Um das zu verstehen müssen wir zuerst wissen, was ein Ion ist
Wenn wir von Ionen („Ion“ heißt vom Altgriechischen übersetzt „das Gehende“) sprechen, sprechen wir von einem Atom / Molekül mit einer elektrischen Ladung. Diese Ladung kann sowohl positiv als auch negativ sein.
Ein Atom bzw. Molekül versucht sich immer durch Elektronen und Protonen zu neutralisieren. (Protonen bilden zusammen mit Neutronen den Atomkern und Elektronen kreisen um den Kern herum.)
Durch Reaktionen mit anderen Atomen kann allerdings dieses neutrale Gleichgewicht gestört werden. Ein Atom ist ausgeglichen, wenn die Anzahl der Elektronen die der Anzahl der Protonen entspricht. Trifft ein Ion, also ein positiv oder negativ geladenes Atom, auf ein anderes Atom, kann es passieren, dass Elektronen von einem Atom auf ein anderes Atom überspringen. Und schon fehlt dem erstgenannten Atom etwas.
Wenn ein oder mehr Elektronen abgegeben werden, also das Atom nun ein oder mehr Elektronen zu wenig hat, spricht man von einem positiv geladenen Ion, einem Kation. Mit Kationen sind in der Regel Metallionen gemeint, wie z.B. Natrium, Aluminium, Magnesium usw.
Wenn das Gegenteil der Fall ist und ein oder mehr Elektronen aufgenommen werden, also das Atom oder Molekül nun ein oder mehrere Elektronen zu viel hat, spricht man von einer negativen Ladung, einem Anion. Mit Anionen sind in der Regel Nichtmetallionen (oder deren Verbindungen mit Sauerstoff und Wasserstoff, die Bestandteil von Salze sein können) gemeint. Erhält z.B. Chlor ein oder mehrere Elektronen durch eine Reaktion mit einem anderen Atom, nennt man diesen Stoff im Anschluss Chlorid, d.h., die Endung „id“ kommt bei der Bezeichnung hinzu. So wird z.B. aus Brom auch Bromid, aus Jod wird Jodid usw.. Es gibt auch anionische Verbindungen mit Sauerstoff, z.B. Sulfat (SO42-), aus Schwefel oder Nitrat (NO3-), aus Stickstoff.
Funktionsweise:
Ionentauscher / Ionenaustauscher = Ionenträgermaterial + Austausch Ionen
Ein Ionentauscher besteht aus einem Ionenträgermaterial und aus positiv oder negativ geladenen Ionen.
Das Ziel ist es, damit unerwünschte Ionen aus einer Lösung, z.B. aus Wasser, zu entfernen und gleichzeitig erwünschte Ionen hinzuzugeben.
Will man also positiv geladene Atome, z.B. Calcium, aus dem Wasser entfernen, sollten auf dem Ionenaustauscher ebenfalls positiv geladene Atome vorhanden sein, z.B. Natrium.
Dasselbe gilt für Anionen wie z.B. Nitrat, die gegen Chlorid- oder Hydroxid-Ionen ausgetauscht werden.
Was sind Ionentauscher?
Warum tauschen sich die Ionen aber nun aus, wenn sie doch einfach auch auf dem Ionenträgermaterial bleiben könnten?
Grundsätzlich gilt: Das stärker bindende Ion verdrängt das schwächer bindende Ion von den Bindungsstellen des Ionentauschermaterials.
Um dies besser zu verstehen, müssen wir auch die Ladung, den Ionenradius, den pH-Wert und die Stoffmengenkonzentration bei der Betrachtung mit einfließen lassen.
Ladung: Elektrische Ladung bezieht sich auf die Anzahl der Elektronen, die ein Atom besitzt. Ein neutraler Zustand bedeutet, dass ein Atom genauso viele Protonen (positiv geladen) wie Elektronen (negativ geladen) hat.
Je höher die Ladung ist: Wenn ein Atom mehr Elektronen als Protonen hat, wird es negativ geladen. Wenn es weniger Elektronen hat, wird es positiv geladen. Je größer die Differenz zwischen diesen Ladungen ist, desto höher ist die Ladung des Atoms.
Elektronen fehlen oder zu viel sind: Ein Atom kann Elektronen verlieren (es fehlen Elektronen) oder aufnehmen (es hat zu viele Elektronen) und dadurch eine positive oder negative Ladung bekommen. Dies geschieht oft bei chemischen Reaktionen, insbesondere bei der Bildung von Ionen.
