Resinas de intercambio iÃnico

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MÉTODOS SEPARATIVOS 
SEPARACIÓN POR INTERCAMBIO IÓNICO 
1) Introducción: 
 
La separación por intercambio iónico se basa en el intercambio reversible de iones 
entre una fase externa líquida y una fase sólida iónica, el intercambiador iónico. 
 
El intercambio iónico es un fenómeno de adsorción donde el mecanismo de adsorción 
es electrostático. Las fuerzas electrostáticas retienen iones a grupos funcionales 
cargados sobre la superficie de resinas de intercambio iónico. Los iones que se 
adsorben reemplazan a aquellos que están sobre la superficie de la resina. 
 
En el ámbito analítico se emplean intercambiadores iónicos orgánicos sintéticos 
conocidos como resinas de intercambio iónico. 
Las resinas de intercambio iónico son compuestos orgánicos poliméricos de elevado 
peso molecular (usualmente copolímeros de estireno y divinilbenceno), insolubles en 
agua, que contienen grupos funcionales ionizables (catiónicos o aniónicos), como -
SO3H (sulfónico), -COOH (carboxilo), -N(CH3)2 (amina terciaria), -N(CH3)3OH (amonio 
cuaternario). Los grupos funcionales se ionizan en iones que permanecen unidos a la 
cadena polimérica, y contraiones en la fase líquida que pueden ser intercambiados de 
manera reversible por iones con carga del mismo signo. Así encontramos resinas 
intercambiadoras de cationes, y resinas intercambiadoras de aniones. Y en función del 
grado de ionización de los grupos funcionales, existen resinas ácidas fuertes o débiles, 
y resinas básicas fuertes o débiles. 
Las resinas de intercambio iónico son usadas tanto en procesos en batch (lotes) o 
bien en una columna. Ejemplos de intercambio iónico: 
 
R-SO3H + NaCl R-SO3Na + HCl 
 
 2 R-SO3Na + CaCl2 (R-SO3)2Ca + 2 NaCl 
 
R-N(CH3)3OH + HCl R-N(CH3)3Cl + H2O 
 
R-N(CH3)3Cl + NaNO3 R-N(CH3)3NO3 + NaCl 
 
 
 
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2) Propiedades características de las resinas: 
➢ La capacidad específica de intercambio de una resina es el número de 
miliequivalentes de H+ o de OH- por unidad de peso de resina seca (meq / 
g), que pueda ser unido por intercambio iónico. Y la capacidad por volumen es 
el número de miliequivalentes de H+ o de OH- por unidad de volumen de 
resina hinchada en líquido (meq / mL), que pueda ser unido por intercambio 
iónico. 
 
➢ La selectividad de una resina refiere a su preferencia por un cierto ion sobre 
otro. El coeficiente de selectividad (K’) es igual a la constante de equilibrio 
de una reacción de intercambio iónico. 
Por ejemplo, para las siguientes reacciones de intercambio iónico: 
Intercambio aniónico: 
 R-N(CH3)3Cl + NO3─ R-N(CH3)3NO3 + Cl─ 
 
𝐾′ = 𝐾𝐶𝑙−
𝑁𝑂3
−
=
[𝐶𝑙−] × [𝑅 − 𝑁(𝐶𝐻3)3𝑁𝑂3]
[𝑁𝑂3
−] × [𝑅 − 𝑁(𝐶𝐻3)3𝐶𝑙]
=
[𝐶𝑙−] × [𝑁𝑂3
−]𝑟
[𝑁𝑂3
−] × [𝐶𝑙−]𝑟
 
