§ 9. Иониты

Для того чтобы произошла реакция обмена между электролитами, обязательно ли, чтобы оба вещества были растворимы в воде? Нет. Одно из них может быть нерастворимым.

Существуют в природе и получаются искусственно твердые вещества, совершенно нерастворимые в воде, но содержащие в своем составе подвижные ионы, которые могут обмениваться на ионы внешней среды. Такие вещества называются ионитами или ионообменниками. Иониты поступают в продажу в виде рассыпчатых крупнозернистых масс.

Если обмениваться могут катионы ионита, он называется катионитом, если анионы - анионитом. Так, если в ионите подвижны ионы, водорода Н⁺, ионит относится к катионитам.

Бросим горсть зерен катионита, содержащего подвижные ионы водорода Н⁺, в дистиллированную воду. В воду из ионита ничего не перейдет, вода останется чистой. После испарения капли на стеклышке не остается мутного пятна. Метиловый оранжевый, добавленный к взвеси зерен ионита в воде, не окрашивается в красный цвет. Но если сюда же прилить раствор поваренной соли и встряхнуть смесь, окраска из желтой мгновенно сделается красной. Поскольку метиловый оранжевый покраснел, в растворе появились ионы водорода Н⁺. Откуда взялись они? Их отдал в раствор катионит в обмен на эквивалентное количество ионов натрия, которые, наоборот, перешли из раствора в катионит. Схематически этот обмен между катионитом и раствором можно изобразить так:

Такой обмен ионами между ионитом и раствором называется ионообменом.

Насыпав ионообменник в длинную трубку, получим ионообменную колонку. Если через ионообменную колонку фильтровать дистиллированную воду, в нее из ионообменника ничего не перейдет. Но если ионообменник - катионит, содержащий подвижные ионы водорода, а фильтруется через него, например, раствор хлорида натрия, то из колонки будет вытекать не раствор хлорида натрия, а раствор соляной кислоты. Все ионы натрия ионообменником задержатся. Произойдет замещение содержащихся в ионите подвижных ионов водорода на ионы натрия.

После того как ионит насытится ионами натрия, его можно регенерировать, т. е. возвратить в первоначальное состояние, вновь заменить в нем ионы натрия ионами водорода. Для этого нужно лишь взболтать зерна ионита в растворе какой-нибудь кислоты, например соляной, или, если ионит находится в ионообменной колонке, пропустить раствор кислоты через колонку, а затем тщательно промыть зерна ионита водой, пока в промывных водах метиловый оранжевый не перестанет окрашиваться в красный цвет.

Так же как катиониты, ведут себя аниониты по отношению к анионам. Взболтаем зерна анионита с раствором хромата натрия Na₂CrO₄ (вспомним, что ионы СrO₄^2- имеют желтую окраску) и после этого промоем водой, приливая и сливая ее до тех пор, пока вода не станет бесцветной. Какие бы подвижные анионы ни содержались в анионите, при этой операции они заменяются ионами СrO₄^2-. В чистую воду захваченные анионитом ионы СrO₄^2- не переходят. Но если к аниониту прилить раствор какой-нибудь соли, например хлорида натрия, раствор тотчас окрасится в желтый цвет. Произошел обмен анионами между анионитом и раствором соли. Анионит отдал в раствор ионы СrO₄^2- в обмен на эквивалентное количество ионов Сl^-, которые, наоборот, перешли из раствора в анионит (изобразите схемой).

В технике иониты используют для замещения в растворе одних ионов другими. Ионообмен в природе постоянно происходит в почве. Он играет большую роль в использовании растениями питательных ресурсов. Так, почва часто содержит калий не в виде растворимых солей, а в составе природных ионообменников - катионитов. Это предохраняет калий от вымывания его из почвы дождевыми водами. Корни растений выделяют кислоту, т. е. ионы водорода. Ионы калия вытесняются этими ионами водорода из почвенных катионитов и таким образом становятся доступными растениям. Вместе с тем почва не становится кислой, так как ионы водорода не попадают в почвенный раствор, а удерживаются ионообменниками:

1. Опишите, как происходит ионообмен в ионообменной колонке.
2. Как "зарядить": а) катионит ионами водорода, б) анионит ионами гидроксила?