Способ определения концентрации ионов в растворах электролитов

Изобретение относится к способу определения концентрации катионов и анионов в растворах электролитов. При этом концентрацию катионов определяют путем пропускания раствора электролита через катионообменную смолу и сравнивают концентрацию ионов водорода исходного раствора и концентрацию ионов водорода раствора, пропущенного через катионообменную смолу, и по разнице значений концентрации ионов водорода исходного и конечного растворов с учетом валентности катионов находят их концентрацию по формуле

$$\frac{\left[{\text{K}}_{\text{к}}\right]}{\text{n}}={\left[{\text{H}}^{+}\right]}_{\text{2}}-{\left[{\text{H}}^{+}\right]}_{\text{1}}$$

где [K_к] - концентрация катионов электролита;

n - валентность катионов электролита;

[H⁺]₂ - концентрация ионов водорода в конечной пробе;

[H⁺]₁ - концентрация ионов водорода в исходной пробе;

а при определении анионов исследуемый раствор электролита пропускают через анионообменную смолу и сравнивают концентрации гидроксил-ионов исходного раствора и раствора, пропущенного через смолу, и по разнице значений концентрации гидроксил-ионов исходного и конечного растворов с учетом валентности анионов находят их концентрацию по формуле:

$$\frac{\left[{\text{K}}_{\text{а}}\right]}{\text{n}}={\left[{\text{OH}}^{-}\right]}_{\text{2}}-{\left[{\text{OH}}^{-}\right]}_{\text{1}}$$

где [K_а] - концентрация анионов; n - валентность аниона; [OH^-]₂ - концентрация гидроксил-ионов в конечной пробе; [OH^-]₁ - концентрация гидроксил-ионов в исходной пробе. Предлагаемый способ позволяет сократить временные затраты на проведение анализа и отказаться от применения реактивов.

 

Данное изобретение относится к аналитической химии и предназначено для экспресс-анализа концентрации ионов в водных растворах электролитов.

Известен фотоколориметрический способ анализа концентрации ингредиентов растворов электролитов (Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. М.: Химия, 1974, - 536 с.) [1].

Способ основан на том, что определяемый ингредиент раствора образует с реактивом комплексное соединение, имеющее яркую окраску. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации определяемого вещества. Для определения концентрации необходимо определить оптическую плотность раствора. По изменению интенсивности излучения источника света на входе и выходе кюветы с исследуемой пробой, согласно закону Бугера-Ламберта-Бэра оптическую плотность раствора определяют по формуле

$$D=1g\frac{I_{{}_O}}{I}=\epsilon cb\left(1\right)$$

где D - оптическая плотность раствора,

I_O - интенсивность излучения на входе кюветы с исследуемым веществом,

I - интенсивность излучения на ее выходе,

с - концентрация исследуемого вещества,

b - толщина поглощающего слоя,

ε - молярный коэффициент поглощения.

Оценку производят визуально путем сравнения со стандартной шкалой или с помощью фотоколориметра.

Однако данный способ контроля трудоемок и требует больших затрат времени.

Задачей предлагаемого способа является уменьшения трудоемкости и снижение временных затрат.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе определения концентрации ионов электролитов, заключающемся в том, что определяют концентрации катионов и анионов, согласно изобретению концентрацию катионов определяют путем пропускания раствора электролита через катионообменную смолу в Н-форме и сравнивают концентрацию ионов водорода исходного раствора и концентрацию ионов водорода раствора, пропущенного через катионообменную смолу и по разнице значений концентрации ионов водорода исходного и конечного растворов с учетом валентности катионов находят их концентрацию по формуле:

$$\frac{\left[{\text{K}}_{\text{к}}\right]}{\text{n}}={\left[{\text{H}}^{+}\right]}_{\text{2}}-{\left[{\text{H}}^{+}\right]}_{\text{1}}\text{,}\text{ гд}\text{е}\left(\text{2}\right)$$

[K_к] - концентрация катионов электролита;

n - валентность катионов электролита;

[H⁺]₂ - концентрация ионов водорода в конечной пробе;

