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水、蒸餾水、無離子水制備方法


http://yuehuifs.cn / 2019-02-11

   在制備試劑時,最常用的溶劑是水。在自然界里,水是分布最多最廣的物質(zhì),水幾乎占去了地球表面的四分之三。

   但自然界的水都不是絕對純凈的,均含有各種雜質(zhì)、塵埃和微生物。配制試劑所需用的水有一定的純度要求和標(biāo)準(zhǔn),通常用合乎規(guī)定的蒸餾水或離子交換水。

水的理化性質(zhì)

   水分子的締合純水是無色、無味、無臭的透明液體,水在4C時的重量最大,1毫升純水在4℃時的重量被采用為重量單位,稱為1克。水不遵守?zé)崦浝淇s的規(guī)律(以4℃為界),它高于或低于4℃時都要膨脹。

   在所有的固態(tài)和液態(tài)的物質(zhì)中,以水的比熱為最大,所以冬天時水不易冷卻,夏天時水不易變熱。水是地球上最好的溫度調(diào)節(jié)器。

   水的冰點是0℃,沸點是100℃。液態(tài)的水除含有筒單的H2O分子外,同時還含有較復(fù)雜的分子,如(H2O)2和(H2O)3等形式存在的水分子。這些由筒單分子(H2O)結(jié)合成比較復(fù)雜的分子,但又不引起水的化學(xué)性質(zhì)改變的現(xiàn)象,稱為“水分子的締合”。水分子所以會有締合現(xiàn)象,是因為水分子的極性所引起的,如圖2-1所示。

   水分子的締合現(xiàn)象所結(jié)合的鍵叫氫鍵,如果用結(jié)構(gòu)式來表示,則為下列形式:

……O       H  H……O

      ∧       ∨      ∧

    H   H……O       H  H

    水的上述幾種物理性質(zhì),就是由于水中存在著復(fù)雜的水分子的緣故。如,在4℃時水的密度最大,因為雙分子的水最多而空隙小在4℃以下,水的分子大部分以三分子形式存在的較多,而且0時更大。溫度越低締合程度越大,水的密度也就越小。

比熱,即1克物質(zhì)升高1"C時所需要的熱量。

    當(dāng)水被加熱在1000以下時,水分子還是很穩(wěn)定的,但在1000℃以上時,水分子就明顯地分解為氫和氧了。

    水是很活潑的物質(zhì),很容易與其它化合物反應(yīng)。如和金屬作用,和非金屬也可以作用。水和鹽能生成結(jié)晶水合物。

水、蒸餾水、無離子水制備方法

 

蒸餾水

    蒸餾水是化驗室內(nèi)最常用純凈的唯一溶劑和洗滌劑,因此我們要嚴(yán)格地加以保護(hù)它,千萬不要污染。否則,就會直接影響化驗分析結(jié)果。

    蒸餾水,顧名思義,指用蒸餾法而得的純水。但自從離子交換樹脂問世以后,制造純水的方法就多采用離子交法,所制出的水,稱為離子交換水,或無離子水。

蒸餾水的規(guī)格要求

   世界上沒有絕對的純。純,只是相對而已,蒸餾水也不是絕對純的。但對蒸餾水純度的相對要求的確是很嚴(yán)格的。每100,000份蒸餾水所允許的雜質(zhì)如下:

(1)沉淀物…………沒有    (2)渾油度…………沒有    (3)顏色…………沒有    (4)臭味…………沒有

(5)游離性CO2…………0.18(1.8 p.p. m.)    (6)溶解氧…………0.00     (7)全部固形物…………0.05(5 p.p. m.)

(8)氮化合物(如NH3)…0.005       其中:揮發(fā)固體…………-0,30 (3 p.p. m.)    其中:凝固蛋白…………0,001

無機(jī)固體……0.10 (1 p.p.m.)  亞硝酸鹽…………0,0000   (9)鐵……………………0.0000

硝酸鹽…………0,000   (10)氯…………0,00   (11)pH值…………6.5~7.0

(12)電阻率…………>1×10次6方歐姆·厘米

注:P.P.m.是百萬分之一的符號。

蒸餾水的制備

    自然界的水經(jīng)蒸餾器蒸餾冷凝制出的水叫蒸餾水。在洗滌一般要求不太嚴(yán)格的儀器和作定性實驗和工業(yè)分析時,可用一次蒸餾水。如果洗滌儀器的潔凈程度要求嚴(yán)格和精確的定量的分析工作時,必須用二次蒸餾水。

