Boden und Ionenaustauscher. Theorie und Versuche

Inhalt

Vorwort

1. Ionenaustauscher
1.1 Definition: Ionenaustauscher
1.2 Ionenaustauscherarten
1.3 Verwendungszweck von Ionenaustauschern
Versuch: Demineralisierung von Wasser
Versuch: Kapazitätsbestimmung von Anionaustauschern
Versuch: Kationenaustausch und die Demonstration der pH-Wert-Änderung während des Austausches

2. Boden
2.1 Definition: Boden/Bodenarten
2.2 Bestandteile von Böden und Einfluss durch den Menschen
2.3 Bodenchemie
Versuch: Huminstoffe als Säuren und Kationenaustauscher
Versuch: Gartenerde als Ionenaustauscher
Versuch: Analyse von Bodenproben (pH-Wert, Kalkgehalt, Humusgehalt)

Fazit

Quellenverzeichnis

Anhang

Vorwort

Natürlich weiß jeder Mensch etwas mit dem Begriff „Boden“ anzufangen, aber wie steht es mit den chemischen Bestandteilen und den chemischen Reaktionen im Boden. Kaum ein Mensch weiß auch, dass im Boden Ionenaustauscher vorhanden sind, gewiss auch nur ein geringer Teil, was ein Ionenaustauscher überhaupt ist und wozu er benötigt wird.

Auch wir waren zuerst leicht irritiert und konnten mit dem Thema „Ionenaustauscher und Boden“ nur wenig in Verbindung bringen. Dies zeigte auch unsere Unwissenheit in diesem Gebiet.

Nach einer ausführlichen Recherche ist uns jedoch aufgefallen, dass dieses Thema weitaus komplexer ist, als wir es uns vorgestellt haben und dass es sich lohnt darüber zu schreiben. Denn Boden ist überall vorhanden und betrifft jeden Menschen auf der gesamten Welt, viele Organismen leben im Boden und auch Pflanzen entnehmen ihm wichtige Nährstoffe, die sie zum Leben benötigen 1. Auch Ionenaustauscher begegnen uns in unserem Leben wahrscheinlich öfter als uns bewusst ist, so ist beispielsweise Waschpulver, eine Geschirrspülmaschine oder einfach nur sauberes Trinkwasser ohne Ionenaustauscher gar nicht denkbar 6. Hierbei wird deutlich, dass unser Thema hochaktuell ist und uns auf eine Reise durch die Chemie des Alltages führen wird. Schon vor uns haben Wissenschaftler sich mit diesen Themen befasst und sind dabei zu Erkenntnissen gelangt, die wir im Verlauf unserer Facharbeit vorstellen wollen, aber wir führen auch selber Versuche in dem Labor unserer Schule durch, die diese Erkenntnisse besser verdeutlichen.

Die älteste Erwähnung von Ionenaustauschern kann man in der Bibel finden, so wird hier die Verwandlung von bitterem Wasser in trinkbares Wasser durch ein altes Stück eines Baumstamms geschildert (vgl. 2.Mose 15). Natürlich wurde dies noch mit der Anwesenheit Gottes erklärt, aber heutzutage weiß man, dass alte Cellulose ein guter Ionenaustauscher für Magnesiumionen ist. Die Facharbeit ist in unseren Augen eine sinnvolle Arbeit und wir freuen uns die Möglichkeit zu haben diese erstellen zu dürfen.

1. Ionenaustauscher

1.1 Definition: Ionenaustauscher

Es gibt zwei verschiedene Arten von Ionenaustauschern, zum einen die Anionenaustauscher und zum anderen die Kationenaustauscher 6.

Allgemein gesehen funktionieren beide Ionenaustauscherarten gleich, sie geben eines ihrer eigenen Ionen ab und nehmen dafür ein Ion des anderen Stoffes auf. Bei diesem Vorgang gibt der Ionenaustauscher 2 positiv geladene Wasserstoffionen ab. An deren Stelle nimmt der Ionenaustauscher das 2fach positiv geladene Kupferion auf. Der einzige Unterschied zwischen Kationenaustauschern und Anionaustauschern ist, dass Kationenaustauscher ihre positiv geladenen Ionen gegen andere positiv geladene Ionen austauschen, während Anionenaustauscher ihre negativ geladenen Ionen gegen andere negativ geladene Ionen austauschen 6 (siehe Versuch: Kationenaustausch und pH-Wert-Änderung während des Austausches).

