Sprawozdanie z ćwiczenia nr 28: Jonity.

1. Wstęp teoretyczny:

Jako wymianę jonową możemy traktować każdą reakcję typu

A₁⁺A₂^-- + B₁⁺B₂^--

A₁⁺B₂^-- + B₁⁺A₂^--

Taka definicja obejmuje zarówno przypadki, w których oba substraty znajdują się w tej samej fazie, jak i takie, w których występują w różnych fazach. Znaczenie praktyczne ma wymiana heterogeniczna, a w szczególności na granicy faz ciało stałe - roztwór. Związek zdolny do wymiany jonowej, nierozpuszczalny w roztworze nazywamy wymieniaczem jonowym lub jonitem. Jeżeli wymieniane są kationy, wymieniacz nazywamy kationitem, jeżeli zaś aniony - anionitem. Przydatność wymieniaczy w praktyce jest uzależniona od spełnienia trzech podstawowych warunków:

1) określona masa wymieniacza winna posiadać zdolność wiązania stosunkowo dużej ilości jonów, tzn. pojemność wymieniacza winna być dostatecznie duża,

2) proces wymiany winien przebiegać dostatecznie szybko; ponieważ w procesie uczestniczy cała objętość wymieniacza, oznacza to, że szybkość dyfuzji jonów musi być znaczna,

3) wymieniacz powinien wykazywać znaczną odporność na działanie chemiczne, nie może się rozpuszczać w roztworze, w którym wymieniane są jony.

Z procesami wymiany jonowej na jonitach wiąże się szereg istotnych zjawisk i efektów:

1. Wymiana jonowa jest procesem równowagowym. Stan równowagi odpowiada wyrównaniu potencjału termodynamicznego jonów w fazie wymieniacza i w roztworze. Dla reakcji wymiany zapisanej równaniem:

A⁺ + BR
AR + B⁺ gdzie A⁺ i B⁺ oznaczają kationy wymieniane, zaś R - grupy jonowe związane ze szkieletem wymieniacza, termodynamiczna stała równowagi wyniesie

gdzie a są aktywnościami.

2. Szczególnie silnie wychwytywane są przez wymieniacz jony o wyższej wartościowości i o mniejszym efektywnym promieniu. Świadczy to, że jony związane są głównie siłami oddziaływań kulombowskich.

3. Maksymalna liczba jonów, która może być związana, uwarunkowana jest pojemnością wymieniacza. Podawana jest ona zazwyczaj w milirównoważnikach ( mval ) danych jonów na jeden gram suchego jonitu.

Proces wymiany jonowej można prowadzić bądź w warunkach statycznych, bądź dynamicznych. Proces w warunkach statycznych polega na tym, że porcję wymieniacza zadaje się określoną ilością roztworu i doprowadza się do osiągnięcia równowagi. Można przy tym stosować intensywne mieszanie.

Kinetykę reakcji wymiany jonowej można wówczas opisać równaniem kinetycznym, które przypomina kinetykę prostych reakcji II rzędu.

k =
gdzie x - ubytek stężenia jonu A lub B po czasie t w roztworze, a - początkowe stężenie jonów A, b - stężenie jonów B w stanie równowagi.

W procesie dynamicznym wymieniacz umieszcza się w kolumnie jako fazę nieruchomą, natomiast roztwór przepuszcza się przez kolumnę z określoną szybkością. Ilościowy opis procesu jest analogiczny do chromatografii kolumnowej, procesów ciągłej ekstrakcji. Szybkość wymiany można opisać równaniem kinetycznym

gdzie X_A oznacza ułamek molowy wymienionych w wymieniaczu jonów, a X_A
odnosi się do stanu równowagi.

Wzór powyższy jest uzasadniony dla przypadku, gdy o szybkości procesu decyduje dyfuzja jonów, a skład roztworu, jako fazy ruchomej, nie ulega zmianie.

2. Opracowanie wyników:

nr	Objętość wykieku V [cm^3]	pH wycieku	nr	Objętość wykieku V [cm^3]	pH wycieku
1	0	5,67	9	160	5,25
2	20	5,02	10	180	5,52
3	40	3,33	11	200	5,73
4	60	3,14	12	220	6,17
5	80	3,04	13	240	6,38
6	100	2,92	14	260	6,42
7	120	3,50	15	280	6,43
8	140	4,95	16

Z powyższej tabeli wyznaczam wykres zależności pH = f(V). Krzywa wymiany jonowej przypominająca miareczkowanie alkacydymetryczne jest symetryczna względem punktu odpowiadającego pochodnej
. Odczytując położenie tego punktu na osi objętości otrzymuję objętość V_n roztworu do osiągnięcia „inwersji” (maksimum pochodnej; V_n = 134,62 [cm³]).

Obliczam maksymalny błąd bezwzględny wyznaczania V_n:

gdzie: ∂V = 20 cm³; ∂pH = 1,45; ∂V = 1 cm³; ∂pH = 0,01

Wyznaczam pojemność jonitu oraz obliczam maksymalny błąd bezwzględny wyznaczania pojemności jonitu:

Aby obliczyć pojemność jonitu należy stężenie molowe przeliczyć na stężenie wyrażone w val/dm³

z tej zależności wynika, że stężenie molowe 0,5 molowego roztworu soli K₂SO₄ wyrażone w val/dm³ wynosi 1.

Pojemność jonitu:

Maksymalny błąd pojemności jonitu:

gdzie: C = 1 [val/dm³]; m = 30 [g]; V_n = 0,13462 [dm³]; C = 0,1 [val/dm³]; m = 1 [g]; V_n = 0,78*10^-3 [dm³]

Pojemność literaturowa jonitu „Zerolit” wynosi 4,5 [mval/g] (według J. Minczewski, Z. Marczenko - „Chemia analityczna”) z tego wynika, że wartość wyznaczona pokrywa się z wartością literaturową.

4. Wnioski:

Cel ćwiczenia (wyznaczenie pojemności jonitu metodą dynamiczną) został osiągnięty. Wartość pojemności jonitu wyznaczona przeze mnie nie obarczona jest błędem.

3