нерастворимое вещество.

  1. Гидроксид ртути (II) (Hg(OH)2)

Та же история, что и с гидроксидом серебра.

Оксид ртути (HgO) – это тоже нерастворимое вещество (осадок).

Разберем, например, взаимодействие гидроксида калия и нитрата ртути (II).

  1. Гидроксид аммония (NH4OH)

Совру, если скажу, что это соединение не существует. Оно существует, но крайне нестабильно. И тоже разлагается в момент получение на аммиак (NH3) и воду. Аммиак (NH3) – это газ.

Аммиак образуется при взаимодействии соли аммония с щелочью:

  1. Угольная кислота (H2CO3)

Та же ситуация, что и с гидроксидом аммония. Эта кислота разлагается моментально на соответствующий кислотный оксид (CO2) и воду. Оксид углерода (IV) CO2 так же называют углекислым газом.

Разберем взаимодействие карбоната калия и соляной кислоты.

  1. Сернистая кислота (H2SO3)

Сернистая кислота – это сестра угольной кислоты.

SO2 – это газ, его называют сернистым (по названию соответствующей кислоты).

N.B. При написании реакции ионного обмена придерживайтесь следующих правил:

  1. Всегда сверяйте растворимость солей по таблице (растворимости). Растворимые основания, как говорилось ранее, нужно запомнить. Сильные кислоты – сильные электролиты тоже нужно знать наизусть.
  2. Если образуется малорастворимый продукт (обозначается как «М» в таблице растворимости), то в качестве исходных веществ нужно использовать довольно сильные электролиты, причем в достаточно высокой концентрации.

Реакции ионного обмена — это один из видов химических реакций. Правила, условия протекания и примеры

Реакции ионного обмена — это процессы, которые протекают между сложными веществами. Они должны сопровождаться появлением определенного результата: выпадением осадка, выделением газообразного соединения, образованием мало диссоциируемого вещества (например, воды).

Понятие о реакции

Курс органической химии рассматривает взаимодействия между соединениями, которые необходимы для жизнедеятельности человека и животных: белками, жирами, углеводами. Химическими принято называть такие процессы, которые протекают между веществами с получением иных соединений, отличающихся от исходных по свойствам и составу.

Реакции ионного обмена — это типичный пример химических процессов, так как они сопровождаются изменением окраски, появлением газа, выпадением осадка.

Реагентами именуют исходные соединения, а продуктами – конечные соединения.

Движущей силой процесса является природа реагентов, особенности продуктов, концентрация реагирующих компонентов, температура, давление.

Особенности взаимодействий

Реакции ионного обмена — это взаимодействие между веществами, взятыми в растворах. Как любые иные процессы химической природы, они протекают с выделением либо поглощением тепла, изменением окраски, агрегатного состояния.

В переводе с латинского языка «реакция» означает «ответное действие, отпор».

Именно поэтому реакции ионного обмена — это ответ одних веществ на атаку других.

Условия протекания

Среди тех факторов, которые необходимы для химического взаимодействия, выделяют:

  • реагирующие соединения должны соприкасаться в максимальной степени;
  • в некоторых случаях требуется повышение температуры;
  • часть взаимодействий возможна только при воздействии электричества либо ультрафиолетового излучения.

Варианты классификации реакций

Сложно все процессы, сопровождающиеся изменением состава и свойств соединений, объединить в одну классификацию.

По возможности протекания процессов в прямом и обратном направлении неорганические и органические процессы делят на две группы.

Необратимо протекает реакция ионного обмена между растворами растворимых соединений в том случае, когда между ними образуется нерастворимый продукт. Это применяется в аналитической химии для качественного определения катионов (анионов) в смеси растворов.

К примеру, для обнаружения катионов бария (Ba2+) используют раствор, содержащий сульфат анион (SO42-).

Пример ионных уравнений, сопровождающихся выпадением осадка

Как правильно составить уравнение процессов, характерных для этого случая? Рассмотрим на примере этой реакции ионного обмена сокращенные ионные уравнения. Данный вопрос входит в курс школьной программы, поэтому заслуживает пристального рассмотрения.

Первым этапом является написание процесса в молекулярном виде.

BaCl2+Na2SO4=BaSO4+2NaCl

Чтобы понять, действительно ли необратимо протекает реакция ионного обмена между растворами этих веществ, потребуется таблица растворимости кислот, солей, оснований. Одним из продуктов является сульфат бария (средняя соль), которая является нерастворимым соединением. Следовательно, процесс действительно необратим, сопровождается выпадением осадка.

Вторым этапом является запись полного ионного уравнения. Каждое из исходных соединений, продуктов взаимодействия записывается в виде катионов и анионов.

Ba2++ 2Cl+2Na+ +SO42-=BaSO4+2Na+ + 2Cl

В левой и правой частях данного уравнения положительные и отрицательные ионы, которые не связаны в осадок, малодиссоциируемое или газообразное соединение. После их сокращения получаем вариант краткого ионного уравнения.

Ba2++ SO42-=BaSO4

Пример процесса с образованием газа

Когда еще могут протекать реакции ионного обмена? Примеры с решением, предполагающим образование газообразного вещества, приведем для карбоната. Качественным реактивом на анион CO32- является взаимодействие с катионов водорода. Итогом процесса является образование углекислого газа.

Представим взаимодействие в молекулярном и ионном виде.

Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2+H2O

Продуктами реакции является углекислый газ и вода, которые не распадаются на ионы. Представим взаимодействие в полном ионном виде.

2Na++CO32-+2H++2Cl=2Na++2Cl+CO2+H2O

После сокращения ионов, повторяющихся в левой и правой частях, получаем следующий вид данного процесса:

CO32-+2H+=CO2+H2O

Получение малодиссоциируемого соединения

Какими еще признаками могут сопровождаться реакции ионного обмена? Примеры с решением приведем для классического процесса нейтрализации между раствором щелочи и кислоты.

Взаимодействие раствора соляной кислоты с гидроксидом натрия сопровождается образованием воды (малодиссоциируемого соединения). Проверить полноту протекания процесса можно с помощью индикатора. Если первоначально к щелочи добавить спиртовой раствор фенолфталеина, по мере добавления к нему соляной кислоты окраска будет исчезать (идет нейтрализация).

В молекулярном виде процесс выглядит следующим образом:

NaOH+ HCl=NaCl+H2O

Краткое ионное уравнение отражает процесс нейтрализации:

OH+ H+=h3O

Заключение

В отличие от других разновидностей химических процессов, ионный обмен происходит только между растворами сложных соединений. Также среди обязательных условий, которые связаны с подобными процессами, отметим их необратимость. В тех случаях, когда среди продуктов есть малодиссоциируемое соединение, газообразное вещество, осадок, то можно говорить о полноте протекания процесса.

Если в случае замещения у соединений меняются степени окисления, то в случае ионного обмена валентное состояние атомов не меняется. Такие процессы протекают между сложными веществами: солями, кислотами, основаниями, оксидами.

Частным случаем таких взаимодействий является нейтрализация между щелочью и кислотой. Они подчиняются законам химического равновесия, идут в том направлении, где одно из соединений удаляют из реакционной сферы в летучем, газообразном виде, или как малодиссоциируемое вещество.

Химическая реакция является сложным процессом, который предполагает превращение одних веществ в другие, которые отличаются от исходных по строению, составу. Только при наличии одного из трех признаков, перечисленных выше, можно вести речь о полноте протекания взаимодействия.

Конспект урока химии «Реакции ионного обмена»; 11 класс — К уроку — Химия

 

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 25 с.п. Пседах»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Открытый урок по теме:

«Реакции ионного обмена»

 

 

 

 

 

 

 

Подготовила учитель химии: Атаева З. Х.

Класс: 11

22.11.2019 г.

 

 

 

 

 

 

 

Тема: Реакции ионного обмена

Тип урока: урок закрепления изученного материала.

Цель урока: закрепить и расширить знания об особенностях и условиях протекания реакций ионного обмена, закрепить умения составлять ионные уравнения, формировать умение предвидеть вероятность протекания реакций в растворах, развить умение решать задания ЕГЭ, развивать и мыслить творчески и нестандартно. Формировать учебно-познавательные, информационные, коммуникативные компетентности.

Задачи:

— совершенствовать навыки составления полных и сокращенных ионных уравнений реакций.

— продолжать формировать умение анализировать полученную информацию, применять при высказывании суждений ранее полученные знания,

— совершенствовать навыки решения практических задач;

— воспитывать у учащихся организованность, самостоятельность, способствовать развитию безопасного и аккуратного выполнения химических опытов и бережного отношения к окружающей среде.

Ожидаемые результаты учебных достижений: ученик:

  •  Распознает, называет, дает определение реакциям ионного обмена;

  • Обосновывает суть реакций ионного обмена;

  • Приводит примеры и записывает реакции обмена в полной и сокращенной ионных формах.

Реактивы и оборудование:

растворы Cа(OН)2; NaOH; HCl; Na2CO3, фенолфталеин, пробирки.

 

Ход урока.

І. Организационный момент.

Эмоциональный настрой класса.

Упражнение «Улыбка».

Вначале урока выберите смайлик, характеризующий ваше настроение перед уроком. У вас на столах 4 смайлика

 

Поднимите выбранный смайлик

Американский психолог Дейл Карнеги в своей книге «Как приобретать друзей и оказывать влияние на людей» описывает множество разных эмоций. Вот описание одной из них:

«Она ничего не стоит, но много дает.

Она обогащает тех, кто ее получает, не обедняя при этом тех, кто ею одаривает.

Она длится мгновение, а в памяти остается порой навсегда.

Она — отдохновение для уставших, дневной свет для тех, кто пал духом, солнечный луч для опечаленных….

И, тем не менее, ее нельзя купить, нельзя выпросить, нельзя ни одолжить, ни украсть, поскольку она сама по себе ни на что не годится, пока ее не отдали».

Вы догадались о чем речь? Да, это улыбка…. Именно она может сгладить любой конфликт, поднимает настроение тем, кто ее получил, и тем, кто ее подарил.

Подарите друг другу улыбку и на этой позитивной ноте напишем диктант.

 

II. Актуализация опорных знаний.

«Чтобы что-то узнать, надо уже что-то знать». (Станислав Герман Лем.)

На предыдущих уроках вы изучили теорию электролитической диссоциации. Проведем химический диктант

  1. Химический диктант («Да», «Нет»). Самоконтроль, взаимоконтроль. Вопросы выводятся на экран через проектор.

Утверждение

Ответ

  1.  

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток

Да

  1.  

Неэлектролиты — вещества, которые в кристаллическом виде не проводят электрический ток

Нет

  1.  

Слабые электролиты – это электролиты, которые практически полностью распадаются в водном растворе на ионы

Нет

  1.  

К электролитам относятся растворимые соединения соли, кислоты, основания

Да

  1.  

Свойства водных растворов электролитов определяются свойствами ионов

Да

  1.  

Электролитической диссоциацией называется процесс распада вещества на молекулы при растворении в воде

Нет

  1.  

С точки зрения теории электролитической диссоциации основания-электролиты, которые диссоциируют на катионы металла и гидроксид анионы

Да

  1.  

Общие свойства кислот обуславливают катионы кислотных остатков

Нет

  1.  

Соль – электролит, который диссоциирует на катионы кислотного остатка и анионы металла

Нет

  1.  

Неэлектролиты — вещества, растворы или расплавы которых не проводят электрический ток

Да

  1.  

Сильные электролиты имеют степень диссоциации больше 30%

Да

  1.  

К сильным электролитам относятся все хорошо растворимые соли, некоторые кислоты и все растворимые в воде основания

Да

Критерии оценивания:

«5» — 12-11 правильных ответов

«4» — 9-10 правильных ответов

«3» — 7-8 правильных ответов

Поднимите руки те, кто написал диктант на «5».

На «4».

На «3».

На «2» написавшие есть?

  1. Фронтальный опрос:

Задание № 1. «Закончите предложение одним словом». (По цепочке на местах заканчивают предложение).
1. Положительно заряженный электрод — …(анод).
2. Отрицательно заряженный электрод — …(катод).
3. Направленное движение заряженных частиц — …(электрический ток).
4. Положительно заряженные частицы -…(катионы).
5. Отрицательно заряженные частицы -…(анионы).
6. Вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток -…(электролиты).
7. Вещества, водные растворы или расплавы которых не проводят электрический ток -…(неэлектролиты).
8. Процесс распада электролита на ионы при растворении или расплавлении вещества -…(диссоциация).

9. Реакции между двумя сложными веществами, при которых они обмениваются своими составными частями – ….(ионные)

10. Заряженные частицы, которые отличаются от атомов числом электронов . ..(ионы)

11. На какие ионы распадаются при электролитической диссоциации кислоты…  (ионы водорода и ионы кислотного остатка)

12. На какие ионы распадаются при электролитической диссоциации растворимые основания?… (ионы металла и ионы ОН-1 групп)

13. На какие ионы распадаются при электролитической диссоциации соли? …(ионы металла и ионы кислотного остатка)

 

Задание № 2  Укажите сильные электролиты, какие вещества мы относим к сильным электролитам? (степень диссоциации более 30% — это сильные кислоты, сильные основания, растворимые соли), (подчеркнуты сильные электролиты).

HCI; BaSO4; KOH; Ba(OH)2; Fe(OH)3; Na2CO3; Ca3(PO4)2; Na2SO4, Na3PO4 , CaCO3, H2SO3, CaSO3

 

III. Мотивация учебной деятельности учащихся.

Давайте сформулируем тему нашего урока.

Тема нашего урока «Реакции ионного обмена». (запишите тему урока в тетрадях).

