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Alt 11.11.2004, 17:03   #1   Druckbare Version zeigen
dvdhero Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 60
Kationenaustauscher-Membran

Guten Tag,

ich bräuchte mal wieder eure Hilfe! Ich hoffe, ihr könnt mir helfen.
Ich muss morgen 10 min. etwas über Kationenaustauscher-Membranen erzählen. Da habe ich so meine Schwierigkeiten, denn in der Literatur, in der ich nachgeschaut habe, verstehe ich einfach nicht, was das ist.

Also, wir haben in der Schule über die verschiedenen Verfahren der Chloralkali-Elektrolyse geredet u.a. auch über das Membran-Verfahren.
Nun, als die Kationenaustauscher-Membran besteht aus einer langen Kohlenstoffkette, wobei die Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt wurden. An diese Kohelnstoff-Fluor-Ketten befinden sich in regelmäßigen Abständen Seitenketten, die über ein Sauerstoffatom mit der Hauptkette verbunden sind. Die Seitenketten bestehen auch aus Kohlenstoffatomen, die mit Fluor angereichert sind. Nur die einzelnen Kohlenstoffatome sind jeweils über Sauerstoffatome verbinden, außerdem befinden sich an den Kohlenstoffatomen noch SO3-Reste und am Ende der Seitenkette befindet sich eine Carboxyl-Gruppe.

Wie funktioniert denn jetzt das Prinzip der Kationenaustauscher-Membran?

Ich weiß, dass durch sie keine Chlorid-Ionen durchdringen können, jedoch aber Natriumionen. Die Chlorid-Ionen können doch nicht durchdringen, wegen der negativen Ladugshäufungen an den Seitenketten, oder.
Warum können aber Natrium-Ionen durchdringen und verbinden sich nicht mit Teilen der Kette?

Ihr würdet mir sehr helfen, wenn ihr mir ein paar Ideen liefern könntet.
dvdhero ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 11.11.2004, 17:23   #2   Druckbare Version zeigen
Tino71 Männlich
Moderator
Beiträge: 6.935
Blog-Einträge: 41
AW: Kationenaustauscher-Membran

Hi!
Das ist schon mal alles richtig, was Du da schreibst. Die langkettigen perfluorierten Kohlenwasserstoffketten sind partiell sulfoniert. So sagt das ein Chemiker. Das heißt nix anderes, als daß am Ende von maximal wasserabstoßenden CF3-(CF2)n-Ketten eine -SO3H-Gruppe sitzt. Die ist sauer, kann also das H+ abgeben und gegen ein z.B. Na+ austauschen. Kationentauscher! Siehste? Die Kationen können von der Säuregruppe aufgenommen werden und wandern von einer zur anderen. Sie können also durch die Membran durchwandern. Wasser und Anionen nicht. Dafür gibts keine Akzeptoren in der Membran.
Wenn da auch noch Carboxylgruppen dran sind, machen die prinzipiell dasselbe. Aus einer -COOH-Gruppe wird bei Protonenabgabe ein -COO--Rest, der ein Kation anlagern kann.
Allgemein kann man also einen Kationenaustauscher bauen, indem man ein wasserabstoßendes Grundgerüst an manchen Stellen mit Säuregruppen versieht. Deren Protonen kann man dann gegen Kationen austauschen. Will man den Kationentauscher regenerieren, schmeißt man ihn in starke Säure. Dann werden die Kationen aufgrund des le-Chatelier-Prinzips durch das Überangebot von Protonen verdrängt.
__________________
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Tino71 ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 11.11.2004, 18:13   #3   Druckbare Version zeigen
FK Männlich
Moderator
Beiträge: 60.898
AW: Kationenaustauscher-Membran

Zitat:
Zitat von dvdhero
Ihr würdet mir sehr helfen, wenn ihr mir ein paar Ideen liefern könntet.
Google doch mal mit "nafion"...

