离子交换分离法（一）

1、离子交换分离法（一） 离子交换分别(ionexchangeseparation)是利用离子交换剂与试液中的离子之间发生交换作用举行分别的办法，是分析化学中重要的分别办法之一。离子交换分别法的分别效果很高，常用于富集微量的元素、除去干扰元素以及分别性质相近的元素等，还可以用来制备纯化去离子水。但离子交换分别操作较棘手，周期较长。 离子交换剂的种类无数，主要分为无机离子交换剂和有机离子交换剂两大类。目前分析化学中应用较多的是有机离子交换剂，即离子交换树脂(ionexchangeresin)。 一、离子交换树脂及其性能 1离子交换树脂的种类与结构 (1)离子交换树脂的种类离子交换树脂是一种具有网状结

2、构的高分子聚合物，性质稳定，难溶于普通溶剂。树脂网状结构的骨架上带有活性基团(交换基团)，可以与溶液中的离子发生交换。 依所含可交换的活性基团及其酸碱性强弱的不同，离子交换树脂可以分成以下四类：阳离子交换树脂嚣篙藿嚣喜季萎曩藉誓阴离子交换树脂雾蓑篆器霎季篓曩署鉴阳离子交换树脂带有酸性的活性基团，其中的阳离子可被溶液中的阳离子所交换，假如活性基团是强酸性的一s03h，则rso3h树脂为强酸性阳离子交换树脂；假如活性基团是一cooh和一oh等弱酸性基团，则rcooh和roh为弱酸性阳离子交换树脂。阴离子交换树脂带有碱性的活性基团，其中的阴离子可被溶液中的阴离子所交换，假如碱性的活性基团是季铵基闭=

3、n一，如rn(ch3)3oh，则为强碱性阴离子交换树脂；假如活性基团是其他碱性较弱的氨基如rnh2等，则为弱碱性阴离子交换树脂： (2)离子交换树脂的结构以常用的聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂为例。这类树脂是一种由苯乙烯和二乙烯苯经聚合和磺化而成的带有一so3h的高聚物。从图203所示的结构可以看出，在高聚物中有无数长的碳链，而碳链之间又通过苯环相连，形成了网状结构。其中的磺酸基一so3h是离子交换树脂中的活性基团，溶液中的阳离子可以蔓延到网状结构的内部，同活性基团中的h+举行交换。 2离子交换树脂的性质 (1)交联度在图203所示离子交换树脂中，通过二乙烯苯将许多长碳链互相联结起来，形成网状结

4、构，称为交联，二乙烯苯称为交联剂。交联的程度用树脂中二乙烯苯的百分含量来表示，称为交联度(degreeofcrosslinking)。如用9：l的苯乙烯和二乙烯苯合成树脂，交联度为10，通常用“x一10”表示。交联度的大小对树脂的性能有很大影响。交联度大，树脂结构紧密，网眼小，体积大的离子不简单蔓延到树脂内部举行交换，交换的挑选性就会提高，而且这种树脂机械强度好，不易破碎。 (2)溶胀性离子交换树脂具有亲水性，干树脂颗粒浸入水中时会因吸水而膨胀，称为溶胀(swell)。如聚苯乙烯磺酸型树脂，当二乙烯苯含量为5左右时，1g千树脂要汲取1.5g水；当二乙烯苯含量为10左右时，lg干树脂只汲取09g

5、水。交联度大，干树脂浸入水中时溶胀性就小。 (3)交换容量交换容量(exchangecapacity)是指单位质量(或体积)离子交换树脂所能交换离子的物质的量(mmol，普通以一价金属离子计)。它打算于网状结构中活性基团的数量。干树脂的交换容量约为36mmolg，而浸泡过的树脂的交换容量还与树脂的溶胀性能有关，普通为12mmolml。假如交联度过大，将使交换反应的速度过慢，使树脂的有效交换容量下降。交换容量可用试验办法测得。 3离子交换的挑选性亲和力 阳离子交换树脂只能与溶液中的阳离子举行交换，阴离子交换树脂只能与溶液中的阴离子举行交换。在同一树脂上举行交换时，不同离子的交换能力并不相同。交换

6、能力的大小可以用离子交换树脂对离子亲和力的大小来衡量。亲和力越大，越简单交换；亲和力越小，越不简单交换。 (1)有效ph值范围阳离子交换树脂同h+之间、阴离子交换树脂同oh一之间有一定的亲和力，当溶液中h+或0h增大时，这种亲和力增大。假如树脂同h+或0h一结合牢固，则将影响树脂同溶液中的离子发生交换。因此在用法离子交换树脂时，必需将溶液的ph值控制在一定范围，这个ph值范围就是离子交换树脂用法的有效ph值范围。 因为强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂用法的有效ph值范围宽，所以在实际的分析工作中应用也广，而弱酸性和弱碱性的离子交换树脂因为有效ph值范围较窄，应用受到一定的限制。 此外

7、，还有一类含有特别的活性基团的螯合树脂，可与某些金属离子形成螫合物，能够挑选性地举行交换，对化学分别有着重要意义。 (2)亲和力大小的因素试验证实，在离子浓度不大的水溶液中，离子交换树脂对不同离子亲和力的大小与离子的性质、树脂的类型以及溶液的组成有关。 亲和力的挨次与离子性质有关。若试验条件相同，亲和力随着离子价数的增强而变大。如na+ ca2+ ai3+ th4+ 。当离子的价数相同时，亲和力随着水合离子半径的减小而变大。如li+ h+ na+ nh4+ k+ rb+ cs+ t1+ ag+ mg2+ zn2+ co2+ cu2+ cd2+ ni2+ ca2+ sr2+ pb2+ ba2+

8、亲和力的挨次与离子交换树脂类型有关。强酸性阳离子交换树脂对h+的亲和力比其他阳离子小，弱酸性阳离子交换树脂对h+的亲和力比其他阳离子大。 若试验条件相同，在强碱性阴离子交换树脂上，阴离子亲和力的挨次普通为柠檬酸根离子 so2一4 c2o2一4 i no-3 cro2-4一 br- cn- c1 hc00- 0h- ch3c00-。 在弱碱性阴离子交换树脂上，亲和力的挨次普通为：oh一 so2-4 cro2-4 柠檬酸根离子 酒石酸根离子 no-3 aso3-4 po3-4 moo2-4 ch3c00-。 亲和力与溶液组成有关。若溶液中含有络合剂，使金属离子形成不带电荷或带负电荷的络合物，则金属离子在阳离子交换树脂上的亲和力将受到很大的影响。络合物越稳定，影响越严峻。相反，假如形成络阴离子，却很简单与阴离子交换树脂举行交换。如在1mollhcl溶液中，钴主要以co2+和cocl+形式存在，能与阳离子交换树脂交换，而不能与阴离子交换树脂举行交换；在8-9mollhcl中，其主要以氯络阴离子形式存在，很简单与阴离子交换树脂举行交