iyon Değiştirici Reçineler

[Aylin's]

İyon değiştiriciler , çözünür olmayan katı maddenin yüzeyindeki anyon veya katyonun, çözeltideki benzer yüklü iyon ile yer değiştirmesi ilkesine dayanır.

Bu sentetik reçineler yapı olarak iki kısımdan oluşur. Bunlardan birincisi üç boyutlu hidrokarbon ağı (polimer), diğer kısmı ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik ya da bazik, iyonlaşabilen gruplardan oluşturur. Bu hidrokarbon ağ genel olarak laboratuvarda kullanılan çözücülerde çözünmezler. Polimerizasyon sonucunda. Fakat matrixe bağlı iyonlaşabilen ya da tepkimeye girebilen aktif iyonlara sahiptir. Bu nedenle eğer bir değiştirici parçası, iyon içeren sulu eriyik ile temasa sokulursa, reçine ya da baştan bağlı olan iyonlarla değiştirilebilir. Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkileri , hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel grupların özellikleri ile belirlenir. Belli başlı iki iyon değiştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonel grupları, sulu ortamdaki katyonlarla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları, sulu ortamdaki anyonlar ile reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfotrik iyon değiştiriciler adını alır.

En bilinen reçine stiren ve divinil benzenin kopolimerizasyonuyla hazırlanan stirendivinil benzen polimeridir. Kopolimerizasyon tepkimesi sırasında polistirenin çapraz bağlarıyla divinil benzene bağlanır. Sonuçta, üç boyutlu, çözünmeyen bir hidrokarbon ağı oluşur. Bu polimerin daha sonra anyonik ve katyonik reçine oluşturmak için çeşitli kimyasallar ile reaksiyona sokulurlar.

Katyonik iyon değiştirici reçinede stirendivinil benzen polimerin sülfürik asit ile reaksiyonu sonucunda sülfonik asit grubu (-SO3-H+ ), stiren divinil benzen polimerinin benzen zincir çemberlerine girerek katyon iyon değiştirici reçine meydana gelir.






xRSO3-H+ (Katı) + Mx+ (çözelti) (RSO3-)xMx+ (katı) + xH+ Çözelti (Kuvvetli asidik katyon değiştirici)

Zayıf asidik katyon değiştirici reçinede yapıya ise zayıf bir asit olan( –COO-H+) grubu bağlıdır.

xRCOO-H+ (Katı) + Mx+ (çözelti) (RCOO-)xMx+ (katı) + xH+ Çözelti (Zayıf asidik katyon değiştirici)



Reçinenin birim hacmindeki fonksiyonel grupların toplam sayısı onun teorik iyon değiştirme kapasitesini belirler .

Anyonik iyon değiştirici reçine, stirendivinil benzen polimerin yapısına kuvvetli bir baz olan tersiyer amin grupları (-N(CH3)3+OH-) veya zayıf bir baz olan primer amin gruplarının (-NH3+OH-) bağlanması ile oluşur.

xRN(CH3)3+OH- + [RN(CH3)3+]x Ax- + xOH-


Anyon değiştiricilerinin kimyasal stabiliteleri, katyon değiştiricilerden daha azdır.Yüksek sıcaklıkta aminler hemen hidrojenlenir ve iyon değiştiricinin kapasitesini azaltır ve çözeltinin çözünebilen organik madde ile bulaşmasına neden olur.

Reçineler mükemmel bir termal yatkınlığa ve büyük bir “değiştirme kapasitesi”ne sahiptir. Bu stiren-divnil benzen matrixinin benzen zincirlerinin büyük orandaki eklenmiş iyonik fonksiyonel grupları içermesi gerektiği anlamına gelir. Reçine matrix’ine kovalent bağla bağlanmış olan iyonik gruplar sulu eriyiklerde gösterdikleri özelliklerin aynısını gösterirler ve sanki serbert monomerik formlarındaymış gibi davranırlar. Sonuç olarak, polimere bağlı olan iyonik grup, iyon değiştirici materyalin yapısını belirler. Bu nedenle zayıf ve güçlü iyonlu asit ve bazlarda olduğu gibi iyon değiştirici reçinelerinde bu tür sınıflandırılmaları olabilir.

Sülfolanmış katyon değiştirici reçine için Kdeğ (denge sabiti) değerinin büyük olması katı fazın, katyonu alıkoyma meyilininin kuvvetli olduğunu gösterir.

Tek yüklü katyonlar için Kdeğ şu şekilde azalmaktadır.

Tl+ Ag+ Cs+ Rb+ K+ NH4+ Na+ H+ Li+

İki yüklü katyonlar için Kdeğ şu şekilde azalmaktadır.

