"Волшебство" ионитов

Введение

Вода является важнейшим ресурсом для поддержания жизни и источником всего живого на Земле, но её неравномерное распределение на континентах не раз становилось причиной кризисов и социальных катастроф. Дефицит пресной питьевой воды в мире знаком человечеству с древнейших времён, и с последнего десятилетия двадцатого века он постоянно рассматривается как одна из глобальных проблем современности. При этом, по мере роста населения нашей планеты, значительно увеличивались масштабы водопотребления, и, соответственно, вододефицита, что впоследствии стало приводить к ухудшающимся условиям жизни и замедлило экономическое развитие стран, испытывающих дефицит.

Таким образом, я подошла к вопросу: “Как решить данную проблему? Как очистить воду, сделав её пресной и пригодной для питья?”. На помощь пришли чудесные смолы – иониты. Ведь под их воздействием морская вода становится пресной. Из этого следует, что работа основана на:

Экологическая проблема: Дефицит пресной воды;

Цель исследования: Опреснение соленой воды под действием ионитов;

Объект исследования: Ионит;

Гипотеза: Если морскую воду пропустить через иониты, то она становится пресной.

Определения и ионный обмен

Ионный обмен – это процесс стехиометрического обмена ионов одного знака между ионитом и раствором.

Что же представляют из себя иониты?

Это твердые вещества, нерастворимые в воде, кислотах и щелочах, а также и в других растворителях. Большей частью они применяются в виде твердых зерен различной формы. Но можно также выпустить их в виде листов, столбиков, палочек и кирпичиков, трубочек, диафрагм и т.д.

Эти вещества обладают способностью извлекать различные ионы из растворов путем обмена их на ионы, содержащиеся в самом ионите.

Напомним, что ионами именуются атомы или группы атомов, несущие на себе электрический заряд. В зависимости от характера заряда ионы могут нести либо положительный заряд, и тогда они называются катионами, либо отрицательный заряд, и тогда они называются анионами.

Катионитами называются те из ионитов, которые взаимодействуют с катионами, находящимися в растворе, сами содержат в своем составе катионы, которыми они обмениваются с катионами, находящимися в растворе.
Анионитами называются те из ионитов, которые взаимодействуют с анионами, находящимися в растворе, содержат в своем составе анионы, которыми они обмениваются с анионами, находящимися в растворе.

История

Легенда: С древних времен существует легенда. Долго плыла по бурному морю римская эскадра, так долго, что на кораблях вышли все запасы пищи и воды.

- Земля! – наконец, закричал матрос с вершины высокой мачты.

Гребцы встрепенулись и налегли на весла из последних сил. И не успели корабли пристать к берегу, как люди стремительно попрыгали за борт с одним только желанием скорее добежать до ручья и напиться чистой холодной воды.
Однако на острове их ждало горькое разочарование: кругом был только песок и никаких признаков воды. Моряков охватило отчаяние. Ведь рухнула последняя надежда.

- Не падайте духом, – спокойно сказал седой трибун, – нас спасет песок.

Он сделал несколько шагов вглубь острова и подал знак копать яму, которая вскоре наполнилась водой.

Вода оказалась пригодной для питья.

Моряки дивились мудрости своего старого командира. В многотонном труде римского естествоиспытателя Плиния Старшего встречаются такие строки: “На берегу острова Сицилия есть особый песок, и если через него пропустить морскую соленую воду, то она станет пресной и пригодной для питья”.

Немного слов из истории ионитов: Первые исследования ионного обмена были начаты более 100 лет тому назад. Исследования показали, что в почвах происходит обмен ионов кальция на ионы аммония. Русские ученые Заломанов и Иванов проводили опыты по изучению ионного обмена в почвах и лабораторных колонках (1869—1877 гг.).

Первые ионообменные смолы были синтезированы в 1934г. Адамсом и Холмсом. В Советском Союзе первые органические ионообменные смолы были синтезированы в 1939г.

Как работают иониты?

Основными частями каждого ионита являются: твердая нерастворимая часть, представляющая как бы “каркас”, и ионогенная группа. “Каркас” придает иониту твердость и механическую прочность, является носителем ионогенной группы. От него зависят: химическая стойкость и термическая устойчивость ионита, доступность ионогенных групп для обмениваемых ионов. “Каркас” состоит из малоподвижного, прочного, высокомолекулярного вещества с трехмерной, пространственной структурой. Для построения “каркаса” могут применяться как органические, так и неорганические вещества.

Ионогенная группа – активная часть ионита, которая содержит подвижные ионы, способные к обмену.

Зерна ионита способны ограниченно набухать и, набухая, вбирают в себя воду или другую жидкость.

Если взять воду, в которой растворена какая-либо соль, например, хлористый или сернокислый кальций (такого рода соли обычно обусловливают жесткость воды) и пропустить её через фильтр, заполненный катионитом, в ионогенной группе которого находится ион натрия, то раствор проникает в набухшее зерно ионита и обменивает содержащиеся в нем ионы кальция на ионы натрия. Кальций остается на ионите, а в растворе появятся ионы натрия.

Так производится умягчение воды. Польза и удобство применения мягкой воды хорошо всем известны.

На производстве, например в паровых котлах, жесткая воды служит причиной появления накипи на стенках котлов.

Если хотят более глубоко очистить воду, то применяют катионит, в ионогенной группе которого будет содержаться ион водорода. В этом случае в профильтрованном растворе появится соответствующая кислота.

Эту кислую воду можно освободить от содержащихся в ней кислот путем фильтрования её через анионит. В результате обмена анионов анион кислоты останется на анионитовом фильтре, а в раствор перейдут гидроксильные ионы, которые с ионом водорода образуют воду.

Таким образом можно получить воду, свободную от солей. Это операция осуществляется путем двухступенчатого фильтрования воды сначала через катионитовый, а затем через анионитовый фильтр. Очищенная таким образом вода называется обессоленной или деминерализованной.

Реакцию ионного обмена можно изобразить так: (для примера берется р-р сернокислого кальция – CaSO₄).

а. катионирование
2ZH + CaSO₄ ↔ ZCa + H₂SO₄
б. анионирование
2ZOH + H2SO₄ ↔ Z2SO₄ + H₂O

В приведенных схемах буквой Z обозначается “каркас” ионита. Стрелки в знаке равенства обозначают, что реакция ионного обмена может протекать и в обратном направлении. Как говорят химики, она является равновесной и обратимой.

Применение ионитов

В природе не бывает абсолютно чистой воды, любая родниковая вода содержит растворенные вещества. Недаром говорят в народе: “Вода и камень точит”. Растворяющая способность воды очень велика.

С помощью ионитов воду можно быстро очистить.

Жесткая вода может быть превращена в “мягкую” воду легко и просто. Стоит только на водопроводный кран поставить колонку с катионитовым фильтром. Снизу колонки будет вытекать вода. Катионитовый фильтр, снаряженный 100 кубическими сантиметрами катионита КУ-2, может умягчить за один раз свыше 100 л воды.

Регенерация такого фильтра производится промывкой его солью.

“Мягкая” вода уменьшает расход мыла на стирку и увеличивает срок службы различных тканей. Смягчение воды желательно также организовать на коммунальных предприятиях – в прачечных и в банях.

С помощью ионитов можно обессолить морскую воду, несмотря на то, что содержание солей в ней велико и составляет 35г на 1л (до 500 миллиэквивалентов). Воды Балтийского, Чёрного и некоторых других морей, куда поступает много пресной воды из рек, содержат меньше солей – до 200.

Практическая часть

Инструменты: ионит (катионит), весы, гирьки разно весовые, мерный стакан, стакан с водой, соль (NaCl – хлорид натрия), стаканчик №1 и №2, чашка №1 и №2, воронка, фильтровальный лист, щипцы, горелка и спички.

Ход работы:

1. Уравновесить весы
2. Взвесить на весах 15 г соли (NaCl)

3. Отмерить мерным стаканом 150 мл воды

4. Имитация морской соленой воды: Присыпать и размешать 15 г соли в 150 мл воды (10 % соленой р-р)
5. Отмерить (с помощью мерного стакана) 25 мл соленого р-ра; отлить в стаканчик №1
6. Данную процедуру сделать повторно для стаканчика №2

7. В стакан вставить воронку с фильтровальным листом
8. Насыпать в воронку ионит (катионит)

9. Взять стаканчик №1 и вылить 25 мл соленого р-ра в воронку с ионитами

10. Следом замечаем: вода начинает просачиваться и капать в стакан

11. В чашку №2 вылить 25 мл соленого р-ра из стаканчика №2
12. Зажечь спиртовку
13. Взять щипцами чашку №2
14. Нагреть её до состояния кипения (пока не станет “брызгать” соль)

Итог выпаривания (стаканчик №2): 0,3 г соли (1,2 %)

15. Вернуться к стакану с водой №1 (катион)
16. Перелить, получившийся р-р (который прошел воздействие ионитов) в чашку №1
17. Провести аналогичную процедуру со спиртовкой

Итог выпаривания (стаканчик №1): 0,15 г соли (0,6 %)

Заключение (вывод по практической части)

В результате работы можно убедиться, что солёная вода под действием ионитов (катионитов) становится пресной: из 1,2 % 0,6 % соли.
Очищенная вода таким методом почти не имеет солей, вызывающих жесткость, и по своим качествам не уступает дистиллированной. ГИПОТЕЗА ДОКАЗАНА.

Список литературы

М.А.СЛОБОДНИК “Чудесные смолы”, Кемерово 1960
Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов/Под ред. А.И. Ермакова. – изд. 30-е, исправленное – М.:Интеграл-Пресс, 2005. – 728с.
Химия: Большой справочник для школьников и поступающих в вузы/Л.Л. Андреева, Д.Ю. Добротин, О.С. Габриелян др. – М.: Дрофа, 2004. – 752с. – (Большие справочники для школьников и поступающие в вузы).
http://www.c-o-k.com.ua/content/view/2676/
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%82%D1%8B

Работу выполнили:
Четырина Дарья 9Б,
Буйницкая Влада 9В

Руководитель:
учитель химии Игнатушина Г.Л.

МБОУ “Средняя общеобразовательная школа №64”
г. Новокузнецк
2016 год

Полный текст работы: http://static.livescience.ru/ionity/ionity.pdf