Ionenaustauschgleichgewichte

Ionenaustauscher: Ionenaustauscher sind Feststoffe, die in einer reversiblen Umsetzung aus einer Lösung Ionen entfernen und dafür eine äquivalente Menge anderer Ionen in die Lösung abgeben.
Die zum Ionenaustausch befähigten Stoffe tragen an einem hochmoleklaren Gerüst (Matrix) elektrisch geladene Gruppen (Festionen). Die Elektroneutralität wird durch eine der Festionenkonzentration entsprechende Menge von Gegenionen gewährleistet. Diese Gegenionen sind je nach Austauschertyp und damit Bindungsart mehr oder weniger frei beweglich. Nach der Ladungsart der Gegenionen unterscheidet man Kationen- und Anionenaustauscher. Amphotere Austauscher können beide Funktionen erfüllen.
Die Ionenaustauscher sind poröse Stoffe, von Kanälen und Hohlräumen durchzogen und zur Aufnahme von Lösungsmittel fähig (Quellung). Dadurch kann eine Dissoziation an den austauschaktiven Gruppen erfolgen.

Anorganische Ionenaustauscher
Die Erscheinung des Ionenaustausches wurde an mineralischen Stoffen entdeckt. Im Boden vorhandene Tone können Calcium- und Magnesiumionen gegen Kalium- und Ammoniumionen austauschen.
Beispiele ( Aluminiumsilicate => Kationenaustauscher):
* Zeolithe [ z. B. Chabasit (Ca, Na₂)(Si₄Al₂O₁₂ * 6 H₂O)]
* Montmorillonite

Organische Ionenaustauscher
Organische Ionenaustauscher enthalten als Matrix Polystyren, welches bei der Synthese durch den Zusatz bestimmter Mengen Divinylbenzen vernetzt wurde.

Kapazität von Ionenaustauschern
Eine der wichtigsten Größen zur Charakterisierung eines Ionenaustauschers ist seine Kapazität, das Aufnahmevermögen für austauschbare Gegenionen. Sie wird entweder durch dividieren der Objektmenge der austauschbaren Ionenäquivalente durch die Masse des lufttrockenen Austauschers (Massenkapazität) oder durch das Volumen des gequollenen Austauschers (Volumenkapazität) ermittelt.
Gleichgewichtskonstante und Selektivitätskoeffizient:

Die obige Gleichung beschreibt dabei einen Kationenaustauscher in der Natriumform, welcher mit einer Kalium(chlorid)lösung im Gleichgewicht steht.
Bei der Einstellung des Gleichgewichtes ist es jedoch unerheblich, ob die Natriumform mit einer Kaliumchloridlösung als Ausgang diente oder die Kaliumform mit einer Natriumchloridlösung.
Der Selektivitätskoeffizient K (sprich die konditionelle Gleichgewichtskonstante) ergibt sich dann entsprechend Gleichung 1.
Eine weitere wichtige Größe ist das so genannte Verteilungsverhältnis, welches die Konzentrationsverhältnisse eines Ions in Lösung und im Austauscher wiedergibt (Gleichung 2).
Und zur Beschreibung der Wirksamkeit, bei der Trennung zweier Ionen wird der Trennfaktor T benutzt (Gleichung 3).

Anwendung:
* Entmineralisierung von Wasser (Deionat - ist kein destilliertes Wasser)
* Beseitung störender Ionen bei analytischen Prozessen
* Anreicherung von Ionen