Ba+2 Pb+2 Sr+2 Ca+2 Ni+2 Cd+2 Cu+2 Co+2 Zn+2 Mg+2

Anyonlarda kuvvetli bazik reçineler için Kdeğ şu şekilde azalmaktadır.

SO4-2 C2O4-2 I- NO3- Br- Cl- HCO2- CH3COO- OH- F-


İyon değiştiriciler yüksek oranda polar gruplar ihtiva ettiklerinden reçineler kuvvetli hidrofilik olup su çekerler. Şişip büzülürler, hidroskopik jel gibi hareket ederler. Kuru reçinenin bir gramı 0,5-1g su absorblar.. Hafif ve gözenekli katılar olan iyon değiştirici reçineler küre, boncuk ya da levhalar halinde hazırlanır.

İyon değiştirici reçinelerin başlıca kullanım alanları şunlardır.
a) Su içerisindeki Ca2+, Mg2+, Fe2+ve Mn2+iyonlarının uzaklaştırılmasında (suyun yumuşatılması),
b) Deiyonize su üretiminde,
c) Şekerin saflaştırılmasında,
c) Metallerin ve anyonların ayrılmasında ,
f) Renk giderici olarak,



01. Suların Yumuşatılması

Suların yumuşatılması, genellikle katyonik ve anyonik iyon değiştiricileriyle yapılır. Katyon iyon değiştiriciler sodyum iyon değiştiriciler ve hidrojen iyon değiştiriciler olmak üzere ikiye ayrılır. Birinciler, sulu çözeltilerdeki katyonları Na+ iyonları ile, ikincisi ise H+ iyonları ile değiştirirler.

01.01 Katyon İyon Değiştiriciler

a) Sodyum iyon değiştiriciler

Bunlar başlıca slikat, sülfone kömür ve reçine kökenli olabilirler. Yumuşatılacak su, iyon değiştirici kolonundan geçerken sudaki Ca 2+ ve Mg 2+ iyonları Na+ iyonları ile yer değiştirir. Yer değiştirme reaksiyonları şunlardır.

2RNa+Ca(HCO3)2 R2Ca+ 2NaHCO3 (aq)

2RNa+CaSO4 R2Ca+ Na2SO4 (aq)

2RNa+CaCl2 R2Ca+ 2NaCl (aq)

b) Hidrojen iyon değiştiriciler

Sülfone kömür ve reçine kökenli olan bu sistemlerde sudaki Ca 2+ Mg 2+ iyonları ve ayrıca Na+ iyonlarıda H+ iyonları ile değiştirilirler. Bu tip iyon değiştiriciden çıkan su düşük pH a sahip olup H2SO4, HCl, H2CO3 gibi asitler ihtiva eder.

Hidrojen iyon değiştiricisi kısaca H2R olarak gösterilirse suyun yumuşatılması sırasında şu reaksiyonlar oluşur.

MgSO4+ H2R H2SO4+ MgR
2NaCl + H2R 2HCl + Na2R

MgCl2 + H2R 2HCl + MgR
Ca(HCO3)2 + H2R 2H2CO3 + CaR

Rejenerasyon % 5-10 HCl veya H2SO4 ile gerçekleştirilir. Asitin stökiometrik miktarının % 150-300 ü kullanılır. Rejenerasyon reaksiyonları şunlardır.

CaR + H2SO4 H2R + CaSO4 (aq)

MgR + H2SO4 H2R + MgSO4 (aq)

Na2R + H2SO4 H2R + Na2SO4 (aq)

Bu yöntemde oluşan H2CO3 suyun havalandırılması veya vakumla giderilir. Sularda kalan HCl ve H2SO4 ise NaOH ile nötralleştirilir veya bu asitli su Na+ iyon değiştiriciden gelen ve Na2CO3 içeren suyla karıştırılarak istenilen pH elde edilir. Baz hallerde eğer baziklik belirli bir değere ayarlanmak istenirse o zaman hidrojen iyon değiştiricisiyle sodyum iyon değiştiricisi birlikte kullanılır.

c) Sodyum Ve Hidrojen İyon Değiştiricilerinin Birlikte Kullanılması

Bazı iyon değiştirme işlemleri sonucu ortaya çıkan alkalinite izin verilemez düzeydedir. Bu durumda biri Na+ formunda reçineyle öteki H+ formunda reçineyle yüklenmiş iki kolon kullanılır. Yumuşatılacak su önce birinci kolondan (Na formundaki reçineyle dolu olan) sonrada ikinci kolondan geçirilir..