Что же вы хотите узнать о реакциях ионного обмена?

 

(-Как протекают реации ионного обмена?

-При каких условиях реакции ионного обмена идут до конца?

— Как составляются полные ионные уравнения?

— Как составляются краткие ионные уравнения?

— Будут ли задания по этой теме на ЕГЭ?)

 

Ответы на все эти вопросы мы сегодня получим.

 

 

Пояснение новой темы

 

 

Все вы сегодня будете мини-экспериментаторами и сможете ответить на поставленные вопросы.

 

IV. Практическая часть

Ребята, а теперь давайте с вами проведем небольшую практическую работу.

Но для начала повторим технику безопасности.

Правила техники безопасности:
Вещества бывают разные:

Едкие и взрывоопасные

Бывает, что они сами воспламеняются

А есть, такие, которыми отравляются.

Если ты не хочешь получить ожог

Или надышаться ртутными парами,

Эти правила безопасности внимательно прочитай

И в химическом кабинете их никогда не забывай!

 

1.При работе с веществами не берите их руками

И не пробуйте на вкус,

Реактивы не арбуз:

Слезет кожа с языка

И отвалится рука

 

2.Задавай себе вопрос,

Но не суй в пробирку нос:

Будешь плакать и чихать,

Слёзы градом проливать.

Помаши рукой ты к носу –

Вот ответ на все вопросы

3.С веществами неизвестными

Не проводи смешивания неуместные:

Незнакомые растворы ты друг с другом не сливай

Не ссыпай в одну посуду, не мешай, не поджигай!

4. Если ты работаешь с твёрдым веществом,

Не бери его лопатой и не вздумай брать ковшом.

Ты возьми его немножко –

Одну восьмую чайной ложки.

При работе с жидкостью каждый должен знать:

Мерить надо в каплях, ведром не наливать.

5. Если на руку тебе кислота или щёлочь попала,

Руку быстро промой водой из-под крана

И, чтоб осложнений себе не доставить,

Не забудь учителя в известность поставить.

6.В кислоту не лей ты воду, а совсем наоборот

Тонкой струйкой подливая,

Осторожненько мешая,

Лей в водичку кислоту –

Так отвадишь ты беду.

А еще… 7. Наливать вещества можно только над специальным лотком.

8 При проведении эксперимента отложить на край стола тетради и учебники.

 

 

Для проведения эксперимента используем Задание ЕГЭ 2019г.

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ: карбонат натрия, кислород, гидроксид кальция, алюминий, соляная кислота, гидроксид натрия. Допустимо использование водных растворов веществ.

Из предложенного перечня веществ выберите вещества, между которыми возможна реакция ионного обмена. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения этой реакции.

 

Учащиеся выполняют химический эксперимент по группам, пользуясь инструктивными карточками. В группах отвечают на вопросы, оформляют работу. После выступают с отчетом перед остальными учащимися.

 

Лабораторный эксперимент №1:

Реакции, идущие с образованием нерастворимого вещества.

Задание. К раствору карбоната натрия 1 мл приливают раствор гидроксида кальция 1 мл.

При смешивании растворов наблюдается: выпадение белого осадка, образовавшегося при взаимодействии катионов кальция и карбонат — анионов.

После опыта, на доске показать, как надо составить ионное уравнение. При составлении ионных уравнений пишется 3 уравнения.

При составлении реакций ионного обмена надо пользоваться таблицей растворимости солей, оснований и кислот в воде.

Молекулярное уравнение: Cа(OН)2 + Na2СO3 → CаСO3 + 2NaOН

Полное ионное уравнение:2+ +  2OН + 2Na+ + СO32- → CаСO3 + 2Na+ +2OН

Сокращенное ионное уравнение: Cа2+ +СO32- → CаСO3 

\Мы видим, что в реакции участвовали катионы кальция и карбонат -анионы .

Вывод: Признак реакции выпадение осадка, значит реакция идет необратимо.

Определение:

Реакции между ионами называются ионными реакциями.

Беседа по вопросам:

  1. Какое вещество выпало в осадок? (Ответ: карбонат кальция)

  2. Какого цвета осадок?

  3. Составьте уравнение реакции в молекулярном виде.

  4. Составьте уравнение реакции в полном ионном виде.

  5. Составьте уравнение реакции в сокращенном ионном виде.

Оформление отчета о проделанном опыте.

Правила составления ионных уравнений.

1. Формулы малодиссоциирующих, газообразных веществ и неэлектролитов записывают в молекулярном виде.

2. С помощью знака ( ↑ — газ, — осадок) отмечают «путь удаления» вещества из сферы реакции (раствора).

3. Формулы сильных электролитов записываются в виде ионов.

4. Для реакции берут растворы веществ, поэтому даже малорастворимые вещества находятся в виде ионов.

5. Если малорастворимое вещество образуется в результате реакции, то оно выпадает в осадок, и в ионном уравнении его записывают в виде молекулы.

6. Сумма зарядов ионов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов ионов в правой части.

Алгоритм составления ионного уравнения реакции

Выполнение

1. Записать молекулярное уравнение реакции:

2. С помощью таблицы растворимости определить растворимость каждого вещества:

3. Решить, уравнения диссоциации каких исходных веществ и продуктов реакции нужно записывать:

4. Составить полное ионное уравнение (коэффициент перед молекулой = коэффициенты перед ионами):

5.Найти одинаковые ионы и сократить их:

6. Записать сокращенное ионное уравнение:

 

Лабораторный эксперимент №2:

Реакции, идущие с образованием газа.

Проведем реакцию ионного обмена карбоната натрия Na2CO3 с соляной кислотой HCl.

Задание: Раствор соляной кислоты 1мл, приливают к 1 мл раствора карбоната натрия. При этом наблюдается бурное выделение газа, образовавшегося при взаимодействии катионов водорода и карбонат анионов.

После опыта, на доске показать, как надо составить ионное уравнение. При составлении ионных уравнений пишется 3 уравнения.

При составлении реакций ионного обмена надо пользоваться таблицей растворимости солей, оснований и кислот в воде.

Молекулярное уравнение: 2HCL + Na2CO3 —— 2NaCL + H2CO3

H20 CO2

Полное ионное уравнение:+ + 2Сl + 2Na+ + CO3 2- → 2Na+ + 2Cl+ H2CO3

H20 CO2

Сокращенное ионное уравнение: 2Н+ + CO3 2- → CO2+ H20

Мы видим, что в реакции участвовали катионы водорода и карбонат –анионы

Вывод. Признак реакции выделение газа. Значит реакция идет необратимо.

Беседа по вопросам:

1. Какой газ образовался? (Ответ: оксид углерода (IV))

2. Составьте уравнение реакции в молекулярном виде.

3. Составьте уравнение реакции в полном ионном виде.

4. Составьте уравнение реакции в сокращенном ионном виде.

Оформление отчета о проделанном опыте.

Правила составления ионных уравнений…….

Алгоритм составления ионного уравнения реакции….

 

Лабораторный эксперимент №3:

Реакции, идущие с образованием малодиссоциирующего вещества.

Определение:

Реакцию взаимодействия сильной кислоты и щелочи называют реакцией нейтрализации.

Проведем реакцию ионного обмена гидроксида кальция  с соляной кислотой HCl.

Задание: К раствору гидроксида кальция 1 мл, добавляем несколько капель фенолфталеина, то наблюдается изменение цвета раствора на малиновый. Затем приливаем раствор соляной кислоты 1 мл. При этом наблюдается обесцвечивание раствора

После опыта, на доске показать, как надо составить ионное уравнение. При составлении ионных уравнений пишется 3 уравнения.

При составлении реакций ионного обмена надо пользоваться таблицей растворимости солей, оснований и кислот в воде.

Молекулярное уравнение: Сa(OH)2 + 2HCl =СaCl2 + 2H2O;

Полное ионное уравнение: Сa+ + 2OH + 2H+ + 2Cl = Сa2+ + 2Cl + 2H2O,

Сокращенное ионное уравнение: OH + H+ = H2O;

Мы видим, что в реакции участвовали катионы водорода и гидроксид -анионы

Вывод: При взаимодействии оснований с кислотами образуется вода, значит реакция идет необратимо

Демонстрация реакции нейтрализации.

Беседа по вопросам:

1. Какое малодиссоциирующее вещество образовалось? (Ответ: вода)

2. Составьте уравнение реакции в молекулярном виде.

3. Составьте уравнение реакции в полном ионном виде.

4. Составьте уравнение реакции в сокращенном ионном виде.

Оформление отчета о проделанном опыте.

Правила составления ионных уравнений…….

Алгоритм составления ионного уравнения реакции….

 

Учитель:

  • Все ли реакции, протекающие в растворах между двумя сложными веществами, будут протекать до конца?

 

 

Итоги пройденной темы:

1. Реакции ионного обмена необратимы, если выпадает осадок, выделяется газ и образуется малодиссоциирующее вщество – например, вода.

 

2. Во всех остальных случаях реакции ионного обратимы и значит в них устанавливается химическое равновесие.

 

3. Все реакции протекающие с образованием химического равновесия подвержены влиянию внешних факторов: температуре, концентрации, давлению и другим факторам.

V.Физкультминутка

Давайте немного с вами отдохнем. На мои предложения вы хлопаете в ладоши, если ответ положительный, и топаете ногами, если ответ отрицательный.

1. Реакции ионного обмена необратимы, если меняется окраска раствора. (-)

2. Реакции ионного обмена необратимы, если выпадает осадок.(+)

3. Раствор сахара является сильным электролитом. (-)

4. Реакции ионного обмена необратимы, если выделяется газ. (+)

5. Раствор хлорида натрия проводит электрический ток (+)

Молодцы. А сейчас глазами нарисуйте 3 круга по часовой стрелке и 3 круга против часовой стрелке. Ну что немного отдохнули, продолжаем дальше работать.

 

VI. Закрепление и углубление знаний

Давайте решим задания ЕГЭ 2020г.

31. Из предложенного перечня веществ: перманганат калия, гидрокарбонат натрия, сульфит натрия, сульфат бария, гидроксид калия, пероксид водорода. Допустимо использование водных растворов веществ, выберите кислую соль и вещество, которое вступает с этой кислой солью в реакцию ионного обмена. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения реакции с участием выбранных веществ.

2NaHCO3 + 2KOH = Na2CO3 + K2CO3 + 2H2O

2Na+ + 2HCO3 + 2K+ + 2OH = 2Na+ + 2K+ + 2CO3 2– + 2H2O

HCO3 + OH = CO3 2– + H2O

 

Для отработки навыков составления уравнений в молекулярном, полном ионном и сокращённом ионном виде — самостоятельная работа. На «3» — первое задание, на «4» — первое и половина второго задания, на «5» — все задания.

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена»

Вариант 1.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Na2CO3=

AlCl3=

2.Напишите у равнения следующих реакций в молекулярном, полном ионном и сокращенном ионном виде. Укажите реакцию, которая не идет в растворе, объясните почему?

а) NaOH + H3PO4=

б) Na2CO+ H2SO4=

в) NaOH + Ba(NO3)2=

г) AgNO+ HCl=

 

Самостоятельная работа по теме: «Реакции ионного обмена» Вариант 2.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Ba(NO3)2=

HNO3=

2.Напишите у равнения следующих реакций в молекулярном, полном ионном и сокращенном ионном виде. Укажите реакцию, которая не идет в растворе, объясните почему?

а) KOH + BaSO4=

б) NaOH + H2S=

в) AlCl3 + KOH=

г) MgCl2+NaOH=

VII. Домашнее задание §20, стр. 92 упр. 3

 

VIII. Рефлексия.

Продолжите фразы:

1.На уроке я работал….

2.Своей работой на уроке я….

3.Урок для меня показался….

4.За урок я….

5.Мое настроение…..

6.Материал урока мне был…..

7.Домашнее задание мне кажется …..

 

 

IX.Итог урока.

 Мы цели достигли. Благодарю!

Х. Литература

1.Химия 11 класс; авт.: Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.; год издания: 2012; Издат.: Просвещение;  162 стр.

2. ЕГЭ. Химия. Типовые экзаменационные варианты.30 вариантов.; под редакцией Добротина Д.Ю.; 2020 г.

3. Интернет – ресурсы: https://multiurok.ru/index.php/files/mietodichieskaia-razrabotka-uroka-po-khimii-po-tie.html ; https://infourok.ru/obobschayuschiy-urok-po-teme-reakcii-ionnogo-obmena-269453. html и другие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложения:

 

 

 

Продолжите фразы:

1.На уроке я работал….

2. Своей работой на уроке я….

3.Урок для меня показался….

4.За урок я….

5.Мое настроение…..

6.Материал урока мне был…..

7.Домашнее задание мне кажется …..

 

 

 

 

Продолжите фразы:

1.На уроке я работал….

2.Своей работой на уроке я….

3.Урок для меня показался….

4.За урок я….

5.Мое настроение…..

6.Материал урока мне был…..

7.Домашнее задание мне кажется …..

 

 

 

 

Продолжите фразы:

1.На уроке я работал….

2.Своей работой на уроке я….

3.Урок для меня показался….

4.За урок я….

5.Мое настроение…..

6.Материал урока мне был…..

7.Домашнее задание мне кажется …..

 

 

 

 

 

Продолжите фразы:

1.На уроке я работал….

2. Своей работой на уроке я….

3.Урок для меня показался….

4.За урок я….

5.Мое настроение…..

6.Материал урока мне был…..

7.Домашнее задание мне кажется …..