Stärker ist die Bindung: Die Stärke der Bindung zwischen zwei oder mehreren Teilchen hängt von der Anziehungskraft zwischen den Ladungen dieser Teilchen ab. Wenn die Ladungsunterschiede größer sind, ist die Anziehungskraft stärker, was zu einer stärkeren chemischen Bindung führt. Das bedeutet, dass die Teilchen enger aneinandergebunden sind.
Ionenradius und Bindungsstabilität: Wenn der Ionenradius größer ist, ist die Bindung stabiler.
pH-Wert und Ionenaustausch: Manche Ionen tauschen sich leichter aus, wenn der pH-Wert niedrig ist, aber dies hängt von der individuellen Situation ab.
Stoffmengenkonzentration: Die Stoffmengenkonzentration bezieht sich auf das Verhältnis von Ionenaustauschern zu der Lösung, die behandelt wird - ähnlich zum Volumenverhältnis. Dieses Verhältnis wird zudem von Temperatur und bei Gasen auch vom Druck beeinflusst.
Regeneration: Mit einem stark sauren Kationenaustauschharz, meist Salzsäure, lassen sich bereits ausgetauschte Ionen, z.B. Natriumionen, auf dem Austauschmaterial wieder regenerieren.
Geschichte
Das Prinzip von Ionentauscher wurde bereits im Zweiten Buch Mose erwähnt, auch wenn die Abläufe und Prozesse damals noch nicht verstanden wurden.
Laut deutscher Übersetzung von Martin Luther aus dem Jahr 1912 heißt es:
„Da kamen sie nach Mara; aber sie konnten das Wasser von Mara nicht trinken, denn es war sehr bitter.
Daher nannte man den Ort Mara. Da murrte das Volk wider Mose und sprach: Was sollen wir trinken? Er schrie zu dem Herrn, und der Herr zeigte ihm ein Holz; das warf er ins Wasser, da wurde es süß.“
Was die Menschen damals noch nicht wussten, ist, dass die verrottete Zellulose alter Baumstämme ein gutes Ionenaustauschmaterial für Magnesiumionen ist.
Geschichtliche Fortsetzung des Ionenaustauschers
um 1850: Thomson u. Way: Ackerböden als Ionenaustauscher für Mg2+, Ca2+ und NH4 +
1906: M. Tswett: Chromatographische Trennung von Chlorophyll
1935: Adams, Holmes: Sulfonierte und aminierte Kondensationspolymere (Phenol/Formaldehyd)
1942: d’Alelio: Sulfonierte PS/DVB-Harze als Kationenaustauscher (Manhattan-Projekt)
1947: McBurney: Aminierte PS/DVB-Harze als Anionenaustauscher
1949: W. E. Cohn: Anwendungen in Biochemie und Atomtechnik
1951: S. Moore, W. H. Stein: Einführung in die Aminosäureanalytik
1953: Wheaton, Baumann: Ionenausschlusschromatographie
1957: Corte, Meyer, Kunin u.a.: Makroporöse Ionenaustauscher
1959: Helfferich: Grundlagen für das theoretische Verständnis
1967 - 1970: Horvath, Kirkland: Pellikulare Ionenaustauscher
1975: Small, Stevens, Baumann: Ionenaustauschchromatographie mit Leitfähigkeitsdetektion mittels Suppressor
1979: Gjerde, Fritz, Schmuckler: Leitfähigkeitsdetektion ohne Suppressor
1976 - 1980: Wters, Bidlingmeier, Horvath: Ionenpaarchromatographie
Gezielt wurden damals Alumosilikate, z.B. Zeolithe und Feldspathe, als Ionenaustauscher eingesetzt.
Alumosilikat ist ein sehr wichtiger Bestandteil unserer Erdkruste.
Da Aluminium in der Natur in reiner Form nur sehr selten vorkommt und sich meist mit Silizium, dem zweithäufigsten Element der Erdkruste bzw. der Erdalkalimetalle,
verbindet, ist eine Aluminium-Silizium-Verbindung, die auch Sauerstoff enthält, häufig als Alumosilikat in der Natur vorzufinden.
Alumosilikate konnten gezielt Erdalkaliionen und Alkaliionen aus einer Lösung aufnehmen bzw. abgeben.