Wichtig ist, dass der Ionenaustausch immer nach demselben Prinzip abläuft. Dabei wird meistens ein schwach geladenes Ion, das an den Ionenaustauscher gebunden ist, von einem stärker geladenen Ion verdrängt, was auf die Coulombkraft zurückzuführen ist.

Zum Beispiel würde ein Lithiumion, welches 1fach positiv geladen ist, von Calcium, das 2fach positiv geladen ist, verdrängt werden. Oder Chlor, welches einfach negativ geladen ist, würde von einem Sulfation () verdrängt werden. Das gute an Ionenaustauscher ist, dass man sie auch regenerieren kann, d.h. nachdem man sie mit dem höchstmöglich geladenen Ion bestückt hat, wären sie ja normalerweise danach nutzlos, da man sie nicht mehr beladen könnte. Aber da man sie regenerieren kann, können sie beliebig oft benutzt werden 6. In einem anderen Beispiel läuft die gleiche Reaktion ab wie bei dem Beispiel zum Beladen eines Ionenaustauschers nur in entgegen gesetzter Richtung. Denn hier wird das Kupferion diesmal durch den Wasserstoff verdrängt. Auf diese Weise könnte jetzt eine endlose Aufeinanderfolge von Hin- und Rückreaktion stattfinden.

Dies ist aber insofern nicht möglich, da für die Regeneration in diesem Fall eine große Konzentration von Wasserstoffsulfatmolekühlen () vorhanden sein muss, damit die Coulombkraft überwunden werden kann. Dieses Regenerationsverfahren ermöglicht es, dass man die Ionentauscher im Prinzip beliebig oft verwenden kann, solange man sie immer richtig be- und entlädt.

1.2 Ionenaustauscherarten

In diesem Teil der Facharbeit werde ich einige verschiedene Arten von Ionenaustauschern vorstellen. Im Grunde gibt es zwei große Gruppen, die anorganischen und die organischen Ionenaustauscher, aber zu diesen beiden Gruppen lassen sich bestimmte Ionenaustauscher zuordnen.

Ich werde nun einige Beispiele für Ionenaustauscher nennen und an geeigneten Stellen die Strukturformel des Ionenaustauschermoleküls aufzeigen, um zu verdeutlichen, wie das Molekül eines Ionenaustauschers aussehen kann. Ionenaustauscher bestehen im Allgemeinen aus einem dreidimensionalen Gerüst (Matrix) 16, das zahlreiche Ankergruppen wie zum Beispiel Sulfitionen besitzt. An diesen negativ oder positiv geladenen Ankergruppen sind wiederum so genannte Gegenionen locker gebunden, die beim Ionenaustausch gegen andere Ionen ausgetauscht werden.

Natürlich haben alle Ionenaustauscher dieselbe Form, sie unterscheiden sich lediglich im Gerüst, in den Ankergruppen und den Gegenionen.

Ich beginne mit den anorganischen Ionenaustauschern. Zu ihnen zählt die große Gruppe der Zeolithe, die sowohl künstlich hergestellt werden können als auch in der Natur z.B. in Basalt vorkommen 16. Zeolithe sind Alkalialuminiumsilicate, d.h. sie sind Verbindungen von Silicium und Aluminium 5:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das bekannte Zeolith A beispielsweise findet oft bei Waschmitteln seine Verwendung und hat 12 Aluminiumoxide gebunden 5. Allein die Zahl der Aluminiumoxide kann bei den einzelnen Zeolitharten sehr von einander abweichen, deshalb ist die Zahl der unterschiedlichen Zeolithen sehr hoch, jedoch besitzen alle die Form, die oben zu sehen ist. Wichtig sind die Zeolithe A, X und Y 5, jedoch sind insgesamt 40 natürliche und 100 synthetisch hergestellte Zeolithe bekannt. Man kann ebenfalls in der obigen Formel erkennen, dass ein Zeolith aus Silicium- und Aluminiumoxiden besteht, diese binden sich gemeinsam zu der charakteristischen Kristallstruktur. Darüber hinaus bilden sich in dieser Kristallstruktur gewisse Hohlräume aus, die es den Zeolithen ermöglichen mehr Ionen auszutauschen als ähnliche Ionenaustauscher.

