Ionenaustauscher - ein Überblick
Experimente:
Versuch: Quantitative Demonstration eines sauren
Kationenaustauschers
Versuch: Quantitative Demonstration eines basischen Anionenaustauschers
Versuch: Demonstration der Trennung von MnO4- und CrO4-Ionen an
Aluminiumoxid
Ionenaustauscher sind im Allgemeinen feste Stoffe, die aus einer
Elektrolytlösung positive oder negative Ionen aufnehmen und im Austausch dafür
eine äquivalente Menge anderer Ionen gleichen Vorzeichens an die Lösung
abgeben können. Je nach Vorzeichen der austauschbaren Ionen unterscheidet
man Kationenaustauscher oder
Anionenaustauscher.
Stark saurer Kationenaustauscher (Amberlite)
(Foto: Blume) |
Ionenaustauscher bestehen aus einem makromolekularen Gerüst (Matrix), das negativ oder
positiv geladene Gruppen (Ankergruppen) trägt. Für jede Ankergruppe enthält
der Austauscher aus Gründen der Elektroneutralität eine entsprechende Zahl
von Gegen-Ionen.
Aufbau von Ionenaustauschern
Werden Wasserstoff-Ionen abgegeben, so liegt ein saurer Kationenaustauscher
vor (-> Versuch). Aus dem Austauscher fließt eine Säurelösung.
Im Fall des Austausches gegen Hydroxid-Ionen liegt ein basischer Anionenaustauscher vor (-> Versuch). Aus dem Austauscher fließt eine Laugenlösung.
Regeneriert werden sie, indem man sie im Fall der KAT mit starken Säuren (HCl) und im Fall der AAT mit starken Laugen (NaOH) durchspült.
Beim Reinigen von Leitungswasser schaltet man beide Austauscher hintereinander. Heraus fließt demineralisiertes Wasser - wie auch bei euch in der Schule.
Funktion eines Ionenaustauschers
Man kann aber auch - wie in der Geschirrspülmaschine - härtebildende Ionen
gegen Natrium- bzw. Chlorid-Ionen austauschen: Neutrale Austauscher.
Anionenaustauscher verwendet man unter anderem auch zur Abtrennung von nicht umgesetzten Chromat-Ionen. Hierzu kann man auch Aluminiumoxid nehmen (-> Versuch). Aluminiumoxid hat wegen seines stark polaren Aufbaus, an dem Al3+-Ionen beteiligt sind, Anionenaustauscher-Eigenschaften.
Besonders gut und dabei spezifisch können Nebengruppenmetalle wie Cadmium mit einem chelatbildenden Ionenaustauscher aus Lösungen entfernt werden. In diesem Fall sind die Ankergruppen Liganden, die mit den Kationen Komplexe bilden.
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