Получить воду по реакции ионного обмена

Реакции ионного обмена

Реакции ионного обмена – это реакции между сложными веществами в растворах, в результате которых реагирующие вещества обмениваются своими составными частями. Так как в этих реакциях происходит обмен ионами – они называются ионными.

Правило Бертолле: Реакции обмена в растворах электролитов протекают до конца (возможны) только тогда, когда в результате реакции образуется либо твердое малорастворимое вещество (осадок), либо газ, либо вода или любой другой слабый электролит.

Например, нитрат серебра взаимодействует с бромидом калия

AgNО₃ + КВr = АgВr↓ + КNО₃

Правила составления уравнений реакций ионного обмена

1. Записываем молекулярное уравнение реакции, не забывая расставить коэффициенты:

3KOH +FeCl₃ = Fe(OH)₃ + 3KCl

2. С помощью таблицы растворимости определяем растворимость каждого вещества. Подчеркнем вещества, которые мы не будем представлять в виде ионов.

р р н р

3KOH + FeCl₃ = Fe(OH)₃ + 3KCl

3. Составляем полное ионное уравнение. Сильные электролиты записываем в виде ионов, а слабые электролиты, малорастворимые вещества и газообразные вещества записываем в виде молекул.

3K + + 3OH — + Fe 3+ + 3Cl — = Fe(OH)₃ + 3K + + 3Cl —

4. Находим одинаковые ионы (они не приняли участия в реакции в левой и правой частях уравнения реакции) и сокращаем их слева и справа.

3K + + 3OH — + Fe 3+ + 3Cl — = Fe(OH)₃ + 3K + + 3Cl —

5. Составляем итоговое сокращенное ионное уравнение (выписываем формулы ионов или веществ, которые приняли участие в реакции).

Fe 3+ + 3OH — = Fe(OH)₃

На ионы мы не разбиваем:

• Оксиды; осадки; газы; воду; слабые электролиты (кислоты и основания)
• Анионы кислотных остатков кислых солей слабых кислот (НСО₃ — , Н₂РО₄ — и т.п.) и катионы основных солей слабых оснований Al(OH) 2+
• Комплексные катионы и анионы: [Al(OH)₄] —

Например, взаимодействие сульфида цинка и серной кислоты

Составляем уравнение реакции и проверяем растворимость всех веществ. Сульфид цинка нерастворим.

ZnS + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂S

Реакция протекает до конца, т.к. выделяется газ сероводород, который является слабым электролитом. Полное ионно-молекулярное уравнение:

ZnS + 2H + + SO₄ 2 — = Zn 2+ + SO₄ 2 — + H₂S

Сокращаем ионы, которые не изменились в процессе реакции – в данном случае это только сульфат-ионы, получаем сокращенное ионное уравнение:

ZnS + 2H + = Zn 2+ + H₂S

Например, взаимодействие гидрокарбоната натрия и гидроксида натрия

Составляем уравнение реакции и проверяем растворимость всех веществ:

NaHCO₃ + NaOH = Na₂CO₃ + H₂O

Кислые анионы слабых кислот являются слабыми электролитами и на ионы не разбиваются:

Na + + НСО₃ — + Na + + ОН — = 2Na + + CO₃ 2- + H₂O

Сокращаем одинаковые ионы, получаем сокращенное ионное уравнение:

НСО₃ — + ОН — = CO₃ 2- + H₂O

Например, взаимодействие тетрагидроксоалюмината натрия и соляной кислоты

Составляем уравнение реакции и проверяем растворимость всех веществ:

Na[Al(OH)₄] + 4HCl = NaCl + AlCl₃ + H₂O

Комплексные ионы являются слабыми электролитами и на ионы не разбиваются:

Na + + [Al(OH)₄] — + 4H + + 4Cl — = Na + + Cl — + Al 3+ + 3Cl — + H₂O

Сокращаем одинаковые ионы, получаем сокращенное ионное уравнение:

[Al(OH)₄] — + 4H + = Al 3+ + 4H₂O

Источник

Реакции ионного обмена

В разбавленных растворах электролитов (кислот, оснований, солей) химические реакции протекают обычно при участии ионов. При этом все элементы реагентов могут сохранять свои степени окисления (обменные реакции) или изменять их (окислительно – восстановительных реакции).
В соответствии с правилом Бертолле, ионные реакции протекают практически необратимо, если образуются твердые малорастворимые вещества (они выпадают в осадок), легколетучие вещества (они выделяются в воде газов) или растворимые вещества — слабые электролиты (в том числе и вода). Ионные реакции изображаются системой уравнений – молекулярным, полным и кратким ионным. Ниже полные ионные уравнения опущены.
При написании уравнений ионных реакций надо обязательно руководствоваться таблицей растворимости.
Примеры реакций с выпадением осадков:
a) Ba(OH)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2H₂O
Ba 2+ + SO₄ 2- = BaSO₄↓
б) AgNO₃ + KI = AgI↓ + KNO₃
Ag + + I — = AgI↓
в) MgCl₂ + 2KOH = Mg(OH)₂↓ + 2KCl
Mg 2+ + 2OH — = Mg(OH)₂↓
г) 3Zn(CH₃COO)₂ + 2Na₃PO₄ = Zn₃(PO₄)₂↓ + 6Na(CH₃COO)
3Zn 2+ + 2PO₄ 3- = Zn₃(PO₄)₂↓
Обратите внимание, AgCO₃, BaCO₃ и CaCO₃ ПРАКТИЧЕСКИ НЕРАСТВОРИМЫЕ В ВОДЕ И ВЫПАДАЮТ В ОСАДОК КАК ТАКОВЫЕ, НАПРИМЕР:
Ba(NO₃)₂ + K₂CO₃ = BaCO₃↓ + 2KNO₃
Ba 2+ + CO₃ 2- = BaCO₃↓
Соли остальных катионов, такие как MgCO₃, CuCO₃, FeCO₃, ZnCO₃ и другие, хотя и нерастворимые в воде, но не осаждаются из водного раствора при проведении ионных реакций (т.е. их нельзя получить этим способом).
Например карбонат железа (II) FeCO₃, полученный «сухим путем» или взятый в виде минерала сидерит, при внесении в воду осаждается без видимого взаимодействия. Однако при попытке его получения по обменной реакции в растворе между FeSO₄ и K₂CO₃ выпадает осадок основной соли (приведен условный состав, на практике состав более сложный) и выделяется углекислый газ:
2FeSO₄ + H₂O + 2Na₂CO₃ = 2Na₂SO₄ + Fe₂CO₃(OH)₂↓ + CO₂↑
2Fe 2+ + H₂O + 2CO₃ 2- = Fe₂CO₃(OH)₂↓ + CO₂↑
Аналогично FeCO_3, сульфид хрома (3) Cr₂S₃ (нерастворимый в воде) не осаждается из раствора:

Примеры реакций с выделением газа:
а) BaS + 2HCl = BaCl₂ + H₂S↑
S 2- + 2H + = H₂S↑
б) Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O
CO₃ 2- + 2H + = CO₂↑+ H₂O
в) CaCO_3(T) + 2HNO₃ = Ca(NO₃)₂ + CO₂↑ + H₂O
CaCO_3(T) + 2H + = Ca 2+ + CO₂↑ + H₂O
Примеры реакций с образованием слабых электролитов:
а) 3NaOH + H₃PO₄ = Na₃PO₄ + 3H₂O
3OH — + H₃PO₄ = PO₄ 3- + 3H₂O
б) Mg(CH₃COO)₂ + H₂SO₄ = MgSO₄ + 2CH₃COOH
CH₃COO — + H + = CH₃COOH
в) NH₄F + HBr = NH₄Br + HF
F — + H + = HF
Если реагенты и продукты обменной реакции не являются сильными электролитам, ионный вид уравнения отсутствует, например:
Mg(OH)_2(T) + 2HF = MgF₂↓ + 2H₂O

Источник

Что такое ионообменная очистка воды

Ионный обмен воды относится к методам обессоливания водных растворов. В отличие от обычного фильтрования через зернистые материалы, когда состав водного раствора не меняется, фильтрование ионообменным методом очистки воды основано на направленном изменении ионного состава водного раствора путем пропускания его через мелкозернистые ионообменные материалы — иониты, которыми предварительно заполняют специальные резервуары — ионные фильтры. Полезная работа ионных фильтров, заключаемая в возможности осуществлять требуемый ионный обмен между ионитом и фильтруемым водным раствором, называется обменной емкостью ионитового материала.