Solche natürlichen Alumosilikate wurden früher aus vulkanischen Ablagerungen gewonnen. Dafür wurden einfach Granulate mechanisch zerkleinert und gesiebt.
Heutzutage finden fast nur noch chemisch hergestellte Alumosilikate Anwendung. Permutit war der Vorreiter chemisch hergestellter Alumosilikate Anfang des 20. Jahrhunderts.
Weitere Entwicklungen waren die Phenolharze. Phenolharze sind schwach basische Ionenaustauscher.
Umgekehrt wurden mit speziellen Kohlen leicht saure Ionenaustauscher zum Einsatz gebracht. Heute basieren die Ionenaustauscher meist auf modifizierten Polystyrolen und Polyacrylsäuren.
Und wofür braucht man nun Ionenaustauscher?
Wasserfiltrierung:
Der größte Einsatzbereich liegt bei der Wasserfiltration. Kalk kommt natürlicherweise im Wasser und auch im Leitungswasser vor.
Kalkablagerungen sind bei vielen Anwendungen des Wassers in unseren Häusern oder in der Industrie ein Ärgernis, weshalb großes Interesse daran besteht, sie zu entfernen.
Zur Reduzierung von Kalkablagerungen werden mittlerweile auch in hochwertigen Kaffeemaschinen und Wasserkochern Ionenaustauscher verbaut. In der Waschmaschine oder Spülmaschine übernimmt in der Regel das Reinigungsmittel (Spülmaschinentabs oder Spülmittel) die Kalkfilterung.
Hier finden Sie mehr Informationen über Kalk.
Der Markt ist inzwischen übersättigt von Kalkfilterherstellern.
Es gibt heutzutage aber glücklicherweise auch einige Anbieter, die sich anhand dieser Ionenaustauschtechnologie mit der Filtrierung von Schadstoffen im Wasser beschäftigen, wo es um die Schadstoffe für Menschen, Tiere und Pflanzen geht … also nicht nur um Haushaltsgeräte vor Kalk zu schonen.
Ein weiteres großes Anwendungsgebiet bei der Wasserfiltrierung ist die Entfernung von Nitrationen aus dem Wasser.
Dies kann anhand Anionentasuchern erreicht werden, indem Anionen wie Chlorid oder Hydroxid gegen das Nitrat im Wasser ausgetauscht werden.
Es gibt auch amphotere* Ionentauscher, die sowohl Kationen als auch Anionen gleichzeitig austauschen können.
Sehr häufig erfolgt dies in Mischbetten, die eine Mischung aus Anionen- und Kationenaustauscherharzen enthalten, oder indem die Lösung durch Schichten aus verschiedene Ionenaustauschermaterialien geleitet wird.
*"Amphotere" bedeutet, dass eine Substanz sowohl wie eine Säure als auch wie eine Base wirken kann.
Atomkraftwerk:
Ionenaustausch wird zur Trennung und Reinigung von Metallen eingesetzt, darunter auch zur Trennung von Uran und Plutonium und deren Kernspaltprodukte in Atomkraftwerke.
Ionenaustauschchromatographie:
Der Ionenaustausch wird in der Ionenaustauschchromatographie als Teil der analytischen Chemie und auch zur Herstellung von Lösungen eingesetzt.
Die Ionenaustauschchromatographie ist eine Technik zur Trennung von Molekülen nach ihrer Ladung. Sie kann beispielsweise zur Reinigung oder Extraktion geladener Moleküle wie Proteine, Aminosäuren und Nukleotide eingesetzt werden.
Sie kann auch zur Reinigung dieser geladenen Moleküle verwendet werden.
Lithium-Rückgewinnung:
Lithium, das für Lithiumbatterien notwendig ist, ist hochreaktiv und kommt nicht in reiner Form vor.
Die beliebteste Methode zum Abbau dieser Ressource besteht darin, sie mithilfe eines Ionenaustauscherharzes aus einer mineralreichen Sole zu gewinnen.
Beispiele für Ionenaustausch in der Natur
Ob in der Natur, im menschlichen oder im tierischen Körper
oder auch in der Pflanze; Ionen sind ständig im Austausch.
Mensch:
Ein weiterer natürlicher Ionenaustausch findet in unserem Körper statt, und zwar in der Zellmembran.
Der Ionentausch im menschlichen Körper ist ein wichtiger Prozess, der auf zellulärer Ebene abläuft und für verschiedene biologische Funktionen entscheidend ist.
