Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина - Коллоидная химия (другой скан) (1157043), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Это приводит к обеднению почв органическими веществами и ценными ионами и обогащению их кремнеземом; соответственно возрастает удельное содержание глин, в которых катионы металлов в значительной степени заменены ионами водорода (глины в Н-форме). Все это обусловливает кислый характер подобных почв (в частности, подзола) и их малое плодородие. Обменная емкость подзолистых почв составляет 0,05 — 0,2 моль/кг. При умеренном количестве осадков и достаточном количестве тепла образуется чернозем, которым особенно богата наша страна. Значительное количество органических остатков, содержащихся в черноземе, связано в гуматы двухвалентных металлов (соли гуминовых кислот и кальция или магния), слабо растворимые в воде.
Коллоидные частицы гуматов металлов способны к гетерокоагуляции с алюмосиликатами и кремнеземом (см. Ч!!.5); при этом образуются высокопористые, высокодисперсные структуры с емкостью обмена, достигающей 0,6 — 0,8 моль/кг. Эти структуры содержат значительные количества ценных катионов и богаты другими питательными веществами, а также способны удерживать влагу за счет капиллярных сил; вместе с тем они достаточно хорошо проницаемы и для воздуха, что обеспечивает жизнедеятельность различных микроорганизмов, улучшающих структуру и плодородие почв.
Близки к чернозему по богатству органическими остатками и величине обменной емкости торфяные почвы, образующиеся в зонах с высокой влажностью, вызывающей вымывание ценных катионов и замену их на ионы водорода. Это обусловливает кислый характер торфа, что препятствует развитию растений, которые во время роста сами выделяют ионы водорода. Связывание выделяемых растениями ионов водорода (в основном в результате ионного обмена) является одной из важнейших функций плодородной почвы.
Применение торфа в качестве удобрения на кислых почвах возможно лишь при одновременной замене ионов водорода на другие, более ценные ионы. Это достигается известкованием почв, когда происходит вытеснение ионов водорода ионами кальция, или добавлением аммиачной воды, одновременно являющейся ценным азотным удобрением. Выделяющиеся при жизнедеятельности растений ионы водорода затем обме- !57 ниваются с этими ионами и связываются почвенным обменным комплексом. Разнообразные применения имеет ионный обмен в технике. В качестве примера можно привести процессы умягчения и обессоливания воды.
У м я г ч е н и е в о д ы — замену ионов кальция на ионы натрия — можно проводить с помощью высокопористых алюмосиликатов цеолитного типа с общей формулой А1203 . я!%02 лН20, в которых часть ионов водорода может заменяться на ионы металлов. Используются как природные минералы этого типа, таки синтетические (пермутит). Обозначая условно единичную ионообменную группу пермутита (П) через ХаП, реакцию ионного обмена можно представить в виде 2ХаП + Са" = Са(П)з + 2Ха' Последующая обработка кальциевой формы ионообменника концентрированным раствором хлорида натрия приводит к регенерации натриевой формы.
Важное значение в связи с получением дистиллированной воды для использования в различных областях техники и химической технологии и в связи с опреснением морской воды приобрело использование ионообменных процессов для полного удаления из воды ионов — обе с с ол и в а н и е воды.Для обессоливания используют высокоэффективные органические ионообменные смолы с емкостью обмена, достигающей 10 моль/кг. Ионообменные смолы представляют собой полиэлектролит, цепи которого сшиты в единую трехмерную сетку.
Такая структура обеспечивает высокую механическую прочность гранул и мембран из ионообменных смол. В воде смолы набухают, и все ионогенные группы в объеме гранул становятся доступными для ионов, растворенных в воде. К а т и о н и т н ы е с м о л ы несут обычно сульфогруппы — $03, карбоксильные — СОО или фенольные — С6Н40 группы; их обменная емкость увеличивается с ростом рН. При взаимодействии Н-формы смолы с раствором электролита идет обмен катионов электролита на ионы водорода вплоть до некоторого значения рН, определяющегося силой ионогенной группы. Для регенерации катионита (перевода в Н-форму) его обрабатывают кислотой. А н и о н ит н ы е с м оп ы содержат различные аминогруппы ( — ХН3, = ХН2, =- НХ ) либо четырехзамещенный аммоний; емкость обмена растет с уменьшением рН.
Такие смолы позволяют удалить анионы из раствора электролита, обменивая их на ОН-ионы. Для регенерации анионита производится обработка щелочами. В ряде случаев используют амфотерные иониты, например уголь. По 158 (ррумкину, при насыщении угля водородом он становится катионитом, а при насыщении кислородом и увлажнении — анионитом. Важной особенностью применения ионообменных смол становится извлечение тяжелых металлов, например, из сточных и гидро- термальных вод (в будущем, возможно, из морской воды). Этим методом удается выделять медь, серебро, хром, радиоактивные вещества.
Основанное на ионном обмене направление гидрометаллургии в сочетании с использованием микроорганизмов, переводящих тяжелые металлы в бедных рудах в растворимые соединения, является перспективным направлением переработки руд. П!.5. Электрокапиллярные явления И', = — =2яаа,лрз.. Ч' 8яаа,г Можно ожидать, что удельное (отиесенное к единице поверхности) значение этой работы и будет той, «уже запасенной» поверхностью энергией, которая облегчает процесс ее растяжения, т.
е. представляет собой снюкение поверхностной энергии: 4 р о, — о(р ) = хт = 4яг' 32ягл,г' 2г Дифференцирование полученного выражения по р дает основное соотношение теории электрокапиллярных явлений, называемое у ра в не н ие м Л или мана'. йо ада 2 ря' йр г 4яг' (1!1.16) где р, — поверхностная плотность заряда. ' Строгий вывод уравнения Липп мана см., например: Крейт Г.Р. Наука о коллоидах. Т. 1, М з НЛ, 1955, с. 175 — 178; Дамаскин Б.Б., Петрнй О.А. Введение в электрохимнческую кинетику. Мс Высшая школа, 1983, с.