El subíndice “r” se utiliza para designar concentraciones en el intercambiador iónico. 
[Cl-]r y [NO3-]r indican la cantidad del ion en la resina (concentración molal para las 
cargas eléctricas: meq / g); suele expresarse también en equivalentes del ion / L de 
resina, o como una fracción equivalente (equivalentes del ion / equivalentes totales de 
sitios iónicos en la resina). [Cl-] y [NO3-] la normalidad de los iones en la solución 
acuosa. Se emplean equivalentes, porque éstos representan el número de moles de 
cargas eléctricas. 
Intercambio catiónico: 
2 R-SO3H + Ca2+ (R-SO3)2Ca + 2 H+ 
𝐾′ = 𝐾𝐻+
𝐶𝑎2+ =
[𝐻+]2 × [𝐶𝑎2+]𝑟
[𝐻+]𝑟
2 × [𝐶𝑎2+]
 
Para intercambiadores que involucran contraiones que difieren en sus cargas, el valor 
numérico del coeficiente de selectividad depende de la elección de las “unidades de 
concentración en el intercambiador iónico”. Se usa la normalidad (N) para la 
concentración de las especies en solución, pero debe establecerse con claridad cómo 
se indica la cantidad de iones por unidad de peso o volumen de resina, o bien como 
fracción. 
En las ecuaciones correspondientes a intercambio entre iones monovalentes, la 
constante K’ es un número puro sin unidades, porque las mismas se cancelan del lado 
derecho de la igualdad. Sin embargo, para el intercambio entre iones mono y 
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divalentes, el valor de K’ y sus unidades dependerán de las unidades elegidas para 
expresar la cantidad de iones por cantidad de resina (recomendación IUPAC). 
Las separaciones de intercambio iónico se realizan habitualmente en condiciones tales 
que un ion predomina en ambas fases. Así, para la eliminación de iones calcio de una 
solución diluida y ligeramente ácida, la concentración del ion calcio será mucho menor 
que la del ion hidrógeno tanto en fase acuosa como en la resina: 
[Ca2+]r << [H+]r 
y 
[Ca2+] << [H+] 
Como consecuencia de esto, la concentración de iones hidrógeno resulta 
esencialmente constante en ambas fases (no se ve afectada significativamente por el 
intercambio con calcio), y podemos reordenar la ecuación precedente: 
 
 
[𝐶𝑎2+]𝑟
[𝐶𝑎2+]
= 𝐾𝐻+
𝐶𝑎2+ ×
[𝐻+]𝑟
2
[𝐻+]2 
= 𝐾𝐷 
 
KD es el coeficiente de distribución análoga a la que rige el equilibrio de extracción. 
KD representa la afinidad de la resina por el ion calcio. 
La selección de un ion de referencia común como el H+ permite hacer comparaciones 
entre las KD de varios iones sobre un tipo determinado de resina. Esa información 
revela que los iones polivalentes son mucho más fuertemente retenidos que las 
especies monovalentes. Dentro de un grupo de cargas dado (por ejemplo, 
monovalentes), las diferencias entre los valores de KD parecen estar relacionadas con 
el tamaño del ion hidratado, la polarizabilidad, etc. 
Para una resina sulfonada (de intercambio catiónico), los valores de KD para iones 
monovalentes disminuyen en el siguiente orden: 
Ag+ > Cs+ > Rb+ > NH4+ > Na+ > H+ > Li+ 
Para cationes divalentes, el orden es: 
Ba2+ > Pb2+> Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ > Cd2+ > Cu2+ > Co2+ > Zn2+ > Mg2+ > UO22+ 
Para aniones en una resina de amonio cuaternario, el orden es: 
SO42─ > NO3─ > Cl─ > HCO3─ > OH─ > F─ 
 
 
 
 
 