 

 

 

Na3PO4 

CaCO3

H2SO3

CaSO3

HCI;

BaSO4;

KOH;

Ba(OH)2;

Fe(OH)3;

Na2CO3;

Ca3(PO4)2;

Na2SO4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПЫТ №1:

Проведем реакцию ионного обмена карбоната натрия-Na2CO3 с гидроксидом кальция-Сa(OH)2

Задание. К раствору карбоната натрия 1 мл приливают раствор гидроксида кальция 1 мл.

При смешивании растворов наблюдается: выпадение ______осадка, образовавшегося при взаимодействии катионов- и анионов.

 

После опыта, на доске показать, как надо составить ионное уравнение. При составлении ионных уравнений пишется 3 уравнения.

При составлении реакций ионного обмена надо пользоваться таблицей растворимости солей, оснований и кислот в воде.

 

Молекулярное уравнение:

Полное ионное уравнение:

Сокращенное ионное уравнение:

Мы видим, что в реакции участвовали катионы и -анионы .

Вывод: Признак реакции , значит реакция идет

 

Определение:

Реакции между ионами называются ионными реакциями.

Беседа по вопросам:

    1. Какое вещество выпало в осадок? (Ответ: )

    2. Составьте уравнение реакции в молекулярном виде.

    3. Составьте уравнение реакции в полном ионном виде.

    4. Составьте уравнение реакции в сокращенном ионном виде.

Оформление отчета о проделанном опыте.

.

 

 

Правила составления ионных уравнений.

1. Формулы малодиссоциирующих, газообразных веществ и неэлектролитов записывают в молекулярном виде.

2. С помощью знака ( ↑ — газ, — осадок) отмечают «путь удаления» вещества из сферы реакции (раствора).

3. Формулы сильных электролитов записываются в виде ионов.

4. Для реакции берут растворы веществ, поэтому даже малорастворимые вещества находятся в виде ионов.

5. Если малорастворимое вещество образуется в результате реакции, то оно выпадает в осадок, и в ионном уравнении его записывают в виде молекулы.

6. Сумма зарядов ионов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов ионов в правой части.

 

Алгоритм составления ионного уравнения реакции

Выполнение

1. Записать молекулярное уравнение реакции:

2. С помощью таблицы растворимости определить растворимость каждого вещества:

3. Решить, уравнения диссоциации каких исходных веществ и продуктов реакции нужно записывать:

4. Составить полное ионное уравнение (коэффициент перед молекулой = коэффициенты перед ионами):

5.Найти одинаковые ионы и сократить их:

ОПЫТ №2:

Проведем реакцию ионного обмена карбоната натрия Na2CO3 с соляной кислоты HCl.

Задание: Раствор соляной кислоты 1мл, приливают к 1 мл раствора карбоната натрия.

При этом наблюдается ____________,образовавшегося при взаимодействии катионов и анионов.

 

После опыта, на доске показать, как надо составить ионное уравнение. При составлении ионных уравнений пишется 3 уравнения.

При составлении реакций ионного обмена надо пользоваться таблицей растворимости солей, оснований и кислот в воде.

 

Молекулярное уравнение:

Полное ионное уравнение:

Сокращенное ионное уравнение:

Мы видим, что в реакции участвовали катионы ______ и –анионы

Вывод. Признак реакции – .Значит реакция идет

 

Беседа по вопросам:

1. Какой газ образовался? (Ответ: )

2. Составьте уравнение реакции в молекулярном виде.

3. Составьте уравнение реакции в полном ионном виде.

4. Составьте уравнение реакции в сокращенном ионном виде.

Оформление отчета о проделанном опыте.

 

 

 

Правила составления ионных уравнений.

1. Формулы малодиссоциирующих, газообразных веществ и неэлектролитов записывают в молекулярном виде.

2. С помощью знака ( ↑ — газ, — осадок) отмечают «путь удаления» вещества из сферы реакции (раствора).

3. Формулы сильных электролитов записываются в виде ионов.

4. Для реакции берут растворы веществ, поэтому даже малорастворимые вещества находятся в виде ионов.

5. Если малорастворимое вещество образуется в результате реакции, то оно выпадает в осадок, и в ионном уравнении его записывают в виде молекулы.

6. Сумма зарядов ионов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов ионов в правой части.

 

Алгоритм составления ионного уравнения реакции

Выполнение

1. Записать молекулярное уравнение реакции:

2. С помощью таблицы растворимости определить растворимость каждого вещества:

3. Решить, уравнения диссоциации каких исходных веществ и продуктов реакции нужно записывать:

4. Составить полное ионное уравнение (коэффициент перед молекулой = коэффициенты перед ионами):

5.Найти одинаковые ионы и сократить их:

6. Записать сокращенное ионное уравнение:

 

 

ОПЫТ №3:

Определение:

Реакцию взаимодействия сильной кислоты и щелочи называют реакцией нейтрализации.

Кислота и щелочь в растворе обмениваются ионами и взаимно нейтрализуют друг друга. В пробирку прильем р-р щелочи. Индикатор фенолфталеин поможет следить за ходом реакции. Малиновый цвет индикатора указывает на щелочную среду. Приливаем разбавленную соляную кислоту.

Фенолфталеин обесцвечивается, среда стала нейтральной.

Кислота содержит ион Н, а щелочь ионы гидроксила которые объединяются в нейтральную молекулу воды. В результате происходит главное событие- образуется молекула воды. В стакане р-р поваренной соли реакция нейтрализации завершилась.

 

Задание. К раствору гидроксида кальция 1 мл. добавляем несколько капель фенолфталеина, то наблюдается изменение цвета раствора на . Затем приливаем раствор соляной кислоты НСl 1 мл. При этом наблюдается____________ раствора.

После опыта, на доске показать, как надо составить ионное уравнение. При составлении ионных уравнений пишется 3 уравнения.

При составлении реакций ионного обмена надо пользоваться таблицей растворимости солей, оснований и кислот в воде.

 

Молекулярное уравнение

Полное ионное уравнение:

Сокращенное ионное уравнение:

Мы видим, что в реакции участвовали катионы- и -анионы

Вывод: При взаимодействии оснований с кислотами образуется _____, значит реакция идет .

Беседа по вопросам:

  1. Наблюдаются признаки химических реакций? (Ответ: нет)

  2. Составьте уравнение реакции в молекулярном виде.

  3. Составьте уравнение реакции в полном ионном виде.

  4. Составьте уравнение реакции в сокращенном ионном виде.

Оформление отчета о проделанном опыте.

Правила составления ионных уравнений.

1. Формулы малодиссоциирующих, газообразных веществ и неэлектролитов записывают в молекулярном виде.

2. С помощью знака ( ↑ — газ, — осадок) отмечают «путь удаления» вещества из сферы реакции (раствора).

3. Формулы сильных электролитов записываются в виде ионов.

4. Для реакции берут растворы веществ, поэтому даже малорастворимые вещества находятся в виде ионов.

5. Если малорастворимое вещество образуется в результате реакции, то оно выпадает в осадок, и в ионном уравнении его записывают в виде молекулы.

6. Сумма зарядов ионов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов ионов в правой части.

Алгоритм составления ионного уравнения реакции

Выполнение

1. Записать молекулярное уравнение реакции:

2. С помощью таблицы растворимости определить растворимость каждого вещества:

3. Решить, уравнения диссоциации каких исходных веществ и продуктов реакции нужно записывать:

4. Составить полное ионное уравнение (коэффициент перед молекулой = коэффициенты перед ионами):

5.Найти одинаковые ионы и сократить их:

6. Записать сокращенное ионное уравнение

 

Самостоятельная работа по теме:

«Реакции ионного обмена»

Вариант 1.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Na2CO3=

AlCl3=

2. Напишите у равнения следующих реакций в молекулярном, полном ионном и сокращенном ионном виде. Укажите реакцию, которая не идет в растворе, объясните почему?

а) NaOH + H3PO4=

б) Na2CO+ H2SO4=

в) NaOH + Ba(NO3)2=

г) AgNO+ HCl=

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа по теме:

«Реакции ионного обмена»

Вариант 2.

1.Напишите уравнения диссоциации следующих веществ:

Ba(NO3)2=

HNO3=

2.Напишите у равнения следующих реакций в молекулярном, полном ионном и сокращенном ионном виде. Укажите реакцию, которая не идет в растворе, объясните почему?

а) KOH + BaSO4=

б) NaOH + H2S=

в) AlCl3 + KOH=

г) MgCl2+NaOH=

 

 

 

1. Реакции ионного обмена необратимы, если выпадает осадок, выделяется газ и образуется малодиссоциирующее вщество – например, вода.

 

2. Во всех остальных случаях реакции ионного обратимы и значит в них устанавливается химическое равновесие.

 

3. Все реакции протекающие с образованием химического равновесия подвержены влиянию внешних факторов: температуре, концентрации, давлению и другим факторам.

 

Химический обмен — обзор

3.1

ZZ -Обмен

Если химический обмен достаточно медленный и популяции второстепенных участков достаточно велики, чтобы можно было наблюдать резонансы для второстепенных участков, то константы скорости химического обмена удобно получать с использованием ZZ -обменные эксперименты. Эти эксперименты аналогичны экспериментам 1 H NOESY, но имеют то преимущество, что в них отсутствуют многочисленные смешанные перекрестные пики NOE. В белках, например, 15 N ZZ -обменные эксперименты лишены кросс-пиков 15 N– 15 N NOE из-за низкого магнитогирического отношения ядра 15 N и большого расстояния между 15 атомов N. ZZ — эксперимент по обмену для равномерно 13 C-меченых молекул может содержать 13 C– 13 C перекрестные пики NOE, обычно между непосредственно связанными атомами. Описаны последовательности импульсов, в которых происходит химический обмен между продольной намагниченностью (Farrow et al., 1995; Hwang & Kay, 2005; Wang et al., 2002), продольным двухспиновым порядком (Montelione & Wagner, 1989; Sprangers, Gribun, Hwang, Houry, & Kay, 2005) и одиночные операторы перехода (Li & Palmer, 2009), и в которых для обнаружения сигнала используется HSQC, обнаружение TROSY (Hwang & Kay, 2005; Sahu, Clore, & Iwahara). , 2007; Sprangers et al., 2005) и методы TROSY-отбора (Li & Palmer, 2009).

для двухэтапных обмен с <Δ M ZK > ( T ) = < M ZK > ( T ) — < M ZK > 0 ,

(35) DDTΔMZ1TΔMZ2T = -R1100-R12 + -K12K21K12-K21ΔMZ1TΔMZ2T = -R11-K12K21K12T = -R11-K12K21K12-R12-K21ΔMZ1TΔMZ2T

Вышеуказанное уравнение написано для Z -Magnetization, но как отмечено ZZ -Expliments Experients может быть основано на другие компоненты оператора плотности, такие как продольный двухспиновый порядок.Интегральное решение этого уравнения:

(36)ΔMz1tΔMz2t=a11ta12ta21ta22tΔMz10ΔMz20

где собственные значения матрицы эволюции:

(37)λ±=12R11+R12+k12+k21± R122−4k12k211/2

, а коэффициенты смешивания равны:

(38)a11t=121−k12−k21+R11−R12λ+−λ−exp−λ−t+1+k12−k21+R11−R12λ +−λ−exp−λ+ta22t=121+k12−k21+R11−R12λ+−λ−exp−λ−t+1−k12−k21+R11−R12λ+−λ−exp−λ+ta12t=k21λ+ −λ−exp−λ−t−exp−λ+ta21t=k12λ+−λ−exp−λ−t−exp−λ+t

В обычном двумерном ZZ -обменном эксперименте t 1 частотная маркировка происходит до времени смешивания t , что приводит к двум автопикам и двум кросс-пикам для каждого обменного спина. Интегрированные авто- и кросспиковые амплитуды, возникающие в результате этого эксперимента, получают I JK ( T ) = A JK ( T ) м ZK (0).

Прямая глобальная аппроксимация временной зависимости интенсивностей двух авто- и кросс-пиков (измеряемых как высоты пиков) подвержена систематическим ошибкам из-за эффектов дифференциальной релаксации во время частей эксперимента, отличных от задержки отношения, t , в частности t 2 период приобретения.Милоушев и др. предложили упрощенный анализ (Милоушев и др., 2008):

(39)Ξt=I12tI21tI11tI22t−I12tI21t≈k12k21t2

, нечувствительный к таким эффектам. Кроме того, это уравнение не зависит от умеренных различий между R 11 и R 12 , не требует итеративной подгонки кривой и легко используется в глобальном анализе нескольких спинов, подверженных одному и тому же обменному процессу, потому что правая часть зависит только от констант обменного курса. Чтобы получить K 12 и K и K и K 21 индивидуально, равновесная константа k q q = k = k 12 / K 21 Должно быть известно независимо или измерено из интегрированных пиковых объемов с использованием подхода HSQC 0 Маркли и его сотрудников (Hu, Westler, & Markley, 2011). В альтернативном методе Клойбер и его коллеги отметили, что если записывается второй эксперимент, в котором период перемешивания перемещается до периода t 1 , то наблюдаются только автопики с амплитудами, заданными как I J ( T ) = [ A JJ JJ ( T ( T ) + A JK ( T )] м ZK (0).Глобальный анализ временной зависимости I 11 ( T ) и I 22 ( T ), I 1 ( T ), и I 2 ( T ) позволяет определение K 12 , K 21 , R , R 11 , и R 12 9003 R 12 (Kloiber, Spitzer, Treutsch, Kreutz, & Tollinger, 2011 ). Этот подход также устойчив к вариациям релаксации в течение периода регистрации t 2 .Для временных задержек от ~ 0 до ~ 0,5/( k 12 + k 21 ) моделирование, такое как показано на рис. 7, предполагает, что два метода имеют одинаковую точность (хотя второй подход требует получения двух спектров за каждое время смешивания). Какой из подходов оптимален в данной ситуации, зависит тогда от того, разрешаются ли кросс-пики I 12 ( t ) и I 21 ( t ) в спектрах ZZ -обмена. подходящее количество спинов, необходимое для удобного глобального анализа, предлагаемого подходом Милушева с сотрудниками.

