logo

logo

logo

logo

logo

التبادل الإيوني

تبادل ايوني

Ion exchange -

التبادل الإيوني

توازن التبادل الإيوني

خواص المبادلات الإيونية 

الثبات والامتزاز stability and adsorption  

استعمالات المبادلات الإيونية

أهمية المبادلات الإيونية 

موفق شخاشيرو

 

التبادل الإيوني ion exchange عملية عكوسة يتم فيها تبادل إيونات لها الشحنة نفسها بين محلول وصلب على تماس معه، أو بين سائلين لا يمتزجان يحوي أحدهما مادة حلولة ذات زمر إيونية ثابتة.

والمُبادل الإيوني الأكثر استعمالاً هو مادة صلبة تأتي على شكل حبيبات صغيرة غير حلولة في الماء، تتألف عموماً من بوليمر (متماثر) polymer عضوي ذي بنية مسامية، وهذه البنية ذات قدرة خاصة على ضم الإيونات وتحريرها بسهولة، وعندما تضم هذه المبادلاتُ إيوناتٍ معينة فإنها تطلق مقابل ذلك إيونات لها الشحنة نفسها. وعلى هذا الأساس فهنالك راتنجات resins لتبادل كاتيونات (إيونات موجبة) cation exchange resins (مبادلات كاتيونية)، وراتنجات لتبادل إيونات سالبة (أنيونات) anion exchange resins (مبادلات أنيونية)، وهناك أيضاً مبادلات أمفوتيرية (مذبذبة) amphoteric قادرة على تبادل الإيونات الموجبة والسالبة في الوقت ذاته. وعموماً فإن هذه المبادلات هي راتنجات مُصنَّعة لضمّ إيونات معينة أو لضمّ عدة أنواع من الإيونات، ومعظم هذه الراتنجات مصنوعة من جزيئات بولي ستايرين مُسلفنة ضخمة مترابطة تصالبياً. وفلزات minerals الزيوليت الطبيعية هي أيضاً مبادلات إيونية قادرة على القيام بهذه الوظيفة.

والتبادل الإيوني هو نوع مما يطلق عليه في الكيمياء الاستشراب اللوني (الكروماتوغرافيا) chromatography، وهي طريقة تحليلية كيميائية تستعمل لفصل المزائج والمواد المختلفة بعضها عن بعض. وتقوم هذه الطريقة على مبدأ الامتزاز (الإدمصاص) adsorption الانتقائي الذي اكتشفه العالم الروسي الأصل ميخائيل سيميونوفتش تسفيت M. S.Tsvett عام 1906 واستعمله لفصل الخضابات النباتية بعضها عن بعض.

وتجدر الإشارة إلى أن المبادلات الإيونية لا تأتي فقط على شكل حبيبات صغيرة صلبة؛ بل يمكن أن تكون على شكل غشاء membrane نصف نفوذ يُصنع عادة من مبادلات إيونية عالية الترابط التصالبي تسمح بمرور إيونات معينة ولكنها لا تسمح بمرور الغازات أو الماء، وهنالك أربعة أنواع من المبادلات الإيونية:

1- المبادلات ذات الصفة الحامضية القوية (مثل المبادلات المحتوية على الزمر السلفونية الحامضية مثل سلفونات الصوديوم بولي ستايرين).

2- المبادلات ذات الصفة الأساسية القوية (مثل المبادلات المحتوية على الزمر الأمينية الرباعية مثل زمرة ثلاثي ميتيل الأمونيوم).

3- المبادلات ذات الصفة الحامضية الضعيفة (مثل المبادلات المحتوية على زمر كربوكسيلية).

4- المبادلات ذات الصفة الأساسية الضعيفة (مثل المبادلات المحتوية على زمر أمينية أولية أو ثنائية أو ثلاثية).

ويبين الشكل (1) الصيغ العامة لهذه الأنواع الأربعة من المبادلات الإيونية:

الشكل (1) الصيغ العامة للأنواع الأربعة من المبادلات الإيونية.

