Ionenaustauscher (IAT) sind natürliche oder künstlich hergestellte organische oder anorganische Stoffe, die aus einer Elektrolytlösung Ionen aufnehmen und dafür eine äquivalente Stoffmenge anderer Ionen gleicher elektrischer Ladung abgeben können.

Je nach Ladungsvorzeichen der austauschbaren Ionen unterscheidet man Kationenaustauscher (KAT) (-> Versuch)

Beispiel einer Kationenaustauscher-Reaktion

und Anionenaustauscher (AAT) (-> Versuch).

Beispiel einer Anionenaustauscher-Reaktion

Im Beispiel der Kationenaustauscher-Reaktion werden Protonen gegen Na⁺-Ionen ausgetauscht, so dass eine Säurelösung entsteht. Im Beispiel der Anionenaustauscher-Reaktion werden Hydroxid-Ionen gegen Cl^--Ionen ausgetauscht, woraufhin sich eine Laugenlösung bildet.
Die Bindung von Kationen unter Freisetzung von Protonen bzw. die Bindung von Anionen bei gleichzeitiger Abgabe von Hydroxid-Ionen ist ein optisch nicht wahrnehmbarer Vorgang. Da aber bei diesen Austauschvorgängen Säurelösungen bzw. Laugenlösungen entstehen, kann der Vorgang mittels eines Indikators sichtbar gemacht und durch einen Farbwechsel nachvollzogen werden (-> Versuch).

Ionenaustauscher sind keiner bestimmten Stoffgruppe zuzuordnen. Die folgende Tabelle soll dir eine kleine Übersicht in Hinblick auf die Stoffvielfalt der Ionenaustauscher geben. Sie erhebt jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern beinhaltet lediglich die in diesem Web-Bereich erwähnten ionenaustauschfähigen Stoffe:

	natürlich	künstlich
anorganische Ionenaustauscher	Zeolithe (z. B. Chabasit, Erionit, Mordenit) Tonmineralien (z. B. Beidellit, Kaolinit) Aluminiumoxid	Zeolithe (z. B. Sasil(R)) Tonmineralien (z. B. Montmorillonit)
organische Ionenaustauscher	(faulendes) Holz Chitosan Chlorophyll Polygalacturonsäure Huminsäuren	Kunstharz-Ionenaustauscher sulfonierte Kohlenwasserstoffe

Ein wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit und die technische Anwendung von Ionenaustauschern ist deren Regenerierbarkeit. Wie du dir sicherlich vorstellen kannst, wäre es sehr kostspielig, wenn der Ionenaustauscher nach einmaligem Gebrauch durch einen neuen ersetzt werden müsste. Kunstharz-Ionenaustauscher sind einfach und kostengünstig zu regenerieren und können dadurch beliebig oft wieder verwendet werden. Neben ihrer hohen Beständigkeit zählen Kunstharz-Ionenaustauscher auch aus diesem Grund zu den bedeutendsten Austauschern in der Industrie und Technik.

Außer der Möglichkeit, Ionen zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff auszutauschen, lässt sich dieser Vorgang auch bei zwei nicht mischbaren flüssigen Phasen durchführen. So wirkt z. B. Bis(2-ethylhexyl)hydrogenphosphat in Berührung mit einer wässrigen Kupferacetatlösung als flüssiger Ionenaustauscher. In der Technik werden sie bei der umweltschonenden Aufbereitung von Kupfererzen eingesetzt.

Ionenaustauscher, die Anionen und Kationen gleichermaßen austauschen, werden als amphotere Ionenaustauscher bezeichnet.

Kationen- und Anionenaustauscher sind zwar in ihrer Wirkung bezüglich der Ladung der aus einer Elektrolytlösung zu entfernenden Teilchen hochspezifisch, stofflich betrachtet jedoch völlig unspezifisch, d. h. sie besitzen keine oder nur eine sehr geringe Selektivität hinsichtlich des Austausches bestimmter Ionen. Chelat bildende Ionenaustauscher sind dagegen in der Lage, sehr spezifisch nur eine bestimmte Ionenart oder Ionengruppe zu komplexieren. In der Industrie finden diese komplexierenden Ionenaustauscher Anwendung in der Rückgewinnung wertvoller Schwermetalle (Rückgewinnung von Cadmium).

Ionenaustauscher sind chemische Gleichgewichtssysteme
Alle chemischen Reaktionen im Verlauf des Ionenaustauschs sind definitionsgemäß reversibel. Sie folgen den Gesetzmäßigkeiten chemischer Gleichgewichte, deren Lage durch die Konzentrationen der auszutauschenden Reaktionspartner gesteuert werden kann. Beim Austausch unter Beteiligung von Protonen- bzw. Hydroxid-Ionen handelt es sich um schwache Säure-Base-Systeme. Neutrale Ionenaustauscher, die Na-Ionen abgeben, behandelt man am besten nach Löslichkeits-Gleichgewichten. Chelatbildende Ionenaustauscher folgen den Gesetzen des Komplexbildungs-Gleichgewichts. Entsprechend der Überlappung der Mechanismen findet man auch in der formalen Behandlung von Austauschervorgängen viele Überschneidungen. Aus diesem Grunde ist die theoretische Behandlung des Ionenaustauschs sehr kompliziert und für Schulen zu anspruchsvoll.

Wo findest du überall Ionenaustauscher?
Ionenaustauscher sind nicht nur Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen sowie großtechnischer Prozesse, sondern finden sich nicht selten auch im Kleinen wieder. So verrichten sie oftmals in deiner unmittelbaren Umgebung ihr Werk, und zwar sowohl im Bereich der Technik als auch in dem der Natur. Vor allem in Schule und Haushalt sind sie nicht zu übersehen.
Einen weiteren Anwendungsbereich für Ionenaustauscher bietet die Biochemie. So immobilisiert man Enzyme auf Ionenaustauschern. Diese füllt man dann in Säulen und lässt Lösungen mit dem Substrat durchlaufen. Im Eluat liegt dann das Produkt vor.
Auch in der Medizin begegnet einem die Technologie. Beispielsweise gibt es die Retard-Medikamente. Darunter versteht man Medizinzubereitungen, die ihre Wirkstoffe über einen längeren Zeitraum hinweg langsam und gleichmäßig abgeben. Anwendungsbereiche sind z. B. blutdruckregulierende Medikamente oder Hormone. Adrenalinartige Produkte sind im Allgemeinen positiv geladen, werden deshalb auf Kationenaustauschern fixiert und in Magen und Darm langsam gegen Protonen bzw. Metallkationen ausgetauscht.

Weitere Texte zum Thema „Ionenaustauscher“