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El intercambio iónico, principios básicos

Introducción

A Brita jugEl intercambio iónico es una tecnología poderosa, aunque poco conocida por el hombre de la calle. La página presente trata de explicar en términos sencillos el intercambio iónico para los que tienen solo un conocimiento superficial de química.

Cuando mis amigos me preguntan cual es mi profesión, contesto: "Intercambio iónico". Pocos saben lo que es. No obstante, en la Europa occidental, la mayoría de los hogares tienen por lo menos un aparato con resinas intercambiadoras de iones. Entonces pregunto: "¿Porqué pones sal en el lavaplatos?" Muchos no tienen la respuesta correcta. Si está en esta categoría, lo descubrirá aquí.

Agua

H2OEl agua es, aparentemente, cosa sencilla: es un líquido compuesto de moléculas de agua (fórmula H2O). No obstante, sabe que esta simplificación no vale, y que la realidad es más compleja. Si no, ¿porqué cree que los vendedores de agua embotellada hablan tanto de los beneficios de su mineralización?

Todas las aguas naturales contienen sustancias extrañas en pequeñas cantidades. El agua del río, del pozo, del grifo en su casa, no es solo H2O, sino contiene:

Sustancias sólidas insolubles, como arena o fragmentos vegetales. En principio se pueden filtrar.

Compuestos solubles, que generalmente no se ven y no se pueden filtrar. Estos compuestos tienen una origen mineral o orgánica, pueden ser ionizadas (cargadas eléctricamente) o no.

Los compuestos solubles no ionizados existen en el agua en la forma de moléculas de tamaño y de fórmula variables, por ejemplo:

El gas carbónico (las burbujas de su agua con gas) es una molécula pequeña con una fórmula sencilla: CO2.

El azúcar (sacarosa) es una molécula más grande con fórmula complicada abreviada C12H22O11. ¿Desea la fórmula completa en tres dimensiones? No obstante, los azúcares no se fijan en resinas intercambiadoras de iones.

Si desea eliminar del agua estas sustancias extrañas, lo puede hacer con intercambio iónico, siempre que sean ionizadas.

Iones

Las sustancias solubles ionizadas disueltas en agua están presente como iones, que son átomos o moléculas llevando cargas eléctricas. Los iones con carga positiva se llaman cationes, los con carga negativa aniones. Puesto que el agua es globalmente neutral eléctricamente — si no lo fuese, sufriríamos un choque eléctrico cuando sumergimos nuestra mano en el agua — el número de cargas positivas y negativas debe ser exactamente igual.

Los iones pueden llevar una carga o más, generalmente entre 1 y 3. Los iones pueden ser un átomo solo (iones monoatómicos) o una combinación de varios átomos juntos (poliatómicos), como moléculas.

Ejemplos:

Un catión monovalente monoatómico: el ion sodio Na+

Un catión divalente de un monoatómico: el ion calcio Ca++

Un catión monovalente poliatómico: el ion amonio NH4+

Un anión monovalente monoatómico: el ion cloruro Cl–

Un anión monovalente poliatómico: el ion nitrato NO3–

Un anión divalente poliatómico: el ion carbonato CO3=

Un anión divalente poliatómico complejo: el ion cromato CrO4=

El catión trivalente monoatómico aluminio Al+++ no existe sino en soluciones muy ácidas, no en agua "normal".

No hay aniones di o trivalentes monoatómicos en agua normal.

Los iones no están fijos: se mueven en el agua, y no están atados a iones de carga opuesta. Sin embargo, la suma de las cargas de los cationes y de los aniones es idéntica. La figura 1 representa esquemáticamente iones en agua.

Ions in water

Figura 1: Los iones no están atados en agua. La suma de las cargas es constante.

Las sales son sustancias cristalizadas (en su estado seco) que contienen una proporción fija de cationes y aniones. Por ejemplo, la sal común tiene exactamente el mismo número de cationes sodio (Na+) y de aniones cloruro (Cl—). Su fórmula es NaCl. Cuando disolvemos sal en agua, sus cationes y aniones se mueven libres como en la figura 1.

En agua, los iones son débilmente asociados a moléculas de agua. Se dice que están hidratados. Los cationes son atraídos por el átomo de oxígeno O, y los aniones por los átomos del hidrógeno H de la molécula de agua H2O, como se ve en la figura 2.

Sustancia ionizada disuelta en agua

Ions in solution

Figura 2: Iones hidratados, aquí Na+ en rojo y Cl– en azul (sal común NaCl)

El sulfato de magnesio es una sal con exactamente el mismo número de cationes magnesio (con carga doble: Mg++ y de aniones sulfato (también con carga doble SO4=. La fórmula de esta sal es entonces MgSO4.