توازن التبادل الإيوني

تتضمن العملية الكروماتوغرافية للتبادل الإيوني توازناً للإيونات المتبادلة بين الطور المتحرك المحتوي على محلول إيوني من جهة والطور الصلب الثابت المحتوي على إيونات قابلة للاستبدال من جهة أخرى. فإذا أخذ عمود كروماتوغرافي من بولي ستايرين مسلفن يحتوي على إيونات في أطرافه ومُرِّر عليه محلول يحتوي إيونات الصوديوم Na+ مثلاً؛ يحصل عندئذ العلاقة (1):

أي إن إيون الصوديوم يحل محل إيون الهدروجين الذي يظهر بعدئذ في السائل الخارج من العمود الكروماتوغرافي. ولهذا التوازن ثابت يعطى بالعلاقة (2):

حيث يرمز R إلى طور الراتنج.

ويعتمد تفضيل الراتنج لإيون علـى آخــر على عدة عوامل أهمها أن الراتنج يُفضِّل الإيون ذا الشحنة الأعلى، وكذلك يفضِّل الإيون المُميَّه ذا نصف القطر الأصغر، كما أنه يفضل الإيون ذا قابلية الاستقطاب الأعلى. واعتماداً على هذه العوامل -بصفة رئيسية- يمكن للراتنج أن يفصل الإيونات المختلفة الموجودة في محلول يُصبُّ من المدخل العلوي لعمود راتنجي، بحيث تخرج الإيونات من أسفل هذا العمود؛ إيوناً بعد آخر؛ عندما يضاف إلى عمود الراتنج محلول غاسل معين eluent يزيح هذه الإيونات تباعاً.

إن الإيونات التي يمكن أن ترتبط بالمبادل الإيوني كثيرة ومتنوعة، ومنها على سبيل المثال لا الحصر ما يلي:

1- إيون الهدروجين ، وإيون الهدروكسيل .

2- الإيونات وحيدة الشحنة مثل ،،،.

3- الإيونات ثنائية الشحنة مثل و.

4- الإيونات اللاعضوية متعددة الذرات مثل و.

5- الأسس (القواعد) bases العضوية المحتوية على وظائف أمينية.

6- الحموض العضــوية مثل المـــواد الحاوية زمـراً كربوكسيلية حمضية.

7- الجزيئات الحيوية القابلة للتأين مثل البروتينات والببتيدات والحموض الأمينية.

إن عملية التبادل الإيوني عملية عكوسة بحيث إنه يمكن إعادة الراتنج إلى ما كان عليه بغسله بمحلول مركز من الإيونات التي كانت ملتصقة به في الأصل.

خواص المبادلات الإيونية

تتأين المبادلات الإيونية القوية (الحامضية والأساسية) على نحو كامل تقريباً عند استعمالها في عمليات الفصل الكروماتوغرافي. أما المبادلات الإيونية الضعيفة فإن تأينها يتوقف على حموضة باهاء (pH) الوسط؛ ومن ثم فإن قدرتها على التبادل الإيوني تابعة لدرجة حموضة هذا الوسط. وتُدرج فيما يلي الصفات المميزة للمبادل الإيوني:

- السعة capacity: هي كمية الإيونات القابلة للتبادل في الوحدة الكمية من المبادل، وتقدّر عادة بالمكافئات الغرامية من هذه الإيونات في 1 كغ من المُبادل الجاف؛ أو بالميلي مكافئات الغرامية من الإيونات لكل غرام من المُبادل (). وتبلغ سعة المبادلات الإيونية ذات الاستعمالات العامة نحو. والمبادلات الإيونية ذات السعة العالية غير مرغوبة؛ لأن غسل المبادلات الإيونية يتم عادة باستعمال محاليل غاسلة منخفضة التركيز الإيوني وذلك لتسهيل كشفها بقياسات الناقلية. والسعة المستعملة عملياً في أغلب مثل هذه العمليات هي .