    如用生產(chǎn)中的廢汽蒸餾水作化驗分析工作就更不合格了。

無離子水的制備

    用離子交換法制的純水叫做無離子水,也稱為交換水或純水。這種純水是目前各工業(yè)部門的化驗室所廣泛采用的。一般化驗室都具有自制交換水的小型設(shè)備。

  (1)制無離子水的原理自來水、礦泉水或井水含有大量的雜質(zhì),如陽離子:Ga++(鈣離子)、Mg++(鎂離子)、Fet++(鐵離子)、Pb++(鉛離子)、Na+(鈉離子)等;陰離子:GI-(氯離子)、SO4(硫酸根離子)、CO3(碳酸根離子)、NO3~(硝酸根離子)、PO4(磷酸根離子)等等。各種陽離子和陰離子相互結(jié)合為可溶性的鹽類存在于水中,成為水中的雜質(zhì),使水不純,直接用這種水作化驗分析是不合要求的。當(dāng)它們遇到離子交換樹脂時,這些雜質(zhì)離子就被交換樹脂吸附住了。

   離子交換樹脂中具有一種陽或陰的離子基團(tuán),通常是固定在高分子化合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,成為不溶解或不流動的固相,但帶有相反電荷的離子是可動的,它能與周圍溶液中和與其帶相同電荷的離子進(jìn)行交換。如圖22所示意。

 離子交換樹結(jié)構(gòu)示意

   離子交換樹脂在進(jìn)行交換時,是圓體(樹脂)與液體(水之間的離子可逆交換,在交換過程中圓體高分子化合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不發(fā)生實質(zhì)的變化。氫型陽離子交換樹脂的可動氫離子可以和溶液中的陽離子(如水中陽性離子雜原)進(jìn)行交換氫氧型陰離子交換樹脂的可動氫氧離子可以和溶中的陰離子(如水中陰性離子雜質(zhì))進(jìn)行交換。其反應(yīng)式是:

R-SO?H+Na+(NaC1)←

                                    →R-SO?Na+H+(HCI)

R≡NOH+CI-(HCI)←

                               →R≡(NCI)+H2O

R≡NOH+CI-(NaC1)←

                                  →R≡(NCI)+OH-(NaOH)

R-SO?H+Na+(NaOH)←

                                     →R-SO?Na+H?O

在經(jīng)過離子交換樹脂處理時,水中以氯化物代表雜質(zhì)時,反應(yīng)即按上述(1)、(2)、(3)、(4)式進(jìn)行。如水中雜質(zhì)以硫酸鹽形式存在,則按(5)、(6)式進(jìn)行。

2R-SO?H+Ca#(Caso4)←

                   →(R-SO?)?Ca+2H+(H?SO4)

2R≡NOH+SO4=(H?SO4)←

                   →(R≡N)?SO4+2H?O

    以上各式的反應(yīng)是可逆的,所以采用混合離子交換樹脂柱為好,可以及時移去(1)、(3)、(5)式中的酸,堿,有利于反應(yīng)按正向進(jìn)行。但一般化驗室所裝置的簡易交換柱多采用陽、陰兩柱串聯(lián)使用,這是為了交換樹脂的再生處理方便。

    水經(jīng)過陽、陰離子交換樹脂柱后,其所含的雜質(zhì)分別被陽離子交換樹脂中的H”和陰離子交換樹脂中的OH-換到交接樹脂上去了。而陽離子交換樹脂上的H+和陰離子交換樹脂上的OH換下來以后又組成HO。實質(zhì)上,水中陽離子雜質(zhì)和陽離子樹脂上的H+,陰離子雜質(zhì)和陰離子樹脂上的OH-交換了一下位置,而使帶有雜質(zhì)的水純潔了。處理水的離子交換裝置法見圖2-3所示。

離子交換裝置示意圖

1一水源    2一進(jìn)水;3一排氣圓;4一過介質(zhì):5一樹脂;

6一造水管;7一出水管;8一出水閥;9一電阻率表;10一無離子水

   (1)一過濾柱;(2),(5)一陽離子柱(3),(4).(6)、(7)-陰離子柱

   可以想象得出,離子交換樹脂當(dāng)“吃”飽了雜質(zhì)以后,就要失去交換能力。因此,離子交換樹脂并不能一勞永逸地長久使用。這就需要按離子交換樹脂的交換能力(產(chǎn)品帶有說明,叫做“交換當(dāng)量)來計算一下能交換多少雜質(zhì)或者能處理多少水。按時要再將交換樹脂進(jìn)行再生處理。如果有導(dǎo)電儀要經(jīng)常測定一下交換出來的水的導(dǎo)電率或電阻率。以判斷交換樹脂是否還有足夠地交換能力。如流出無離子水的質(zhì)量達(dá)不到要求,即說明離子交換樹脂失去充足的交換能力,即要進(jìn)

