離子交換基本理論

1、關(guān)于離子交換的基本理論第一張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月唐南理論 唐南理論把離子交換樹脂看作是一種具有彈性的凝膠,它能吸收水分而溶脹.溶脹后的離子交換樹脂的顆粒內(nèi)部可以看作是一滴濃的電解質(zhì)溶液.樹脂顆粒和外部溶液之間的界面可以看作是一種半透膜,膜的一邊是樹脂相,另一邊為外部溶液.樹脂內(nèi)的活潑基團(tuán)上電離出來(lái)的離子和外部溶液中的離子一樣,可以通過(guò)半透膜往來(lái)擴(kuò)散;樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架上的固定離子,以 表示之,當(dāng)然是不能擴(kuò)散的.第二張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 唐南理論認(rèn)為質(zhì)量作用定律也適用與離子交換過(guò)程,如果將 型的陽(yáng)離子交換樹脂浸入于溶液中,于是可得式中: , 為樹脂相中 和 的

2、濃度; , 為外部溶液中 和 的濃度第三張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由于膜的兩邊電荷必須呈中性,即:H+外=Cl-外 H+內(nèi)=Cl-內(nèi)+R-因此: Cl-外2 =Cl-內(nèi)( Cl-內(nèi)+R- )由于膜內(nèi)有較多的固定離子存在,因此: Cl-外 Cl-內(nèi) , H+內(nèi) H+外即陽(yáng)離子可以進(jìn)入陽(yáng)離子交換樹脂中進(jìn)行交換,陰離子則不能,這就是唐南原則. 根據(jù)唐南原則陰離子交換樹脂也只能交換陰離子,而不能交換陽(yáng)離子第四張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 離子交換平衡如果把樹脂浸入含有不同離子的溶液中,例如將樹脂R-A浸入含有B+的溶液中,則B+將透過(guò)半透膜進(jìn)入樹脂相,與樹脂上的A+發(fā)生交換,

3、樹脂相中的A+則透過(guò)半透膜進(jìn)入外部溶液,即: A+內(nèi)+B+外 A+外+B+內(nèi)得平衡常數(shù): 如果 1,表示B+比較固定地結(jié)合在樹脂上;如果 1,則表示A+比較牢固的結(jié)合在樹脂上. 的數(shù)值說(shuō)明了離子交換樹脂對(duì)于A+ 、 B+ 兩種不同離子的選擇性,因此稱為選擇系數(shù)第五張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月若推廣到一般情況,以p,q分別代表離子的價(jià)數(shù),則得:可見各種不同的離子對(duì)同一種離子交換樹脂的選擇系數(shù)是不同的，也就是說(shuō)不同離子交換親和力不同，或者說(shuō)，離子交換具有一定的選擇性 （注：以上各式嚴(yán)格來(lái)講應(yīng)用活度代替濃度）第六張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月離子交換選擇性問(wèn)題 影響離子交換選擇

4、性的因素很多，目前最令人滿意的是Eisenman理論，現(xiàn)在從最簡(jiǎn)單的堿金屬的交換選擇性入手來(lái)進(jìn)行討論。 由實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)同一種陽(yáng)離子交換樹脂各種陽(yáng)離子的平衡系數(shù)按下列順序增加： Li+Na+K+Rb+Cs+但是在含有-COOH基團(tuán)的弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂上，上述離子交換親和力的順序剛好與此相反。 第七張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 一方面，由于離子半徑最小的Li+，靜電場(chǎng)力最強(qiáng)。因此它吸引水分子形成水合離子的現(xiàn)象最顯著，所形成的水合離子的半徑最大，于是水合了的Li+靜電場(chǎng)引力最弱。而Cs+離子裸半徑最大的，靜電場(chǎng)引力最弱于是水合的Cs+半徑就最小，水合了的Cs+靜電場(chǎng)引力就最強(qiáng) 另一方面

5、，離子交換樹脂上的活性基團(tuán)，在電離以后也存在著靜電引力。但是不同的活性基團(tuán)靜電場(chǎng)的強(qiáng)弱不同，-COO- 與 SO3- 比較，前者強(qiáng)，后者弱。第八張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 對(duì)于具有弱靜電場(chǎng)引力的強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂，它和水合Cs+間的引力將最大，交換親和力最大；和水合Li+間的引力將最小，交換親和力最小。因而堿金屬離子的交換親和力順序是： Li+Na+K+Rb+Cs+ 對(duì)于弱酸性陽(yáng)離子交換樹脂，例如含有-COO-的樹脂，由于它具有較強(qiáng)的靜電引力場(chǎng)，它將和水分子競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子，結(jié)果它從水合分子中奪取出陽(yáng)離子來(lái)而與之結(jié)合。這時(shí)離子裸半徑最小的結(jié)合能最大，離子交換親和力最大，離子裸半徑最大

6、的交換親和力最小。此時(shí)親和力的順序是： Cs+Rb+K+Na+Li+ 第九張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 離子交換動(dòng)力學(xué)一個(gè)離子交換過(guò)程一般用一個(gè)反應(yīng)式表示，如 RH+Na+ RNa+H+但實(shí)際上包括五個(gè)步驟：溶液中的Na+擴(kuò)散到達(dá)樹脂顆粒表面。此過(guò)程又叫膜擴(kuò)散或 外擴(kuò)散2 Na+擴(kuò)散透過(guò)樹脂表面的半透膜進(jìn)入樹脂顆粒內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)中，這一過(guò)程稱顆粒擴(kuò)散或內(nèi)擴(kuò)散3 Na+和H+之間發(fā)生的交換反應(yīng)。被交換下來(lái)的H+擴(kuò)散通過(guò)樹脂內(nèi)部及其表面的半透摸即經(jīng) 內(nèi)擴(kuò)散離開樹脂相離開樹脂相后的H+必須擴(kuò)散經(jīng)過(guò)樹脂表面一薄層靜止不動(dòng) 的溶液薄膜，即經(jīng)外擴(kuò)散后進(jìn)入溶液主體。第十張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作

7、于2022年6月由于外部溶液和樹脂內(nèi)部都必須保持電中性，因此進(jìn)入樹脂與離開樹脂的速度必定相等，所以這五個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上可以看作是三個(gè)步驟，即膜擴(kuò)散顆粒擴(kuò)散和交換反應(yīng) 這三個(gè)步驟中，交換反應(yīng)進(jìn)行是較快的，而膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散進(jìn)行較慢，故整個(gè)交換過(guò)程的速度就由膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散的速度所決定第十一張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于溶脹了的樹脂，在很稀的外部溶液中（0.01N），膜擴(kuò)散比顆粒擴(kuò)散更慢，此時(shí)擴(kuò)散速率決定于膜擴(kuò)散速率，在溶液較濃時(shí)（0.01N），顆粒擴(kuò)散比膜擴(kuò)散更慢，此時(shí)擴(kuò)散速率決定于顆粒擴(kuò)散速率；濃度介與兩者間時(shí)，顆粒擴(kuò)散和膜擴(kuò)散速度差不多，交換速度由它們一起控制。此外，膜擴(kuò)散和顆粒擴(kuò)散的速度與樹脂顆粒溫度等都有一定關(guān)系，這里就不多加討論了第十二張，PPT共十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月參考文獻(xiàn)1.杭州大學(xué)化學(xué)系分析化學(xué)教研室編, 化學(xué)工業(yè)出版社,1982.2.