- الانتفاخ swelling: تتحكم كمية المادة الكيميائية المستعملة لإجراء الترابط التصالبي في المبادل الإيوني -في أثناء عملية صنع حبيبات هذا المبادل- في مدى انتفاخ المبادل الجاف عندما يوضع في المحلول، كما تتحكم هذه الكمية أيضاً (أي مدى التصالب) في سرعة نفوذ الإيونات إلى المبادل وخروجها منه؛ وكذلك أيضاً في انتقائية المبادل للإيونات المختلفة. وتعد بوليمرات (متماثرات) الستايرين-ثنائي فينيل بنزن المحتوية على أقل من مول من ثنائي الفينيل بنزن، مبادلات إيونية طرية. ويقاوم الترابط التصالبي في هذا المتماثر انتفاخ المبادل الإيوني بدرجات نجاح مختلفة تتوقف على عوامل بنيوية ومحيطية. وتجدر الإشارة إلى أن عملية الكروماتوغرافيا السائلة تحت ضغط عالٍ تتطلب مبادلات صلبة القوام لا تنتفخ في المذيبات المختلفة، وفي هذه الحالة فإن ترابطاً تصالبياً عالي الدرجة هو أمر مطلوب دوماً.

- المقياس size: توجد حبيبات المتماثر بمقاسات مختلفة. وتستعمل الأحجام الكبيرة التي يراوح قطرها بين 2 و مم في العمليات الصناعية. أما الحبيبات ذات الحجم المتوسط التي يراوح قطرها بين
و مم فتستعمل في عمليات الفصل الكروماتوغرافي التي تجري تحت ضغط محدود. وتستعمل الحبيبات صغيرة الحجم التي يراوح قطرها بين ومم في عمليات الفصل الكروماتوغرافي السائل التي تجري تحت ضغوط عالية. أما المتماثرات التي أساسها السليكا فهي أيضاً توجد بأحجام مختلفة، وتستعمل عموماً في عمليات الفصل الكروماتوغرافي التي تجري تحت ضغوط عالية.

الثبات والامتزاز stability and adsorption

الثبات والقدرة على الامتزاز صفتان مهمتان لكتلة المبادل الإيوني المناسب الذي يتم اختياره للقيام بعملية ما، ومثال ذلك أن المبادلات التي أساسها السليكا يقتصر استعمالها على العمليات التي تجري في مجال pH يقع بين 2 و8؛ وذلك لتفادي انحلال السليكا في pH أعلى من 8 أو تميّه مرتبط السايلوكسان السطحي في درجات حموضة pH أخفض من 2. أما المبادلات الإيونية القائمة على البولي ستايرين ثنائي فينيل البنزن فإنها تستعمل في درجات الحموضة جميعها. واختيار الحامل matrix هو أمر مهم بالنسبة إلى المتماثرات الحيوية biopolymers وذلك لعلاقته بالحصول على المواد المفصولة والاحتفاظ بفاعليتها الحيوية.

استعمالات المبادلات الإيونية

تستعمل المبادلات الإيونية لأغراض متعددة في الصناعة والتحليل الكيميائي ومخابر الأبحاث وغيرها، وهي من بعض النواحي مواد سحرية؛ إذ أمكن بوساطتها حل الكثير من المشاكل الكيميائية التي لم تجد الحل المناسب قبل ظهور هذه المبادلات وخصوصاً الاصطناعية منها مثل المبادلات القائمة على متماثر البولي ستايرين ثنائي فينيل البنزن، وبأخذ كمية المبادلات الإيونية المستعملة مقياساً في المجالات المختلفة فإن المجال الأكثر استعمالاً للمبادلات هو حقل معالجة المياه، ويأتي بعده استعمال هذه المواد في مجال تحديد هوية الإيونات وفصلها بعضها عن بعض في مختلف أنواع العينات البيولوجية والطبيعية والصناعية. وفيما يلي أهم هذه الاستعمالات:

1- تطرية (تنقية) المياه water softening: إن المياه الطبيعية للأنهار والآبار ليست نقية، وهي عادة مياه قاسية hard water لاحتوائها على أملاح الكلسيوم والمغنزيوم وغيرها، فهذه المياه تُعطِّل عمل الصابون وتشكل قشرة صلبة في الأنابيب المارة بها والمراجل المعدّة لغلي الماء. وتُطرّى مثل هذه المياه بإمرارها عبر خرطوشة أو طبقة من مبادل إيوني كاتيوني صوديومي؛ أي يحتوي إيونات الصوديوم في أطرافه الحرة الحركة، فإيونات الكلسيوم والمغنزيوم ثنائية الشحنة الموجبة؛ ومن ثمّ فإنها ترتبط بالمبادل محررة إيونات الصوديوم التي لا تتصف بالصلابة عند وجودها في الماء. وعندما يُستنفد المبادل وتمتلئ كل أطرافه الحرة بإيونات الكلسيوم والمغنزيوم يعاد تجديده بإمرار محلول من كلوريد الصوديوم فيه ويعود إلى حالته الأولى قبل إمرار المياه القاسية مرةَ ثانية.

2- الحصول على ماء نقي لا يحتوي أي إيونات أو مواد غريبة أخرى: يتطلب الكثير من العمليات المخبرية والصناعية ماءً منزوع الإيونات deionized water لا يحتوي إلا تراكيز ضئيلة جداً من الأملاح، ويمكن الحصول على مثل هذا الماء بإمرار الماء العادي عبر طبقة مؤلفة من مزيج من مبادلين إيونيين؛ الأول هو مبادل كاتيوني قوي يحتوي إيونات الهدروجين في أطرافه؛ والثاني مبادل أنيوني قوي يحتوي إيونات الهدروكسيل في أطرافه. ففي هذه الحالة يتحد مع لتكوين الماء النقي. ويمكن التأكد من نقاوة الماء المُنتج بهذه الطريقة بقياس الناقلية الكهربائية لهذا الماء، وإذا أضيف الكربون إلى مزيج المُبادلين الإيونيين فإنه يمكن أيضاً امتصاص أي مواد عضوية قد توجد في الماء العادي المار على هذا المزيج، وتكون النتيجة النهائية الحصول على ماء بالغ النقاوة لا يحتوي سوى مقادير ضئيلة جداً من المُلوثات المعدنية والعضوية تقاس بأجزاء البليون PPB، وهذه الطريقة المعتمدة على مزج المبادلين معاً فعَّالة جداً ولكنها تُعاني صعوبة إعادة المزيج إلى وضعه الأول بالغسل بالمحلول المناسب. أما إذا مرر الماء العادي المراد تخليصه من الإيونات والشوائب الأخرى على كل من المبادلين بالتسلسل؛ أي بإمراره على المبادل الكاتيوني ثم المبادل الأنيوني فإنه يمكن بسهولة إعادة كل مبادل إلى وضعه الأصلي ( الشكل 2).

 

الشكل (2) إزالة الإيونات من الماء العادي على مرحلتين ثم إعادة توليد المبادلين الكاتيوني والأنيوني.

 

3- الإصلاح البيئي: يمكن باستعمال المبادلات الإيونية إزالة الإيونات السامة (مثل:،،،) من المياه الصناعية الملوثة بمثل هذه السموم قبل أن تطرح هذه المياه في البيئة. كما يمكن أيضاً استعادة إيونات المعادن الثمينة مثل الذهب والبلاتين والفضة على نحو مفيد من نفايات مناجم هذه المعادن ومعاملها، وتستعمل المبادلات الإيونية أيضاً في إزالة التلوث الناشئ من نفايات الصناعة النووية. ويمكن أيضاً استعادة اليورانيوم من الخامات الفقيرة بهذا المعدن بغسلها بحمض الكبريت ثم امتصاص مُعقد كبريتات اليورانيوم الناتج بمبادل إيوني قوي.