 
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Coeficientes de selectividad relativos para resinas de intercambio iónico 
Resinas sulfónicas de intercambio catiónico Resinas de amonio cuaternario de 
intercambio aniónico 
Porcentaje de divinilbenceno ANIÓN Selectividad 
relativa CATIÓN 4 8 10 
Li+ 1.00 1.00 1.00 F- 0.09 
H+ 1.30 1.26 1.45 OH- 0.09 
Na+ 1.49 1.88 2.23 Cl- 1.0 
NH4+ 1.75 2.22 3.07 Br- 2.8 
K+ 2.09 2.63 4.15 NO3 - 3.8 
Rb+ 2.22 2.89 4.19 I- 8.7 
Cs+ 2.37 2.91 4.15 ClO4 - 10.0 
Ag+ 4.00 7.36 19.4 
Tl+ 5.20 9.66 22.2 
 
 
3) Equilibrio de Donnan 
(Autor: D. Harris) 
Cuando un intercambiador de iones se coloca en la solución de un electrolito (sal 
soluble), la concentración en equilibrio de este último es mayor fuera que dentro del 
intercambiador. El equilibrio entre especies cargadas en la solución y dentro de la 
resina se denomina equilibrio de Donnan. 
Supongamos que tenemos una resina intercambiadora de aniones, de tipo amonio 
cuaternario (R+) en su forma Cl─, sumergida en una solución de KCl. Denominamos 
[X]i a la concentración de un ion dentro de la resina y [X]o su concentración afuera. Con 
base en la termodinámica, puede demostrarse que los productos iónicos dentro y fuera 
de la resina son aproximadamente iguales. Entonces, en este caso es posible escribir:
 [K+]i x [Cl─]i = [K+]o x [Cl─]o 
Planteamos el balance de cargas: 
Fuera de la resina: [K+]o = [Cl─]o 
Dentro de la resina: [R+]i + [K+]i = [Cl─]i 
donde [R+] es la concentración (si se piensa como una solución sólida) de los iones 
amonio cuaternario unidos a la resina. Combinando ecuaciones: 
[K+]i x ([R+]i + [K+]i) = [K+]o2 
Esto implica que [K+]o debe ser mayor que [K+]i para que se cumpla la igualdad. 
Ejemplo: Se dispone de una resina intercambiadora de aniones cuya capacidad 
especifica de intercambio es 6,0 meq/g. Si se introduce la resina en su forma Cl─ en 
una solución de KCl 0,0500 M, ¿qué valor tendrá el cociente [K+]o / [K+]i ? 
Enla aplicación práctica, es válido suponer que [K+]o permanece igual a 0,0500 M. 
Reemplazando: [K+]i x (6,0 meq/g + [K+]i) = (0,0500 M)2 
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[K+]I = 0,00042 M y ([K+]o / [K+]i) = 120 
La concentración del catión dentro de la resina es inferior al 1% de la que tiene fuera. 
La teoría de Donnan permite predecir que los iones con carga del mismo signo que los 
de los grupos fijos en la resina, son excluidos. El contraión (aquí es el cloruro) no es 
excluido de la resina. No hay barrera electrostática para la penetración de cualquier 
anión en la resina. El intercambio aniónico ocurre libremente en la resina de amonio 
cuaternario aún cuando los cationes son repelidos de la resina. 
 
4) Aplicaciones en Química analítica y en la vida diaria 
4.1- Concentración de trazas 
(Autor: D. Harris) 
En ocasiones es necesario concentrar 
constituyentes traza de una solución a fin de 
disponer de una cantidad suficiente para el análisis. 
Este proceso se denomina preconcentración. Por 
ejemplo, un volumen grande de muestra de agua de 
un lago puede hacerse pasar por una resina de intercambio catiónico en la forma H+ 
para concentrar en ella los iones metálicos contenidos en el agua. La resina Chelex 
100 de estireno – divinilbenceno con grupos imidoacético, es notable por su capacidad 
de fijar los iones de metales de transición. Luego los iones pueden eluirse en un 
volumen pequeño mediante HNO3 2 M, el cual protona los grupos imidoacético. 
 
