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離子交換樹脂的化學(xué)應(yīng)用


實驗室k / 2018-07-31

    (一)稀溶液的提濃:當(dāng)試液中所含待測離子的濃度太低,以至不能用普通分析方法正確鑒定或測定時,使用離子交換樹脂作為促集劑,比用大體積濃縮法或共沉淀載體法都簡便有效。例如,雙氧鈾的硫酸稀溶液(pH1-2),鈾以硫酸絡(luò)合陰離子的形式通過SO42-式季胺型陰離子交換樹脂被交換吸附,稍加洗滌后,用高氯酸洗脫,可提濃10到1000倍。此法的優(yōu)點是操作簡便、快速,而且不致被污(交換劑中雜質(zhì)應(yīng)先除去)。此法改進了過去的吸附和共沉淀法,在微量元素的分析中具有重要意義。

離子交換樹脂

    (二)分析特性相近的離子的分級分離(離子交換層析):
    對某一特定離子進行分析時,如果有化學(xué)性質(zhì)相近的離子存在,就會感到困難。稀土元素的分析是最突出的一例子。用離子交換劑作吸附劑的層析技術(shù),對稀土元素混合物的分析有很大幫助。
    離子混合溶液通過交換柱時,由于交換情況不同,而趨向于分為若干層(層析譜),其分開的清晰程度決定于以下因素:
    1.離子交換勢的差別:勢大的留在上層;
    2.洗脫劑的性質(zhì):pH值、絡(luò)合作用等;
    3.柱的長短;
    4.柱的負荷程度;
    5.吸附分層時的流速;
    6.樹脂的粒度;
    7.溫度。
    稀土元素離子交換勢相差不大,必須用絡(luò)合劑作為進一步分離的因素。
    如果待分離的兩種離子是電離常數(shù)不同的酸的陰離子;調(diào)整洗脫劑的pH,將有助于分離。
    如果離子是同價的,不為絡(luò)合劑和pH所影響,只有從下列條件中進行選擇以提高分離程度:1.選擇交換量較高的樹脂;2.減低樹脂粒度;3.升高溫度;4.降低流速;5.增加柱高。
    利用離子的大小、堿度、酸度或離子價等的適當(dāng)差異也可達到分離目的。例如,硫酸鹽和氯化物的混合溶液通過陰離子交換樹脂時,二價的SO42-優(yōu)先吸附在柱的上端,從而得到清晰的分離。同樣,鈣與鈉的混合溶液(含有百萬分之一當(dāng)量的鈣)通過鈉式陽離子交換樹脂,Ca2+離子完全被吸附,在流穿點時,樹脂幾乎被Ca2+所飽和,實際上沒有Na+離子。
    通過弱堿性陰離子交換樹脂層,很容易使弱酸(如HCN、H2S、C6H5OH、H2CO3、H2SiO3)與較強的酸(如HCl、H2SO4、H3PO4)分開,因為交換劑沒有足夠強的堿性來中和這些弱酸。
    如果混合離子中的一種離子非常大,以致不能擴散進入交換劑內(nèi)液,則選擇一種交換劑,它的結(jié)構(gòu)只適合于交換較小的離子,就能從普通大小的離子中分離出巨大的離子。例如,天然泡沸石和斜方沸石能吸附NH4+離子(離子直徑為2.90A),但對四甲基銨離子(CH34N+(離子直徑為6.98A)則吸附極微。但應(yīng)指出,因為大離子能在交換劑表面上被交換吸附,所以交換劑的粒度應(yīng)當(dāng)足夠大(0.5mm即可),以減少其總表面面積的作用。
    適當(dāng)調(diào)節(jié)鹽酸濃度就能夠使Fe3+與Al3+,Ni2+與Co2+,F(xiàn)e3+與Mn2+,Cu2+與Zn2+,UO22+與Fe3+等等完全分離。例如,在6NHCl中,Co2+容易被季胺型樹脂吸附,而Ni2+則完全不被吸附。用水沖稀此酸,就能洗脫Co離子。這是唯一的只用水再生的方法。季胺型陰離子交換樹脂對于金屬絡(luò)合物陰離子有驚人的超高選擇性。
    利用Fe(Ⅲ)和Co(Ⅱ)能在濃HCl溶液中形成穩(wěn)定氯絡(luò)陰離子的性質(zhì)以及它們交換勢的差異,可使 Fe,Co,Mo(Ⅵ)、Ni、Al從它們的混合物中分開。即用9MHCl混合溶液,通過陰離子交換樹脂Dowex 1×2(100-200篩孔)Ni和Al首先用12MHCl洗脫;Co用6MHCl洗脫;Fe用4MHCl洗脫;最后用1.0MHCl洗脫Mo。Al和Ni的混合液落去大部分酸詞整至微酸性,通過陽離子交換樹脂Dowex 50×8(100-200篩孔),然后用1.5MHCl洗脫,Ni先洗出,它流完后,Al再流出。


