Материалы Международной студенческой научной конференции
Студенческий научный форум 2024

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИТОВ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Кириленко В.А. 1 Паршаков Н.М. 1 Гузик Т.В. 1
1 ФГБОУ ВО Кубанский государственный технологический университет
1. Кириленко В.А., Паршаков Н.М., Боровская Л.В. Органические и неорганические иониты // Материалы XIII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум». URL: https://scienceforum.ru/2021/article/2018025505.
2. Смирнова Е.Е., Кисель А.В. Ионообменная хроматография. Общие сведения и понятия // Вестник науки. 2019. № 3(12). С. 80-89.
3. Ганеев А.А., Зенкевич И.Г., Карцова Л.А., Москвин Л.Н., Родинков О.В. Аналитическая химия. Методы разделения веществ и гибридные методы анализа: Учебник / Под ред. Л.Н. Москвина. СПб.: Издательство «Лань», 2019. 332 с.
4. Лейкин Ю.А. Физико-химические основы синтеза полимерных сорбентов [Электронный ресурс]: учебное пособие / Ю.А. Лейкин. 3-е изд. (эл.). Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf: 416 с.). М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. (Учебник для высшей школы). Систем. требования: Adobe Reader XI; экран 10».
5. Кунин Р. Майерс Р. Ионообменные смолы. [Текст] / Пер. с англ. А.Л. Козловского; Под ред. проф. Г.С. Петрова. Москва: Изд-во «Иностранная литература», 2012. 218 с.

В данной работе рассматриваются понятия «иониты», «ионный обмен», виды ионитов. Рассказывается значимость явления ионного обмена в науке, в том числе аналитической химии. Приводятся важные свойства ионитов, используемые в аналитической химии: влажность, набухание, ионообменная емкость, селективность. Описывается использование ионитов в методах анализа: разделение (ионообменная хроматография), отделение мешающих ионов, обработка аналитических проб воды, удаление токсикантов, определение содержания электролитов в их смеси, анализ смеси редкоземельных металлов и регенерация ценных аналитических реактивов.

Иониты – твердые нерастворимые высокомолекулярные вещества, способные вступать в реакции ионного обмена, диссоциации и адсорбции, благодаря наличию в них специальных (ионогенных) функциональных групп. Ионный обмен, представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой (ионитов), обладающей способностью обменивать ионы, содержащей в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Выделяют два типа ионитов: катиониты (нерастворимые кислоты) – иониты, способные поглощать положительные ионы – и аниониты (нерастворимые основания) – иониты, способные поглощать отрицательные ионы. Явление ионного обмена, широко распространенное в живой и неживой природе, успешно используется во всех областях науки и производства. Иониты играют важную роль в современной аналитической химии. Они находят применение при разделении смесей ионов, концентрировании микроэлементов из чрезвычайно разбавленных растворов, в процессах получения и очистки растворов, реактивов, воды [1].

Для аналитической химии наибольшее значение имеют такие основные физико-химические характеристики, как влажность, набухание, обменная ёмкость и селективность. Влажность (W, %) характеризует способность ионита поглощать влагу из воздуха. Её можно рассчитать на основании экспериментальных данных:

missing image file

где mо и m – масса ионита до и после сушки.

Набухание характеризует степень увеличения объёма ионита при контакте с водой или другим растворителем. Величина набухания зависит от степени сшивки высокомолекулярной матрицы ионита (относительного содержания дивинилбензола).

Ионообменная емкость – это количество ионов, зафиксированных в результате ионного обмена единицей массы ионита в состоянии насыщения. Этот параметр определяется экспериментально путем обработки известной массы катионита (анионита) в его Н+-форме (OH--форме) избытком раствора, содержащего обмениваемый ион, после чего методом титрования устанавливается количество высвободившейся кислоты, если образец катионит, или щелочи, если анионит.

Под селективностью ионитов понимают его различную способность фиксировать ионы в зависимости от их природы. Селективность ионитов зависит от многих факторов: от природы как ионов, так и ионитов, от заряда ионов, от кислотности раствора. В общем случае большую способность к фиксации ионообменниками проявляют ионы, заряд и поляризуемость которых больше, а радиус гидратированного иона меньше:

K+ < Ca2+ <Al3+ <Th4+

Ca2+<Be2+=Mn2+<Mg2+<Zn2+<Cu2+=

=Ni2+<Co2+<Ca2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+

Ионообменные смолы используют как селективные носители для разделения близких по свойствам веществ. На основе свойств ионитов был разработан метод ионообменной хроматографии. Ионообменная хроматография – это задержание молекул веществ в неподвижной фазе, обусловленное их связыванием с поверхностью твердого гидрофильного материала сплошных или пористых гранул, находящихся в контакте с жидким элюентом (подвижной фазой). Неподвижную фазу образуют ионогенные группы ионитов. Кулоновским взаимодействием молекул вещества с этими группами обуславливается их задержание в неподвижной фазе [2]. Простейшая методика разделения заключается в поглощении смеси компонентов и последовательном элюировании (вымыванием подвижной фазой) каждого компонента подходящим растворителем. В качестве элюента берут раствор, содержащий любой из одноименно заряженных ионов, не прочно удерживаемых ионитом по сравнению с разделяемыми. Например, для сильнокислотных катионитов универсальными элюентами являются растворы сильных минеральных кислот, так как ионы Н+ являются наименее прочно сорбируемыми катионами. Возможно использование в качестве элюентов растворов ионов, соизмеримых по прочности сорбции с разделяемыми, например, растворов солей аммония при разделении ионов щелочных металлов.