4.2- Obtención de agua desionizada 
(Autores: Thomas Wenzel y Charles Dana, de Bates College) 
An anion exchange resin could be in the hydroxide form (OH–) or chloride form (Cl–). 
One common use of ion exchange resins is in the deionization of water. It is useful to 
consider a scheme using ion exchange resins that would enable you to deionize water. 
If for example, we had water with sodium chloride in it (Na+Cl–), we would need a way 
of removing both cations and anions. If we first passed the water through a cation 
exchange resin in the hydrogen form, the sodium ions would exchange with the 
hydrogen ions as shown in the top picture of Figure 58. If we then passed the water 
through an anion exchange resin in the hydroxide form, the chloride ions would 
exchange with the hydroxide ions as shown in the bottom picture of Figure 58. 
The H+ and OH– given off by the two resins would combine to form water. Eventually 
the resin will fill up with impurity ions (Na+ and Cl– in this case), and we would either 
need to replace the resin or reactivate it. 
We can reactivate the cation exchange resin by passing relatively concentrated 
hydrochloric acid through it to remove all the Na+ and replace it with H+. 
 
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We can reactivate the anion exchange resin by passing a relatively concentrated 
solution of sodium hydroxide through it to remove all the Cl– and replace it with OH–. 
To minimize how often we need to replace these resins or how frequently we need to 
recharge them, it’s best to have resins with as high an ion exchange capacity as 
possible (the capacity is determined by the number of phenyl rings that have been 
derivatized with fixed ions). 
4.3- Cromatografía de intercambio iónico 
The capacity of ion exchange resins used for deionizing water is too high for analytical 
purposes. Presumably, the concentrations of ions in samples that we want to analyze 
are relatively low. If we use high capacity resins, the retention times will be much too 
long. One of the early impediments to the use of ion exchange as an analytical method 
was the lack of methods to reproducibly synthesize resins with low capacities. One of 
the first groups of people to figure out a way to do this was chemists at Dow Chemical. 
They were motivated by a need to measure inorganic anions and cations at low levels 
and realized that ion-exchange chromatography would be an ideal method for doing 
so. 
 
 
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4.4- Remoción de dureza del agua 
 
(autores: Donald Skoog et al) 
 
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5- Ejercicios 
Problema 1: Una columna contiene 0,500 gramos de una resina de intercambio iónico 
ácida fuerte en su forma H+. Se pasa una solución 1,0 M de NaCl a través de la 
columna hasta que el líquido eluyente muestre una reacción neutra. El líquido eluyente 
total es titulado con 17,50 mL de NaOH 0,0500 N. 
Una porción de 100 mL de solución de NaCl 1,00 x 10-3 M fue equilibrada con 0,150 g 
de la misma resina, y la concentración de Na+ en la solución sobrenadante se 
determinó por espectrofotometría de llama, resultando 2,20 x 10-4 M. 
 
Calcular: 
a) La capacidad de intercambio de la resina. 
b) El coeficiente de selectividad KH+Na+ de la resina. 
c) El coeficiente de distribución del sodio (expresando la concentración en solución en 
N, y la cantidad en la resina en meq/g). 
 
 
 
Resolución: 
a) Se observa que el operador pasa una solución concentrada de NaCl para desplazar 
los H+. Eluye una solución ácida que tiende a la neutralidad cuando el desplazamiento 
de H+ se completó. 
A continuación se titula todo el volumen de líquido eluido con 17,50 mL de NaOH 
0,0500 N. 
n° mequiv de valorante consumido = n° mequiv de H+ eluidos de la columna 
17,50 mL x 0,0500 N = 0,875 mequiv de H+ provenientes de 0,500 gramos de resina. 
capacidad = 0,875 mequiv / 0,500 g = 1,75 mequiv / g 
 