Wegen diesem Vorteil werden Zeolithe in sehr vielen Bereichen verwendet, beispielsweise als Wasserenthärter und in Waschmitteln 5.

Ähnlich wie die Zeolithe gehören auch die Tonminerale 6 zu den Alkalialuminiumsilicaten, lediglich der Aufbau unterscheidet sie von den Zeolithen. Die Tonminerale besitzen eine Art Schichtaufbau, eine einzelne Schicht wird Silicat-Schicht genannt.

Zwischen den einzelnen Schichten befinden sich Wasser Moleküle und einige Kationen, wie zum Beispiel Natriumionen, die ähnlich wie bei den Zeolithen gegen andere Ionen ausgetauscht werden können. Ein gutes Beispiel für ein Tonmineral ist das Montmorillonit 6, das das Achtfache seines Eigengewichts an Wasser oder anderen Flüssigkeiten speichern kann und somit oft in Kosmetikprodukten verwendet wird. Tonminerale lassen sich sowohl künstlich herstellen als auch in der Natur vorfinden. Organische Ionenaustauscher sind häufig in der Natur vorzufinden.

Huminsäuren, organische Ionenaustauscher , findet man beispielsweise im Boden, im Torf und in der Braunkohle 17. Man kann Huminsäuren entweder durch Oxidation von Steinkohle erhalten oder durch Trocknen und anschließender Filtration von Torf oder Braunkohle gewinnen. Dabei sind Huminsäuren chemische Verbindungen, die sich aus abgestorbenem organischem Material im Boden bilden. Sie besitzen verschiedene funktionelle Gruppen, wie z.B. die Carboxylgruppen 17 und wie auch die anderen Ionenaustauscher gewisse Ankergruppen, die es ihnen ermöglichen Ionen zu fixieren, aber auch auszutauschen. Darüber hinaus besitzen die Huminsäuren saure Eigenschaften.Man verwendet Huminsäuren nicht nur als Ionenaustauscher, sondern auch als Düngemittel und Pflanzenschutzmittel 17. Deshalb spielen Huminstoffe und Humus im Boden eine große Rolle, das Thema wird also im weiteren Verlauf der Facharbeit noch einmal angesprochen werden (s. Versuch: Huminstoffe).

Zu den organischen Ionenaustauschern zählen auch die Kunstharze 16, die sowohl im flüssigem, festem, als auch im plastischen, also formbaren Zustand existieren. Sie lassen sich jedoch nur synthetisch herstellen und kommen nicht als solches in der Natur vor. Die wichtigsten Kunstharze sind Aldehydharze, Ketonharze, Amidaldehydharze und in Deutschland die Lewatite, sie bestehen aus einem dreidimensionalen, wasser-unlöslichen Gerüst und natürlich aus positiv und negativ geladenen Ankergruppen und den dazu gehörigen Gegenionen. Kunstharze zeichnen sich besonders durch ihre hohe Geschwindigkeit beim Austausch und ihre hohe Austauschkapazität aus, aber außerdem wird die Spezifität geachtet. Spezifisch sind sie deshalb, weil schon bei ihrer Herstellung genau bestimmt werden kann, welche Ionen später ausgetauscht werden sollen.

Weitere organische Ionenaustauscher, die ich nur kurz erwähnen will, sind Chitosan, das aus Chitin hergestellt werden kann. Chitin ist dabei die zweithäufigste organische Substanz auf der Erde.

Wichtig ist abschließend noch Chlorophyll 6, das in Pflanzen für die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie zuständig ist. Ich hoffe ich konnte mit meiner Aufzählung der wichtigsten Ionenaustauscher einen Überblick über die Herkunft, teilweise auch die Herstellung und das Aussehen von Ionenaustauschermolekülen vermitteln. Dabei habe ich mich absichtlich nur auf die wichtigsten Ionenaustauscher konzentriert, um nur eine übersichtliche Zahl an Ionenaustauscher vorzustellen.

1.3 Verwendungszweck von Ionenaustauschern

Ionenaustauscher findet man in der heutigen Zeit in vielen Anwendungs-gebieten, man begegnet ihnen fast überall, so z.B. im Haushalt, in der Technik, in der Natur, in der Schule und auch in der Medizin finden Ionenaustauscher ihre Anwendung. Ionenaustauscher werden zum Beispiel benötigt, um destilliertes Wasser herzustellen 6 (siehe auch Versuch: Demineralisierung von Wasser).

Im ersten Schritt wird mit Hilfe eines Kationenaustauschers das Natriumion und das Calciumion durch Wasserstoffionen ersetzt. Im darauffolgenden Schritt wird das Sulfation und das Chlorion durch 3 Hydroxidionen ersetzt. Jetzt ist pures Wasser entstanden, das keine Salze mehr beinhaltet. Dies ist die Art und Weise, die in vielen verschiedenen Einrichtungen zum Beispiel in Schulen, Firmen oder Laboren eingesetzt wird, um destilliertes Wasser herzustellen, da diese Methode günstig ist und da man die Ionenaustauscher wieder regenerieren kann 6.

Ionenaustauscher finden aber auch Anwendung im Haushalt zum Beispiel in der Geschirrspülmaschine, hier werden die Ionenaustauscher benötigt, um das normale Leitungswasser zu enthärten. Unter dem Enthärten von Wasser versteht man die Entfernung von Magnesium- und Calciumionen aus dem Wasser. In diesem Beispiel tauscht der Kationenaustauscher seine Natriumionen gegen die Calcium- und Magnesiumionen aus. Dies ist nötig, denn würde man das Wasser nicht enthärten, so würde es zu Kalkablagerungen in der Geschirrspülmaschine kommen, was schließlich dazu führen würde, dass sie schneller kaputt geht oder ausläuft. Durch die Enthärtung des Wassers, das in der Geschirrspülmaschine benutzt wird 6, kann man die Lebensdauer der Maschine sichtlich verlängern.

Selbst in der Medizin werden Ionenaustauscher angewendet. Wenn jemand zum Beispiel eine zu hohe Konzentration von Kalium im Blut hat, so werden ihm Ionenaustauscher in Form von Tabletten gegeben, die ihr Natriumion gegen das im Blut befindliche Kaliumion austauschen, welches dann wieder ausgeschieden wird 6.

Versuch: Demineralisierung von Wasser

Geräte: Stativmaterial, 2 Bechergläser (250ml), 1 Reagenzglas, pH-Meter, Bürette, Messzylinder (100ml), Vollpipette (1ml), Aquanal® Ökotest zur Bestimmung der Wasserhärte

Chemikalien: Kationenaustauscher (Amberlite IR120), Anionen-austauscher (Lewatit MP 5080), Ammoniaklösung (c=2mol/l), Bariumchloridlösung (c=0,5mol/l), Silbernitratlösung (c=0.5mol/l)

Aufbau:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durchführung: Die Wasserhärte des Leitungswassers wird zuerst mit Hilfe des Ökotestes bestimmt. Einige Tropfen Silbernitratlösung werden in einige ml Leitungswasser gegeben. Jetzt werden einige Tropfen Bariumchlorid zum Leitungswasser gegeben und danach der pH-Wert des Leitungswassers bestimmt. Die Austauschersäulen werden übereinander befestigt, in die obere kommt der Kationenaustauscher und in die untere der Anionenaustauscher. Anschließend wird das harte Wasser in die obere und untere Säule gegossen. Nebenbei bestimmt man den pH-Wert des Eluats nach Passieren der ersten und zweiten Säule.

