Селективность ионного обмена

Сродство неорганических катионов к сульфогруппам сильнокислотных катионитов увеличивается с уменьшением радиусов гидратированных катионов и с увеличением их зарядов. Проще – чем меньше радиус катиона и больше его электрический заряд, тем охотнее он вступает в реакцию ионного обмена. В соответствии с этой закономерностью катионы в порядкеувеличения их сродства к катиониту выстраиваются в следующий ряд:

Li ⁺ < H ⁺ < Na ⁺ < NH ₄⁺ < K ⁺ < Rb ⁺ < Cs ⁺ < Cu ⁺ < Ag ⁺ < Tl ⁺ < Mg ²⁺ < Zn ²⁺

< Co ²⁺ < Cu ²⁺ < Cd ²⁺ < Ni ²⁺ < Ca ²⁺ < Sr ²⁺ < Pb ²⁺ < Ba ²⁺ < Al ³⁺ < Ce ⁴⁺ (9)

Источник: Руководство по хроматографии и смежным методам. Под ред. Микеш.Ч.1. М.: Мир, 1982, с.239.

Катионы, расположенные в ряду (9) справа, вытесняют из катионита катионы, расположенные слева. Или: катионы, расположенные в ряду (9) справа, имеют большее сродство к катиониту, чем катионы, расположенные слева.

Напомним, что в периодах и в подгруппах периодической системы элементов радиусы не гидратированных катионов изменяются так: в периоде радиусы негидратированных катионов увеличиваются справа налево, а в подгруппах – сверху вниз. К сожалению не существует такой простой закономерности для гидратированных катионов.

Рассмотрим, как изменяется картина заполнения слоя катионита катионами при фильтрации через него водных растворов (рис.2).

Пусть в воде содержаться только катионы Na ⁺, Mg ²⁺ и Ca ²⁺. При фильтрации воды через катионит в H – форме распределение катионов по слоям в катионите в начале, в середине и в конце цикла фильтрации имеет такой вид. [Копылов, с. 92].

Рис.2. Три последовательные стадии постепенного заполнения слоя катионита катионами из раствора.

На рис.2 обозначение Ca ²⁺_(тв) означает, что катионы Ca ²⁺ находятся в твердой фазе катионита. Аналогично трактуются обозначения Mg ²⁺_(тв), Na ⁺_(тв), H ⁺_(тв).

Как видно, в рассмотренном случае первыми в фильтрате появляются катионы Na ⁺, затем к ним добавляются катионы Mg ²⁺ и, наконец, катионы Ca ²⁺. К этому моменту весь слой катионита оказывается заполненным катионами Ca ²⁺, и катионит полностью перестает очищать воду.