So funktioniert der Ionentausch im Körper:
Die Zellmembranen vieler Zellen im Körper enthalten spezielle Proteine, die als Ionenkanäle fungieren.
Diese Kanäle ermöglichen den kontrollierten Ein- und Austritt von Ionen wie Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Calcium (Ca²⁺) und Chlorid (Cl⁻).
Die Ionenbewegung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Membranpotenzials und die Übertragung von Nervenimpulsen.
Der Wasser- und Elektrolythaushalt im Körper wird von den Nieren reguliert.
Sie filtern das Blut und entfernen überschüssige Ionen und Stoffwechselprodukte.
Gleichzeitig reabsorbieren sie wichtige Ionen, um den Körper in einem physiologisch ausgeglichenen Zustand zu halten.
Im Verdauungssystem werden Ionen aus Nahrungsmitteln aufgenommen.
Beispielsweise werden Natrium- und Kaliumionen durch spezialisierte Transportmechanismen im Darm aufgenommen.
Diese Ionen sind wichtig für die Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts und die Funktion der Muskeln.
Die Kontraktion von Muskelzellen, sei es im Herzen oder in den Skelettmuskeln, hängt von der Bewegung von Ionen ab.
Kalziumionen spielen eine Schlüsselrolle bei der Muskelkontraktion, indem sie die Freisetzung von Muskelproteinen auslösen.
Der Körper reguliert den pH-Wert (Säure-Basen-Gleichgewicht) durch die Kontrolle
von Wasserstoffionen (H⁺) und Bikarbonat (HCO₃⁻) in verschiedenen Körperflüssigkeiten.
Dies ist wichtig, um den normalen Stoffwechsel und enzymatische Reaktionen aufrechtzuerhalten.
Insgesamt ist der Ionentausch im menschlichen Körper entscheidend für die Aufrechterhaltung vieler grundlegender physiologischer Funktionen.
Die Regulation von Ionenkonzentrationen ermöglicht die reibungslose Kommunikation zwischen Zellen,
die Muskelkontraktion, die Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts und vieles mehr.
Pflanzen:
Wenn Pflanzen die Nährstoffe über ihre Wurzeln aufnehmen, findet ein Ionenaustausch statt.
Pflanzen benötigen verschiedene Ionen, insbesondere Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K), Kalzium (Ca) und Magnesium (Mg), um zu wachsen und ihre Lebensfunktionen aufrechtzuerhalten.
So funktioniert der Ionenaustausch bei Pflanzen:
Die Wurzeln von Pflanzen sind von winzigen Haaren bedeckt, den sogenannten Wurzelhaaren.
Diese Haare vergrößern die Oberfläche der Wurzeln und ermöglichen eine effiziente Absorption von Wasser und gelösten Nährstoffen aus dem Boden.
Die äußeren Zellen der Wurzel sind in der Lage, Ionen aus der Bodenlösung aufzunehmen.
Die Aufnahme von Ionen aus dem Boden in die Wurzelzellen erfolgt durch aktiven Transport.
Dies bedeutet, dass die Pflanzen Energie aufwenden müssen, um Ionen gegen ein Konzentrationsgefälle zu bewegen.
Dieser Transport wird von spezialisierten Proteinen in der Zellmembran, den sogenannten Ionenpumpen oder Ionenkanälen, durchgeführt.
Die Wurzelzellen können selektiv bestimmte Ionen aufnehmen, je nach den Bedürfnissen der Pflanze.
Dies wird durch verschiedene Mechanismen gesteuert, darunter die Konzentration der Ionen im Boden und die vorhandenen Niveaus in der Pflanze.
Während die Pflanze Ionen aus dem Boden aufnimmt, werden auch andere Ionen, die sich bereits in den Wurzeln befinden, freigesetzt.
Dies geschieht durch Ionenaustauschprozesse, bei denen beispielsweise Natriumionen (Na⁺) im Austausch gegen Kaliumionen (K⁺) oder andere Ionen getauscht werden.
Viele Pflanzen bilden eine Symbiose mit Mykorrhiza Pilzen.
Diese Pilze helfen den Pflanzen, Nährstoffe effizienter aus dem Boden aufzunehmen, indem sie ihre Wurzeln erweitern und die Oberfläche für die Nährstoffaufnahme vergrößern.
Im Gegenzug erhalten die Pilze Energie und Kohlenhydrate von den Pflanzen.