С помощью ионитов также происходит отделение мешающих ионов. Например, ионы железа (III) и ионы калия мешают гравиметрическому определению сульфат-ионов, соосаждаясь с сульфатом бария. Чтобы устранить их влияние, раствор анализируемого образца пропускают через колонку с катионитом в Н+-форме и мешающие примеси обменивают на катионы водорода. После этого получают осадок сульфата бария, не содержащий посторонних катионов.

Важная область применения ионитов в аналитической химии и системе мониторинга качества окружающей среды – предварительная подготовка и хранение арбитражных проб воды и воздуха. Высокая способность сорбента к концентрированию целевого вещества на микроколонках – ионообменных концентраторах объемом 1–4 мл – позволяет решать проблемы предварительного концентрирования, арбитражного хранения и транспортировки проб до центральной аналитической лаборатории. При этом возможно и селективное групповое концентрирование ряда элементов с определением малых и следовых количеств вещества, а также определение супертоксикантов, действующие концентрации которых лежат далеко за пределами прямых аналитических определений. Иммобилизация ферментов на ионитах позволяет создавать тест-системы для определения токсичных агентов, обратимо или необратимо ингибирующих ферменты. Так, с помощью тест-системы с иммобилизованной уреазой удается оценить количество ионов тяжелых металлов на уровне 1–0,01 ppm, а высокотоксичных, например серебра и ртути, – 10–5–10–3 ppm [4].

Часто возникает необходимость определить общую концентрацию электролитов в каких-либо экстрактах, содержащих смесь нескольких электролитов, вследствие сложности состава. Примерами таких определений могут служить анализы воды, почвенных экстрактов, вытяжек из растений, сывороток и так далее. В этом случае применяют H-катионит. Раствор пропускают через колонну катионита, и получаемый фильтрат титруют щёлочью. Однако, в некоторых случаях когда исходный раствор содержит гидраты окисей, карбонаты или бикарбонаты, для которых H-катионит не даёт эквивалентного количества кислоты, необходимо определить щелочность в исходном растворе.

missing image file

Хроматограмма разделение на катионите Dowex-50 в NH4-форме ионов щелочных металлов при элюировании растворами NH4Cl [3]

При анализе смеси редкоземельных элементов в качестве критерия для определения природы смеси используют её средний атомный вес. Для определения этой величины используют способ осаждения оксалатов в параллельных образцах. Один из осадков титруют перманганатом, а другой прокалывает до окиси. На основании полученных таким образом данных можно вычислить вес смеси редкоземельных элементов, связанной определённой навеской щавелевой кислоты, а отсюда определить средний атомный вес анализируемой смеси. Этот способ упрощают, пропуская раствор смесей редкоземельных элементов через H-катионит, и титруют выделившуюся кислоту. Катионит затем прокаливают для получения остатка редкоземельных элементов. Средний атомный вес можно вычислить, как и по прежнему методу, по результатам титрования и весу окислов.

Во многих аналитических лабораториях, где проводятся анализы хлоридов калия и натрия, расходуется большое количество ценных реактивов: нитрата серебра, платина хлористоводородной кислоты и уранил ацетата. Установлено, что хромат и хлорид серебра, образующегося при титровании по Мору, можно регенерировать, пропуская смесь после титрования через H-катионит. Осадок растворяется, серебро остаётся на ионите и может быть удалено в форме нитрата следующим вымыванием при помощи нитрата кальция. Растворенный осадок хлороплатината калия и избытка платинохлористоводородной кислоты, полученный при количественном определении калия, может быть поглощен Cl-анионитом с последующей десорбции соляной кислотой. Избыток соляной кислоты удаляют концентрированием и выпариванием. Ион уранила в растворах уранила и осадках, образующихся при определении натрия, можно регенерировать адсорбцией на катионите с последующим выпариванием уксусной кислотой в виде уранилацетата [5].

Таким образом, иониты используют во многих областях аналитической химии и с их помощью облегчаются процессы извлечения ионов.

 


Библиографическая ссылка

Кириленко В.А., Паршаков Н.М., Гузик Т.В. ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИТОВ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ // Материалы МСНК "Студенческий научный форум 2024". – 2021. – № 9. – С. 122-124;
URL: https://publish2020.scienceforum.ru/ru/article/view?id=541 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674