Опреснение воды ионным обменом применяется для природных вод с величиной минерализации менее 1,5 — 2 г/л и общей концентрацией сульфатов и хлоридов не выше 5 мг/л, взвешенных примесей — до 8 мг/л, цветности воды — не более 30 град, перманганатной окисляемости — до 7 мг/л О₂.

Ионный обмен как метод очистки воды

В основе механизма деминерализации воды ионным обменом лежит способность ионообменных смол избирательно забирать из электролита ионы металлов взамен на эквивалентное количество ионов ионита. На скорость процесса влияет валентность ионов, их заряд, степень гидратации, радиус иона. Реакция ионного обмена в воде:

Na + 4+ + 2+ 2+ 2+ 3+ 3+

В результате прохождения воды сначала через катионитовые, а затем ОН — , СО 3- или НСО 3- анионитовые фильтры подвижные ионы ионитов замещаются растворенными в воде анионами и катионами. Реакция ионного обмена между веществами и водой:

H[Кат] + NaCL ↔ Na[Кат] + HCL;

На рабочую обменную емкость катионитов существенно влияют анионный состав водного раствора и общее солесодержание, выражающееся отношением концентрации ионов НСО 3– в воде к сумме концентраций ионов НСО 3– , SO₄ 2– , CL – , NO 3– .

Попадая в анионитовые фильтры, анионы образующихся кислот и находящиеся в исходном водном растворе обмениваются на подвижные ионы анионитов:

Ионообменная обработка воды

Наиболее часто используют аниониты, в состав которых входят амино- и амониевые функциональные группы. Аниониты с первичными (-NH₂), вторичными (=NH) и третичными (≡N) аминогруппами характеризуются слабоосновными, а четвертичные аммониевые группы (-N + R_a) — сильноосновными свойствами. Слабоосновные аниониты проявляют реакционную способность только в кислой среде, сильноосновные — в растворах с любой реакцией.

Катиониты и аниониты делят на моно- и полифункциональные. Монокатиониты, имеющие в составе сульфогруппу, относятся к сильнокислым, диссоциируют полностью и могут осуществлять ионный обмен в растворе с любым рН. Катиониты с карбоксильной и фенольной группами являются слабокислотными и могут активно работать лишь в щелочной среде. Фосфоросодержащие группы имеют среднее значение кислотности. Слабоосновные аниониты чаще бывают полифункциональными. Полезная обменная емкость анионитов повышается с понижением рН раствора.

В качестве ионитов применяют синтетические смолы, полученные путем полимеризации или поликонденсации. На скорость ионного обмена влияет быстрота диффузии ионов к границе раздела ионит — водный раствор. В компактных по структуре фильтрах процесс идет быстро и преимущественно на внешних слоях — экстрамицеллярный ионообмен, но при этом сорбционная емкость ионита задействована не в полном объеме. В пористых фильтрах величина капилляров больше диаметра гидратированных катионов и анионов, ионообмен проходит на внутренней стороне — интермицеллярный процесс. Он медленнее, но характеризуется большим сорбционным потенциалом.

Ионный обмен для очистки воды

Для деминерализации воды водный раствор, избавленный от основных примесей путем предварительной очистки, поступает последовательно в катионобменные и анионообменные фильтры. В катионите связываются ионы металлов, а в раствор уходят соответствующие кислоты. Образующийся СО₂ удаляют дегазацией. Затем в анионите происходит сорбция сильнокислых анионов.

В зависимости от необходимой глубины очистки реализуются одно-, двух- и трехступенчатые ионообменные аппараты. Во всех установках ионообменной очистки воды для связывания катионов металлов из водного раствора применяют сильнокислотные катиониты с хорошей сорбционной способностью.

При непрерывной работе ионообменной установки независимо от количества ступеней очистки каждый цикл должен включать минимум два фильтра. Через ионитовый аппарат пропускают часть водного раствора, затем смешивают его с оставшейся водой и обеспечивают в деминерализованной воде концентрацию солей, отвечающую требованиям потребителя: для питьевого и хозяйственного использования оно должно составлять 0,5 — 1 г/л, при присутствии хлоридов не более 0,35, сульфатов — до 0,5 г/л.

Для получения водного раствора с общей минерализацией до 0,5 мг/л и одновременным обескремниванием его до 1 мг/л применяют установки с двухступенчатой схемой Н + и ОН — ионирования. Если же содержание солей необходимо довести до 0,1 мг/л, а содержание кремниевой кислоты до 0,05 мг/л, используют трехступенчатое ионирование.