b) Una porción de 100 mL de solución de NaCl 1,00 x 10-3 M fue equilibrada con 0,150 
g de la misma resina, y la concentración de Na+ en la solución sobrenadante se 
determinó por espectrofotometría de llama, resultando 2,20 x 10-4 M. 
Para poder calcular K’ será necesario obtener las concentraciones de todas las 
especies en el equilibrio. 
R-SO3H + Na+ + Cl- R-SO3Na + H+ + Cl- 
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Planteamos el balance de masa para el ion sodio en la situación de equilibrio: 
CNa – P = [Na+] 
CNa = 1,00 x 10-3 N 
[Na+] = 2,20 x 10-4 N 
Donde CNa es la concentración inicial de sodio, [Na+] es la concentración de sodio en 
la solución sobrenadante a la resina una vez alcanzado el equilibrio de intercambio 
entre iones sodio y protones. El valor P no es una concentración; este valor representa 
cuántos equivalentes de sodio fueron removidos de la solución por cada litro de la 
misma, como resultado del intercambio por H+ de la resina. 
P = 1,00 x 10-3 N – 2,20 x 10-4 N = 7,8 x 10-4 N 
Dado que se trabajó con una porción de 100 mL de solución (en vez de 1 L), fueron 
removidos 7,8 x 10-5 moles o equivalentes de Na+, que se unieron a 0,150 gramos de 
resina, y liberaron 7,8 x 10-5 moles o equivalentes de H+ a la solución. Con estos datos 
calculamos las concentraciones en el equilibrio. 
[R-SO3Na] = 0,078 meq / 0,150 g = 0,52 meq / g (indica la cantidad de Na+ en la 
resina) 
[H+] = 0,078 meq / 100 mL = 7,8 x 10-4 N 
La resina tenía originalmente 1,75 meq H+ / g. Y tenía 1,75 meq/g x 0,15 g = 0,2625 
meq de H+ en el peso de resina utilizado. 
[R-SO3H] = (0,2625 - 0,078) meq / 0,150 g = 1,23 meq / g (indica la cantidad de H+ 
remanentes en la resina) 
Ahora tenemos toda la información necesaria para calcular el coeficiente de 
selectividad K’ 
𝐾′ = 𝐾𝐻+
𝑁𝑎+ =
 [𝐻+] × [𝑅 − 𝑆𝑂3𝑁𝑎]
[𝑁𝑎+] × [𝑅 − 𝑆𝑂3𝐻]
=
 [𝐻+] × [𝑁𝑎+]𝑟
[𝑁𝑎+] × [𝐻+]𝑟
 
 
𝑲′ = 𝐾𝐻+
𝑁𝑎+ =
 [𝐻+] × [𝑁𝑎+]𝑟
[𝑁𝑎+] × [𝐻+]𝑟
= 
(7,8 × 10−4𝑁) × (0,52
𝑚𝑒𝑞
𝑔 )
(2,2 × 10−4𝑁) × (1,23
𝑚𝑒𝑞
𝑔
 )
= 𝟏, 𝟓𝟎 
c) Coeficiente de distribución del ion Na+ 
 
𝑲𝑫 =
[𝑁𝑎+]𝑟
[𝑁𝑎+]
=
(0,52
𝑚𝑒𝑞
𝑔 )
(2,2 × 10−4𝑁)
= 𝟐, 𝟑𝟔 × 𝟏𝟎𝟑 
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Problema 2: Una alícuota de 2,00 gramos de resina intercambiadora de cationes 
fuerte en la forma H+, es puesta en contacto y agitada con 100,0 mL de una solución 
de Na+ 1,00 x 10-3 M. a) Qué porcentaje de iones sodio será será adsorbida por la 
resina? b) Si se equilibra 1,00 g de resina con la solución de Na+ 1,00 x 10-3 M, y el 
sobrenadante se separa del sólido para ser puesto en contacto con una nueva porción 
de 1,00g de resina, qué porcentaje de iones sodio que estaban en la solución original 
resultarán adsorbidos por la resina? 
Resolución: 
En el anexo que se encuentra al final de esta presentación, se realiza la deducción de 
una ecuación que nos conduce al cálculo del ion sodio remanente en la solución luego 
del intercambio iónico. 
[𝑁𝑎+] =
[𝑁𝑎+]0
2
𝐾𝐻+
𝑁𝑎+ (
𝐶 𝑊
𝑉
− [𝑁𝑎+]0)
 
