化学101：元素，化合物，酸，碱，盐和离子

所有列出的化学品的元素周期表的元素（参见图1）都是由原子，它们是组合的电子（负电荷），质子（正电荷）和中子（中性电荷）。的质子和中子被包含在细胞核中的原子。该电子环绕原子核更带电云。电子和质子总是相等的，因此所有元素都是中性的。总人数质子确定原子序数（AN），质子和中子的组合决定了元素的分子量（MW或原子量AW）。由于元素是中性的，它们通过结合形成的化合物也是中性的。例如：钠（Na）是元素＃11。它有11个质子和11个电子。它还有12个中子，因此它的原子序数为11，分子量为23.当它与氯（Cl）（元素＃17，分子量为35.5）反应时，它形成一种化合物（氯化钠）（NaCl），也是中性的，MW为58.5，是两种组分的总和。在自然界中发现氯具有两种主要同位素（中子数不同的化学元素的变体）。一个有18个中子，另一个有19个，发现它们分布均匀。因此，平均MW是质子（17）加上中子平均值（18.5）的总和，平均MW为35.5。

当元素与水（H 2 O）反应时，它们可以形成酸和/或碱。氯（Cl）将形成酸（HCL和HOCl），钠（Na）将形成碱（NaOH），如以下反应所示：
反应1： Na + H 2 O→NaOH + H↑氢气被释放出来并且钠形成氢氧化物。
反应2：氯2 + H 2 O→盐酸+次氯酸盐酸和次氯酸酸形成。

当酸和碱一起反应时，它们形成的盐加水：
反应3：氢氧化钠+盐酸→NaCl的+ H 2的O的产品中和是盐加水。

当盐溶解在水中时，它会离解成带电粒子的离子。正离子称为阳离子，负离子称为阴离子。电荷是由负电子的增益或损失引起的。反应4： NaCl + H 2 O↑Na + + Cl - + H + + OH -正负电荷相等。

随着解离，钠失去一个电子（失去负电荷）并变为阳性（钠 离子）（参见图2）。氯获得一个电子并变为负电荷（氯离子）。写这些是为了显示电荷为Na +和Cl -。我们将这种电荷水平称为元素或离子的化合价。价数由电离时损失或获得的电子数决定，并且通常仅限于原子的外轨道。价数值是元素的典型值，但不是固定的。例如，当与氢结合形成氨气（NH 3）时，氮的化合价为-3 。然而，当它与氧结合形成硝酸根离子（NO 3 -）时，其化合价为+5。这是因为氮（元素＃7）是一个在其外轨道上有五个电子的原子。为了满足其外轨道，它可以放弃五个电子（变为正+5）或拾取三个电子（变为负-3）。在较低的AN结束的周期表元素的列，该幻数为电子是两个外轨道和八个外轨道（见图2）。

当元素彼此反应时，它们基于它们的当量（EW）来这样做。EW是一个实际的重量数，它等于元素A需要多少与元素B的X量反应。在图2所示的分子实例中，需要23克（或毫克或磅或吨）的金属钠。与35.5克（或磅等）的氯气完全反应，形成58.5克等氯化钠。元素的MW除以其化合价等于其当量重量。当处理离子交换反应和多价离子（化合价> 1）时，这是非常重要的，例如钙，镁，硫酸盐和砷。

例：从软化剂处理80毫克/升钙和24毫克/升镁的水流中加入多少钠？钙的MW为40，化合价为2（EW = 20）。镁的MW 为24，化合价也为2（EW = 12）。钠的MW 为23，化合价为1（EW = 23）。所以我们的EW为钙（40/2 =）20，镁为（24/2 =）12。钠是（23/1 =）23。在当量数中，我们有80/20 = 4的钙， 24/12 = 2 镁。因此，我们将为6当量的钠交换4 + 2当量的硬度。因此：6×23 = 138mg。我们拿出120毫克/升的硬度并用138毫克/升的钠代替。我们也增加TDS但是我们并没有增加的当量数（即，离子或数量ppm的碳酸钙：碳酸钙3）。

