Supersvellende gel som kationebytter

Ionebytting er en type kromatografi der man skiller ulike stoffer i en blanding fra hverandre på grunnlag av ionestyrke.

Supersvellende geler
Fyllstoffet i bleier er laget av Na-saltet til polyakrylat. Polyakrylat  består av lange polymerer satt sammen av akrylsyremolekyler. Det betyr at denne polymeren har mange sidegrupper av typen –COO^_-. 

I natriumsaltet til polymeren er sidegruppene er koblet til Na⁺-ioner, og framstår som –COONa.  Natriumsalter er generelt lettløselige. Fordi denne polymeren er polar, har den stor evne til å trekke til seg vann. Sammen med liten grad av tverrbindinger mellom polymerkjedene gjør dette at denne gelen kan svelle mye.

              
Gelen kan lett klemmes sammen med hendene. Den ”kollapser” også om saltkonsentrasjonen rundt gelen blir for høy (for eksempel ved tilsetting av høy konsentrasjon av kobberioner).

Ionebytting
Natriumioner har ladning +1, og vil ikke bindes særlig sterkt til polymeren sammenlignet med andre ioner. Hvis vi lar en slik gel svelle så mye som mulig, kan vi etterpå tilsette en løsning av for eksempel kalsiumklorid (CaCl₂).
Da vil Ca²⁺-ionene ”konkurrere ut” Na⁺-ionene fordi de binder seg sterkere til gelen. Kalsiumsalter er generelt mindre løselig enn natriumsalter.

I tillegg vil gelen krympe betydelig.  Etter en tid vil gelen bestå av Ca-bundet polyakrylat, mens vannet som har kommet ut av gelen inneholder en løsning av NaCl. Kloridionene har samme ladning som sidegruppene på gelen, og vil dermed ikke bindes, men derimot støtes bort.

Forsøket vil vise at ionene med negativ ladning (MnO_4^-) ikke bindes til gelen. Kobberionene vil derimot bindes sterkere til gelen enn natriumionene. Dermed blir kobberionene igjen i gelen, mens natriumionene blir vasket ut. Når kobberionene bindes til gelen vil den også krympe. Kobberioner kan påvises med ammoniakkløsning og gir da en tydelig blå farge.

Utvasking av næringsstoffer i jord
Noen av disse effektene er parallelle til det som skjer med utvasking av næringsstoffer i jord. Jordpartiklene består i stor grad av silikater med overskudd av negativ ladning. Jorda vil derfor ofte fungere som kationbytter. Næringsstoffer som Ca²⁺ og Mg²⁺ vil bindes til jorda og ikke vaskes ut så lett. Det ser vi på som er fordel. Men dessverre blir også Pb²⁺ og andre giftige tungmetaller sittende dersom de blir tilført jordsmonnet. Negative ioner som nitrater (NO₃^-) derimot, vil vaskes ut med regnvannet. Det er derfor anbefalt å gjødsle med nitrater når plantene er i god vekst, slik at næringsstoffene kan bli tatt opp før de vaskes ut.

Ved sur nedbør, vil H⁺-ionene over tid føre til at også de positivt ladde næringsstoffene vaskes ut. Dette skjer også ved ionebytting. Utvasking på grunn av H⁺-ioner er avhengig bl.a. av konsentrasjon (pH).

Elevene kan gjøre både forberedelsene og selve forsøket. Hvis du vil spare tid, kan forarbeidet med å lage løsninger og la gelen svelle gjøres i forkant.

Vi velger en  løsning som er farget og som inneholder anioner for å vise at anioner ikke byttes ut.  En ulempe ved å bruke permanganationer er at de kan reduseres til manganioner, og da ser vi ikke fargen. Vi kan på forhånd testeom gelen inneholder lett oksiderbare stoffer og dimensjonere forsøket for dette.

For å se om kobberionene går gjennom kolonna, kan det tilsettes et par mL ammoniakkløsning i begerglasset. Denne løsningen vil påvise kobberioner med en tydelig blå farge så fremt løsningen er basisk. Et overskudd av saltsyre i den siste delen av forsøket vil gjøre at blåfargen forsvinner.

En utvidelse av forsøket kan være å be elevene "vurdere miljømessige konsekvenser ved produksjon og deponering av tradisjonelle og nye materialer" i med tanke på innholdet i bleier.

For elever som også har biologi 2 kan disse kompetansemålene være relevante: gjere greie for krinsløpet til karbonet og nitrogenet i eit økosystem, og korleis miljøgifter blir konsentrerte i næringskjeder og forklare korleis økosystem kan endre seg over tid, og knyte det til klimaendring og andre miljøproblem.

0,1 M kobber(II)sulfat (CuSO_4, CAS-nummer 7758-98-7): Irriterer huden. Gir alvorlig øyeirritasjon. Meget giftig, med langtidsvirkning, for liv i vann. Bruk øyevern. VED KONTAKT MED ØYNENE: Skyll forsiktig med vann i flere minutter. Fjern eventuelle kontaktlinser dersom dette enkelt lar seg gjøre. Fortsett skyllingen. Ved vedvarende øyeirritasjon: Søk legehjelp. Unngå utslipp til miljøet. Samle opp spill.

0,1 % løsning av kaliumpermanganat (KMnO₄, CAS-nummer: 7722-64-7): Skadelig, med langtidsvirkning, for liv i vann. Unngå utslipp til miljøet.

2-6 M ammoniakkløsning (NH₃, CAS-nummer 1336-21-6): Gir alvorlige etseskader på hud og øyne. Kan forårsake irritasjon av luftveiene. Bruk øyevern. VED SVELGING: Skyll munnen. IKKE framkall brekning. VED HUDKONTAKT (eller i håret): Tilsølte klær må fjernes straks. Skyll (eller dusj) huden med vann. VED KONTAKT MED ØYNENE: Skyll forsiktig med vann i flere minutter. Fjern eventuelle kontaktlinser dersom dette enkelt lar seg gjøre. Fortsett skyllingen. Kontakt umiddelbart en lege.

1M HCl (CAS-nummer 7647-01-0): Vurdert ikke merkepliktig.