4- التحليل الكيميائي: تستعمل المبادلات الإيونية في المختبر لعزل الإيونات والمواد وتركيزها قبل تحليلها بطرائق التحليل الآلية، وكذلك في تحضير عينات ملائمة للدراسات المخبرية. مثال ذلك أن الحموض العضوية يمكن عزلها من البول بوساطة مبادل إيوني قوي؛ وذلك بهدف منع تدخل المركبات العضوية الأخرى الموجودة عادة في البول. ويمكن أيضاً تركيز آثار من الإيونات الموجودة في ثلوج المناطق القطبية بهدف فصل هذه الإيونات ثم تحديد هويتها بالطرائق الكروماتوغرافية. كما تستعمل المبادلات الإيونية أيضاً في مجال التحليل التنشيطي activation analysis لعزل العناصر قبل تحديد كميتها بالطرائق الإشعاعية، ويمكن استعمالها أيضاً في عزل العناصر المفردة الموجودة في مزيج معقد بغية تحليلها بدقة.

5- التقانة الحيوية: تتطلب هذه التقانة طرائق موثوقة وفعالة لتنقية كميات كبيرة من البروتينات والببتيدات والحموض النووية بغية استعمالها في المجالات الصيدلانية والزراعية والغذائية، وتستعمل المبادلات الإيونية على مقياس واسع لعزل هذه المواد وتنقيتها. وهذا الأمر على غاية من الأهمية لأن آثاراً قليلة من مواد ضارة قد توجد في هذه المواد فتؤدي إلى الإضرار بمن يستعملها.

6- الاستشراب اللوني (الكروماتوغرافيا): تستعمل التقنيات الكروماتوغرافية الحديثة المبادلات الإيونية ذات الحبيبات الصغيرة والصفات الخاصة لتحقيق فصل أفضل للمزائج المعقدة، وبوقت أقصر مقارنة بالطرائق الأخرى. وقد استعملت هذه المبادلات منذ وقت طويل أساساً للفصل الآلي للحموض الأمينية وغيرها من المركبات الأمينية لتحديد أسباب المشاكل الصحية التي يعانيها المرء. وتستعمل المبادلات الإيونية القوية أيضاً في فصل مزائج الكربوهدرات، وكذلك في فصل مزائج الكاتيونات والأنيونات مهما كانت درجة تعقيد هذه المزائج، (الشكل3).

 

الشكل (3) التعيين الكروماتوغرافي لمكونات مزيجين: الأول يحوي عدداً من الأنيونات والثاني عدداً من الكاتيونات. يعتمد في هذا التعيين على قياسات الناقلية الكهربائية.

وهنالك أيضاً تقنية أخرى لفصل الإيونات بعضها عن بعض، تدعى كروماتوغرافيا الأزواج الإيونية ion-pair.

7- أغشية المبادلات الإيونية: هي زمرة من الأغشية الخاصة التي تحمل زمراً إيونية، ولها القدرة على إمرار الإيونات بشكل انتقائي. وهنالك أغشية بيولوجية خلوية طبيعية تقوم بهذه الوظيفة الحيوية المهمة، لكن الأغشية الاصطناعية التي لها صفة التبادل الإيوني ذات أهمية خاصة، فهي تستعمل في خلايا الوقود fuel cells؛ وفي العمليات الكهركيميائية لصناعة الكلور؛ وفي عمليات إزالة الملوحة desalination؛ وعمليات الفصل الأخرى.

يتألف الغشاء المبادل للإيونات عادة من طبقة بوليمرية رقيقة ترتبط بها زمر قابلة للتأين، وهذه الطبقة البوليمرية الرقيقة هي من نوع البولي ستايرين أو البولي إتيلين أو البولي فسفونات وغيرها. أما الزمر المرتبطة بالبوليمر فهي من نوع الكربوكسيلات أو رباعي ألكيل الأمونيوم أو فسفونات وغيرها.