Рис. 7. ZZ — обменная релаксация. ( Top ) Нормализованные амплитуды ( черный, твердый ) I 11 ( T ), ( Blue, пунктирные ), I 22 ( T ), ( красновато- фиолетовый, пунктирный ) I 12 ( t ) и ( оранжевый , штрихпунктирный ) I 21 ( t ). ( Средний ) Нормализованные амплитуды ( черный, твердое вещество ) I 11 ( T ), ( синий, пунктир ), I 22 ( T ), ( красновато- фиолетовый, пунктирный ) I 1 ( t ) и ( оранжевый, штрихпунктирный ) I 2 ( t ).( Внизу ) Ξ ( T ) с ( черный , сплошной ), рассчитанный на основе значений наилучшего соответствия из анализа среднего рисунка и ( красновато-фиолетовый, пунктирный ), рассчитанный по уравнению. (39). Кружки с тем же цветовым кодированием, что и линии, показывают один из смоделированных наборов данных, а линии вычисляются из значений наилучшего соответствия. Симуляторы используемые R 11 / K EX EX = 0,5, R 12 / K EX = 1. 5, p 1  = 0,6, p 2  = 0,4. Было выполнено 500 симуляций при стандартном отклонении для амплитуд 0,01.

В недавнем примере использования эксперимента по обмену 1 H– 15 N ZZ изучалась кинетика фолдинга автономно фолдинговых белковых доменов, полученных из рибосомного белка L9, с использованием ЯМР-спектроскопии высокого давления (Zhang et al. , 2016). На фиг.8 показаны результаты для трех остатков в С-концевом домене мутанта I98A L9.Как и в оригинальной работе, данные для интенсивности отдельных пиков, показанные на рис. 8A-C, были подобраны одновременно с использованием уравнения. (38) для получения индивидуальных кинетических констант скорости для каждого остатка. На рис. 8D показан общий анализ данных для трех остатков с использованием уравнения (39) чтобы получить к 12 к 21 . Простота глобального анализа очевидна. Однако, как показано, в общем анализе следует использовать только данные при более коротких временах перемешивания; при длинных значениях T знаменатель в уравнении. (39) приближается к 0, и неопределенности в Ξ ( T ) усиливаются.

Рис. 8. ZZ — обменная спектроскопия С-концевого домена мутанта I98A белка L9 по остаткам (А) 70, (Б) 71 и (В) 72 при статическом давлении 300 бар. Сплошные линии на каждой панели соответствуют автопикам для ( черные, сплошные, кружки ) свернутого и ( синие пунктирные, кружки ) развернутого состояний и два поперечных пика для ( красновато-фиолетовые, пунктирные, квадраты ) свернутые → развернутые и ( оранжевые, пунктирные, квадраты ) развернутые → свернутые состояния с использованием уравнения.(38). (D) Общая подгонка Ξ ( T ) для остатков ( черный ) 70, ( синий ) 71 и ( оранжевый ) 72 соответствует уравнению. (39). Подобранное значение k 12 k 21 = 2,08 ± 0,16 дюйма (D) хорошо согласуется со средним значением 2,16 ± 0,23, полученным из подгонок в (A–C).

Данные были получены от Zhang, Y., Kitazawa, S., Peran, I., Stenzoski, N., McCallum, S.A., Raleigh, D.P., & Ройер, Калифорния (2016). ЯМР ZZ-обмена под высоким давлением выявляет ключевые особенности переходных состояний фолдинга белка. Журнал Американского химического общества, 138 , 15260–15266. https://doi.org/10.1021/jacs.6b09887.

Реакция обмена: определение и пример

Что такое реакция обмена

Реакция обмена относится к химической реакции, в которой анионы и катионы реагентов меняются местами в продуктах. Одним из требований является то, что продукты должны оставаться электрически нейтральными. Реакция обмена будет происходить, когда ионы в растворе образуют нерастворимые продукты, слабые электролиты или неэлектролиты.Поскольку происходит обмен ионами, его также называют реакцией ионного обмена [1-2] .

Обменная реакция

Что происходит в реакции обмена

В реакции обмена катион первого реагента взаимодействует с анионом второго реагента. Вместе ионы образуют новое соединение. Точно так же анион первого компонента реагирует с катионом второго компонента с образованием нового соединения.

Общая формула реакции обмена

AB + CD → AD + BC

Примеры реакции обмена

Вот несколько примеров обменных реакций.

1. Реакция осаждения : Этот тип реакции происходит, когда продукты нерастворимы [3] .

Пример : Хлорид натрия (NaCl) реагирует с нитратом серебра (AgNO 3 ) с образованием нитрата натрия (NaNO 3 ) и нерастворимого хлорида серебра (AgCl).

NaCl (водн.) + AgNO 3 (водн.) → NaNO 3 (водн.) + AgCl (тв.)

Реакция преципитации – это реакция двойного обмена.

2. Реакция нейтрализации: Обычно эта реакция происходит между кислотой и основанием, одним из продуктов которой является вода [4] .

Пример : Соляная кислота (HCl) реагирует с гидроксидом калия (KOH) с образованием хлорида калия (KCl) и воды (H 2 O).

HCl (водн.) + KOH (водн.) → KCl (водн.) + H 2 O (ж)

3. Реакция выделения газа: Эта реакция происходит, когда одним из продуктов является газ.

Пример : когда сульфат натрия (Na 2 SO 3 ) реагирует с соляной кислотой (HCl), в результате реакции образуется хлорид натрия (NaCl), вода (H 2 O) и диоксид серы (SO ). 2 ) [5] .

Na 2 SO 3 (водн.) + 2 HCl (водн.) → 2 NaCl (водн.) + H 2 O (л) + SO 2 (г)

Примеры обменных реакций

Каталожные номера

  1. Хим.latech.edu
  2. Chem.wisc.edu
  3. Chem.libretexts.org
  4. Chem.libretexts.org
  5. Chem. libretexts.org

История, введение и кинетика ионообменных материалов

За последние несколько десятилетий ионообменные материалы превратились из лабораторных инструментов в промышленные продукты, имеющие значительное техническое и коммерческое значение. В настоящей статье кратко изложена история развития ионообменных материалов.В статье даны определения ионообменных материалов и их видов. В статье обозначена кинетика процесса ионного обмена с описанием факторов, влияющих на скорость ионного обмена. Механизм ионного обмена также показан на схематической диаграмме, показывающей, что существует два типа диффузии: пленочная диффузия и диффузия, контролируемая частицами. Также включен краткий математический подход к кинетике ионного обмена.

1. Введение
1.1. Историческая справка

Всякий раз, когда ион удаляется из водного раствора и заменяется другим ионным веществом, это обычно называют «ионным обменом». Это древняя техника, находящаяся в культурном наследии. Керамика эпохи Возрождения Средиземноморья, состоящая из тонких стеклянных пленок, имела неоднородное распределение наночастиц серебра и меди разного размера, нанесенных на керамическую подложку [1–3]. Осаждение меди/серебра было получено путем нанесения смеси солей и оксидов меди и серебра вместе с уксусом, охрой и глиной на поверхность предварительно покрытой глазурью керамики.Затем всю систему нагревали примерно до 600°С в восстановительной атмосфере, создаваемой введением дымящихся веществ в печь. В этих условиях индуцировался процесс ионного обмена между ионами металла и ионами щелочи в стекле. Позже ионы металлов с последующим восстановлением агрегировали, оставаясь в ловушке внутри первого слоя.

Еще до заката человеческой цивилизации метод ионного обмена восходит к Священному Писанию, где упоминается приготовление питьевой воды «Моисеем» из солоноватой воды.

Хотя обмен катионов как явление впервые был открыт немногим более ста лет назад, два английских агрохимика Томпсон и Уэй отметили, что одни почвы обладают большей способностью, чем другие, поглощать аммиак из удобрений [4, 5] . Они обнаружили, что сложные силикаты в почве выполняют функцию ионного обмена. Они смогли приготовить материалы этого типа в лаборатории из растворов алюмината натрия и силиката натрия. В 1906 г. Робер Ганс использовал материалы этого типа для умягчения воды и обработки сахарных растворов [6].Первые органические ионообменники были синтезированы в 1935 г.; Адамс и Холмс обнаружили, что измельченные грампластинки обладают ионообменными свойствами [7]. В середине 40-х гг. были разработаны ионообменные смолы на основе сополимеризации стирола, сшитого с дивинилбензолом. Эти смолы были очень стабильны и обладали гораздо большей обменной способностью, чем их предшественники. Анионообменник на основе полистирола-дивинилбензола может удалять все анионы, включая кремниевую и угольную кислоты. Это новшество сделало возможной полную деминерализацию воды.

Открытие ионообменников было предопределено общим прогрессом фундаментальной науки в середине (Майкл Фарадей, концепция ионов) и конце (Сванте Аррениус, теория растворов электролитов) восемнадцатого века. Эти идеи имели решающее значение для научного открытия ионообменников, потому что такие материалы, как органические, так и неорганические, по существу являются полиэлектролитами . Это означает, что их можно рассматривать как состоящие из двух ионов с противоположным зарядом. В отличие от обычных электролитов ионы одного заряда фиксируются в полимерной (органические ионообменники) или кристаллической (неорганические ионообменники) структуре.Как и любое ионное соединение, ионообменный материал может диссоциировать и участвовать в реакциях ионного обмена. Однако диссоциация не приводит к растворению материала. Это обуславливает множество специфических явлений и множество возможностей для создания гетерогенных систем с ионными свойствами (табл. 1).

7 3

Название ученого / Источник Прорыв в области года
547

Библия
Библия Моисейский ~1400 г. до н.э.
Аристотель Аристотель обнаружил, что морская вода теряет часть содержания солей при просачивании через определенный песок. ~330 г. до н.э.
Х. С. Томпсон Томпсон пропустил раствор навоза через фильтр из обычной садовой земли и обнаружил, что аммиак был удален из раствора. 1845
Х. С. Томпсон и Дж. Т. Уэй
Дж. Спенс
Признание явления ионного обмена и описание его основных характеристик.
Установлено, что ионообменные свойства почв обусловлены наличием в них небольшого количества цеолитов.
1848–1852
Х. Эйхорн Доказано, что адсорбция ионов глинами и цеолитами является обратимой реакцией. 1858
J. Lemberg Цеолиты признаны носителями основного обмена в почвах; эквивалентность замены оснований доказана. 1876
Ф. Харм, А.Rumper, S. Mayert, and K. Halse Искусственные цеолиты, используемые для удаления калия из сахарных соков. Первый синтетический промышленный ионообменник. Производство сульфированных углей и предложение по удалению калия из сахарных соков. 1901–1902
Р. Ганс Обнаружил, что цеолиты можно использовать для смягчения жесткой воды. Он также изобрел процессы синтеза цеолитов и спроектировал оборудование — цеолитовый умягчитель воды, используемый для извлечения золота из морской воды. 1905
О. Фолин, Р. Белл Первое аналитическое применение ионного обмена. 1917
Дж. Уайтхорн Первое использование ионного обмена в колоночной хроматографии. 1923
A. Bahrdt Первое использование ионообменной колонки для анализа анионов. 1927
O. Leibknecht Разработаны совершенно новые типы катионитов.Их можно использовать не только в натриевом цикле при регенерации солью, но и в водородном цикле при регенерации кислотой. Одна группа этих катионообменников относится к углеродному типу, который получают путем сульфирования угля. 1934–1939
Адамс Б.А. и Холмс Э.Л. Синтез первого органического ионообменника. 1934–1935
Г.Ф. D’alelio Изобретение катионитов для полимеризации сульфированного полистирола. 1942
Г. Э. Бойд, Дж. Шуберт и А. В. Адамсон Демонстрация применимости ионного обмена для адсорбции продуктов деления в следовых количествах. 1942
C. H. Mcburney Изобретение анионообменников для полимеризации аминированного полистирола. 1947
A. Skogseid Получение калий-специфичной полистирольной катионообменной хелатирующей смолы. 1947
Дж.A. Marinsky, L.E. Glendenin и C.D. Coryell Открытие прометия, элемента, встречающегося в природе, связано с ионным обменом. 1947
D.K. Hale, D. Reiechenberg, N.E. Topp, and C.G. Thomas Разработка карбоновых аддитивных полимеров в качестве слабокислотных катионообменников. 1949–1956
Р. М. Баррер и Д. В. Брек Новые цеолиты как молекулярные сита с ионообменными свойствами. 1951–1956
Х. П. Грегор, К. В. Пеппер и Л. Р. Моррис Изобретение и разработка хелатирующих полимеров. 1952–1971
М. А. Петерсон, Х. А. Собер Разработка ионообменников целлюлозы. 1956
F. Helfferich Заложена основа новой теоретической трактовки ионного обмена. 1959
Т. Р. Э. Крессманн и Дж. Р. Миллар Изобретение и разработка изопористых ионообменных смол. 1960
J. Weiss Термически регенерируемые ионообменники и опреснения воды на их основе. 1964

1.2. Ионообменные материалы

Ионный обмен представляет собой химическую реакцию, в которой свободные подвижные ионы твердого вещества, ионообменника, заменяются на различные ионы с аналогичным зарядом в растворе. Теплообменник должен иметь открытую сетчатую структуру, органическую или неорганическую, которая несет ионы и позволяет ионам проходить через нее.