Ca(HCO3)2 + H2R 2H2O + 2CO2 +CaR

Reaksiyonduda oluşan CO2 , gaz gidericileriyle uzaklaştırılırlar.

Bu arada H2SO4 ve HCl oluşur. İki kolondan çıkan su uygun oranlarda karıştırılarak, ikinci kolonda oluşan asitler ilk kolondan çıkan sudaki sodyum bikarbonat ile nötralleştirilirler.

2NaHCO3 + H2SO4 Na2SO4 (aq) + 2H2O + CO2

NaHCO3 + HCl NaCl (aq) + H2O + CO2

İlk kolonun rejenerasyonu NaCl, ikinci kolonunki ise %1’ lik HCl ile yapılır. İki kolondan çıkan su aşağıdaki denkleme uyularak karıştırılır.

X= (N - m) / (M + N)

X : Hidrojen iyon değiştiricisinden geçirilmesi gereken su yüzdesi
m : iki kolondan çıkan suların karıştırılması sonucu toplanan suyun istenilen toplam alkalinitesi
M : Yumuşatılacak suyun toplam alkalinitesi
N : Yumuşatılacak sudaki nötr tuzlarının (Cl- + SO42-) yüzdesi


01.02. Anyon İyon Değiştiriciler

Kuvvetli bazik anyon değiştiriciler

Sulu çözeltilerdeki SO4 2-, Cl -, NO3- gibi kuvvetli asit anyonlarını ve HCO3- ve SiO3-2 gibi zayıf asit anyonlarını bünyelerinde tutarlar. Hidroksil grupları içeren bu reçineler aşağıdaki reaksiyonlarda görüldüğü gibi zayıf ve kuvvetli asitleri nötralleştirirler.

2R4 NOH + H2SO4 (R4N)2SO4+ 2H2O
2R4NOH + H2SiO3 (R4N)2SiO3 +2H2O

Bunların rejenerasyonları için NaOH çözeltilerinden yararlanılır.

(R4N)2 SiO3 + 2NaOH 2R4NOH + Na2SiO3

Pahalı reçinelerdir. Genellikle NO3– iyonlarının uzaklaştırılmasında kullanılırlar. Kanalizasyon sularının tasfiyesinde kullanıldıklarında NO3– ve PO4- iyonlarının % 95’i uzaklaştırılır.  



ALKALİ METALLER

Periyodik cetvelin birinci grubunda lityum, sodyum, potasyum, rubidyum, sezyum ve fransiyum elementleri bulunur. Bu grup elementlerinin hidroksitleri kuvvetli baz özelliği gösterdiğinden, bazik anlamın gelen alkali metaller adıyla anılırlar. Alkali metaller, en dış orbitalleri olan küresel s orbitalinde bir değerlik elektronu taşırlar. Elektronsistemlerinin benzerliğinden, alkali metallerin bir çok özellikleri de birbirine benzer. Her biri, aynı periyotta bulunan diğer elementlere göre daha büyük atoma sahiptirler. Dış orbitaldeki tek elektronu kolaylıkla verip elektron sistemlerini asal gazlara benzeterek +1 değerlikli iyon (katyon) halinde bileşikler oluştururlar. Alkali metal atomlarında elektronlar, çekirdekten uzakta olduklarından koparılmaları kolay, iyonlaşma enerjileri düşük, düşük elektronegativiteli, dolayısıyla en kuvvetli elektropozitif elementlerdir. Işıklandırıldıklarında elektron yayabilirler. Bu sebepten potasyum ve sevyum foto-elektrik hücrelerde kullanılırlar.
Alkali metallerin erime ve kaynama noktaları düşük olup, grupta aşağıya doğru inildikçe erime ve kaynama noktaları daha da düşer. Bıçakla kesilebilecek kadar yumuşaktır. Elektrik akımını ve ısıyı iletirler. İlk kesildiklerinde yüzeyleri gümüş parlaklığındadır.

a-Tabiatta Bulunuşları
Alkal, metaller tabiatta sadece +1 yüklü iyonlar halinde bulunurlar. En bol bulunanları sodyum ve potasyumdur. Yer kabuğunda bulunan elementler içindealtıncı ve yedinci sırayı alırlar. Lityum daha az bulunmasına rağmen, hemen hemen bütün kayalarda az miktarda rastlanır. Rubidyum ve sezyum çok az bulunur. Radyoaktif bir element olan fransiyum tabiatta hiç bulunmaz. Ancak nükleer reaksiyonlarla eser miktarlarda oluşabilir.
Alkali metal bileşiklerinin pek çoğu suda çözündüklerinden. Genellikle deniz suyunda ve acı kuyu sularında bulunurlar. Tabiatta alkali metallerin bileşiklerinin elde edilmesine yarıyan bir çok yataklar vardır. Bazı tuz yataklarında potasyum, KCI ve KCI, MgCI2 . 6H2O şeklinde bulunmaktadır.
Sodyum ve potasyum iyonları, değişmez bir şekilde bitki ve hayvan dokularında bulunur. Sodyum iyonu hüçre dışı sayılarının, potasyum iyonu ise, hücre içinin başlıca katyonlatındandır. Bu iyonların su kaybını önleme gibi genel fizyolojik görevleri de vardır.