行再生處理。

   (2)離子交換樹脂的處理化驗室制備無離子水,一般采用氫型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和氫氧型強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。新購置來的離子交換樹脂,陽離子型多為鈉型,陰離子型多為氯型,而且樹脂中還常混入一些低聚物質(zhì)、色素灰砂等。使用時必須除去混入的雜質(zhì)和進(jìn)行活化處理。

     漂洗處理將新樹脂置于搪瓷盆或大的杯皿中,用低于40℃水反復(fù)漂洗,洗至上層清液無色澄清,除去其中的色素、水溶性雜質(zhì)、灰塵等。然后將陽、陰離子交換樹脂分別裝入交換柱中(按圖2-3裝置),加入清水浸泡24小時。

     強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂的活化處理將2公斤的陽離子交換樹脂經(jīng)過漂洗后,分別裝入圖2-3中的2、5號柱中,并拆下另串聯(lián)在一起,兩柱加入清水浸沒樹脂,加入2N鹽酸將柱內(nèi)水替換出去后,靜置2~3小時,用水洗至流出液PH值為3~4。再用2N氫氧化鈉同上法操作,用水洗至流出液pH值為9~10。然后用2N鹽酸9升進(jìn)行轉(zhuǎn)化,待柱內(nèi)水替換出約1升后,以流速約60毫升/分通過鹽酸溶液,2N鹽酸加完后,用無離子水流洗,直至洗出液p互值約為4。

     強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂的活化處理將4公斤的陰離子交換樹脂經(jīng)過漂洗后,分別裝入3、4、6、7號柱中,并將四個柱串聯(lián)在一起,各加人請水浸泡,用2N氫氧化鈉流洗,將柱內(nèi)水替換出以后,亦靜置2~3小時,再用無離子水(或通過氫型陽離子樹脂的水)流洗,至洗出液pH值為9-~10。

     再用2N鹽酸同上操作,至洗出液p值3~4。最后用2N氫氧化鈉液18升(如有沉淀應(yīng)過濾)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。待柱內(nèi)水替出約3~4升后,將流速調(diào)至約60毫升/分通過氫氧化鈉液,當(dāng)氫氧化鈉液加完后,用無離子水洗至流出液PH值為8~9。

     將以上經(jīng)活化處理的六個離子交換柱(或稱床)按圖2-3重新裝置好。調(diào)節(jié)水源夾和排氣管,使各柱都裝滿水(要浸沒樹脂,以免樹脂層有氣泡)。夾緊排氣管,開始時流速可稍慢些,當(dāng)流出5升以后,即能得到合乎要求的無離子水。這時可調(diào)整流速加快,以500~600毫升/分的流速為宜。

      離子交換樹脂的再生離子交換樹脂的再生方法與新樹脂的轉(zhuǎn)化方法操作手續(xù)相同。如陽離子樹脂的再生,將2、5號柱串聯(lián),用2NV鹽酸約9升處理;陰離子樹脂的再生,則將3、4、6、7號柱串聯(lián),用2N氫氧化鈉約18升處理。

      混合柱的處理及再生有的離子交換裝置不只是陽、陰單床串聯(lián),為了交換效果更好,在最末又加上一個陽、陰混合柱。如圖2-4的裝置。處理方法及所采用的酸、堿濃度與單床基本相同。不同的是,將陽、陰離子交換樹脂分別處理好以后,先按陽:陰=1:2的比例在一個容器內(nèi)混合均勻,然后再裝柱。

      混合柱再生處理法,是先用飽和食鹽(C.P.以上)溶液漂洗,利用陽、陰樹脂的比重不同,使它們分開(如732型陽樹脂比重為1.3,717型陰材脂比重為1.1)。分開后再按單床再生法處理。

無離子水質(zhì)量的檢查

帶混合柱離子交換柱的裝置

(1)、(2)-過濾器;(3)-陽離子柱; (4)(5)陰離子柱;(6)-陽、陰混合柱

     無離子水除用電阻測定僅測定其比電阻,或用電導(dǎo)測定儀測其電導(dǎo)率,以判斷水的質(zhì)量外,還可以用簡便的化學(xué)方法進(jìn)行檢查。

     酸堿度取兩支試管,各加被檢查的無離子水10毫升,一管加甲基紅指示劑2滴不得顯紅色,另一管加0.1%溴察香草酚藍(lán)(溴百里酚藍(lán))指示劑5滴不得顯藍(lán)色鈣鎂離子取10毫升被檢查的無離子水,加氨性緩沖液調(diào)pH值在10左右,加入鉻黑T指示劑1滴不得顯紅色。