Ионообменник представляет собой нерастворимое в воде вещество, которое может обменивать часть своих ионов на ионы с таким же зарядом, содержащиеся в среде, с которой оно находится в контакте; это определение является всеобъемлющим. Ссылка на «вещество», а не на соединение, включает в себя множество обменников — некоторые из них являются натуральными продуктами, не имеющими четко определенного состава. Термин «среда» означает, что ионный обмен может происходить как в водном, так и в неводном растворе, в расплавленных солях или даже при контакте с парами.Определение не ограничивается твердыми веществами, поскольку некоторые органические растворители, не смешивающиеся с водой, могут извлекать ионы из водного раствора по механизму ионного обмена [10].

Определение также указывает на процесс ионного обмена. В основном он состоит в контакте между обменником и средой, в которой происходит обмен. Обычно это твердый ионообменник и водный раствор. Тот факт, что ионы обмениваются, означает, что обменник должен быть ионизирован, но только один из ионов в обменнике является растворимым.Этот ион может обмениваться, а другой, будучи нерастворимым, этого делать не может.

Если мы представим ионообменник как М + X , чтобы показать, что он ионизирован (М + является растворимым ионом), и представим его помещенным в раствор соли NY, которая ионизируется с образованием ионов N + и Y реакция обмена может быть записана следующим образом: Это напоминает простую реакцию замещения между двумя солями MX и NY. Поскольку ион Y не принимает участия в реакции, его можно исключить из обеих частей уравнения, что тогда упрощается до В этом примере происходит обмен катионов, аналогичное уравнение можно написать для ионного обмена, когда нерастворимым ионом в обменнике является катион.

Не существует строгой разницы между ионообменной смолой и хелатирующей смолой, поскольку некоторые полимеры могут действовать как хелатирующие или нехелатирующие вещества в зависимости от химической среды. Ионный обмен напоминает сорбцию, потому что оба являются поверхностными явлениями, и в обоих случаях твердое вещество поглощает растворенные частицы. Характерное отличие этих двух явлений заключается в стехиометрическом характере ионного обмена. Каждый ион, удаленный из раствора, заменяется эквивалентным количеством того же заряда (рис. 1).С другой стороны, при сорбции растворенное вещество обычно поглощается нестехиометрически без замены.

Обычно ионообменные материалы подразделяются на две категории: катионообменники и анионообменники, в зависимости от типа ионных групп, присоединенных к материалу.

Катионообменные материалы, содержащие отрицательно заряженные группы, такие как сульфатные, карбоксилатные, фосфатные, бензоатные и т. д., закрепляются на материале основной цепи и пропускают катионы, но не пропускают анионы, в то время как анионообменные материалы содержат положительно заряженные группы, такие как аминогруппа, алкил замещенный фосфин (), алкилзамещенные сульфиды () и т. д. фиксируются на материалах основной цепи и пропускают анионы, но не пропускают катионы.Существуют также амфотерные обменники, способные одновременно обменивать и катионы, и анионы. Однако одновременный обмен катионов и анионов можно более эффективно проводить в смешанных слоях , содержащих смесь анионообменных и катионообменных смол, или пропуская обработанный раствор через несколько различных ионообменных материалов. Существует еще один класс ионообменников, известный как хелатирующий ионообменник. Многие ионы принимают неподеленную пару электронов от лигандов, образуя ковалентные связи, называемые координационными связями.В зависимости от количества координационных связей лиганд называют монодентатным, бидентатным или полидентатным. Координационные взаимодействия весьма специфичны. Примером координационного соединения является координация иона металла с этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА) (рис. 2).


Органическая структура функциональных групп часто содержит атомы азота, кислорода и серы, которые являются элементами-донорами электронов (рис. 3).


1.3. Типы ионообменных материалов

По происхождению ионообменные материалы можно разделить на натуральные и синтетические (рис. 4).


1.4. Натуральные органические продукты

Некоторые природные органические материалы обладают ионообменными свойствами или могут быть приданы им простой химической обработкой. Клетки растений и животных действуют как ионообменники благодаря наличию карбоксильных групп амфотерных белков. Эти карбоксильные группы (-CO 2 H) и фенольные группы (-OH) являются слабокислотными и будут обменивать свои ионы водорода на другие катионы в нейтральных или щелочных условиях. Гумины и гуминовые кислоты, обнаруженные в естественном почвенном «гумусе», являются примерами этого класса обменников; частично разложившиеся и окисленные растительные продукты содержат кислотные группировки.На рынке продается несколько органических продуктов, основанных на обработанной целлюлозе, либо в форме волокна для использования в ионообменных колонках, либо в виде фильтровальной бумаги для ионообменного разделения на бумаге. Многие ионообменники были приготовлены из других природных материалов, таких как древесина, волокна, торф и уголь, путем окисления азотной кислотой или, что еще лучше, концентрированной серной кислотой, когда сильнокислотная сульфокислотная группа (–SO 3 H) вводится в материал. Последний процесс был особенно успешным с сульфированными углями.Они могут обмениваться в кислом растворе, потому что сама обменивающаяся группа в этих условиях ионизирована, тогда как более слабые карбоксильные и фенольные группы — нет. Все эти материалы имеют определенные недостатки; однако они имеют тенденцию окрашивать обрабатываемые растворы, и их свойства трудно воспроизвести из-за сложности контроля обработки, которую им проводят.

1.5. Натуральные неорганические продукты

Многие природные минеральные соединения, такие как глины (например,например, бентонит, каолинит и иллит), вермикулит и цеолиты (например, анальцит, шабазит, содалит и клиноптилолит) проявляют ионообменные свойства. Природные цеолиты были первыми материалами, которые стали использовать в процессах ионного обмена. Глинистые материалы часто используются в качестве засыпки или буферных материалов для мест захоронения радиоактивных отходов из-за их ионообменных свойств, низкой проницаемости и простоты обработки. Глины также можно использовать в процессах периодического ионного обмена, но они обычно не подходят для работы в колонне, поскольку их физические свойства ограничивают поток через слой.

1.6. Модифицированные природные ионообменники

Для улучшения обменной емкости и селективности некоторые природные органические ионообменники модифицированы; например, катиониты на основе целлюлозы могут быть модифицированы введением фосфатных, угольных или других кислотных функциональных групп.

Сорбционные параметры природных материалов могут быть изменены путем химической и/или термической обработки; например, путем обработки клиноптилолита разбавленным раствором кислот или некоторых солей можно разработать более селективную форму сорбента для того или иного радионуклида [11].

В Японии для сорбции цезия и стронция из раствора предложены природные минералы, обработанные щелочными растворами в гидротермальных условиях. Эти обработки позволили получить материалы с коэффициентами распределения от 1000 до 10000. Сообщалось о хороших результатах удаления цезия и стронция неолиновыми глинами, модифицированными фосфорной кислотой [12].

1.7. Синтетические органические ионообменники

В 1935 году два химика из Национальной химической лаборатории в Теддингтоне, Адамс и Холмс [7], продемонстрировали, что органические ионообменные смолы могут быть синтезированы способом, подобным хорошо известной смоле «бакелит», которая была подготовленный Бэкеландом в 1909 году.«Бакелит» представляет собой твердый, нерастворимый полимер конденсационной смолы, и его можно легко получить путем нагревания вместе фенолов и формальдегида в присутствии кислоты или основания с удалением воды. В основном реакция протекает в две стадии (рис. 5).


Повторение предыдущих реакций приведет к образованию трехмерной структуры, содержащей слабокислотные фенольные группы –OH или OR (рис. 6).


Адамс и Холмс показали, что они обменивают свои ионы водорода в щелочном растворе; они также подготовили катионит, работающий в кислом растворе, путем введения в структуру сильнокислотных сульфокислотных групп –SO 3 H.Делали это либо сульфированием конечного продукта, либо используя в качестве исходного материала не фенол, а фенолсульфокислоту, в которой уже присутствовала сульфокислотная группа.

Путем соответствующей модификации их синтеза они также смогли ввести основные группы, полученные из аминов, и, таким образом, получить синтетические анионообменники. Впервые стало возможным получать в контролируемых условиях как катионообменные, так и анионообменные смолы, поведение и стабильность которых значительно превосходят другие материалы.

До разработки современных методов высокой химии полимеров успешно использовались конденсационные смолы. В 1944 году д’Алелио в Соединенных Штатах производил превосходные материалы. Смолы Д’Алелио, как и большинство их потомков, были основаны на регулярной трехмерной сетке, образованной полимеризацией производного бензола стирола (см. рис. 7).


Двойная связь в боковой цепи может быть разомкнута, и стирольные звенья могут быть соединены друг с другом, образуя полимерную цепь (рис. 8).


Здесь повторяющаяся единица на основе молекулы стирола встречается миллионы раз. Стирол также можно рассматривать как производное этилена, в котором один атом водорода заменен фенильной группой, –C 6 H 6 . Точно так же, как этилен может полимеризоваться в полиэтилен (политен), стирол легко полимеризуется в полистирол. Цепи могут быть связаны вместе в двух- и трехмерные структуры, если стирол смешать с небольшой долей дивинилбензола (рис. 9), который по своим свойствам напоминает стирол, но имеет две ненасыщенные боковые цепи, через которые он может полимеризоваться.


Полимер, образованный из смеси стирола и дивинилбензола, состоит из цепей, подобных упомянутым ранее, связанных с другой цепью, где единицей является молекула дивинилбензола вместо стирола (рис. 10).


В областях, обведенных пунктирными линиями, цепи связаны вместе, и если мы представим это происходящим в трех измерениях, то легко увидеть, что полученный полимер образует довольно правильную сеть (рис. 10). Связи между цепями называются «поперечными связями», и смола обычно характеризуется процентным содержанием дивинилбензола (ДВБ), используемого при ее получении; таким образом, 2-процентная сшитая смола содержит 2 процента ДВБ и 98 процентов стирола.

D’Alelio приготовила такие смолы путем эмульсионной полимеризации с использованием подходящих эмульгаторов, из которых смола осаждается в виде сферических шариков. Сам полимер не работает как ионообменник, но его можно сульфировать так же, как и конденсационные смолы, вводя в бензольные кольца полимера сильнокислотную группу типа –SO 3 H. Ионы водорода этой группы будут обмениваться в растворе с другими катионами.

Учитывая, что одно бензольное кольцо многократно повторяется в полимере, основные этапы введения обменных групп (или «функциональных» групп, как их обычно называют) показаны на рисунке катионный обмен (а) и анионный обмен (б) (Рисунок 11).

Вторая из этих реакций дает соль четвертичного аммония, которая сильно ионизирована и легко превращается в соответствующее основание. Анион легко обменивается с другими анионами при всех значениях рН. Катион образует часть нерастворимой полимерной цепи или сетки, так что обменник в целом нерастворим в воде.

Синтетические ионообменники, такие как смолы на основе полистирола, составляющие основу большинства коммерчески доступных сегодня смол, обладают многочисленными преимуществами по сравнению с более ранними природными органическими ионообменниками: (1) более контролируемый метод синтеза и более однородный конечный продукт по размеру частиц, степени сшивки и содержанию функциональных групп; (2) путем подходящего изменения этих факторов можно получить широкий спектр различных продуктов; (3) продукт имеет сферическую форму, в отличие от частиц неправильной формы, образующихся при измельчении и просеивании твердой массы конденсационной смолы.Это минимизирует отходы; кроме того, сферические частицы более равномерно упаковываются в слои, чем частицы неправильной формы. Это влияет на характер течения растворов через слои и облегчает контроль за их поведением; (4) физическая и химическая стабильность этих смол выше, чем у конденсационных смол.

1.8. Синтетические неорганические ионообменники
1.8.1. Синтетические цеолиты

Цеолиты представляют собой кристаллические гидратированные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, имеющие бесконечные трехмерные атомные структуры [13].Кроме того, они характеризуются способностью обратимо терять и набирать воду и обменивать определенные составляющие атомы, также без существенного изменения атомной структуры. Наряду с минералами кварца и полевого шпата цеолиты представляют собой трехмерные каркасы силикатных (SiO 4 ) тетраэдров, в которых все четыре угловых атома кислорода каждого тетраэдра являются общими с соседними тетраэдрами. Если каждый тетраэдр в каркасе содержит кремний в качестве центрального атома, общая структура электрически нейтральна, как и кварц (SiO 2 ). В цеолитных структурах часть четырехзарядного кремния заменена трехзарядным алюминием, что приводит к дефициту положительного заряда. Заряд уравновешивается наличием одно- и двухзарядных атомов, таких как натрий (Na + ), калий (K + ), аммоний (Nh5 + ), кальций (Ca 2+ ) и магний (Mg 2+ ) в других частях структуры. Эмпирическая формула цеолита имеет вид где М представляет собой любой атом щелочного или щелочноземельного металла, представляет собой заряд этого атома, соотношение кремнезема и оксида алюминия варьируется от 2 до 10 и представляет собой число от 2 до 7.Химическая формула клиноптилолита, распространенного природного цеолита:

Атомы или катионы (т. е. заряженные атомы металлов) во втором наборе скобок известны как структурные атомы, поскольку вместе с кислородом они составляют жесткий каркас структуры. Ионы в первом наборе скобок известны как обменные ионы, потому что они могут быть более или менее легко заменены (обменены) другими катионами в водном растворе, не затрагивая алюмосиликатный каркас. Это явление известно как ионный обмен или, чаще, катионный обмен. Процесс обмена включает замену одного однозарядного обменного атома в цеолите одним однозарядным атомом из раствора или замену двух однозарядных обменных атомов в цеолите одним двухзарядным атомом из раствора. Величина такого катионного обмена в данном цеолите известна как его катионообменная емкость (CEC) и обычно измеряется в молях обменного катиона на грамм (или 100 грамм) цеолита или в эквивалентах обменных катионов на грамм. (или 100 грамм) цеолита.

1.8.2. Соли многоосновных кислот

Это кислые соли многовалентных, преимущественно четырехвалентных металлов, образованные смешением кислых оксидов металлов, принадлежащих к IV, V и VI группам периодической таблицы. Они имеют нестехиометрический состав в зависимости от условий осаждения. Особые соли четырехвалентных металлов с кислотами (tma) [14, 15] приобретают все большее значение из-за их превосходной термической стабильности и химической стойкости. Это катиониты, имеющие общую формулу M(IV)(HXO 4 )2 × H 2 O, где M(IV) = Zr, Ti, Sn, Ce, Th и т. д., а X = P , W, As, Mo, Sb и так далее.Эти материалы имеют структурные гидроксильные группы, причем H в -OH является заменяемым центром. Они обладают значительной ионообменной емкостью, а также высокой селективностью в отношении ионов некоторых металлов. Соли ТМА могут быть получены как в аморфной, так и в кристаллической формах. Хотя структуры кристаллических материалов хорошо известны, оказалось, что они не подходят для колонных операций, поскольку их получают в виде порошка. С другой стороны, аморфные материалы могут быть получены в гранулированной форме, что очень удобно для работы в колонне [16].Соли ТМА синтезируются золь-гель способами, материалы с различным содержанием воды, составом, ионообменной емкостью и кристалличностью могут быть получены путем варьирования таких параметров, как стехиометрия и концентрация используемых реагентов, температура их смешивания, скорость добавления , способ смешивания и рН. Ионообменные материалы с более высокой селективностью постоянно исследуются [17].

1.8.3. Водные оксиды

Водные оксиды некоторых ионов металлов также используются в качестве ионообменных материалов, как и свежеосажденные оксиды трехвалентных металлов.

1.8.4. Ферроцианиды металлов

Нерастворимые ферроцианиды металлов также используются в качестве неорганических ионообменных материалов, широко известных как поглотители щелочных металлов. Их легко приготовить, и они широко используются при переработке радиоактивных отходов.

1.8.5. Нерастворимые ионообменные материалы

Они представляют большой интерес в качестве ионообменников и в основном получают путем осаждения из раствора солей металлов сульфидом натрия и сероводородом.

1.8.6. Гетерополикислоты

ГПК представляют собой сложные протонные кислоты, в состав которых входят полиоксометаллатные анионы (гетерополианионы), имеющие в качестве основных структурных единиц металлокислородные октаэдры [10]. Гетерополисоединения являются достаточно сильными окислителями. Гетерополикислоты используются в качестве ионообменников, полученных из 12 ГПК с общей формулой H n XY 12 O 40 · H 2 O. Первым охарактеризованным и наиболее известным из них является гетерополианион Кеггина, обычно представленный по формуле XM 12 O 40 x −8 , где X — центральный атом (Si 4+ , P 5+ и т. д.), — его степень окисления, а М — ион металла (Mo 6+ или W 6+ ).

2. Механизм процесса ионного обмена

Наиболее распространенная система ионного обмена включает набухший в воде ионообменный материал и окружающий водный раствор. Ионный обмен, как и всякий гетерогенный процесс, осуществляется за счет переноса ионов к межфазной границе и от нее; то есть сама химическая реакция, диффузия внутри материала и диффузия в окружающем растворе должны рассматриваться как ионный обмен.Помимо двух основных фаз, следует отдельно рассматривать тонкую пленку раствора на поверхности теплообменника. Свойства пленки отличаются от свойств окружающего объемного раствора. Образование тонкой пленки неизбежно. Даже сильное перемешивание только уменьшает толщину межфазной пленки.

На рис. 12 представлена ​​простейшая иллюстрация массопереноса при ионном обмене. Ионы В диффундируют из раствора через пленку в шарики, а ионы А диффундируют из шариков, пересекая пленку, в раствор.Эта межфазная диффузия противоионов называется ионным обменом. Противоионы представляют собой обменные ионы, переносимые ионообменниками. Противоионы могут свободно перемещаться внутри каркаса, но их движение должно компенсироваться соответствующими встречными движениями других ионов такого же изменения, выполняющих принцип электронейтральности. Термин противоион имеет два толкования. (а) Его можно использовать исключительно для ионов внутри ионообменника. (б) Его можно использовать в широком смысле как в ионообменнике, так и во внешнем растворе; все ионные частицы со знаком заряда, противоположным знаку заряда функциональных групп, можно назвать противоионами.


Коион – это термин, используемый для обозначения ионных соединений с тем же знаком заряда, что и у функциональной группы. Ионная форма — это термин, определяющий, какой противоион присутствует в ионном обмене.

Любой противоион, покидающий ионообменник, заменяется эквивалентным количеством других противоионов. Это является следствием требования электронейтральности. Когда противоион пересекает межфазную границу, между двумя фазами создается электрический потенциал. Этот потенциал должен быть компенсирован движением другого противоиона в противоположном направлении (ионный обмен) или движением коиона в том же направлении.Во многих системах, особенно в разбавленных растворах, исключение Доннана (исключение Доннана: снижение концентрации подвижных ионов внутри ионообменной мембраны из-за присутствия неподвижных ионов того же знака, что и подвижные ионы) ограничивает поступление коионов в обменник во время весь процесс. В этом случае коионы не участвуют в реакции и мало влияют на скорость. Однако косвенное влияние может иметь место.

Из рис. 13 видно, что вначале происходит диссоциация растворенной соли, содержащей первый ион, с последующей диффузией первого иона из раствора в сторону межфазной ступени пленки.Затем ион диффундирует из ступени пленки в сторону ступени материальной фазы. Ион связывается со стадией функциональной группы, а затем на стадии происходит диссоциация второго иона и функциональной группы. Второй ион диффундирует внутри фазы материала по направлению к поверхностной ступеньке. Второй ион диффундирует внутри ступени межфазной пленки с последующей диффузией и случайным распределением на ступени растворения. Таким образом, завершается этап образования второй ионной пары.


2.1. Селективность ионообменных материалов

Селективность — это параметр, определяемый в конкретных условиях раствора.Другое равновесие, связанное с интересующим ионом, может повлиять на селективность иона. Для объяснения селективности обмена использовались три основных класса моделей.

Немеханистические модели были получены с использованием принципов действия масс и термодинамики, механистических моделей, основанных на теории диффузного двойного слоя, и механистических моделей, основанных на энергетике гидратации и электростатических взаимодействиях.

Расчет коэффициентов селективности действия масс на основании измеренных данных ионного обмена, возможно, является наиболее распространенным подходом к определению селективности катионного обмена.В идеале такие коэффициенты оценивают константы термодинамического равновесия (~). Эта трактовка ионного обмена не делает различий между твердой и жидкой фазами и поэтому требует определения активности адсорбированных ионов. Vanselow (1932) предположил, что активность адсорбированных ионов близко соответствует мольной доле ионов, адсорбированных на твердом теле [18]. Однако измеренные коэффициенты Ванзелоу () часто меняются в зависимости от ионного состава ионообменника и общей ионной силы уравновешивающего раствора [19]. Гейнс и Томас (1953) предложили интегрировать измеренные коэффициенты селективности по всему диапазону состава в качестве средства оценки констант термодинамического равновесия [20]. В соответствии с подходом Гейнса-Томаса изменения измеренных коэффициентов селективности в зависимости от ионного состава обменника произвольно приписываются изменениям активности адсорбированных ионов. Подход Гейнса-Томаса явно включает изменения химического потенциала воды, которые могут происходить во время реакции ионного обмена.

Термодинамическая трактовка селективности катионного обмена имеет 2 фундаментальные проблемы: иногда наблюдается гистерезис в реакциях ионного обмена с участием 2 : 1-филлосиликатов [21], а при наличии гистерезиса термодинамическая трактовка ионного обмена недействительна, поскольку требуется обратимость равновесия. Стандартный термодинамический подход по своей сути немеханистичен: можно предсказать исход реакции ионного обмена, но никогда не узнать причину селективности ионного обмена.

Эрикссон предложил механистическую модель селективности катионного обмена, основанную на теории диффузного двойного слоя (DDL) [22]. Показано, что с различными модификациями модель Эрикссона позволяет оценивать коэффициенты селективности реакций гетеровалентного обмена, находящиеся в пределах порядка величины измеренных коэффициентов [19, 23]. Модель Эрикссона рассматривает только электростатические взаимодействия и рассматривает все катионы как точечные заряды; следовательно, он не различает селективности обменных реакций с участием катионов с одинаковым зарядом.Несколько авторов предложили модификации модели Эрикссона, чтобы решить эту проблему. Нил и Купер, например, предположили, что ион не может приблизиться к заряженной поверхности ближе, чем его гидратированный радиус [24], а Нир использовал специфические коэффициенты связывания для учета различий в селективности для катионов с одинаковым зарядом [25]. Для данной глины модель Эрикссона можно скорректировать, чтобы она соответствовала измеренным данным. Однако никакая корректировка не изменит фундаментального предсказания модели Эрикссона о том, что катионы с более высоким зарядом будут все более предпочтительными по мере увеличения заряда слоя глины.Хотя эта зависимость была качественно продемонстрирована для обмена Na-Ca [23], для обмена K-Ca наблюдается обратная зависимость [26, 27]. Неспособность модели Эрикссона объяснить взаимосвязь между зарядом слоя и селективностью в реакциях обмена K-Ca свидетельствует о серьезном недостатке модели Эрикссона.

На более фундаментальном уровне достоверность модели Эрикссона для описания селективности ионного обмена, проявляемой смектитами, может быть поставлена ​​под сомнение, поскольку модель Эрикссона основана на теории DDL.В водных системах смектиты существуют в виде квазикристаллов. Каждый квазикристалл состоит из от 1 до нескольких сотен ламелей, уложенных друг на друга с параллельными, но случайно ориентированными осями. В объемном растворе могут образовываться диффузные двойные слои, примыкающие к внешним поверхностям квазикристаллов; однако ДДЛ не образуются между ламелями внутри квазикристалла. В квазикристалле ламели разделены 4 или менее дискретными слоями молекул воды, а анионы исключены из межслоевых пространств [28].Если предположить, что средний квазикристалл состоит из 10 скоординированных ламелей с равномерно распределенным по всем поверхностям зарядом слоев, то 90 % обменных катионов удерживается на внутренних поверхностях и только 10 % — на внешних поверхностях. Теория диффузного двойного слоя и модель Эрикссона подходят для описания селективности, проявляемой 10% катионов, сорбированных на внешних поверхностях, но не имеют отношения к селективности в отношении 90% катионов, удерживаемых на внутренних поверхностях.

Другой подход к пониманию селективности катионного обмена основан на теории Эйзенмана, которая была разработана для объяснения поведения ионоселективных электродов [29].Эйзенман утверждал, что молярная свободная энергия обмена (AGex) определяется чистым изменением кулоновской энергии и энергии гидратации обменивающихся катионов. Эберл применил теорию Эйзенмана к филлосиликатам 2 : 1 для обменных реакций между Cs и другими щелочными катионами [30]. Для этого он предположил, что Cs негидратирован как в растворе, так и при адсорбции на глине. Однако он не смог использовать подход Эйзенмана для частично гидратированных глин 2 : 1, поскольку состояния гидратации частично гидратированных межслоевых катионов были неизвестны.Вместо этого он предположил, что межслойная вода в глине 2 : 1 аналогична воде в концентрированном растворе галоида щелочного металла. С этим предположением он смог оценить ~ как функцию межслойной молярности и заряда слоя. В соответствии с экспериментальными данными анализ показал, что предпочтение менее гидратированного катиона увеличивается по мере уменьшения количества межслоевой воды и увеличения плотности заряда слоя.

3. Кинетика ионообменных материалов

Кинетика зависит от этих соображений.(i) Массоперенос (диффузия) в растворе или в другой внешней среде является неизбежным этапом любого ионообменного взаимодействия. Процесс хорошо известен. Этому легко могут способствовать гидродинамические турбулентности, и поэтому его нельзя рассматривать как ограничивающую стадию ионного обмена. (ii) Пленка представляет собой зону раствора определенной толщины без конвекции. Массоперенос в пленке определяется исключительно коэффициентами диффузии. Толщина пленки может быть уменьшена перемешиванием. (iii) Массоперенос в обменной фазе зависит от физико-химических свойств системы и не может быть улучшен без изменения самой химической системы.(iv) Реакция между противоионами и фиксированными группами является единственным химическим взаимодействием, которое может повлиять на общую скорость ионного обмена. (v) Диссоциация комплексов и образование ионных пар в растворе не рассматривается как часть ионного обмена.

Как следует из этих соображений, большинство ионообменных процессов представляют собой чисто диффузионное явление; то есть они контролируются диффузией противоионов, а не реальной химической реакцией.

В большинстве случаев рассматриваются две основные стадии, определяющие скорость: диффузия ионов внутри материала или диффузия ионов через пленку жидкости.В обоих случаях миграция ионов определяется исключительно свойствами системы. Скорость этих шагов не может быть увеличена или замедлена внешним воздействием без изменения самой системы.

