イオン交換ってなによ?

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イオン交換について質問があったので、分かる範囲で紹介します。
専門外なので、間違ってる部分があったらごめんなさい(^^A。

1、イオン交換とは?

 「イオン交換」とは、ある種の物質が示す、接触している電解質溶液に含まれるイオンを取り込み、代わりに自らの持つ別種のイオンを放出することで、イオン種の入れ換えを選択的に行う現象または能力です。
 簡単に言えば、より結合しやすいイオンとイオン結合しなおすって事。活性炭の吸着特性である、多孔質による物理的吸着(&ファンデルワールス力)とは異なります。



2、イオン交換を示す物質とは?
 イオン交換作用を示す物質を「イオン交換体」といいます。高度な水管理をしているアクアリストの方が使用しているイオン交換樹脂が代表的なイオン交換体といえます。また、鉱物であるゼオライトや、土壌の中にもイオン交換能力を有する物質が含まれており、土壌コロイド(粘土)腐食などがそれにあたります。
 またイオン交換の選択性は、イオン交換体が有するイオンにより左右されるため、「何を放出し、何を取り込むか。」 は、各イオン交換体によって異なっています。



3、陽イオン交換と陰イオン交換
 イオン交換体には、「自らが有するイオン(=放出するイオン)」によって、陽イオン交換を行うものと陰イオン交換を行うものの2種類に分けることが出来ます。

1)陽イオン交換とは
 自らの有する陽イオンを放出し、水溶液中の陽イオンを選択的に吸着することを言います。
 例:陽イオン吸着樹脂、土壌コロイド、腐食、ゼオライト など

2)陰イオン交換とは
 自ら有する陰イオンを放出し、水溶液中の陰イオンを選択的に吸着することを言います。
 例:陰イオン交換樹脂、一部の土壌コロイド など



4、イオン交換体の基本的特性
1)入れ替わりの反応
 イオン交換とは、「イオン交換体に存在するイオン」と「水溶液中のイオン」の入れ替わりを選択的に行うことです。この反応は電荷の差し引き0になるように行われ、吸着されたイオンの代わりに、それまでイオン交換体に存在した同符号(陽イオンなら陽イオン、陰イオンなら陰イオン)の別のイオンが放出されます。

2)イオン交換がイオンを交換吸着する強さ(イオンの選択性)
 イオン交換体によって、何を選択的に吸着するか変わってきます。しかし一般的な傾向として、イオンの原子価が高いものほど結合が強く、同じ原子価なら原子番号が大きいものほど強く選択的に吸着されます。
陽イオン……~ >Ca2+>Cu2+>Zn2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+> H+
陰イオン……~ >S042->I->N03->CrO42- >Br->Cl->OH->F-

※左ほど離れにくく、右ほど離れやすい
※イオン化傾向が弱いものほど吸着されやすいと考えて良いと思います。




 ①ゼオライト
 ゼオライト(人工ゼオライトを含む)はナトリウム型(Na型)、カルシウム型(Ca型)、鉄型(Fe型)などがあります。これらは内包する陽イオンの種類が異なり、価数がNa+,Ca2+,Fe3+と異なるなどの違いから、選択性が異なります。
Na型: ~ >Ca2+>Cu2+>Zn2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+
Ca型: ~ >Ca2+
※左ほど離れにくく、右ほど離れやすい
 また、人工的に作られたゼオライトの中には、特定のイオンを選択的に吸着するゼオライト(アンモニア選択性や重金属選択性など)が多くあるようですが、詳細は割愛します。

 ②イオン交換樹脂
 アクアリウムでは一般的に、Na型強酸性陽イオン交換樹脂と、Cl型強塩基性陰イオン交換樹脂が用いられます。その選択性は
強酸性陽イオン交換樹脂……~>Ca2+>Cu2+>Zn2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+
強塩基性陰イオン交換樹脂……~>S042->I->N03->CrO42- >Br->Cl-