Gruß,
Franz
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Alt 11.11.2004, 19:41   #4   Druckbare Version zeigen
dvdhero Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 60
AW: Kationenaustauscher-Membran

Danke für deine Hilfe Tino71!
Ich habe jetzt leider nur nicht ganz verstanden, wie dann Natrium-Ionen auf der "anderen" Seite ankommen, wenn sie gegen H-Ionen ausgetauscht werden.
Wir haben nämlich 2 Zellen, die durch eine Membran verbunden sind.
In der einen Zelle ist eine Kochsalzlösung und der Pluspol und in der anderen Zelle ist Wasser und der Minuspol. Das Chlor wird oxidiert und Wasser wird reduziert, sodass Chlor am Pluspol und Wasserstoff am Minuspol entsteht. Jedoch entsteht in der Wasser-Zelle Natronlauge. Wie funktioniert das, wenn doch dann eigentlich die Natrium-Ionen gegen Wasserstoff-Ionen ausgetauscht werden?
dvdhero ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 12.11.2004, 10:16   #5   Druckbare Version zeigen
Tino71 Männlich
Moderator
Beiträge: 6.935
Blog-Einträge: 41
AW: Kationenaustauscher-Membran

Die Kationen hüpfen von einem Säurerest zum nächsten. Diffusion in der Membran. Daß sie in die richtige Richtung wandern, liegt am angelegten elektrischen Feld. Der Feldgradient führt zur Zunahme der Na-Konzentration in der Minuspol-Halbzelle. Und die ganzen H+, die an der Kathode entladen werden, stammen aus dem Wasser und es kommt zu einem Anstieg des pH-Wertes. Der Ladungsausgleich erfolgt eben über die "zugewanderten" Natriumionen. Zack, Natronlauge fertig. Das Wandern der Na-Ionen schließt den Stromkreis.
Die Natriumionen diffundieren also aufgrund des angelegten elektrischen Felds durch die Membran in den Kathodenraum. Aber um von einem Säurerest in der Membran zum nächsten zu kommen, müssen die Ionen einen ziemlich hohen Potentialwall überwinden - die Membran ist ja hochgradig unpolar und im Vergleich mit einer Lösung ziemlich dicht und starr. Die Aktivierungsenergie für dieses Hopping ist hoch - sie wird den Widerstand der Elektrolysezelle maßgeblich bestimmen. Die Energie für das Hopping wird vom elektrischen Feld aufgebracht.
__________________
Vor dem Gesetz sind alle Katzen grau
Tino71 ist offline   Mit Zitat antworten
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Alt 21.01.2010, 15:10   #6   Druckbare Version zeigen
caennsi weiblich 
Mitglied
Beiträge: 71
AW: Kationenaustauscher-Membran

So, ich hol das mal wieder aus der Versenkung.

Ich hab eine Frage zum Wandern der Na+ Ionen in diesem Beispiel.

Also: die Na+ Ionen streben ja in Richtung Membran aufgrund der Spannung, die ich angelegt habe. Dann kommen sie mit den Sulfonsäure-Gruppen auf/in der Membran in Kontakt und der Ionenaustausch findet statt.

Was mich jetzt interessiert: Von der chemischen Struktur unterscheiden sich Ionentauscher in Kügelchenform und Ionentausch-Membranen ja nicht. Findet auch in den konventionellen Ionentauschern in Kugelform ein Weiterhüpfen der Na+ Ionen statt - davon hab ich noch nix gehört bisher Mich irritiert das gerade, da ja bei der Membran ein diffundieren der Na+ Ionen durch die Membran stattfindet und nicht ein Binden im Inneren, wie ich es von den Ionentauschern kenne.

Oder liegt der Knackpunkt darin, dass ich bei der Membran in diesem Fall eine Spannung anlege, was das Ion zum Weiterspringen und nicht zum Verweilen an einer Anionenstelle bewegt.

Würde dasselbe beim konventionellen K-Ionentauscher passieren, wenn ich zB nach der Säule eine negative Spannung anlege.

Weil vom Prinzip her müssten ja eigentlich beide gleich funktionieren, oder?

Ich steh da grade total am Schlauch...

Kann mich jemand aufklären?

LG und Danke
caennsi ist offline   Mit Zitat antworten
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