Gedemineraliseerd water maken

Leidingwater wordt zelden gebruikt in laboratoria.De mineralen aanwezig in leidingwater kunnen chemische reacties immers sterk verstoren. Leidingwater moet dus eerst worden gedemineraliseerd alvorens het kan gebruikt worden als reactiemilieu voor chemische reacties. Voor de demineralisatie kan een gemengde ionenwisselaar worden gebruikt, dit is een mengsel van een kationen- en een anionenwisselaar.

Inhoud

• Gedemineraliseerd water
• Bereiding van demiwater
• Ionenuitwisselaars
• Werking
• Sterkte van de uitwisseling
• Regeneratie
• Gedestilleerd water als alternatief

Gedemineraliseerd water

Leidingwater en mineraalwater uit flessen bevatten kleine hoeveelheden zouten (mineralen). Wanneer deze mineralen worden verwijderd, spreekt men van gedemineraliseerd water. De meest gangbare naam voor gedemineraliseerd water is demiwater.

Bereiding van demiwater

Ionenuitwisselaars

Voor de bereiding van demiwater worden Ionenuitwisselaars gebruikt. Synthetische ionenuitwisselaars zijn polymeren met hoge moleculaire massa met daarop een groot aantal ionische functionele groepen. Een belangrijke eigenschap van alle ionenuitwisselaars is dat ze niet oplossen in water. Je hebt enerzijds de kationenuitwisselaars en anderzijds de anionenuitwisselaars.

Anionenwisselaar
Anionenuitwisselaars bezitten basische amine-zijgroepen. Deze ionenwisselaars ruilen hun negatief geladen hydroxide-ionen (OH^-) in tegen de te verwijderen anionen. De anionen worden dus gevangen door de anionenwisselaar en worden alzo uit het water verwijderd. Sterk basische anionenwisselaars bezitten zouten van quaternaire amines (RN(CH₃)₃⁺OH^-) als functionele groepen. De zwak basische anionenwisselaars hebben zouten van secundaire of tertiaire amines als zijgroepen. Bij quaternaire amines zorgen de 3 methylgroepen (-CH₃) ervoor dat het koolstofatoom gebonden aan de OH-groep elektronen krijgt toegestuwd. Dit koolstofatoom heeft dus een sterke neiging om het negatief geladen hydroxide-ion los te laten. Bij een secundair amine is dit effect minder daar er maar 1 CH₃-groep aanwezig is. Een tertiair amine vertoont met zijn twee methylgroepen een tussenliggend effect.

Kationenwisselaar
Kationenuitwisselaars kunnen sulfonzuur-zijgroepen hebben (sterk zuur)(RSO₃^-H⁺) of carbonzuur-zijgroepen (zwak zuur)(RCOOH) bezitten. De sterk zure wisselaars zullen hun protonen (H⁺) gemakkelijker uitwisselen tegen andere kationen dan de zwak zure.

Werking

Wanneer een kationenuitwisselaar in een waterige oplossing van een bepaald kation (M^x+) wordt gebracht zal onderstaand uitwisselingsevenwicht worden bereikt.
xRSO₃^-H⁺ + M^x+ ↔ (RSO₃^-)_xM^x+ + xH⁺

Voorbeelden

• RSO₃^-H⁺ + Na⁺ ↔ (RSO₃^-)Na⁺ + H⁺ (Onder deze vorm wordt een kationenwisselaar meestal gebruikt.)
• 2RSO₃^-H⁺ + Ca²⁺ ↔ (RSO₃^-)₂Ca²⁺ + 2H⁺

Het analoge proces treedt op wanneer een anionenuitwisselaar in een waterige oplossing van anionen wordt gebracht (A^x-)
xRN(CH₃)₃⁺OH^- + A^x- ↔ (RN(CH₃)₃⁺)_xA^x- + xOH^-

Voorbeelden

• RN(CH₃)₃⁺OH^- + Cl^- ↔ (RN(CH₃)₃⁺)Cl^- + OH^- (Onder deze vorm wordt een anionenwisselaar meestal gebruikt.)
• 2RN(CH₃)₃⁺OH^- + SO₄^2- ↔ (RN(CH₃)₃⁺)₂SO₄^2- + 2OH^-

Sterkte van de uitwisseling

De relatieve sterkte waarmee een ion wordt gebonden aan de functionele groep wordt bijna uitsluitend bepaald door elektrostatische aantrekking volgens de wet van Coulomb.

F = (q⁺.q^-)/r²
Met

• q⁺= de lading van het positieve ion
• q^- = de lading van het negatieve ion
• r = de afstand tussen de zwaartepunten van beide ladingen.

Uit deze vergelijking volgt dat kleine ionen met een hoge lading het sterkst worden gebonden, grote ionen met een lage lading het minst sterk. Bij ionenwisseling wordt altijd gerekend met de straal van de ionen in de gehydrateerde vorm. De watermoleculen die zich rond het ion bevinden worden dus meegeteld in de straal van het ion.

De affiniteit van een kationenuitwisselaar voor kationen met verschillende lading neemt dus af in onderstaande reeks:
M⁴⁺ > M³⁺ > M²⁺ > M⁺

De affiniteit van een kationenuitwisselaar voor éénwaardige en tweewaardige positieve ionen neemt in de volgende reeks af:
Ba²⁺ > Pb²⁺ > Sr²⁺ > Ca²⁺ > Ni²⁺ > Cd²⁺ > Cu²⁺ > Zn²⁺ > Mg²⁺ > Mn²⁺ > Be²⁺ > Ag⁺ > Cs⁺ > Rn⁺ > NH₄⁺ > K⁺ > Na⁺ > H⁺ > Li⁺

Voor een anionenuitwisselaar is eenzelfde reeks voor negatieve ionen opgesteld:
CNS^- > I^- > NO₃^- > Br^- > CN^- > HSO₃^- > Ac^- > OH^- > F^-

Regeneratie

Regeneratie van een ionenuitwisselaar d.w.z. het vervangen van tegenionen door anderen is mogelijk op basis van een concentratieverschil. Al wordt een ionsoort wat minder vastgehouden dan een andere ionsoort, een grote concentratie van de eerste soort zal toch tot vervanging leiden van de tweede soort. Je kan bijvoorbeeld een met Ca- en Mg-ionen verzadigde kationenwisselaar regeneren door er een overmaat aan Na-ionen aan toe te voegen. De Ca- en Mg-ionen zullen op deze manier worden vervangen door Na-ionen alhoewel Na⁺ minder goed bindt met de kationenwisselaar in vergelijking met Ca²⁺ en Mg²⁺.

Gedestilleerd water als alternatief

Bij het destilleren van leidingwater wordt het water verdampt en vervolgens terug gecondenseerd in een ander recipiënt. Gedestilleerd water zal dus ook geen mineralen meer bevatten en zal bovendien steriel zijn. Destillatie is echter een duur en tijdrovend proces en daarom wordt voor doeleinden waarbij geen steriliteit is vereist, gebruik gemaakt van demiwater.