Диффузия внутри материала называется диффузией частиц, а диффузия через пленку называется диффузией через пленку. В простых случаях скорость ионного обмена определяется более медленным из этих двух процессов. Доминирование одного из этих механизмов можно предсказать с помощью приближенных [31–33]. О контроле диффузии частиц см. [32–34]. А для управления пленочной диффузией см. [34], где – концентрация фиксированной группы, а – концентрация раствора.– коэффициент взаимной диффузии в ионообменнике, – коэффициент взаимной диффузии в пленке, – радиус шарика, – толщина пленки, – отдельный коэффициент.

В соответствии с критерием все факторы, повышающие скорость взаимной диффузии в шариках и уменьшающие скорость в пленке, благоприятствуют контролю диффузии в пленке и наоборот. Таким образом, пленочный диффузионный контроль может преобладать в системе, характеризующейся следующими свойствами [31]: (i) высокая концентрация обменных центров, (ii) низкая степень сшивки, (iii) малый размер частиц, (iv) разбавленный раствор ,(v) неэффективное перемешивание.

Самый простой способ отличить контроль диффузии частиц от контроля диффузии пленки – это испытание на прерывание. Ионообменное взаимодействие осуществляется в периодическом режиме. Степень конверсии отслеживается. Шарики удаляются из раствора задолго до завершения процесса. Через некоторое время материал снова погружают в тот же раствор. Если внутри шариков создается градиент концентрации, то эти градиенты выравниваются при прекращении поступления свежих ионов из раствора.Если процесс контролируется диффузией частиц, скорость сразу после повторного погружения выше до прерывания. В случае пленочной диффузии количество ионов, неравномерно распределенных в пленке в момент разрыва, практически не обнаруживается, а градиента концентрации в шарике не существует. Таким образом, прерывание не влияет на этот процесс и скорость до и после прерывания одинакова.

4. Математический подход к кинетике ионного обмена

Общий подход к кинетике ионного обмена металлов заключается в применении обычных уравнений диффузии. Из-за учета взаимодействия для ионного обмена моделирование сильно усложняется. Эти взаимодействия представляют собой диффузионно-индуцированные электрические силы, селективность, специфические взаимодействия, изменения при набухании. В основе описания диффузионных процессов лежит первый закон Фика [35]: (см. [35]). Для фазы ионного обмена (см. [35]), где – поток иона в молях/время и единице поперечного сечения, – коэффициент диффузии, – концентрация в молях на единицу объема.

В простейшем случае коэффициент диффузии принимается постоянным, поэтому поток пропорционален градиенту концентрации. постоянство означает, что на вид не действуют никакие силы, кроме концентрационной неоднородности. Это не обычный случай, когда рассматривается ионный обмен из-за электросвязи ионных потоков. Влиянием связи можно пренебречь только при равенстве потоков. Исключения могут быть в ионном обмене. Примером такого исключения является изотоп, контролируемый диффузией, в системах, где концентрация других выравнивается. Соответствующий коэффициент диффузии (одинаковый для обоих изотопов) называется коэффициентом самодиффузии. Его величина постоянна в любой отдельной фазе системы, но, конечно, зависит от природы и состава конкретной фазы и от температуры.

В большинстве других случаев коэффициент диффузии непостоянен. Это означает, что необходимо учитывать изменение коэффициента диффузии. Влияние электрического поля можно учесть, используя уравнение Нернста-Планка вместо уравнения Фика: (см. [35]), где – электрический потенциал.

Если в фазе присутствуют два обменных иона с разной концентрацией, их диффузия подвержена электромуфтовому взаимодействию неодинаково. Как показано в (7), поток диффузионных частиц зависит только от градиента концентрации и не зависит от самой концентрации (первое слагаемое в (7)), поскольку диффузия является чисто статистическим явлением, в котором отсутствует физическая сила на молекулярном уровне. .

Напротив, электрическое поле вызывает реальную физическую силу, действующую на каждый ион и создающую поток, пропорциональный концентрации соответствующего иона (второй член в (8)). В результате электрическое поле в основном воздействует на ионы, присутствующие в большинстве. Для тех, кто в меньшинстве, второй член мал и, таким образом, (8) приближается к (6). В результате ионы, присутствующие в малых концентрациях, мигрируют в основном со скоростью их обычной диффузии. При взаимной диффузии двух противоионов в отсутствие значительного коионного переноса два потока строго связаны. Диффузия большинства ионов не сильно зависит от действия электрического поля и, таким образом, контролирует скорость.

Уравнение (6) является не только возможным способом описания процесса диффузии. Теория необратимой термодинамики утверждает, что движущей силой диффузии является не градиент концентрации, а градиент химического потенциала.

В этом случае (см. [35]), где – химический потенциал и связан с уравнением: (см. [35]), а зависит от концентрации и поэтому может различаться в разных точках неоднородной среды.можно считать постоянным значением. Если в системе содержится более двух соединений (9), их следует заменить на (см. [35]), где – количество соединений. Однако из-за электросвязи ионных потоков только один диффузионный поток можно считать независимым, и, таким образом, (9) можно было использовать для большей части ионного обмена [10].

В заключение, концентрация внешнего раствора может иметь решающее значение для этапа определения скорости; то есть простое увеличение концентрации раствора может изменить механизм с пленочной диффузии на контроль диффузии частиц.

5. Заключение

Ионный обмен — древний метод, описанный более ста лет назад. С тех пор они использовались для умягчения воды в несравненно более широком диапазоне применений и стали неотъемлемой частью новых технических и промышленных процессов. Существует большое разнообразие ионообменных материалов. Они имеют много видов: природные и синтетические, органические и неорганические, катионные, анионные и амфотерные и так далее. Наиболее распространенная ионообменная система включает набухшие в воде ионообменные материалы и окружающие системы. Во всех случаях механизм включает образование тонкой пленки. При межфазной диффузии сохраняется электронейтральность. Кинетика ионного обмена включает массоперенос, который определяется исключительно коэффициентами диффузии. Это зависит от физико-химических свойств системы. Считается, что на скорость влияют два основных этапа: диффузия ионов внутри материала или диффузия ионов через пленку жидкости. Самый простой способ их различения — это тест прерывания.

В статье предлагаются шаги, направленные на повышение скорости процесса ионного обмена. Самый простой способ добиться более быстрой диффузии внутри ионообменных шариков — выбрать материалы с низкой плотностью геля. В целом, скорость процесса может быть повышена даже без замены материалов. Уменьшение размера гранул может сократить время достижения равновесия для процесса, контролируемого частицами. Повышенная температура повышает скорость независимо от стадии контроля скорости.

Реакции лигандного обмена (Введение) — Химия LibreTexts

На этой странице описаны некоторые распространенные реакции лигандного обмена (замещения) с участием сложных ионов металлов. Предполагается, что вы знакомы с основными представлениями о сложных ионах. Реакция обмена лигандами включает замену одного или нескольких лигандов в комплексном ионе одним или несколькими разными лигандами.

Замена аква лигандами хлора

При добавлении концентрированной соляной кислоты к раствору, содержащему ионы гексааквакобальта(II) (например, к раствору хлорида кобальта(II), раствор меняет свой первоначальный розовый цвет на темно-синий.{2-} + 6х3О} \номер\]

Концентрированная соляная кислота используется в качестве источника ионов хлорида, потому что она обеспечивает очень высокую концентрацию по сравнению, например, с раствором хлорида натрия. Концентрированная соляная кислота имеет концентрацию ионов хлора примерно 10 моль дм -3 . Высокая концентрация ионов хлора сдвигает положение равновесия вправо в соответствии с принципом Ле Шателье.

Обратите внимание на изменение координации кобальта.Ионы хлорида больше, чем молекулы воды, и вокруг центрального иона кобальта не уместится шесть из них. Эту реакцию можно легко обратить, добавив в раствор воду. Добавление воды в правую часть равновесия приводит к смещению положения равновесия влево. Снова появляется розовый цвет иона гексааквакобальта (II) (только, конечно, бледнее, потому что он более разбавлен).

 

Замена воды в ионе гексааквамеди(II)

С точки зрения химии, это то же самое, что и в предыдущем примере, разница только в цветах.{2-} + 6h3O}\номер\]

Цвет иона тетрахлоркупрата(II) может быть описан как оливково-зеленый или желтый. Добавление воды к зеленому раствору снова заменяет хлорные лиганды молекулами воды и возвращает раствор к синему цвету.

Замена молекул воды аммиаком

Молекулы воды и молекулы аммиака очень похожи по размеру, поэтому на этот раз координация не изменилась. К сожалению, реакции не так просто описать.Раствор аммиака может реагировать с ионами металла гексааква двумя совершенно разными способами, потому что он может действовать как основание, а также как лиганд.

При добавлении небольшого количества раствора аммиака выпадает осадок гидроксида металла — аммиак действует как основание. В некоторых случаях эти осадки повторно растворяются, когда вы добавляете больше аммиака, чтобы получить растворы, в которых произошла реакция обмена лигандами. На диаграммах ниже показаны обе стадии, но мы собираемся рассмотреть только химию общей реакции обмена лигандами.Осадки растворяются из-за сложной серии сдвигов равновесия, и мы пока не будем об этом беспокоиться.

Замена воды в ионе гексааквамеди(II)

Это немного нетипичный случай, потому что только четыре из шести молекул воды замещаются с образованием иона тетраамминдиаквамеди (II), [Cu(NH 3 ) 4 (H 2 O) 2 ] 2+ .

Обратите внимание, что все четыре аммиака лежат в одной плоскости, а молекулы воды находятся сверху и снизу.{2+} + 4h3O}\номер\]

Цвет темно-синего комплекса настолько сильный, что эта реакция используется в качестве чувствительного теста на ионы меди (II) в растворе. {2+} + 6h3O}\номер \]

Образовавшийся раствор соломенного цвета очень быстро меняет цвет при стоянии на темно-красновато-коричневый.Ионы гексаамминкобальта(II) окисляются воздухом до ионов гексаамминкобальта(III). Однако это совершенно отдельная реакция, не являющаяся частью реакции обмена лиганда.

Замена воды в ионе гексааквахромия(III)

Опять же, все агуа-лиганды заменены амминовыми лигандами. Отличие на этот раз в том, что реакция неполная. Осадок необходимо оставить на некоторое время в присутствии избытка концентрированного раствора аммиака, чтобы получить полностью замещенный аммиачный комплекс.{3+} + 6h3O}\номер\]

Еще две замены воды в ионе гексааквахромия(III)

Цвет иона гексааквахрома (III) показан как «трудно поддающийся описанию» фиолетово-сине-серый на всех приведенных выше диаграммах. На практике, когда он производится во время реакции в пробирке, он часто бывает зеленым. Типичным примером этого является использование в качестве окислителя подкисленного бихромата (VI) калия. Всякий раз, когда это используется, оранжевый раствор становится зеленым, и мы почти всегда описываем зеленый ион как Cr 3 + (водный) , что подразумевает ион гексааквахромия (III).На самом деле это чрезмерное упрощение. Происходит то, что одна или несколько молекул воды-лиганда заменяются отрицательным ионом в растворе — обычно сульфатом или хлоридом.

Замещение воды ионами сульфата

Вы можете сделать это, просто подогрев немного раствора сульфата хрома (III).

Одна из молекул воды заменена ионом сульфата. Обратите внимание на изменение заряда иона. Два положительных заряда компенсируются наличием двух отрицательных зарядов на ионе сульфата.

Замена воды ионами хлора

В присутствии ионов хлорида (например, с хлоридом хрома (III)) чаще всего наблюдается зеленый цвет. Это происходит, когда две молекулы воды замещаются ионами хлорида с образованием иона тетрааквадихлорхрома (III) — [Cr(H 2 O) 4 Cl 2 ] + . Еще раз обратите внимание, что замена молекул воды ионами хлорида изменяет заряд иона.

Реакция лигандного обмена в тесте на ионы железа(III)

Это чрезвычайно чувствительный тест на ионы железа (III) в растворе.{2+}}\).

Авторы и авторство

Ионообменная хроматография — Химия LibreTexts

Вторая подкатегория жидкостной хроматографии известна как ионообменная хроматография. Этот метод используется для анализа ионных веществ. Он часто используется для неорганических анионов (например, хлоридов, нитратов и сульфатов) и неорганических катионов (например, лития, натрия и калия). Его также можно использовать для органических ионов, хотя это менее распространено с появлением методов жидкостной хроматографии с обращенной фазой, которые будут описаны позже.Еще одним важным применением ионообменной хроматографии является этап очистки белков. Некоторые группы заместителей аминокислот заряжены (общий заряд конкретного белка зависит от рН раствора), что делает ионный обмен подходящим методом очистки белка.

Подход заключается в прикреплении фиксированных ионных групп к поверхности твердой подложки. Одним из распространенных носителей, используемых при получении ионообменных смол, являются сополимеры полистирола и дивинилбензола.Фиксированные ионы присоединяются посредством дериватизации фенильных колец полистиена. Обычные фиксированные ионы включают либо сульфонатные группы, либо четвертичные амины, как показано на рис. 56. Ароматические сульфонатные группы являются достаточно сильными кислотами, поэтому они депротонируются при любых значениях pH, кроме очень кислых (pH < 1).

Сульфонатная группа Четвертичный амин

Рис. 56. Полистирольный полимер, модифицированный фиксированными ионными группами.

Поскольку мы должны сохранять нейтралитет в такой системе, также должен быть взаимозаменяемый противоион, связанный с каждой из этих фиксированных групп. В случае сульфонатной группы противоион представляет собой катион, и это катионообменная смола . В фазах четвертичного амина способным к обмену противоионом является анион, и это анионообменная смола . Эти противоионы могут обмениваться друг с другом. Например, это позволит вам иметь катионообменную смолу в натриевой или водородной форме, как показано на рисунке 57

.