Основные цели применения ионообменного метода обессоливания воды

Наибольшее распространение ионообменный метод получил при умягчении водных растворов: избавлении их от растворенных Сa 2+ и Mg 2+ , вызывающих нарастание накипи на оборудовании. Для этого используют Na-катионирование, H-Na катионовый метод, Na-CL ионирование воды. В результате ионообменной реакции Na замещает накипеобразующие Ca, Mg, образуя отлично растворимые в воде соли. Восстановление ионообменной способности смолы проводят хлоридом натрия.

Ионообменная очистка воды от железа

Обезжелезивание воды катионированием используют при необходимости одновременного удаления Fe и солей, обуславливающих жесткость, и когда обрабатываемый водный раствор на пути к катионитовому фильтру не обогащается кислородом. Вода проходит через фильтры, загруженные Na-катионитом. Регенерируют такой катионит NaCl.

На Na и K катионитовых фильтрах эффективно удаляются из водных растворов ионы Mn 2+ путем перевода их в соединения марганца (IV). Mарганец (II) окисляется KMnO₄ до оксида Mn (IV), который пленкой осаждается на зернах катионита. Марганцевый катионит получают обработкой любого катионита в натриевой форме с дисперсностью 0,5 — 1,2 мм последовательным пропусканием 0,5% растворов MnCL₂ и KMnO₄. Формула ионного обмена в воде:

где Ме + — ион К + или Na + .

Подробнее про обработку воды ионным обменом в частных домах вы можете прочитать здесь!

Другое применение ионного обмена для очистки воды

Кроме комплексного удаления ионов, существуют селективные или монофункциональные иониты, направленные на поглощение определенного вида ионов (B — , F — , NO₃ — , редкоземельных и тяжелых металлов). Комплексообразующие ионообменные смолы преимущественно связывают ионы, способные к образованию координационной связи с определенными элементами, входящими в состав селективных ионитов.

Метод ионного обмена для получения воды очищенной

Соединение в одной установке смешанного действия анионита и катионита позволяет достигнуть высокой чистоты раствора: за один цикл удаляются практически все растворенные ионы. Получаем чистую воду с низкой минерализацией и нейтральным рН. Избирательно подобранные по размеру и плотности зерна монодисперсных ионитов в современных фильтрах обеспечивают качественное связывание и стабильность параметров. Такие установки ионного обмена воды не регенерируются и подлежат замене при выработке ионообменной емкости.

Преимущества очистки воды с помощью ионного обмена

Метод ионного обмена при очистке воды — одна из самых востребованных технологий для деминерализации и смягчения природной воды, поскольку позволяет добиться высокой чистоты, соответствующей нормативам промышленных объектов разного назначения. Разнообразие ионитов по составу и конструкционному исполнению позволяет подобрать фильтр как для селективной очистки от определенного иона, так и для комплексного обессоливания водных растворов, исходя из требований производства.

К минусам ионообменной технологии очистки воды можно отнести:

• значительный расход реагентов;
• необходимость восстановления сорбционной способности ионитов;
• большой объем сточных и промывных вод от регенерации;
• стоимость обессоливания воды методом ионного обмена сильно растет с увеличением концентрации солей в водном растворе;
• уменьшение эффективности ионообменного метода опреснения и обессоливания воды с повышением минерализации воды;
• необходимость утилизировать отработанный ионит;
• невысокая скорость фильтрации.

Как выбрать ионообменную установку для воды

Выбирать ионообменные установки для очистки воды нужно, исходя из технических условий на ионообменные материалы, учитывая требования потребителей очищенной воды и экономические показатели. Общие рекомендации при выборе схемы ионообменной очистки воды:

• учитывать температуру очищаемой воды и раствора для регенерации;
• если присутствуют окислители, лучше выбрать макропористый ионит;
• для противоточных установок с большими скоростями рекомендуется применять моносферные иониты с крупными гранулами;
• для предотвращения быстрого загрязнения анионитов органическими веществами обязательна установка предфильтров с поглотителями органики;
• у малокислотных гелевых катионитов ионообменная емкость в равных условиях выше, чем у слабокислотных с макропорами, но они менее прочные.

Источник