b-Elde Edilişleri:
Alkali metalleri elde edebilmek için bileşiklerinden +1 yüklü iyonlarını indirgemek gerekir. Bu ya elektroliz yada kimyasal yolla yapılır.
Alkali metaller, genellikle, eritilmiş tuzların elektroliziyle elde edilirler. Örneğin sodyum ticari amaçlar için, eritilmiş NaCI ve CaCI2 karışımının 600OC ‘de elektroliziyle tonlarca elde edilir. Tepkimede CaCI2, elektroliz kabında NaCI’nin erime noktasını düşürmeye yarar.
Erimiş NaOH’nin elektrolizi Castner(kesnır) cihzında yapılır

c-Alkali Metallerin Genel Özellikleri:
1- Alkali metaller değerlik tabakalarında tek elektronu kolayca kaybederek +1 yüklü iyonlar oluştururlar;bu nedenle kuvvetli indirgendirler.
2- Birkaç istisna dışında bileşikleri iyoniktir.
3- Metalik özellikleri gerği parlaktırlar;fakat diğer metallerin aksine,bıçakla kesilebilecek kadar yumşaktırlar.
4- Aleve tutulduklarında çeşitli renkler oluştururlar;Li,Na ve K tuzu çözeltisine batırılmış bir platin tel,alevi sırasıyla kırmızı,sarı ve menekşe renge boyar.
5- Isı ve elektriği çok iyi iletirler.
6- Bulundukları periyotta iyonlaşma enerjileri en küçük,atom ve iyon çapları ise en büyük olan elementlerdir.
7- Diğer metallerin aksine,yoğunlukları ve erime noktaları oldukça düşüktür.Lityum,sodyum ve potasyum yoğunlukları ilginç bir şekilde sudan daha küçüktür.Sezyumun erime noktası o kadar düşüktür ki,sıcak günlerde sıvı halde bulunabilir.
8- Alkali metaller su ile reaksiyona girip, hidrojen gazı verirler.
9-Alkali metallerin su ile etkileşimi oldukça şiddetlidir.Reaksiyonun şiddeti yukarıdan aşağı inildiçe artar.


d-Alkali Metallerin Fiziksel Özellikleri:
Lİ NA K Rb Cs Fr
Atom Numarası 3 11 19 37 55 87
Atom Ağırlığı 6,94 22,99 39,1 85,47 132,91 223
Erime Noktası(oC) 179 97,8 63,65 38,89 28,5 -
Kaynama Noktası(oC) 1317 892 753,9 688 671 -
20oC’deki yoğunluğu(gr/cm3) 0,534 0,97 0,862 1,53 1,89 -
Elektron Düzeni 1s22s1 1s22s22p63s1 (Ar)4s1 (Kr)5s1 (Xe)6s1 (Rn)7s1
Alevin Rengi Kırmızı Sarı Mor Koyukırmızı Mavi -
Özgül Isı(sıvı,cal/2r oC) 1,05 0,33 0,188 0,0880 0,0572 -
Atom Yarıçapı (AO) 1,52 1,85 2,31 2,44 2,62 -
Birincil iyonlaşma Enerjisi (K/cal/mol) 124,3 118,4 100 96,3 89,7 -
25oC’de Yükseltgenme Potansiyeli 3,04 2,71 2,92 2,92 2,92 -


e-Alkali metallerin kimyasal özellikleri:

Alkali metaller çok aktifdirler. Aktiflik, grupta aşağıya doğru artar. Havada parlaklıkları kaybolur, oksitleri ya da peroksitleri oluşur. Bu yüzden açık havada saklanamazlar. Petrol, toluen gibi, alkali metallerle tepkime vermeyen organik sıvılar içinde saklanırlar
Su ile şiddetli tepkime verirler.Tepkimede H2 gazı yanında bazları oluştururlar.
Halojenle birleşerek tuzları oluştururlar.
Hidrojenle birleşerek tuzları oluştururlar.
Kuvvetli indirgendirler.Başka metalleri bileşiklerinden açığa çıkarırlar.



f-Alkali Metallerin Sanayide Kullanım Yerleri:

Alkali metallerin sanâyide yaygın bir kullanım sâhaları vardır. Nükleer reaktörlerdeısı aktarımı için, ısı iletkenleri yüksek olan sıvı sodyum ve sıvs lityum kullanılır. Uzay araçlarında yakıt olarak kullanılan sezyum tuzlarından ayrıca ışık yükseltici lambalarda, kızılötesi lambalarda ve spektrofotometrelerde de faydalanılır. Potasyumun sun’î gübre üretimindeki önemi oldukça büyüktür. Alkali metaller ayrınca muhtelif alaşımlara da katılmaktadır.

Alkali metallerden olan lityum ısıtıldığında belli dalga boyunda, kendine has bir ışık yayar. Bu sebeple işaret fişeklerinde kullanılır.Kimyasal karışıma az bir miktar lityum nitrat tuzu katılırsa parlak kırmızı bir renk meydana gelir

g-Alkali metaller:

SODYUM:
Adı: Sodyum
Sembol: Na
Atom Numarası: 11
Atomik yığın: 22.98977 amu
Erime Noktası: 97.8 °C (370.95 °K, 208.04001 °F)
Kaynama Noktası: 552.9 °C (826.05005 °K, 1027.2201 °F)
Proton ve Elektron Sayısı: 11
Nötron sayısı: 12
Sınıfı: Alkali Metaller
Kristal Yapısı: Kübik
Yoğunluk: 0.971 g/cm3
Bulunuş Tarihi: 1807
Buluşu Yapan: Sir Humphrey Davy



RUBİDYUM:
Adı: Rubidyum
Sembol: Rb
Atom Numarası: 37
Atomik yığın: 85.4678 amu
Erime Noktası: 38.89 °C (312.04 °K, 102.002 °F)
Kaynama Noktası: 688.0 °C (961.15 °K, 1270.4 °F)
Proton ve Elektron Sayısı: 37
Nötron sayısı: 48
Sınıfı: Alkali Metaller
Kristal Yapısı: Kübik
Yoğunluk: 1.532 g/cm3
Bulunuş Tarihi: 1861
Buluşu Yapan: R. Bunsen



SEZYUM:
Adı: Sezyum
Sembol: Cs
Atom Numarası: 55
Atomik yığın: 132.90546 amu
Erime Noktası: 28.5 °C (301.65 °K, 83.3 °F)
Kaynama Noktası: 678.4 °C (951.55005 °K, 1253.12 °F)
Proton ve Elektron Sayısı: 55
Nötron sayısı: 78
Sınıfı: Alkali Metaller
Kristal Yapısı: Kübik
Yoğunluk: 1.873 g/cm3
Bulunuş Tarihi: 1860
Buluşu Yapan: Fustov Kirchoff










FRANSİYUM:
Adı: Fransium
Sembol: Fr
Atomic Number: 87
Atomik yığın: (223.0) amu
Erime Noktası: 27.0 °C (300.15 °K, 80.6 °F)
Kaynama Noktası: 677.0 °C (950.15 °K, 1250.6 °F)
Proton ve Elektron Sayısı: 87
Nötron sayısı: 136
Sınıfı: Alkali Metaller
Kristal Yapısı: Kübik
Yoğunluk: Bilinmiyor
Renk: Bilinmiyor
Bulunuş Tarihi: 1939
Buluşu Yapan: Marguerite Derey


LİTYUM:
Adı: Lityum
Sembol: Li
Atom Numarası: 3
Atomik yığın: 6.941 amu
Erime Noktası: 180.54 °C (453.69 °K, 356.972 °F)
Kaynama Noktası: 1347.0 °C (1620.15 °K, 2456.6 °F)
Proton ve Elektron Sayısı: 3
Nötron sayısı: 4
Sınıfı: Alkali Metaller
Kristal Yapısı: Kübik
Yoğunluk: 0.53 g/cm3
Bulunuş Tarihi: 1817
Buluşu Yapan: Johann Arfvedson


POTASYUM:

Adı: Potasyum
Sembol: K
Atom Numarası: 19
Atomik yığın: 39.0983 amu
Erime Noktası: 63.65 °C (336.8 °K, 146.57 °F)
Kaynama Noktası: 774.0 °C (1047.15 °K, 1425.2 °F)
Proton ve Elektron Sayısı: 19
Nötron sayısı: 20
Sınıfı: Alkali Metaller
Kristal Yapısı: Kübik
Yoğunluk: 0.862 g/cm3
Bulunuş Tarihi: 1807
Buluşu Yapan: Sir Humphrey Davy