وأفضل مثال على استعمال أغشية المبادلات الإيونية هو صناعة الكلور بالطريقة الكهركيميائية؛ إذ يُمرر محلول مركز من كلوريد الصوديوم إلى الجانب الأنودي من خلية كهربائية تحتوي في منتصفها غشاءً مبادلاً يمرر إيونات الصوديوم فقط. فعندما يُمرَّر تيار كهربائي في هذه الخلية تتحول إيونات الكلوريد إلى غاز الكلور الذي ينطلق عند الأنود، أما إيونات الصوديوم فإنها تمرُّ عبر الغشاء المبادل إلى الجانب الكاثودي من الخلية الكهربائية، وفي هذا الجانب يتحلل الماء مطلقاً غاز الهدروجين عند الكاثود تاركاً وراءه هدروكسيد الصوديوم، وبما أن الغشاء المبادل لا يمرر إيونات الكلوريد فإن هدروكسيد الصوديوم الناتج نقي تماماً ولا يحتوي أي إيونات كلوريد. وهنالك أيضاً تطبيق آخر مهم للأغشية المبادلة هو الإلكترودات الغشائية المستعملة في الكيمياء التحليلية، وأفضل مثال على ذلك إلكترود قياس درجة الحموضة pH. ومفتاح نجاح هذا النوع من الإلكترودات هو غشاء مبادل انتقائي لإيون معين. يوضع هذا الإلكترود الغشائي بين المحلول المراد تحليله ومحلول عياري معين، ويؤدي الفارق في التركيز بينهما إلى نشوء كمون كهربائي معين يمكن قياسه، ومن ثمّ معرفة حموضة المحلول المفحوص.

أهمية المبادلات الإيونية

المبادلات الإيونية -وخصوصاً الاصطناعية منها- هي مواد سحرية بالغة الأهمية وتستعمل في أغلب المجالات الصناعية والتحليلية، وخير دليل على أهميتها استعمالها في فصل سلسلتي زمرة معادن الأكتينيدات actinides واللانتانات lanthanides وتنقيتهما؛ وكذلك في فصل معدَنَي الزركونيوم والهافنيوم المتشابهين جداً في صفاتهما. والإنجازات التي تم تحقيقها في هذا المجال كان لها بالغ الأثر في التاريخ البشري الحديث، فبوساطة العملية المشهورة باسم بوركس Plutoniun Uranium Reduction Extraction (PUREX) -التي وضعها الكيميائي الأمريكي فرانك سبيدينغ Frank Spedding وزملاؤه في الأربعينيات من القرن العشرين- أمكن فصل اليورانيوم والبلوتونيوم من الوقود المستنفد في المفاعلات النووية. وبتوفر هاتين المادتين فتح الباب على مصراعيه للمفاعلات النووية المولدة للكهرباء وكذلك للأسلحة النووية، وهي أمور شغلت العالم بأجمعه منذ ألقيت القنبلتان النوويتان على ناغازاكي وهيروشيما في أربعينيات القرن العشرين حتى هذا اليوم.

مراجع للاستزادة:

-  R.P.W. Scott, Ion chromatography: Theory and practice in chromatographic analysis of cationic and anionic species, Integritext UK, 2014.

-  P. Solanki, V. Gupta, Economic Techniques for Effluent Treatment: Development of Ion Exchange Resins of Natural Polymers & Zeolite from Fly Ash for Effluent Treatment by Parag Solanki,  LAP LAMBERT Academic Publishingm, 2012.

-.B. M. Tissue, Basics of Analytical Chemistry and Chemical Equilibrium, Wiley, 2013.

- E. J. Zaganiaris, Ion Exchange Resins and Adsorbents in Chemical Processing, Books on Demand, 2016.


التصنيف : الكيمياء والفيزياء
النوع : الكيمياء والفيزياء
المجلد: المجلد السادس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1139
الكل : 43830735
اليوم : 114130