36 — 39. !59 Сведения о строении двойного электрического слоя и природе некоторых коллондно-химических процессов, происходящих при взаимодействии ионов с границей раздела фаз, дает изучение злектрохалихлярвьп яавелий, т. е. влияния заряда межфазной поверхности на поверхностное натяжение. Эти явления наиболее подробно рассматриваются в курсах электлохимии. В данном разделе приведены только те основные закономерности электрокапиллярных явлений, которые необходимы при рассмотрении коллондно-химических явлений, таких, как адсорбция аиионных и катионных ПАВ, особенностей зародышеобразования новой фазы (см. ЪЧ1!.!) и проявления эффекта Ребиндера в условиях заряженной поверхности (см.
1Х.4). Отталкивание одноименных зарядов, образующих обкладки двойного электрического слоя на межфазной поверхности, должно облегчать увеличение плошали этой поверхности, т. е. снижать ее поверхностное натяжение а. Работа заражения И", сферической поверхности радиусом г зарядом 4 при разности потенциалов Ч 4/4яае,г, как известно из электростатики, равна Рнс. П1-14. Сдвиг точки нулевого заряда при адсорбции ионогенных ПАВ Рнс. Ш-15.
Изменение формы электрокапиллярной кривой при адсорбции неионогенных ПАВ Исследование влияния прило:кенной разности потенциалов на поверхностное натязкенне границы раздела фаз удобнее всего проводить на идеально поляризующейся поверхности жидкого металла (обычно ртути) в водном распюре электролита. Ва:кно, что при этом одновременно измеряют разность потенциалов фаз (по сравнению с каким-либо стандартным электродом) и поверхностное натюкение межфазной поверхности (обычно по максимальной высоте столба ртути, удерживаемой силой поверхноспюго натвжения в капилляре); вместе с тем возможно определение плотности заряда двойного слоя потоку, переносимому вытекающей по каплям ртутью при известной их поверхности.
В соответствии с уравнением Липпмана в растворах, не содер;кащих примесей поверхностно-активных веществ, зависимость поверхностного натвження от разности потенциалов фаз (электрола лиллярная кривая) имеет максимум при определенном значении Р (рис. П1-14). Зтот потенциал, соответствующий максимуму злектрокапиллярной кривой, т. е. р, = О, называют точкой нулевого заряда.
Положение точки нулевого заряда определяется адсорбционной способностью ионов„присутствующих в растворе, а также ди пол ьных молекул растворителя. В отсутствие приложенного извне потенциала на границе с водой происходит преимущественная адсорбция ионов ртути Нй', имеющихся в равновесном со ртутью растворе, и поверхность несет положительный заряд. Чтобы скомпенсировать этот заряд, надо приложить и < О, поэтому потенциал точки нулевого заряда отридателен. В катодной области (правее точки нулевого заряда, т.
е. в области более отрицательных потенциалов) заряд поверхности обусловлен электронами, поступившими из внешней цепи; в анодной области потенциал создается ионами ртути. Добавление неорганических электролитов приводит к изменению формы электрокапнллярной кривой. Если электролит содержит анионы, способные к сильной адсорбции (АПАВ), то в анодной области электрокапиллярной кривой адсорбция авионов приводит к понюкению поверхностного натяжения, тогда как в квгодн ой области адсорбцця анионов не происходит и поверхностное натюкение не изменяется (рис. П1 — 14). Максимум злектрокапиллярной кривой смешается при этом в катодную область.
Чем выше адсорбционная способность авионов, тем сильнее снижение поверхностного натяжения в анодной части электрокапнллярной кривой и тем в более высоких отрицательных значениях потенциалов проявляется адсорбция. Особенно велика адсорбционная способность крупных органических анионов анионных ПАВ. 160 Меньшие по размеру катионы, как правило, слабее адсорбируются и соответственно слабее влияют на форму электрокапиллярной кривой. Значительная адсорбция и смешение максимума электрокапнллярной кривой в анодную область наблюдаются, однако, для катионных поверхностно-активных веществ (КПАВ) Неионогенные ПАВ также могут сильно влиять на форму электрокапнллярной кривой: они способны к адсорбции при умеренных потенциалах как в анодной, так и хдтодной обяастях электрокапиллярной кривой.
При больших (как положительных, так и отрицательных) потенциалах дипольные молекулы воды настолько сильно притягиваются к поверхности, что вытесняют молекулы неионогенных ПАВ, Поэтому неионогенные ПАВ понижают поверхностное натюкение только в средней части электрокапиллярной кривой. Посколысу их молекулы имеют дипольный момент, в зависимости от его ориентировки относительно поверхности более сильное понижение поверхностного натяжения наблюдается либо в катодной области (диполь ориентирован положительным полюсом к поверхности), либо в анодной области электрокапнллярной кривой (рис.
П!-15). Дифференцирование электрокапиллярной кривой а(<р) пор в соответствии с уравнением Липпмана (ПЕ!6) позволяет определить зависимость плотности заряла от потенциала поверхности. Второе дифференцирование дает значения дифференциальной емкости. Эта вели4ина может быть сопоставлена с результатами теоретического рассмотрения строения двойного электрического слоя, что позволяет делать выводы о справедливости этих моделей и проводить их дальнейшее уточнение. Значительно труднее исследовать электрокап иллярные явления на границе раздела твердой и жидкой фаз. Ребиндер н Венстрем показали, что зависимости, аналогичные электро кап иллярным кривым, можно в этом случае получить при изучении алияния заряда поверхности на механические свойства твердых тел (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
