УДК 628.33: 553.3: 552.124.4

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОРБЦИИ КАТИОНОВ МЕДИ (II) И НАТРИЯ НА ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЯХ

Жадовский Иван Тарасович
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
кандидат химических наук, ассистент кафедры общей и физической химии

Аннотация
В данной статье представлены термодинамические характеристики процесса ионообменной сорбции катионов меди на железомарганцевых конкрециях (ЖМК). Ионный обмен описывается преобразованным уравнением закона действующих масс. Вычислены значения предельной сорбции и кажущаяся константа ионного обмена.

Ключевые слова: железомарганцевые конкреции, изотерме Лэнгмюра, ионообменная сорбция, лиотропный ряд катионов, радиусы сорбированных катионов, энергия Гиббса ионного обмена


THE THERMODYNAMIC CHARACTERISTICS OF SORPTION OF COPPER (II) AND SODIUM FERROMANGANESE NODULES

Zhadovskiy Ivan Tarasovich
National Mineral Resources University (Mining University)
Ph.D., Assistant of the Department of General and Physical Chemistry

Abstract
This article presents the thermodynamic characteristics of the process of ion exchange sorption of copper on ferromanganese nodules (FMN). Ion exchange is described by the transformed equation of the law of mass action. The values of the limit of adsorption and ion exchange constant apparent.

Keywords: ferromanganese nodules, Gibbs energy of the ion exchange, ion-exchange sorption, Langmuir isotherm, lyotropic number of cations, radii of sorbed cations


Рубрика: 02.00.00 ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Жадовский И.Т. Термодинамические характеристики сорбции катионов меди (II) и натрия на железомарганцевых конкрециях // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 5. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/05/54269 (дата обращения: 03.10.2017).

Ионообменную сорбцию изучали на модельных водных растворов CuSO4 с концентрацией по меди 0,01-0,8 моль·кг-1 при температуре 298 К. Величину ионообменной сорбции Г (моль·кг-1) катионов меди определяли в статических условиях при отношении объема жидкой фазы к массе твердой V/m=10 мл·г-1 и массе навески ЖМК 5 г, при скорости перемешивания 400 об·мин-1 до равновесного состояния. 
В таблице 1. приведены исходные и равновесные концентрации ионов меди C0 и Cр; равновесные концентрации ионов натрия CNa+; ионная сила раствора I;величины ионообменной сорбции Г моль·кгˉ¹ и обратные величины ионообменной сорбции ионов меди 1/Г мольˉ¹·кг; средние ионные коэффициенты активностиγ± Na2SO4 и CuSO4, взятые из табличных данных [1].
Таблица 1.Результаты опытов по ионообменной сорбции катионов Cu2+ и Na+ на ЖМК

С0,
молькг-1
Ср,
молькг-1
СNa+,
молькг-1
I
Г, моль·кгˉ¹
1/Г
γ± 
Na2SO4[1]
γ±
CuSO4[1]
0,01
4,97·10-9
0,020
0,030
0,100
10
0,718
0,509
0,03
7,15·10-6
0,060
0,090
0,300
3,334
0,590
0,297
0,05
2,28·10-5
0,100
0,150
0,500
2,001
0,539
0,231
0,07
2,86·10-4
0,139
0,210
0,697
1,434
0,523
0,196
0,10
7,50·10-3
0,185
0,307
0,925
1,082
0,456
0,162
0,20
9,41·10-2
0,212
0,694
1,059
0,944
0,340
0,109
0,30
1,77·10-1
0,246
1,077
1,230
0,813
0,290
0,088
0,40
2,70·10-1
0,260
1,470
1,302
0,768
0,259
0,075
0,80
6,27·10-1
0,346
3,027
1,730
0,578
0,200
0,053

На рисунке 1 приведена изотерма ионообменной сорбции катионов Cu2+ на ЖМК на основании данных таблицы 1. Измерения равновесной концентрации ионов Na+ с помощью ионоселективного электрода подтвердили эквивалентность обмена катионов Na+ на катионы Cu2+. Изотерма на рисунке 1 описывается уравнением Фрейндлиха: Г=1,763Ср0,142 с достоверностью аппроксимации R2 = 0,97.


