无机化学实验七 离子交换法制备纯水.docx

无机化学实验七 离子交换法制备纯水实验七 离子交换法制备纯水 一、实验目的 1了解离子交换法制纯水的基本原理，掌握其操作方法； 2掌握水质检验的原理和方法； 3巩固酸度计的使用，学会电导率仪的使用。 二、实验原理 离子交换法是目前广泛采用的制备纯水的方法之一。水的净化过程是在离子交换树脂上进行的。离子交换树脂是有机高分子聚合物，它是由交换剂本体和交换基团两部分组成的。例如，聚苯乙烯磺酸型强酸性阳离子交换树脂就是苯乙烯和一定量的二乙烯苯的共聚物，经过浓硫酸处理，在共聚物的苯环上引入磺酸基(SO3H)而成。其中的H+可以在溶液中游离，并与金属离子进行交换。 RSO3H + M+阳离子交换树脂可表示为： RSO3M + H+ R：聚合物的本体；SO3：与本体联结的固定部分，不能游离和交换；M+：代表一价金属离子。 本体交换基团 R SO3H+ 起交换作用的阳离子 如果在共聚物的本体上引入各种胺基，就成为阴离子交换树脂。例如，季胺型强碱性阴离子交换树RN+(CH3)3OH，其中OH在溶液中可以游离，并与阴离子交换。 离子交换法制纯水的原理就是基于树脂和天然水中各种离子间的可交换性。例如，RSO3H型阳离子交换树脂，交换基团中的H+可与天然水中的各种阳离子进行交换，使天然水中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子结合到树脂上，而H+进入水中，于是就除去了水中的金属阳离子杂质。水通过阴离子交换树脂时，交换基团中的OH具有可交换性，将HCO3、Cl、SO42等离子除去，而交换出来的OH与H+发生中和反应，这样就得到了高纯水。 交换反应可简单表示为： 2RSO3H + Ca(HCO3)2 (RSO3)2Ca + 2H2CO3 RSO3H + NaCl RSO3Na + HCl RN(CH)3OH + NaHCO3 RN(CH)3HCO3 + NaOH RN(CH)3OH + H2CO3 RN(CH)3HCO3 + H2O HCl + NaOH H2O + NaCl 本实验用自来水通过混合阳、阴离子交换树脂来制备纯水。 实验用品 仪器：电导率仪、电导电极、酸度计、离子交换柱(也可用碱式滴定管代替)。 材料：玻璃纤维(棉花)、乳胶管、螺旋夹、pH试纸。 固体药品：717强碱性阴离子交换树脂、732强酸性阳离子交换树脂。 液体药品：NaOH(2mol·L-1)、HCl(2mol·L-1)、AgNO3(0.1mol·L-1)、NH3NH4Cl缓冲溶液(pH=10)、铬黑T指示剂。 三、实验步骤 1树脂的预处理 将717(201×7)强碱性阴离子交换树脂用NaOH(2mol·L-1)浸泡24小时，使其充分转为OH-型。取OH-型阴离子交换树脂10mL，放入烧杯中，待树脂沉降后倾去碱液。加20mL蒸馏水搅拌、洗涤、待树脂沉降后，倾去上层溶液，将水尽量倒净，重复洗涤至接近中性(用pH试纸检验，pH=78)。 将732(001×7)强酸性阳离子交换树脂用HCl(2mol·L-1)浸泡24小时，使其充分转为H+型。 取H+型阳离子交换树脂5mL,于烧杯中,待树脂沉降后倾去上层酸液，用蒸馏水洗涤树脂，每次大约20mL，洗至接近中性(用pH试纸检验pH=56)。 最后，把已处理好的阳、阴离子交换树脂混合均匀。 2装柱 在一支长约30 cm，直径1 cm的交换柱内，下部放一团玻璃纤维，下部通过橡皮管与尖嘴玻璃管相连，用螺旋夹夹住橡皮管，将交换柱固定在铁架台上(见图1)。在柱中注入少量蒸馏水，排出管内玻璃毛和尖嘴中的空气，然后将已处理并混合好的树脂与水一起，从上端逐渐倾入柱中，树脂沿水下沉，这样不致带入气泡。若水过满，可打开螺旋夹放水，当上部残留的水达1 cm时，在顶部也装入一小团玻璃纤维，防止注入溶液时将树脂冲起。在整个操作过程中，树脂要一直保持为水覆盖。如果树脂床中进入空气，会产生偏流使交换效率降低，若出现这种情况，可用玻棒搅动树脂层赶走气泡。(另一种树脂交换装置见图2) 3纯水制备 将自来水慢慢注入交换柱中，同时打开螺旋夹，使水成滴流出(流速12 d/s，等流过约10 mL以后，截取流出液作水质检验，直至检验合格。 4水质检验 1化学检验 (1)检验Ca2+、Mg2+离子：分别取5mL交换水和自来水，各加入34d NH3NH4Cl缓冲液及1d铬黑T指示剂，观察现象。交换过的水呈蓝色，表示基本上不含Ca2+、Mg2+离子。 (2)检验Cl离子：分别取5mL交换水和自来水，各加入1d 5 mol·L-1HNO3和1d 0.1 mol·L-1AgNO3溶液，观察现象。交换水无白色沉淀。 2物理检验 (1)电导率测定：用电导率仪分别测定交换水和自来水的电导率。 水中杂质离子越少，水的电导率就越小，用电导仪测定电导率可间接表示水的纯度。习惯上用电阻率(即电导率的倒数)表示水的纯度。 理想纯水有极小的电导率。其电阻率在25摄氏度时为1.8×107欧姆·厘米(电导率为0.056 S·cm-1)。普通化学实验用水在1.0×105欧姆·厘米(电导率为10 S·cm-1)，若交换水的测定达到这个数值，即为合乎要求。 (2)pH值测定:用酸度计分别测定交换水和自来水的pH值。 四、思考题 (1)离子交换法制纯水的基本原理是什么？ (2)装柱时为何要赶净气泡？ (3)钠型阳离子交换树脂和氯型阴离子交换树脂为什么在使用前要分别用酸、碱处理，并洗至中性？ 图1混合离子交换柱图2另一种离子交换制水装置