El cloruro de calcio tiene iones de calcio (con dos cargas Ca++), y iones de cloruro (con solo una carga, Cl–). Necesitamos entonces 2 aniones de cloruro para equilibrar cada catión de calcio. La fórmula del cloruro de calcio es luego CaCl2.

De manera similar, el carbonato de sodio tiene cationes sodio Na+ y aniones carbonato CO3=, y necesitamos dos iones sodio para cada carbonato, lo que produce la fórmula Na2CO3.

Cuando hierve agua, si la dejamos evaporar completamente, queda un residuo seco, que contiene sales y tal vez otras sustancias como sílice o materias orgánicas. Solo agua de mar dejará una masa significativa de residuo seco, de 30 a 40 gramos por litro de agua. En agua de río o de grifo, este residuo es muy pequeño, con valores de 50 a 500 mg/L. Se trata de sólidos disueltos totales (TDS en inglés).

Estas sustancias se pueden eliminar del agua por intercambio iónico si son solubles y ionizadas. Véase detalles en el análisis de agua y las unidades de concentración usadas en intercambio iónico.

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El intercambio iónico

Impurezas en el agua

Como lo vimos antes, el agua contiene pequeñas cantidades de materias extrañas. En muchos casos, estas materias no producen ningún problema. Es mejor beber agua con una cierta salinidad y no agua ultra-pura (desmineralizada). No obstante, estas sustancias son consideradas como impurezas en ciertas aplicaciones y deben ser eliminadas.

Materias insolubles (arena etc.) se pueden separar por filtración. Existen varias tecnologías de filtración, hasta la ultrafiltración que puede eliminar partículas de menos de una micra. Materias solubles, por el otro lado, necesitan otras técnicas.

Les sustancias solubles ionizadas se pueden eliminar por intercambio iónico.

Resinas intercambiadoras de iones

Son perlas de plástico minúsculas, con in diámetro de aproximadamente 0,6 mm. Estas bolitas son porosas y contienen agua, que es invisible y no se puede quitar. Esta proporción de agua se expresa como "retención de humedad". La estructura de la resina es un polímero (como todos los plásticos) en lo cual un ion fijo ha sido inmovilizado de manera permanente. Este ion no se puede quitar o reemplazar: pertenece a la estructura de la resina. Para mantener la neutralidad eléctrica de la resina, cada uno de estos iones fijos está neutralizado por un contra-ion de carga opuesta. Este es móvil y puede entrar o salir de la resina. La figura 3 representa esquemáticamente perlas de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones. Las líneas oscuras representan el esqueleto polimérico de la resina: es poroso y contiene agua. Los iones fijos de la resina intercambiadora de cationes son sulfonatos (SO3–) atados al esqueleto. En esta imagen, los iones móviles son cationes sodio (Na+). las resinas intercambiadoras de cationes, por ejemplo la Amberlite 1000, son muchas veces suministradas en la forma sodio.

Schematic resin beads

Figura 3: Representación esquemática de resinas intercambiadoras de cationes y de aniones.

La perla de resina intercambiadora de aniones tiene un esqueleto semejante. Los grupos activos son aquí amonio cuaternario, es decir cationes, representados por la fórmula N+R3; una fórmula más precisa sería CH2-N+-(CH3)3. Los iones móviles de la resina intercambiadora de aniones son aquí iones cloruro (Cl—). la forma cloruro es la forma de suministro de muchas resinas intercambiadoras de aniones. Cada ion entrando en la resina produce la salida de otro ion de misma carga para mantener la neutralidad eléctrica. Eso es lo que se llama intercambio iónico. Solo iones de la misma carga se pueden cambiar. No es posible fabricar una resina que pueda intercambiar simultáneamente cationes y aniones, porque los cationes fijos dentro de la resina neutralizarían los aniones fijos, y ningún intercambio sería posible. Luego se deben producir resinas intercambiadoras de aniones y resinas intercambiadoras de cationes separadas.

Véase detalles sobre la estructura de las resinas en una página en inglés.

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Ablandamiento de agua

Entre las sustancias disueltas en el agua se encuentra la dureza. Esta es una expresión común que representa principalmente las sales de calcio y de magnesio. En ciertas condiciones, estas sales pueden precipitar y formar depósitos (sarro), que se ven en la hervidora de su cocina, y también pueden obstruir los tubos de agua caliente y producir incrustaciones en calderas. El ablandamiento de agua es la eliminación de esta dureza: los iones Ca++ y Mg++ que forman el sarro se intercambian por iones Na+ que son mucho

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