Рисунок 1. Изотерма ионообменной сорбции катионов Cu2+ и Na+ на ЖМК

Термодинамическое описание изотермы ионообменной сорбции катионов Cu2+ и Na+ было проведено при допущении идеальности твердой фазы, т.е. без учета коэффициентов активности ионов в сорбированном состоянии [2]. Использовали метод линеаризации уравнения, полученного преобразованием уравнения закона действующих масс для реакции:

2Na+(s) + Сu2+(aq) 2Na+(aq) + Cu2+(s)

Приведенная к виду
(1)
Линейная форма уравнения имеет вид:
, (2)
Зависимость обратной величины сорбции ионов Cu2+ от аргумента  приведена на рисунке 2.


Рисунок 2. Линейная форма изотермы ионообменной сорбции катионов Cu2+ и Na+ на ЖМК.

Зависимость аппроксимируется линейным уравнением:  с достоверностью аппроксимации R2 = 0,93.
По угловому коэффициенту вычислено значение предельной сорбции ионов Cu2+ = 1,43 моль·кг-1. Кажущуюся константу ионообменной сорбции катионов Cu2+ и Na+ = 43,8±0,5 и энергию Гиббса ионообменной сорбции катионов Cu2+ и Na+ на ЖМК –9,3±0,48 кДж·моль-
По величине удельной поверхности ЖМК Sуд = 43,81 м2·г-1 [3] и предельной сорбции катионов Cu2+ 1,43 молькг-1 была оценена «посадочная площадка» ионов Cu2+:
=м2. (3)
По величине «посадочной площадки» вычислили радиус сорбированного катиона Сu2+, равный 127 пм. Данное значение больше значения кристаллографического радиуса Сu2+ по Бокию 80 пм [1] и меньше радиуса, вычисленного по уравнению Стокса 324 пм:
, (4)
где - заряд катиона меди, F – постоянная Фарадея, η – вязкость воды, - предельная эквивалентная электропроводность катиона меди.
Следовательно, катион Сu2+ сорбируется на ЖМК в частично дегидратированном состоянии.
Выводы 
1. Изотерма сорбции катионов Cu2+ на катионы Na+ на поверхности ЖМК описывается уравнением, полученным преобразованием уравнения закона действующих масс, и может быть представлена в линейном виде:

 с достоверностью аппроксимации R2 = 0,93;

2. Определена кажущиеся константа ионообменной сорбции
3. Рассчитано значение предельной сорбции ионов Cu2+
1,43 моль·кг-1
4. Получены значения дифференциальной энергия Гиббса ионообменной сорбции для ионов Cu2+

для 

5. Оценены посадочная площадка и значение радиуса сорбированных катионов:

6. Радиусы сорбированных катионов имеют значения, промежуточные между кристаллографическими радиусами катионов по Бокию и радиусами гидратированных катионов в водном растворе по Стоксу, что соответствует представлению о сорбции катионов на поверхности ЖМК в слое Штерна–Гельмгольца в частично дегидратированном состоянии.

Результаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России по проекту № 982 «Развитие термодинамической и кинетической теории межфазного ионного обмена применительно к природным и промышленным объектам» от 11.06.2014г.


Библиографический список
  1. Краткий справочник физико-химических величин./ Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. Л.: Химия. 2002. С. 123, 130, 200. 232 231 с.
  2. Зарицкий В.П. // Конкреции и конкреционный анализ: Сб. статей. М.: Наука, 1977. С 84-89, 245 с.
  3. Чиркст Д.Э., Черемисина О.В., Иванов М.В., Чистяков А.А., Жадовский И.Т., /Изотерма обмена катионов стронция и натрия на железомарганцевых конкрециях // ЖПХ. 2006. Т. 79. № 3. С.374-379.


Все статьи автора «Жадовский Иван Тарасович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: