Cambio Iónico

1 CAMBIO IÓNICO
Objetivos
Conocer los fundamentos del cambio iónico y las características químico-físicas de los cambiadores iónicos
Sentar las bases cuantitativas y analizar la adecuación de las separaciones basadas en cambio iónico
Dar a conocer los usos de la separación de analitos con la técnica de cambio iónico
Bibliografía
R. Anderson, Sample Pretreatment and Separation, AnalyticalChemistry by Open Learning, John
Wiley & Sons, New York, 1987
J. Inczedy, Analytical Applications of Ion-Exchangers, Pergamon Press, Oxford, 1966
Z.B. Alfassi, C. M. Wai (ed), Preconcentration Techniques for Trace Elements, CRC Press, Boca
Raton, Fl. (USA), 2000

1.1.

Introducción

Como en la mayoría de los procesos de separación, en el cambio iónico se produce la mezcla de
dos fases: ladisolución acuosa y el cambiador iónico. Estas dos fases van a intercambiar iones. El
cambiador iónico es un sólido macroporoso insoluble en agua que tiene la característica de poder
captar iones del agua y, a la vez y en una cantidad estequimétrica, liberar otros iones distintos.
Los enlaces entre el cambiador y el ion tienen lugar en las zonas eficaces que tiene el cambiador,
que en lamayoría de los casos son grupos funcionales iónicos. Los grupos funcionales se alojan
en zonas concretas del cambiador y esta estructura física en su conjunto garantiza un equilibrio
químico y electroquímico con la disolución acuosa. Para ello, las moléculas y los iones que están
en el interior del cambiador se mueven libremente gracias al campo eléctrico o a la difusión.
Además, para mantener elequilibrio eléctrico, los grupos funcionales iónicos aparecen unidos

1

1.1. INTRODUCCIÓN

Representación microscópica

Representación macroscópica

Figura 1.1: Representaciones de la estructura de un cambiador iónico.
a contraiones. En la Figura 1.1 en la página siguiente se muestra la estructura espacial de un
cambiador.
Los procesos de cambio iónico son de dos tipos: cambio decationes y cambio de aniones. Según
sea la carga eléctrica de los iones intercambiados el cambio será del primer tipo o del segundo.
Debido a ello, los cationes se van a cambiar por cationes y los aniones por aniones. Como
consecuencia de ello, si se quieren eliminar, por ejemplo, Ca+2 y Mg+2 de una disolución se
pueden cambiar por Na+ o H+ .
Cuadro 1.1: Clasificación general de los cambiadoresiónicos.

Cambiador
Catiónico
Aniónico

Grupo funcional
Anión
Catión

Grupo intercambiado
Catión
Anión

Según el cambiador las sustituciones de los iones tendrán las siguientes expresiones:

2H + R− + Ca+2

Ca+2 R− + 2H +
2

A+ OH − + Cl −

A+Cl − + OH −

2

1.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS CAMBIADORES IÓNICOS

En el primer caso, los H+ que están en el cambiador secambian por el Ca+2 y en el segundo
caso los OH− por los Cl− . En general, al igual que en la extracción líquida, la fase del cambiador
se denota con una barrita superior.

1.2.

Características físicas de los cambiadores iónicos

Aunque muchos sólidos tienen la capacidad de cambiar iones, los que tienen capacidades analíticas y los que se utilizan en la industria suelen ser resinassintéticas y la mayoría tienen una
estructura polimérica. Aunque la estructura de la mayoría de los cambiadores se basa en el
polímero divinilbenceno-estireno (DVBE), también se utilizan el poliacrilato-divinilbenceno,
fenol-formaldehido o las polialquilaminas para formar resinas.
Como se puede ver en la Figura 1.2 el estireno es lineal y para darle una estructura tridimensional hay que introducir losgrupos divinilbenceno. La cantidad relativa de divinilbenceno unida
al estireno indicar el grado de entrecruzamiento del cambiador, que normalmente suele ser del
2 al 20 %. En esta estructura polimérica se introducen grupos ionógenos para obtener un cambiador. Los grupos ionógenos, al tener una naturaleza iónica, muestran una gran afinidad por el
agua. Debido al grado de entrecruzamiento de...