[H⁺]₁ - концентрация ионов водорода в исходной пробе;

а при определении анионов исследуемый раствор электролита пропускают через анионообменную смолу в ОН-форме и сравнивают концентрации гидроксил-ионов исходного раствора и раствора, пропущенного через смолу и по разнице значений концентрации гидроксил-ионов исходного и конечного растворов с учетом валентности анионов находят их концентрацию по формуле:

$$\frac{\left[{\text{K}}_{\text{a}}\right]}{\text{n}}={\left[{\text{OH}}^{-}\right]}_{\text{2}}-{{\text{[OH}}^{-}\text{]}}_{\text{1}}\text{, где}\left(\text{3}\right)$$

[K_а] - концентрация анионов;

n - валентность аниона;

[OH^-]₂ - концентрация гидроксил-ионов в конечной пробе;

[OH^-]₁ - концентрация гидроксил-ионов в исходной пробе

Предлагаемый способ заключается в следующем: для определения содержания катионов в электролите его пропускают через катионообменную смолу в H-форме. Ионы водорода H⁺ в катионообменной смоле замещаются катионами электролита. Количество вытеснившихся ионов водорода эквивалентно суммарному эквиваленту катионов, осевших в катионобменной смоле. Суммарный эквивалент катионов подсчитывается по разнице концентрации ионов водорода в электролите до пропускания его через катионообменную смолу и после по формуле (2).

Для определения анионов электролит пропускают через анионообменную смолу в OH-форме. При прохождении через анионообменную смолу анионы будут в ней оседать, вытесняя ионы ОН^-. Суммарный эквивалент анионов подсчитывают по разнице концентрации гидроксил-ионов в электролите до пропускания его через анионообменную смолу и после. Количественное содержание анионов подсчитывают по разнице концентрации гидроксил-ионов до и после прохождения раствора электролита через анионообменную смолу по формуле (3).

Для реализации данного способа требуются сильнокислотные катионообменные смолы, например, марки КУ-2 и сильнощелочные анионообменные смолы, например, марки АВ-17 и pH-метр с диапазоном измерений от - 2 до +20.

Пример:

пусть требуется провести анализ концентрации ионов аммофоса (химическая формула NH₄H₂PO₄ ^-) в водном растворе. Основными составляющими раствора будут следующие ионы:

$$N{H}_4^{+}+H_{2}P{O}_4^{-},$$ где

$${\text{NH}}_4^{+}$$ - ионы аммония; $${\text{H}}_{\text{2}}{\text{PO}}_{\text{4}}^{\text{-}}$$ - фосфат-ионы

Раствор аммофоса пропускают через катионообменную смолу в Н-форме, например, марки КУ-2. Ионы аммония в ней заменяются на ионы водорода. На выходе получают раствор следующего состава:

$${\text{H}}^{+}+{\text{H}}_{\text{2}}{\text{PO}}_{\text{4}}^{\text{-}}$$ , где

H⁺ - ионы водорода; $${\text{H}}_{\text{2}}{\text{PO}}_{\text{4}}^{\text{-}}$$ - фосфат-ионы

Количество вытеснившихся ионов водорода эквивалентно осевшим в ней ионам аммония.

Пропускают через смолу, например, 1 литр исходного раствора, измеряют концентрацию ионов водорода в исходной и в конечной пробах с помощью pH-метра. В исходной пробе pH=7, следовательно [H⁺]₁=10^-7 грамм-ион/литр. Пусть в конечной пробе рН=-0,2, следовательно [Н⁺]₂=10^0,2=1,58 грамм-ион/литр. Валентность ионов аммония равна единице, по формуле (2) концентрация ионов аммония составит:

$${\text{[NH}}_{\text{4}}^{+}\text{]}={{\text{[H}}^{+}\text{]}}_{\text{2}}{\text{-[H}}^{+}{\text{]}}_{\text{1}}$$

$${\text{[NH}}_{\text{4}}^{+}\text{]}=\text{1}{\text{,58-10}}^{\text{-7}}\approx \text{1}\text{,58}\text{грамм}-\text{ион/литр}$$ .

Для определения концентрации фосфат-ионов, пропускают контролируемый раствор через анионообменную смолу, например, марки АВ-17. Ионы Н₂РО^- ₄ вытеснят в ней ионы ОН^-. На выходе получают раствор следующего состава:

$${\text{NH}}_{\text{4}}^{+}+{\text{OH}}^{-}$$ , где

$${\text{NH}}_{\text{4}}^{+}$$ - ионы аммония; ОН^- - гидроксил-ионы

Пропускают через смолу, например, 1 литр исходного раствора, измеряют концентрацию ионов водорода с помощью pH-метра. В исходной пробе pH=7. Известна зависимость между водородным и гидроксильным показателями (Петров М.М и другие. Неорганическая химия. - Л.: Химия, 1981, - 544 с.) [2]

$$\text{pH}+\text{pOH}=\text{14}\left(\text{4}\right)$$

где pH - водородный показатель;

pOH - гидроксильный показатель.

По формуле (4), в исходном растворе рОН=7, концентрация гидроксил-ионов [OH^-]₁=10^-7 грамм-ион/литр.

Пусть в конечной пробе рН=14,43. По формуле (4), в конечном растворе рОН=-0,43. Тогда [ОН^-]₂=10^0,43≈2,69 грамм-ион/литр. Валентность фосфат ионов равна единице. По формуле (3) концентрация фосфат-ионов в растворе составит:

$${\text{[H}}_{\text{2}}{\text{PO}}_{\text{4}}^{\text{-}}\text{]}={{\text{[OH}}^{\text{-}}\text{]}}_{\text{2}}{\text{-[OH}}^{\text{-}}{\text{]}}_{\text{1}}$$

$${\text{[H}}_{\text{2}}{\text{PO}}_{\text{4}}^{\text{-}}\text{]}=\text{2}{\text{,69-10}}^{\text{-7}}\approx \text{2}\text{,69}\text{грамм}-\text{ион/литр}$$ .

Таким образом, предлагаемый способ более прост в применении, чем известный, не требует наличия реактивов и снижает временные затраты. Например, на определение ионов аммония в аммофосе известным способом требуется около 30 мин, а предлагаемым - 10-12 мин.

Способ определения концентрации ионов в растворах электролитов, заключающийся в том, что определяют концентрации катионов и анионов, отличающийся тем, что концентрацию катионов определяют путем пропускания раствора электролита через катионообменную смолу и сравнивают концентрацию ионов водорода исходного раствора и концентрацию ионов водорода раствора, пропущенного через катионообменную смолу, и по разнице значений концентрации ионов водорода исходного и конечного растворов с учетом валентности катионов находят их концентрацию по формуле:
$$\frac{\left[{\text{K}}_{\text{к}}\right]}{\text{n}}={\left[{\text{H}}^{+}\right]}_{\text{2}}-{\left[{\text{H}}^{+}\right]}_{\text{1}},$$
где [K_к] - концентрация катионов электролита;
n - валентность катионов электролита;
[H⁺]₂ - концентрация ионов водорода в конечной пробе;
[H⁺]₁ - концентрация ионов водорода в исходной пробе;
а при определении анионов исследуемый раствор электролита пропускают через анионообменную смолу и сравнивают концентрации гидроксил-ионов исходного раствора и раствора, пропущенного через смолу, и по разнице значений концентрации гидроксил-ионов исходного и конечного растворов с учетом валентности анионов находят их концентрацию по формуле:
$$\frac{\left[{\text{K}}_{\text{a}}\right]}{\text{n}}={\left[{\text{OH}}^{-}\right]}_{\text{2}}-{\left[{\text{OH}}^{-}\right]}_{\text{1}},$$
где [K_a] - концентрация анионов;
n - валентность аниона;
[OH^-]₂ - концентрация гидроксил-ионов в конечной пробе;
[OH^-]₁ - концентрация гидроксил-ионов в исходной пробе.