     氯離子  取10毫升被檢查的無離子水,用硝酸酸化,加硝酸銀溶液4滴搖均勻,不得有渾濁現(xiàn)象。

      氨性緩沖溶液:20克氯化銨(NHCI),溶于無CO2的水中,加入10毫升25%氫氧化銨,并稀釋至1升。

離子交換樹脂的一般常識和使用注意事項

     離子交換樹脂是一種不溶性固體的多價酸或多價堿的高分子化合物。其種類很多,歸納起來可分為:強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂,如磺酸型R-SO3H;弱酸性陽離子交換樹脂,如羧酸型RーGOOH;強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂,如羥基型R≡NOH;弱堿性陰離子交換樹脂,如氨基型RーNH2,R=N H,R≡N等等。它們的結(jié)構(gòu)上具有能與溶液中陽離子或陰離子進(jìn)行互換的一種陽離子或陰離基團(tuán)。離子交換樹脂為半透明或不透明的球狀物,顏色有淺黃、黃、棕色等。

     樹脂的耐熱耐磨性能與樹脂的本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。其耐熱性能,一般陰離子材脂較陽離子樹脂差。

     陽離子樹脂的耐熱性能,一般以鈉型較氫型穩(wěn)定,鈉型在100~120C,氫型在80~100C穩(wěn)定。

     陰離子樹脂的耐熱性能,一般以氯型比氫氧型穩(wěn)定,氯型在80~1000,氫氧型在低于500穩(wěn)定。

     樹脂的膨脹性,一般氫型的膨脹大于鈉型。

     樹脂的交換容量,一般強(qiáng)酸性陽離子樹脂的交換容量為≥4.5毫克當(dāng)量/克干樹脂;強(qiáng)堿性陰離子樹脂的交換容量為≥3毫克當(dāng)量/克干樹脂。

注意事項

(1)陽、陰離子交換樹脂,經(jīng)酸、堿處理后,一定要用水淋洗到所要求的PH值范圍。

(2)離子交換裝置在停用時,應(yīng)保持足夠的水浸泡樹脂,并切實夾好進(jìn)水和出水管,以免樹脂層出現(xiàn)氣泡和被污染,導(dǎo)致樹脂的交換能力降低。

(3)樹脂層如有氣泡,會影響離子交換效果和水的通過流速??纱蜷_交換柱上端的橡皮塞,用干凈的玻璃棒攪拌樹脂,將氣泡逐出。

(4)樹脂溫度不要超過50℃,并不宜長時間與高濃度的強(qiáng)氧化劑接觸。否則,將加速樹脂的破壞。冬天要注意防凍,避免樹脂“中毒”失效。

(5)樹脂長期使用后,部分受到污染時,可用20%氯化鈉溶液浸泡12小時后,再按照新樹脂的活化處理方法用酸、反復(fù)處理1~2次,以恢復(fù)其交換能力。

(6)陰離子樹脂受污染時,可用2N鹽酸浸泡1~2次,每次2小時,并用無離子水或通過氫型陽離子樹脂的水淋洗,至洗出液中無鈣、鎂反應(yīng)后,再用NaO且按照復(fù)生處理手續(xù)進(jìn)行再生。

(7)樹脂再生時,加入的酸或堿的流速不宜太快,避免再生不完全。

(8)如果條件允許,以蒸餾法制出的蒸餾水,或先將常用水通過磺化煤處理后的水,再通過離子交換裝置來制取無離子水,則可延長樹脂的再生周期,節(jié)約人力和酸、堿的消耗。而且也能除去過濾器濾不去的有機(jī)污染物。

使用蒸餾水的注意事項

(1)蒸餾水瓶口要注意及時蓋上塞子(無論是空瓶與否),空氣管口最好加蓋指形管、紙?zhí)谆虬惭b灰塵過濾管,防止污染。

(2)插入瓶內(nèi)的玻璃導(dǎo)管,長度要合適,保持干凈,取水一定要用專用導(dǎo)管。

(2)小型蒸餾水洗瓶,近幾年以來多采用塑料瓶成擠壓式洗瓶,較吹出式洗瓶衛(wèi)生而適用。蒸餾水洗瓶要保持清潔。

(4)需用無二氧化碳(CO2)的蒸餾水時,可將蒸餾水加熱煮沸半小時以上(或按實驗特殊要求處理)。

(5)如需無氨的蒸餾水時,可加入少量NaOH煮沸數(shù)分鐘,但最常用的是將蒸餾水加足量的硫酸再重蒸餾。


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