※左ほど離れにくく、右ほど離れやすい
となります。

 ③土壌コロイド及び腐食
 一般的に、土壌コロイドは構造的にマイナスに帯電しているため何らかの陽イオンと結合しており、陽イオン交換体としての能力を有します。腐植物質はその構成の中に-OHや-COOHといった官能基を持ち、水素イオンH+を離してイオン交換を行うことが出来ます。


3)可逆的反応
イオン交換の反応は可逆的におこります。一度イオン交換が行われても、新たにより結合性が高いイオンが現れると、再度イオン交換が行われます。
 一方、選択性というのは濃度の低い場合に成り立つものです。←大切 イオン交換樹脂の再生で行われるように、イオン交換性が低いイオンが大量に存在する場合(Na型やCl型ならNa+やCl-)、選択性の優先度を無視して吸着していたイオンを放出し、選択性が低いにも関わらず高濃度に存在するイオンと結合することが知られています。
 このことから考えるに、イオン交換体が元々有していたイオンのイオン交換が一通り行われ、かつ水槽の水に含まれる陽イオンが極端に偏った場合、イオン交換体からイオンが放出されると考えられます。尚、この場合におけるイオンの放出されやすさは、イオン交換体の吸着特性的に準じると考えられます。例えば、Na型強酸性陽イオン交換樹脂(Ca2+>Cu2+>Zn2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+)の場合、NH4やK+。



5、最後に、水草水槽でのイオン交換体の使い方
イオン交換体を水槽内のフィルター等に導入すると、各種養分が失われてしまい、水草が欠乏症を示す危険性があります。何らかの理由(藻対策など)により、応急処置的に利用すると良いと思われます。ソイルなどにイオン交換体を混ぜ込む場合は、植物が根から出す有機酸によって吸着されたイオンが可溶化されると考えられるので、アリな利用法だと思います(個人的には)。

また、イオン交換樹脂の場合、有機酸とイオン交換樹脂が複雑に結合するため、イオン交換膜の再生が不可能になる可能性があります。有機酸を含むピートモスなどと、イオン交換樹脂の併用はリスキーです。

以上のことから水草水槽においては、イオン交換体の使用は水の前処理用として使用し、純水を作るために用いるのが望ましいと考えます。一方、生体メイン水槽では利用価値があると思います。




以上。

自分的に分かる範囲をざっと書いた感じになってしまいました。
肝心の質問の答えの部分が内容薄ですが、ご了承下さい(^^A
あと、間違い等ありましたら訂正しますので、知識のある方のご指摘を願いたいです。
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コメント
この記事へのコメント
ありがとうございます!
わざわざ記事にしていただいてありがとうございます!
大変為になりましたですよ!
以前ゼオライトを買った際に聞いてみたんですが、イオン交換はイオン化傾向の強い順番に行われると聞いたんですね。
で、イオン化傾向の強い順番を調べたら、アクアで使いそうな中ではカリウムが1番強かったんです。
記事中ではカルシウムが強そうな感じなんですが、何か文献とかに載ってるんでしょうか?
僕としては、カリウムよりカルシウムが交換された方が嬉しいので、『おぉっ!』と思って読んじゃいました(笑)


その他、内容については大体わかりました(^^)
今は……ですが(笑)
ありがとうございましたーっ!
2009/06/28(日) 10:04 | URL | ほんだし #JalddpaA[ 編集]
難しいですよね・・・
「まとまらないなぁ~」と思いながら書いてました(--;;
イオン化傾向が強い=水に溶けやすい(イオン化しやすい)ですから、吸着されやすい=イオン化傾向が弱いものだと思いますよ。
ちなみに、CaはN-P-Kに並ぶ非常に重要なイオンであり、N-P-K-Caで四大必須元素とも呼ばれています。よって、CuやZnやMgより要求量が一般的に多いので、Caが極端に減っても傷害が出やすいと考えられます。
何にせよ、イオン交換体の扱いには注意が必要です(^^)b

少々情報不足なので、この記事に関しては適時追記していこうかなぁ・・・って思います。
2009/06/28(日) 14:29 | URL | 浩之@管理者 #x9c5GV3o[ 編集]
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