Ион под шубой
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Разделить кучу щебня на камни примерно одинаковой величины можно, просеивая щебенку через сита. На первом сите с самой крупной ячеей и останутся большие камни, на втором — поменьше, а на третьем — еще меньше, и так до тех пор, пока последний крохотный камешек не проскочит в свою ячею. Такой принцип, видимо, был известен еще древним строителям, однако недавно он нашел неожиданное применение. И воспользовались им не строители, а химики. Только в этом случае роль щебенки играл раствор различных химических веществ, а отдельного камешка — ион того или иного вещества.
Ученые научились разделять такой сложный раствор на его компоненты. Только из-за малых размеров «камней» сито было заменено оригинальной мембраной.
Отделить воду от растворенного в ней химического вещества, скажем поваренной соли, можно с помощью мембраны: соляной раствор под давлением в пятьдесят, а то и семьдесят атмосфер пропускают через мембрану. В растворе соль распадается на ионы натрия и хлора, каждый из которых, кстати, меньше молекулы воды. Но несмотря на это, через сито-мембрану проходят не ионы соли, а именно молекулы воды. Почему же большая «повозка» (в нашем случае — молекулы воды) может проехать сквозь ворота мембраны, в то время как меньшая — ион — застревает? Оказалось, что крохотный ион в растворе одевает на себя шубу из водных молекул, которые прилипают к нему под действием накопленного электростатического заряда. Эта шуба-груз и делает маленькую повозку больше большой, и ионы натрия и хлора не проходят через ворота.
Мембранным методом можно не только опреснять морскую воду (уже есть установки мощностью семнадцать тысяч кубометров воды в сутки), но и очищать воду, загрязненную промышленными стоками. В первом случае все в полном порядке: с одной стороны мембраны остается поваренная соль, плюс немного магния, железа, золота, кобальта и других элементов, растворенных в морской воде (жалко, конечно, но что же делать!), с другой — вода. Но если мембрана очищает промышленные стоки, то ценного минерального сырья на ней осядет намного больше. Как же быть с ним? Выбросить тонны ионов марганца, никеля, цинка, магния, железа и т. д., и т. д., плавающих в густом растворе? Да и выбросить некуда, ведь они загрязнят землю, воздух, воду. Можно и не выбрасывать, полагают исследователи: ионы, подобно куче гальки, рассортируются по размерам с помощью сита-мембраны.
И вот недавно специалисты научили нужный ион, несмотря на шубу, протискиваться сквозь тесные ворота мембраны. Для этого они подвели к ней постоянный электрический ток. И так как ионы химических элементов различаются по электрическому заряду, то, регулируя силу тока, можно протащить сквозь мембрану с определенным диаметром пор ион нужного заряда и величины.
В растворе до того, как он просочился сквозь первое сито-мембрану, есть ионы натрия, калия и хрома. Все они из-за разного заряда надели разные по величине «шубы». Сквозь первую наэлектризованную мембрану электрические силы протягивают ионы поменьше, например натрия и калия, а ионы хрома, одетые в самую богатую и пышную шубу, не проходят и остаются на поверхности мембраны. Сквозь вторую мембрану пройдет лишь натрий, зато калий задержится. Так на новой установке можно рассортировать практически любой раствор, пусть в него входят хоть двадцать, тридцать или сто элементов. Для каждого их них специалисты подберут свое сито-мембрану и с помощью электрических сил помогут протиснуться нужным ионам. И так до тех пор, пока самый маленький из них не проскочит сквозь сито.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.