    (三)干擾離子的去除:用離子交換樹脂除去干擾離子的技術(shù)已被廣泛應(yīng)用,特別是帶有相反電荷的干擾離子。下面體系中陽離子已能與陰離子定量地分離:

    Na+、 K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Co2+的鹵化物。
    Na+、 K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Mn2+、Co2+、Al3+、Fe3+的硫酸鹽。
    Na+、NH4+的硝酸鹽。
    Ni2+、Co2+的高氯酸鹽。
    K+、Na+、NH4+、Ca2+、Ba2+、Mg2+、Sr2+、Pb2+的醋酸鹽。
    Sr2+、Ca2+、Ba2+、Mn2+、Zn2+、Co2+、 Ni2+、K+、 Na+的磷酸鹽。
    上述的體系可用H+式硫酸型陽離子交換樹脂加以分離。它們的相應(yīng)酸如果不穩(wěn)定或難溶時,可用NH4+式交換劑。
    鐵、鉻、鈷、鉬和鎢的氯絡(luò)離子的鈉鹽和鉀鹽以及鉻酸、鉬酸、鎢酸、鉬磷酸、鉬硅酸和偏釩酸的簡單鹽類都能定量地分離。但硫酸鉻一類的鹽是例外,其中一部分鉻能以中性分子、甚至以陰離子的形式存在。
    在磷酸鹽存在下測定堿金屬時,將溶液通過磺酸型交換樹脂,洗滌,然后用NH4Cl溶液洗脫,即能消除磷酸鹽的干擾(NH4Cl用蒸發(fā)和緩慢灼燒除去)。同樣,可以避免在磷酸鹽存在下用草酸鈣法測定Ca時發(fā)生困難。
    用硫酸鋇重量法測定硫酸根時,Na+、Al3+、Fe3+等離子的共沉淀干擾,可用H+式磺酸型陽離子交換樹脂消除。同樣,在碘法測定砷中,可消除Cu2+和Fe3+的干擾。


    (四)分析上的其他用途
    1.制蒸餾水代用品:用H+式強酸型離子交換樹脂和OH-式強堿型陰離子交換樹脂,在實驗室小規(guī)模下可得107歐姆-厘米的純水,不含SiO2和CO2。一個直徑為2cm和高為15cm的H+式磺基型離子交換柱可再純制500ml或更多的蒸餾水,用于EDTA絡(luò)合滴定(主要是除去Ca、Mg、Cu等;陰離子不干擾)。
    2.進行樹脂點滴分析在離子交換樹脂上進行點滴分析,不僅手續(xù)簡便而且可以提高靈敏度和選擇性。
    3.制備酸堿標準溶液:例如,用基準BaCl2和NaCl分別通過H+或和OH-式交換樹脂,可以制得HCl和NaOH標準溶液。
    4.測定電解質(zhì)總濃度:溶液通過式磺酸型陽離子交換樹脂,釋放出等當(dāng)量的酸,可用標準堿來滴定。如果原溶液含有氫氧化物、碳酸鹽或酸式碳酸鹽,它們不能釋放出等當(dāng)量的酸,應(yīng)當(dāng)事先滴定其堿度。
    5.做陽離子的沉淀劑:強堿型陰離子交換樹脂用H2S飽和后,可用作硫化氫組陽離子的沉淀劑;CN-式強堿型陰離子交換樹脂可作為Co2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+等的沉淀劑。
    6.溶解不溶性電解質(zhì):BaSO4、AgCl、Mg(OH)2與懸浮的H+式磺酸型陽離子交換樹脂接觸時,易被溶解。例如,在100ml水中加入10克H+式磺酸樹脂,在加熱下能完全溶解0.25克的BaSO4,濾去樹脂后,直接滴定溶液,即可完成BaSO4中硫酸根的定量測定。
    7.回收貴重的分析試劑,例如,摩爾法中的滴定混合物通過與H+式磺酸陽離子交換樹脂,則銀被固定在交換樹脂上并能用硝酸洗脫為硝酸銀而回收。用H2PtCl6沉淀K+時,過量沉淀劑可用Cl-式陰離子交換樹脂吸附,用HCl洗脫,蒸發(fā)濃縮除去過多HCl,即可回收。分析Na+時所得沉淀和雙氧鈾溶液中的雙氧鈾離子能用陽離子交換劑回收,用醋酸洗脫為醋酸雙氧鈾。
    此外,離子交換樹脂還可用來測定稀土混合物的平均原子量,確定平衡常數(shù)和活度系數(shù)等等。


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