任何元素的单个原子都可以识别为该元素。黄金由与氦相同的电子，质子和中子组成，但它们却截然不同。几个世纪以来，炼金术士一直试图改变它。每个元素都有一个独特的电子，质子和中子组合，决定了它的性质以及它在化学反应中的表现。具有相似行为的元素形成族，并在元素的周期表上表示为单个垂直列。一个例子是卤化物族（第17栏）：氟，氯，溴和碘，都是独一无二的，但每种都与其他有相似之处。另一个例子是惰性气体（第18列）：氦气，氖气，氩气，氪气，氙气和氡气。这些元素本身非常快乐，不会与他人反应。

一旦盐溶解在水中，它就不再与其抗衡离子（它带来的伴侣）相关联。甲混合物的氯化钙，镁的硫酸盐和钠碳酸氢盐会溶解，解离和成为六个不同的和独立的离子。不同元件从不同列的所述的周期表元素当它们溶解在水中（离子化）时，由于电子转移，它们将具有不同的分子量和不同的化合价。当与其他离子结合时，这种电荷和重量的差异使它们具有更高和更低的选择性（反应性偏好 - 更高的电荷和更高的MW通常会增加离子选择性），这可以确定它们的溶解度或挥发性。这是离子交换反应中平衡的基础。这也是离子交换工作的原因。

把原子放在透视中

元素的单个原子非常小; 事实上，这么小，在我们熟悉的测量方面，它们的大小很难理解。如果我们采用诸如仪表之类的标准（从赤道到北极的距离的百万分之一）并将其分成1,000个部分，我们就有毫米（mm）。我们使用mm来测量颗粒过滤 介质，例如活性炭。除以1,000，我们现在有微米（μm）。我们使用微米来测量甚至更小的颗粒，我们仍然可以看到它们（离子交换树脂通常为300到1,000微米），有些是我们在没有显微镜的情况下看不到的细菌在1-100毫米尺寸范围内）。人体血细胞约为8微米。将单个微米除以1,000得到纳米（nm）。你可以在这句话结尾的时期（并排）中容纳大约100,000个。那是在那里，但就分子而言，它仍然很大。将nm除以10得到一个度量单位，称为埃（Å），是一米的十亿分之一。现在我们处于分子大小水平。氢的直径仅为0.25？钠和钾在约2时大得多。原子，所述大多空间核一个的原子仅占其总直径的万分之一（1 / 10,000）。电子云具有体积但不被认为具有太多质量。的画面，如果你愿意，热气球10米（约33英尺或万毫米）在直径（具有>500μm的体积3）。在球形气球的中心放置一粒沙子，在外表面上放一小块灰尘。你有氢气的比例模型原子与砂的表示的大小的晶核和灰尘代表的电子云粒子。这有助于描绘我们的宇宙及其中的所有东西都是空洞的空间。

阿瓦加德罗的常数

Amedeo Avagadro（1776-1856），是一位活跃于19世纪初的意大利物理学家。1811年，Avagadro观察到“在相同的温度和压力下，等量的不同气体具有相同数量的分子。”这被称为Avagadro定律。在下个世纪，几位使用不同方法进行计算的杰出科学家回答了64美元的问题：有多少分子以任何元素的克摩尔存在？任何物质的克摩尔是该物质的量，以克计，其数量等于该物质的MW（即12克碳，1克氢，197克金）。答案是6.022 x 1023（即602,200,000,000,000,000,000,000）并且给予Avagadro的编号（NA）名称以纪念物理学家。

如果将任何元素的克 - 摩尔的值除以其化合价，则得出一个数字，表示该物质的克当量重量。钙的分子量为40，化合价为2.钙的EW为（40/2 =）20，克当量为20克。这是一个重要的关系，因为在离子交换化学中，容量以毫当量/毫升（meq / mL）给出。这与克当量/升或eq / L相同。甲容量 1.0毫当量的值/毫升意味着一个离子交换 树脂将有能力以保持每毫升20毫克钙的树脂或1.0当量钙的每升树脂 （1.0当量的钙= 20克）。

离子交换树脂

的离子交换 树脂是一种聚合物，其中包含一个固定的，不溶性基质为胎圈结构的一部分和可动或可替换的移动离子组分，可以是（塑料），通常用作小珠（约0.5mm [500μ]）换成溶液中的其他移动离子。交换程度是由前面提到的选择性驱动的变量。例如，钙形成二价离子（Ca +2），其对交换基质的吸引力比单价钠（Na + 1）更强。因此，如果含有Ca +2的溶液通过Na中的树脂床+1形式，矩阵将拾取更具选择性的Ca +2并释放不太紧密的Na + 1。这就是柔软剂的工作原理和原因。
反应5：的Ca（HCO 3）2 + O -Na ↔ö -Ca +的NaHCO 3  的软化反应。↔表示反应是可逆的。
反应6： O- Ca + NaCl·O- Na + CaCl 2 + NaCl，再生反应显示使用过量的盐。

软化树脂非常小，直径仅约600μ（0.6mm）。据计算，你可以将6,891,038个装入1升烧杯中。每个小珠子内部有1.75 x 10 17个反应位点。完全饱和，立方英尺的阳离子 软化 树脂可以保持56.64当量的纯钙硬度。那几乎是2.5磅（56.64 x 20 = 1,132.8 gms）。

选择性

在该周期表的元素，开始在左上角与元素＃1（氢），越往下表你去更远的权利，更高的选择性阳离子物种。许多元素形成阴离子物质。通常，非金属如硫（S），磷（P），碳（C），二氧化硅（Si）和砷（As）将与氧结合并变成氧阴离子（通常与'ate'或'名字中的'ite'。卤素家族将形成阴离子（没有氧，它们形成'ides'）。图3是表（2），显示了所选离子对典型的8％交联阳离子（软化）树脂的相对选择性以钠（Na 盐）形式操作和以氯化物形式操作的I型脱碱树脂。（SAC代表强酸 阳离子和SBA代表强碱 阴离子。）

什么可能出错？

是的，您可以使用用盐（NaCl）再生的普通柔软剂来去除给水中的铵，因为铵（NH 4 +）的选择性高于钠（Na +）的选择性（1.29对1.0）。但是当树脂接近耗尽和/或存在硬度时会发生什么（钙[Ca]和镁 [Mg] 的选择性远高于铵[NH 4 ]）（2.61和1.66对比1.29）？您将倾倒铵，可能是给水的5-10倍。对于高硫酸盐水中的亚硝酸盐和硝酸盐也是如此。没有必要担心镭被软化剂去除，因为镭的选择性比硬度高得多（13.0对2.61和1.66）。铀超过硫酸盐也是一样的。确保您了解离子交换树脂吸收和释放离子的顺序。对于铬+6（CrO 4 -2），SBA的选择性为100.它比硫酸盐更具选择性，即使树脂在硫酸盐上耗尽，也会优先吸收。砷+5的选择性（HAsO 4 -2）是4.5。这比硫酸盐（6.1）低。*小心！降低容量设置，确保不排出树脂，以避免将高浓度的砷倒入处理过的流中。

* 某些离子的选择性随特定阴离子 树脂的构型而变化。类型具有与类型II不同的选择性顺序和绝对相对值。这同样适用于弱基地在DI火车树脂。在过去的25年里，在开发负离子选择性树脂和离子交换吸附剂方面取得了长足的进步，对硝酸盐，砷，高氯酸盐，铀，铬酸盐等具有很高的选择性。（ 3）

结论

离子交换是选择性去除污染物的极佳介质。离子交换的工作原理是正负电荷吸引和选择性。然而，选择合适的离子交换处理比仅仅购买互联网上正确的树脂听起来更具包容性。最好的建议是与熟悉正确设计的人交谈。做你的功课，不要害怕提问。当你处理致癌物质和有毒元素时，你不能失败。