Zuletzt wird ein weiteres Mal die Wasserhärte bestimmt.

Beobachtung: Die Wasserhärte zu Beginn des Versuches beträgt 19 dH und der pH-Wert des mit Bariumchlorid () und Silber-nitrat() angereicherten Wassers 7,08. Nach Passieren der ersten Säule sinkt der pH-Wert auf 3,48 und nach der zweiten Säule steigt er schließlich auf 6,42 an. Die Wasserhärte beträgt nun ca. 4-8dH.

Deutung: Beim Passieren der ersten Säule werden alle Kationen (und) gegen Protonen ausgetauscht. Es entstehen Mineralsäuren, die dazu führen, dass der pH-Wert stark sinkt. Nachdem das Wasser durch die zweite Säule geflossen ist, steigt der pH-Wert wieder an, da die zuvor entstandenen Anionen der Mineralsäuren gegen Hydroxidionen ausgetauscht werden, sodass reines, demineralisiertes Wasser entsteht. Da das Wasser entsalzt ist, sinkt auch der Härtegrad deutlich ab.

Aufnehmen von z.B. Magnesiumchlorid, das im Wasser gelöst ist, durch einen Kationenaustascher:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Versuch: Kapazitätsbestimmung von Anionaustauschern

Geräte: 2 Erlenmeyerkolben (300ml), Exsikkator, Magnetrührer, Bürette (50ml), Pipette (25ml), Erlenmeyerkolben (25ml)

Chemikalien: Anionenaustauscher (Lewatit® MP 5080), Natronlauge (c=3mol/l) (c=1mol/l), Natriumchlorid, Phenolphthaleinlösung, destilliertes Wasser, Salzsäure (c=0,1mol/l)

Aufbau:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durchführung: (1) 10g des Anionenaustauschers und 150ml einer 3molaren Natronlauge werden in ein Erlenmeyerkolben gegeben und über Nacht gerührt. Der Austauscher wird mit destilliertem Wasser gewaschen und im Exsikkator getrocknet.

(2) Von dem getrockneten und beladenen Anionenaustauscher werden 0,5g in einen großen Erlenmeyerkolben gegeben, 100ml Salzsäure (c=0,1mol/l) und 10g Natriumchlorid werden ebenfalls hinzugegeben. Dieses Substrat wird auch über Nacht gerührt. Im Nachhinein filtriert man und pipettiert 25ml vom Filtrat ab. Nun wird mit der 1molaren Natronlauge gegen Phenolphthalein titriert (siehe Anhang: Bild 4+5).

Beobachtung: Beim Titrieren von 78ml Natronlauge erfolgt ein Farbumschlag der Lösung von durchsichtig nach rot bzw. lila.

Deutung: Mit Hilfe der titrierten Menge können wir die Kapazität des Anionenaustauschers bestimmen. Mit folgender Gleichung lässt sich die Kapazität bestimmen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Setzen wir in die oben genannte Gleichung für m=0,5g, für = 1 mol/l und für V = 78ml*4=312ml ein (denn wir haben nur 25ml des Filtrats benutzt, müssen den Wert also mit 4 multiplizieren), so ist das Ergebnis für G ein völlig perplexer und unrealistischer Wert:

Für G kommt - 424 raus, folglich haben wir etwas in unserem Versuch falsch gemacht, denn ein negativer Wert für die Kapazität eines Ionenaustauschers kann unmöglich sein.

Die Kapazität eines Ionenaustauschers ist definiert als die Anzahl der Ankergruppen in einem Gramm des Ionenaustauschers und dieser Wert darf logischerweise nicht negativ sein.