Натриевая форма Водородная форма

Рис. 57. Сульфонат-катионит с противоионами натрия и водорода.

Анионообменная смола может быть в форме гидроксида (OH ) или формы хлорида (Cl ). Одним из распространенных применений ионообменных смол является деионизация воды. Полезно рассмотреть схему с использованием ионообменных смол, которая позволит вам деионизировать воду. Если бы, например, у нас была вода с хлоридом натрия (Na + Cl ), нам нужен был бы способ удаления как катионов, так и анионов.Если бы мы сначала пропустили воду через катионообменную смолу в водородной форме, ионы натрия обменялись бы ионами водорода, как показано на верхнем рисунке рисунка 58. Если бы мы затем пропустили воду через анионообменную смолу в форме гидроксида , ионы хлора будут обмениваться ионами гидроксида, как показано на нижнем рисунке рисунка 58.

Рис. 58. Использование катионообменной (вверху) и анионообменной (внизу) смолы для деионизации воды.

H + и OH , выделяемые двумя смолами, будут объединяться с образованием воды.В конце концов смола заполнится ионами примесей (в данном случае Na + и Cl ), и нам потребуется либо заменить смолу, либо реактивировать ее. Мы можем реактивировать катионообменную смолу, пропуская через нее относительно концентрированную соляную кислоту, чтобы удалить весь Na + и заменить его на H + . Мы можем реактивировать анионообменную смолу, пропуская через нее относительно концентрированный раствор гидроксида натрия, чтобы удалить весь Cl и заменить его на OH .Чтобы свести к минимуму частоту замены этих смол или частоту их перезарядки, лучше всего иметь смолы с как можно более высокой ионообменной емкостью (емкость определяется количеством фенильных колец, которые были дериватизированы фиксированными ионы).

Емкость ионообменных смол, используемых для деионизации воды, слишком высока для аналитических целей. Предположительно, концентрации ионов в образцах, которые мы хотим проанализировать, относительно низки. Если мы используем смолы с высокой емкостью, время удерживания будет слишком большим.Одним из первых препятствий для использования ионного обмена в качестве аналитического метода было отсутствие методов воспроизводимого синтеза смол с низкой емкостью. Одной из первых групп людей, придумавших способ сделать это, были химики Dow Chemical. Они были мотивированы необходимостью измерять неорганические анионы и катионы на низких уровнях и поняли, что ионообменная хроматография будет идеальным методом для этого.

При использовании любого хроматографического метода полезно знать некоторые основные правила предсказания порядка удерживания. Интересным примером для рассмотрения в ионообменной хроматографии является порядок удерживания ионов Li + , Na + и K + на катионообменной смоле. Одна вещь, которую мы можем рассмотреть, заключается в том, имеют ли эти ионы различную силу взаимодействия с фиксированным анионом в смоле. Все три иона имеют одинаковый заряд. Также должно быть очевидно, что литий — это самый маленький ион с самым плотным зарядом, а калий — самый большой с самым рассеянным или самым рыхлым зарядом.Поэтому мы можем предположить, что притяжение иона лития к сульфонатным группам в смоле является самым сильным из трех ионов. Оказывается, в уравнении ионного притяжения есть член расстояния, и чем ближе ионы, тем сильнее притяжение. Литий, будучи наименьшим, фактически ближе к сульфонату и обладает самой сильной силой притяжения из трех для смолы. Это предполагает порядок удерживания, при котором калий элюируется первым, натрий — вторым, а литий — последним, как показано на рис. 59.

Рисунок 59. Порядок удерживания Li + , Na + и K + на катионообменной колонке на основе эффектов стационарной фазы.

Но при хроматографическом разделении также присутствует подвижная фаза, и полезно исследовать, имеют ли эти ионы различную относительную стабильность в подвижной фазе. Если один из трех наиболее стабилен в подвижной фазе, можно ожидать, что он останется в подвижной фазе дольше, чем другие, и элюируется первым.Что может повлиять на устойчивость этих ионов в подвижной фазе? Подвижной фазой в этом разделении будет водная фаза. Если мы рассмотрим воду, мы узнаем, что она необычна тем, что имеет очень сложную сеть водородных связей. Любой ион, который растворяется в воде, вызывает некоторое нарушение этой сети. Вопрос, который следует рассмотреть, заключается в том, какой ион будет наиболее разрушительным из трех для сети водородных связей? Поскольку заряды этих трех ионов идентичны, это решение будет основываться на размере.Более крупный ион калия будет больше разрушать водородные связи, и воде будет труднее приспособиться. Тогда можно сказать, что Li + более стабилен в воде, дольше остается в подвижной фазе и элюируется первым. Вы могли бы сформулировать это по-другому, сказав, что K + наименее стабилен в водной подвижной фазе, поэтому подвижная фаза «вытесняет» смолу и элюируется последней. Иногда в хроматографической литературе это называют сольвофобным эффектом.K + боится растворителя и поэтому проводит больше времени в смоле. Относительный порядок удерживания, основанный на эффектах подвижной фазы, будет следующим: сначала литий, а затем калий, как показано на рисунке 60, что является полной противоположностью тому, что было предсказано выше на основе эффектов стационарной фазы.

Рисунок 60. Порядок удерживания Li + , Na + и K + на катионообменной колонке на основе эффектов подвижной фазы.

При наличии противоречивых прогнозов единственный способ узнать, какой из них важнее, — ввести ионы и определить порядок удерживания. В этом случае измерения показывают, что Li + элюируется первым, а K + элюируется последним. Эффекты подвижной фазы более значимы при определении порядка удерживания.

Теперь предположим, что у нас есть два иона абсолютно одинакового размера, но один из них имеет заряд 1+, а другой — 2+. При изучении эффектов стационарной фазы уравнение, описывающее притяжение между двумя ионами, включает в себя заряды обоих ионов. Чем больше заряд ионов, тем сильнее притяжение.Поэтому мы ожидаем, что ион 2+ проявит большее притяжение к фиксированным сульфонатным анионам и элюируется позже, чем ион 1+, как показано на рисунке 61.

Рис. 61. Порядок удерживания на катионообменной колонке для ионов одинакового размера, но разного заряда на основе эффектов стационарной фазы.

Изучая эффекты подвижной фазы, оба иона будут иметь одинаковую степень разрушения сети водородных связей, поскольку оба имеют одинаковый размер. Затем нам нужно рассмотреть силу притяжения между положительным ионом и сферой молекул воды, которые его окружают (помните, что эти катионы будут окружены слегка отрицательными атомами кислорода молекул воды). Это представляет собой электростатическое притяжение и опять же зависит от заряда. Следовательно, ион 2+ более стабилен в воде и должен элюироваться первым, как показано на рисунке 62, что является полной противоположностью того, что было предсказано на основе эффектов стационарной фазы.

Рис. 62. Порядок удерживания на катионообменной колонке для ионов одинакового размера, но разного заряда, основанный на эффектах подвижной фазы.

Столкнувшись с противоречивыми прогнозами, необходимо провести эксперимент и посмотреть, какой из них окажется первым. В этом случае измерения показывают, что ион 1+ элюируется первым, ион 2+ элюируется вторым. Эффекты стационарной фазы в этом случае более важны для определения порядка удерживания. Вероятная причина, по которой эффекты стационарной фазы более значительны, заключается в том, что ион 2+ может одновременно связываться с двумя соседними сульфонатными центрами, как показано на рисунке 63.

Рисунок 63. Изображение иона +2, связанного с двумя анионными позициями на смоле.

Вероятность того, что это произойдет, можно наблюдать, если в эти смолы добавить ион лантанида (III). В этом случае частицы смолы фактически уменьшаются в размерах по мере добавления иона лантанида. Причина сжатия заключается в том, что связывание трех сульфонатных групп с лантанидом приводит к тому, что полимер немного разрушается, чтобы эти группы уместились вокруг лантанида.

Разделение Li + , Na + и K + , описанное в предыдущей задаче, часто проводят на полистирольной смоле с использованием довольно разбавленного раствора соляной кислоты (возможно, 0,000.1 М) в качестве подвижной фазы. Связанными ионами будут сульфонатные группы, а подвижным противоионом будет ион H + . Важным вопросом является то, как обнаружить эти ионы. Они не поглощают ультрафиолетовый или видимый свет в доступной части спектра. Они не поглощают инфракрасный свет. Электропроводность является одной из возможностей выполнения измерения. Электропроводность раствора является мерой степени, в которой раствор проводит электричество. Растворенные ионы необходимы для того, чтобы раствор проводил электричество, и чем выше концентрация ионов, тем выше проводимость.Мы можем довольно точно измерить проводимость раствора. Фактически, это показания, которые выполняются для воды, которая была очищена путем прохождения через устройство очистки воды MilliQ, чтобы увидеть, насколько хорошо вода была деионизирована. Единственная проблема при попытке применить прямое кондуктометрическое измерение заключается в том, что соляная кислота в подвижной фазе дает слишком сильный фоновый сигнал. Химики компании Dow, разработавшие ионообменные смолы с низкой емкостью, также осознали эту проблему и разработали оригинальный способ устранения проводимости ионов элюента (HCl), но сохранения проводимости щелочных ионов, которые они хотели обнаружить.

Они использовали устройство под названием колонна подавления . Если мы представим измерение Na + в растворе, содержащем хлорид натрия (Na + Cl ), мы сначала начнем с катионообменной смолы в форме H + и получим Na + Cl и H + Cl с элюированием с конца колонки, когда исчезает полоса натрия, как показано на рис. 64.

Рис. 64. Сток из аналитической колонки при анализе пробы, содержащей натрий. H + Cl – ион элюента.

Обратите внимание, что при элюировании из колонки все еще присутствует высокая концентрация HCl, смешанной с NaCl. Эта HCl будет мешать измерению электропроводности. Предположим, мы взяли элюент колонки, а затем пропустили его через анионообменную смолу в форме гидроксида, как показано на рис. 65. Ион Cl Na + Cl будет обмениваться с гидроксидом, превращая его в гидроксид натрия (Na + OH ), проводящий электролит, поскольку он остается ионизированным. Ион Cl HCl будет обмениваться с гидроксидом, превращая его в H + и OH , который является непроводящей водой. Таким образом, мы можем измерить проводимость, которая зависит только от количества ионов натрия в исходном образце. Аналогичная схема с перевернутыми колонками может быть использована для измерения проводимости анионов, которые были разделены на анионообменной колонке в гидроксидной форме.

Рис. 65. Влияние колонки с подавителем на элюент из колонки на рисунке 64.

В конце концов, все противоионы гидроксида в подавительной колонне будут заменены ионами хлорида, и устройство больше не будет работать. Подавляющая колонна должна периодически регенерироваться в форме гидроксида.

Сегодня вместо использования колонок-подавителей для снижения проводимости ионов элюента используются мембранные устройства электролитической нейтрализации. Электролиз воды можно использовать для получения ионов гидроксония и гидроксида, и при правильном проектировании желаемый ион может генерироваться таким образом, чтобы он проходил через мембрану и подавлял проводимость ионов элюента. В некоторых приборах аналогичная электролитическая стратегия используется перед аналитической колонкой для получения ионов элюента. Использование этой технологии генерации элюента приводит к снижению фоновой проводимости и повышению чувствительности, что делает его особенно полезным для анализа низких концентраций ионов.

Еще один способ обнаружения ионов, особенно анионов, также был разработан химиками Dow. Он включал использование непрямого спектрофотометрического обнаружения .В этой процедуре анион, такой как анион фталата, используется в качестве противоиона в подвижной фазе. Материал обычно добавляют в виде фталата калия и поддерживают в концентрации 0,001 М. Ион фталата поглощает ультрафиолетовый свет. Измерение фона в системе затем состоит из показаний высокого поглощения УФ-света.

фталат-анион

Предположим, мы разделили Cl в образце, содержащем хлорид натрия. На рис. 66 показан конец колонки с ионами хлорида в смоле, которые вот-вот начнут элюироваться из колонки. В этот момент концентрация фталат-иона, покидающего колонку, составляет 0,001 М. Но что происходит, когда хлорид-ион вытесняется из смолы на выходе из колонки? Это произойдет только в том случае, если ион фталата заменит его в смоле. Происходящая замена приведет к падению концентрации фталат-иона ниже 0,001 М.

Рисунок 66. Представление анионообменной колонки при использовании фталат-иона для непрямого спектрофотометрического обнаружения.

Другими словами, когда хлорид элюируется из колонки, в подвижной фазе вы наблюдаете, что общая концентрация анионов равна 0,001 М (это должно произойти для сохранения нейтральности в системе).

[Кл ] + [фт ] = 0,001 М

Если концентрация фталат-иона падает пропорционально концентрации хлорида, элюируемого из колонки, пропорционально падает и УФ-поглощение, как показано на рис. 67.Название «непрямое спектрофотометрическое обнаружение» выбрано удачно, поскольку значение поглощения УФ-излучения падает по мере элюирования анионов аналита из колонки.

Рис. 67. Отрицательный пик для иона хлорида при непрямом спектрофотометрическом обнаружении.

Ученые компании Dow Chemical, разработавшие методы ионного обмена для некоторых необходимых им анализов, поняли, что есть и другие, кто хотел бы иметь возможность измерять те же самые виды, и что это устройство имеет коммерческий потенциал.Компания под названием Dionex, которая до сих пор является ведущим поставщиком ионных хроматографов, была создана для продажи их изобретения.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск