Ionenaustausch & Ionenaustauscher

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1 Entsalzung durch Ionenaustausch LÖUNGEN eite 1 von 7 Ionenaustausch & Ionenaustauscher Lernziele Nach der Bearbeitung dieses Übungsblattes sollten ie Folgendes mitnehmen. - ie wissen, was ein Ionenaustauscher ist - ie können die verschieden Ionenaustauscherarten benennen - ie können die prinzipielle Funktionsweise eines Ionenaustauschers in eigenen Worten beschreiben und an Beispielen erklären. - ie kennen und verstehen die Begriffe Beladen und Regenerieren - ie kennen die Begriffe Vollentsalzung und Teilentsalzung von Wasser - ie können die chemische Reaktionsgleichung für den Ionenaustausch Vorgang formulieren. - ie verstehen den Begriff der Ionenaustauscherkapazität und verstehen, wie man diese experimentell bestimmen kann. Ionenaustauscher: Ionenaustauscher sind aus einem polymeren Grundgerüst (z.b.: Polystyren) aufgebaut an das sich entweder positiv oder negativ geladenen Ankergruppen befinden. Die Art der Ankergruppe bestimmt die Art des Ionenaustauschers. Kationenaustauscher enthalten negativ geladenen Ankergruppen, deren Gegenionen ausgetauscht werden können. Die nebenstehende Abbildung zeigt ein Beispiel eines Kationenaustauschers. Quelle: Fachwissen Chemie 1; Europa Lehrmittel # 69913; 1. Auflage 2011

2 Entsalzung durch Ionenaustausch LÖUNGEN eite 2 von 7 Beispiel eines Kationenaustausches an Beispiel eines Anionenaustausches an einem Kationenaustauscher. einem Anionenaustauscher. Quelle: Fachwissen Chemie 1; Europa Lehrmittel # 69913; 1. Auflage 2011 Kombiniert man einen Anionenaustauscher mit einem Kationenaustauscher, so erhält man einen Mischbettaustauscher. Funktionsweise: Das mit alzen belastete Wasser wird durch den Anionenaustauscher geleitet. Beim Durchgang durch den Ionenaustauscher sind die auszutauschenden Ionen stets im Überschuss vorhanden, sodass das Gegenion der Ankergruppe verdrängt werden kann. Die verdrängten Gegenionen werden durch das Wasser zum äulenende hin abtransportiert, wodurch ie dem Austauschgleichgewicht entzogen werden.

3 Entsalzung durch Ionenaustausch LÖUNGEN eite 3 von 7 Aufgaben: Im Folgenden ist schematisch ein Ionenaustauscherkügelchen in der ionisierten Form abgebildet. X - - X X - - X X - - X - X - - X X a: Um was für einen Ionenaustauscher handelt es sich hierbei? Kationenaustauscher b: Zeichen ie die saure Form H - H - H - H - - H - H - H - - H H c) Formulieren ie nun die saure Form und beladen ie dann mit -Ionen (also mit einer NaCl-Lösung) Na - H H - H H 9 Cl - H - H H - - H H 9 9 Cl - - H

4 Entsalzung durch Ionenaustausch LÖUNGEN eite 4 von 7 - Wie lässt sich das Beladungsgleichgewicht auf die eite der Na-Form verschieben? Prinzip Le Chatelier, Überschuss NaCl - Wie lässt sich das Beladungsgleichgewicht auf die eite der H-Form verschieben? Prinzip Le Chatelier, Zugabe HCl. Genau das macht man beim Regenieren. - Wie können ie Feststellen, dass der Ionenaustauscher vollständig mit -Ionen beladen ist? Der Ionenaustauscher ist dann vollständig beladen, wenn keine H-Ionen ausgetauscht werden. Der ph des ausfliessenden Wassers ändert sich von stark sauer zu Neutral. Austauscherkapazität: Die Austauscherkapazität G ist definiert als die Anzahl austauschbarer Ionenäquivalente, angegeben in mmol, bezogen auf die Trockenmasse m in Gramm des Austauschers. Austauschbare Ionenäquivalente z n[mmol] G Trockenmasse m[g] Mit z = Ladung des Iones, n= toffmenge des ausgetauschten Iones. d) Nehmen ie nun an, ie haben eine Ionenaustauschersäule mit 5 g (Trockengewicht) Ionenaustauscher in der sauren Form gefüllt und eluieren diese, nach Quellung des Ionenaustauschers, mit NaCl-Lösung. Nach einem Volumen von 50 ml zeigt das Eluat am Ende der äule ph = 7 an. Zur Neutralisation des Eluates benötigen ie 9.5 ml 1 M NaH. Welche Kapazität hat der Austauscher? (Lösung: 1.9 mmol/g) G z n m 1 C V 5 g NaH NaH 1 9.5mL 1mol / L 5 g 1.9 mmol/g

5 Entsalzung durch Ionenaustausch LÖUNGEN eite 5 von 7 e) Formulieren ie den Ionenaustauscher in der Na-Form und beladen ie es dann mit Ca 2 - Ionen Ca 2 Ca Ca Ca Ca 2 - Ca 2 - Für den Ionenaustauscher führen wir nun die Abkürzung KAT-C - ein. Formulieren ie nun den unter e) formulierten Ionenaustauschprozess mit einer chemischen Reaktionsgleichung. 2 Kat-C - Ca > 2 (Kat-C - ) 2 Ca 2 - Für jeden Ionenaustauschprozess muss folgende Bedingung immer erfüllt sein: Ladung verdrängt = Ladung Beladen (bzw. als Formel: zverdr. nverdr. zbel. nbel. mit z= Ionenladung und n=toffmenge) Geben ie dafür eine Begründung. Erhaltung der Ladung! Wenn das nicht gilt, würde sich der Ionenaustauscher elektrisch aufladen! Das wird aber nicht beobachtet. f). chreiben ie die Reaktionsgleichung einer Teilentsalzung mit einem Kationenaustauscher. - Ca Ca 2-2 g) Formulieren ie die chemische Reaktion, die in einem Anionenaustauscher stattfindet, wenn Carbonationen entfernt werden sollen.

6 Entsalzung durch Ionenaustausch LÖUNGEN eite 6 von 7 N - H N C 2-3 N C H N 2 - H h) Womit könnte ein Britta-Filter regeneriert werden? chreiben ie die Reaktionsgleichung. - Ca Ca 2 - Man spült mit einer NaCl-Lösung i) Womit kann ein kombinierter Kat- und Anionenaustauscher regeneriert werden? chreiben ie die zwei Reaktionsgleichungen auf.. - Ca 2-2 HCl - H Ca 2 2 Cl - H - N C NaH N - H C N N - H

7 Entsalzung durch Ionenaustausch LÖUNGEN eite 7 von 7 j) Die Abbildung (aus Petrucci et. al., Pearson Canada, 2011) zeigt schematisch eine Teilentsalzung von Trinkwasser. - Warum spricht man hier von Teilentsalzung? Es werden nur die Kationen ausgetauscht - Der ph-wert des teilentsalzten Wassers ist 7. timmt das? Begründen ie. Das hängt von den Anionen der ausgetauschten Kationen ab! Wenn viel C3 2- bzw. HC3 - vorhanden sind, dann wird der ph alkalisch sein! - Wie kann der verbrauchte Ionentauscher regeneriert werden? pülen mit NaCl-Lösung k) Die Abbildung zeigt schematisch eine Vollentsalzung von Trinkwasser. - Warum spricht man hier von Vollentsalzung? Weil sowohl die Kationen als auch die Anionen ausgetauscht werden. Kationen gegen H und Anionen gegen H -. - Der ph-wert des vollentsalzten Wassers ist 7. timmt das? Begründen ie. Ja, weil jedes Kation durch die entsprechende Anzahl H - und jedes Anion durch die entsprechende Anzahl H - -Ionen ausgetauscht werden. Wegen der Ladungsrehaltung entstehen gleich viele H, wie H - -Ionen welche sich zu Wasser neutralisieren. - Wie kann der verbrauchte Ionenaustauscher regeneriert werden? Jeder Austauscher separat. Kationentauscher mit HCl und Anionentauscher mit NaH. Fachwissen Umwelttechnik, EURPA Lehrmittel Nr.34915, Wie ändert sich der ph-wert, wenn die HC3 - Ionen im Kationenaustauscher neutralisiert werden? ph ändert sich nicht. H - HC 3 - H 2 H 2 C 3