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Kationenaustausch

 
     
  die Fähigkeit vieler Minerale und Huminstoffe in einem weiten Bereich
natürlicher pH-Bedingungen durch ihre negative Netto-Oberflächenladung Kationen (unspezifisch) zu
adsorbieren, die gegen andere Kationen ausgetauscht werden können. Für einen homovalenten
Kationenaustausch gilt schematisch: Na+ + K-X ↔ Na-X + K+
mit X=Adsorbens. Die thermodynamische Quantifizierung der Austauschvorgänge setzt die
Bestimmung der Aktivitäten adsorbierter Kationen voraus, für die (im Gegensatz zu gelösten Ionen)
keine einheitliche Theorie besteht. Ein heterovalenter Austausch kann proportional zu den
Äquivalentmengen der Kationen betrachtet werden (Gain-Thomas-Konvention): Na+ + 0,5 Ca-X2 ↔ Na-X + 0,5 Ca2+


oder proportional zur Zahl der Austauscherplätze (Gapon-Konvention):


Na+ + Ca0,5-X ↔ Na-X + 0,5 Ca2+.


Der Kationenaustausch wird neben den Aktivitäten der beteiligten Kationen im umgebenden Elektrolyten auch über die Bindungsstärke der Kationen am Adsorbens gesteuert. Die Eintauschstärke steigt innerhalb der gleichen Elementperiode mit steigender Wertigkeit des Kations,


z.B. Na+ < Mg2+ < Al3+, und innerhalb einer Elementgruppe mit steigendem Radius des nicht hydratisierten Ions (lyotrope Reihe), z.B. Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+.


Die Fähigkeit von Mineralen oder Systemen, wie z.B. Böden, Kationen auszutauschen wird als Kationenaustauschkapazität (KAK) bezeichnet (Tab.) und experimentell durch Austausch mit einer Neutralsalzlösung beim aktuellen pH-Wert des Systems (effektive KAK) oder bei einem eingestellten pH-Wert von 7-7,5 (potentielle KAK) bestimmt. Der prozentuale Anteil austauschbarer Kationen an der Kationenaustauschkapazität wird als Basensättigung bezeichnet.


Der Kationenaustausch hat grosse Bedeutung bei der Bodendüngung aufgrund der Fixierung von Mikronährstoffen (z.B. K+) an Tauscherplätzen. Der hohen Verschlämmungsgefahr Na-reicher Böden wird bei der Melioration mit einem Austausch des Na+ durch Ca2+ begegnet. Im Zuge der Auffrischung versalzter Grundwasserleiter mit Ca-reichem Süsswasser besteht die Gefahr, dass durch den Austausch von Na+ gegen Ca2+ Tonminerale peptisieren (Herabsetzen der Ionenstärke, Vergrösserung der elektrischen Doppelschichten) und die Permeabilität der Grundwasserleiter oder der Brunnenfilter durch Verschlämmung herabgesetzt wird.

KationenaustauschKationenaustausch (Tab.): potentielle Kationenaustauschkapazität verschiedener Substanzen.
 
 

 

 

 
 
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