Іон під шубою
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Розділити купу щебеню на камені приблизно однакового розміру можна, просіюючи щебінку через сита. На першому ситі з найбільшим вічком і залишаться великі камені, на другому – трохи менше, а на третьому – ще менше, і так до тих пір, поки останній крихітний камінчик не проскочить в свою комірку. Такий принцип, мабуть, був відомий ще древнім будівельникам, однак недавно він знайшов несподіване застосування. І скористалися їм не будівельники, а хіміки. Тільки в цьому випадку роль щебінки грав розчин різних хімічних речовин, а окремого камінчика – іон тої чи іншої речовини.
Вчені навчилися розділяти такий складний розчин на його компоненти. Тільки через малі розміри «каменів» сито було замінено оригінальною мембраною.
Відокремити воду від розчиненої в ній хімічної речовини, скажімо кухонної солі, можна за допомогою мембрани: соляний розчин під тиском в п’ятдесят, а то й сімдесят атмосфер пропускають через мембрану. У розчині сіль розпадається на іони натрію і хлору, кожен з яких, до речі, менше молекули води. Але незважаючи на це, через сито-мембрану проходять не іони солі, а саме молекули води. Чому ж великий «візок» (в нашому випадку – молекули води) може проїхати крізь ворота мембрани, в той час як менший – іон – застряє? Виявилося, що крихітний іон в розчині одягає на себе шубу з водних молекул, які прилипають до нього під дією накопиченого електростатичного заряду. Ця шуба-вантаж і робить маленький візок більше великого, і іони натрію і хлору не проходять через ворота.
Мембранним методом можна не тільки опріснювати морську воду (вже є установки потужністю сімнадцять тисяч кубометрів води на добу), але і очищати воду, забруднену промисловими стоками. У першому випадку все в повному порядку: з одного боку мембрани залишається кухонна сіль, плюс трохи магнію, заліза, золота, кобальту та інших елементів, розчинених у морській воді (шкода, звичайно, але що ж робити!), З іншого – вода. Але якщо мембрана очищає промислові стоки, то коштовної мінеральної сировини на ній осяде набагато більше. Як же бути з ним? Викинути тонни іонів марганцю, нікелю, цинку, магнію, заліза і т. д., що плавають в густому розчині? Та й викинути нікуди, адже вони забруднять землю, повітря, воду. Можна і не викидати, вважають дослідники: іони, подібно купі гальки, розсортуйте за розмірами за допомогою сита-мембрани.
І ось недавно фахівці навчили потрібний іон, незважаючи на шубу, протискуватися крізь тісні ворота мембрани. Для цього вони підвели до неї постійний електричний струм. І так як іони хімічних елементів розрізняються по електричному заряду, то, регулюючи силу струму, можна протягнути крізь мембрану з певним діаметром пір іон потрібного заряду і величини.
У розчині до того, як він просочився крізь перше сито-мембрану, є іони натрію, калію і хрому. Всі вони через різний заряд наділи різні за величиною «шуби». Крізь першу наелектризовану мембрану електричні сили простягають іони поменше, наприклад натрію і калію, а іони хрому, одягнені в найбагатшу і пишну шубу, не проходять і залишаються на поверхні мембрани. Крізь другу мембрану пройде лише натрій, зате калій затримається. Так на новій установці можна розсортувати практично будь-який розчин, нехай в нього входять хоч двадцять, тридцять або сто елементів. Для кожного з них фахівці підберуть своє сито-мембрану і за допомогою електричних сил допоможуть протиснутися потрібним іонам. І так до тих пір, поки найменший з них не проскочить крізь сито.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.