Mögliche Fehlerquellen könnten z.B. das Rühren über Nacht sein, denn es war öfters so, dass wir am folgenden Tag den Magnetrührer ausgeschaltet vorgefunden haben. Es könnte also sein, dass das nächtliche Rühren nicht stattgefunden hat, was dazu geführt hat, dass unser Wert von der wirklichen Kapazität extrem abweicht. Es könnte aber auch sein, dass wir den Austauscher nicht mit genügend destilliertem Wasser gewaschen haben. Folglich ist dieser Versuch nicht so von Statten gegangen, wie wir es uns vorgestellt haben, aber trotzdem wollen wir ihn in die Facharbeit mit einnehmen, um auch einmal zu demonstrieren, dass der Weg zwar richtig sein kann, jedoch nur winzige Fehler die Lösung zum Schluss verfälschen können. Es zeigt auch, dass man in der Chemie sehr genau arbeiten muss, um am Ende zu dem richtigen Ergebnis zu gelangen.

Versuch: Kationenaustausch und die Demonstration der pH-Wert-Änderung während des Austausches

Geräte: Kationenaustauschersäule, Becherglas (100ml), 2 Meßzylinder (50ml), Reagenzglas, Indikatorpapier

Chemikalien: Eisen(III)-cloridlösung (c=0,1 mol/l), Kaliumthio-cyanatlösung (c=1 mol/l), Salzsäure (c=2 mol/l), destilliertes Wasser, Kationenaustauscher Amberlite IR-120

Aufbau:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durchführung: Der Kationenaustauscher Amberlite IR-120 wird in eine Kationenaustauschersäule gegeben und 10ml der Eisen(III)-chloridlösung hinzugegeben. Anschließend wird mit 40ml destilliertem Wasser gewaschen und der Hahn der Säule leicht geöffnet.

Das Eluat, also das Subrat, das sich nun unten im Becherglas befindet, wird mit Hilfe der Kaliumthiocyanatlösung auf die Anwesenheit von Eisen(III)-ionen überprüft. Außerdem wird der pH-Wert der Lösung bestimmt. Ist der Nachweis negativ, so wird die Säule durch das Aufgießen von Salzsäure regeneriert. Nun wird bei diesem Eluat zuerst der pH-Wert gemessen und darauf wieder Kaliumthiocyanat gegeben, um die Anwesenheit von Eisen(III)-ionen nachzuweisen. Das heißt in diesem Versuch wird der Anionenaustauscher beladen und anschließend wieder mit Hilfe von Salzsäure regeneriert (siehe Anhang: Bild 6,7,8).

Beobachtung: Das Substrat, das sich zuallererst im Becherglas befindet, ist durchsichtig. Nach Zugabe der Kaliumthiocyanatlösung färbt sich die Lösung jedoch nur leicht rötlich und der pH-Wert der Lösung, gemessen mit Universalindikatorpapier, beträgt 1-2, d.h. die Lösung ist stark sauer. Im zweiten Teilversuch, also nach dem Regenerieren des Austauschers, hat das Eluat eine leicht gelbliche Färbung. Nachdem die Kaliumthiocyanatlösung hinzugegeben wurde, hat sich die Lösung schließlich blutrot gefärbt. Das Universalindikatorpapier zeigt nun ein pH-Wert von 3-4 an.

Deutung: Der pH-Wert des ersten Eluates ist sehr gering, denn der Austauscher hat die Eisen(III)-ionen() der Eisen(III)-chloridlösung aufgenommen und dafür Oxoniumionen() abgegeben, die die Lösung saurer werden lässt. Die Kaliumthiocyanatlösung färbt das Eluat leicht rötlich, weil noch sehr wenig Eisen(III)-ionen vorhanden sind, diese Färbung sollte im Grund nicht auftreten. Die restlichen Eisen(III)-ionen sind nun im Kationenaustauscher gebunden. Nach dem Regenerieren mit Salzsäure werden die Eisen(III)-ionen() im Kationenaustascher gegen Oxoniumionen ausgetauscht, sodass dann Eisen(III)-ionen im Eluat vorhanden sind. Das erkennt man auch an der blutroten Färbung nach Hinzugeben von Kaliumthiocyanat, denn dies ist der positive Nachweis für Eisen(III)-ionen (). Der pH-Wert ist in dem neuen Eluat angestiegen, da die Oxoniumionenanzahl durch den oben genannten Prozess abgenommen hat. Folglich ist der Versuch geglückt und ein Kationenaustausch hat stattgefunden.

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