Los datos para calcular el sodio remanente son: 
𝐾𝐻+
𝑁𝑎+ = 1,50 (obtenido en el problema 1) 
[Na+]0 = 1,00 x 10-3 M 
C en esta ecuación representa la capacidad de intercambio (meq/g), obtenida en el 
problema 1. De manera que C = 1,75 meq/g 
W representa el peso de alícuota de resina, en gramos. 
V representa el volumen de solución tratada con la resina, en mL. 
Entonces, 
a) Para este caso: 
[𝑁𝑎+] =
[𝑁𝑎+]0
2
𝐾𝐻+
𝑁𝑎+ (
𝐶 𝑊
𝑉
− [𝑁𝑎+]0)
= 
(1,00 × 10−3𝑀)2
1,50 × (
1,75 × 2,00
100
𝑀 − 1,00 × 10−3𝑀)
 
[𝑁𝑎+] = 
(1,00 × 10−3𝑀)2
1,50 × (0,035 𝑀 − 1,00 × 10−3𝑀)
= 1,96 × 10−5𝑀 
y calculamos el porcentaje de sodio retenido por la resina: 
% 𝑁𝑎+𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 =
(1,00 × 10−3𝑀 − 1,96 × 10−5𝑀)
1,00 × 10−3𝑀
× 100 = 98,0 
b) Para el intercambio iónico en dos pasos: 
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primero se pone 1 gramo de resina en contacto con 100 mL de solución de Na+ 1,00 x 
10-3 M, y se agita la mezcla: 
[𝑁𝑎+] =
[𝑁𝑎+]0
2
𝐾𝐻+
𝑁𝑎+ (
𝐶 𝑊
𝑉 −
[𝑁𝑎+]0)
= 
(1,00 × 10−3𝑀)2
1,50 × (
1,75 × 1,00
100 𝑀 − 1,00 × 10
−3𝑀)
 
[𝑁𝑎+] = 
(1,00 × 10−3𝑀)2
1,50 × (0,0175 𝑀 − 1,00 × 10−3𝑀)
= 4,04 × 10−5𝑀 
En esa solución queda una concentración de Na+ de 4,04 x 10-5 M como resultado del 
intercambio por H+. 
Segundo paso: Esta solución se separa de la resina y se vuelve a poner en contacto 
con 1,00 gramo de resina fresca, entonces continúa el intercambio iónico. Volvemos a 
calcular la concentración de Na+ luego del segundo paso: 
Aquí [Na+]0 = 4,04 x 10-5 M 
[𝑁𝑎+] =
[𝑁𝑎+]0
2
𝐾𝐻+
𝑁𝑎+ (
𝐶 𝑊
𝑉 −
[𝑁𝑎+]0)
= 
(4,04 × 10−5𝑀)2
1,50 × (
1,75 × 1,00
100
𝑀 − 4,04 × 10−5𝑀)
= 6,23 × 10−8𝑀 
Y ahora calculamos el % de sodio que resultó adsorbido por la resina en este 
tratamiento de dos pasos: 
% 𝑁𝑎+𝑟𝑒𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 =
(1,00 × 10−3𝑀 − 6,23 × 10−8𝑀)
1,00 × 10−3𝑀
× 100 = 99,99 
Conclusión: El intercambio iónico es más completo cuando la resina disponible es 
adicionada secuencialmente, previa remoción de la porción anterior. La desventaja es 
que el procedimiento requiere más tiempo. La alternativa consiste en usar la resina en 
una columna. 
6- Anexo. 
(Autores: Hadjiioannou Christian, Efstathiou y Nikolelis) 
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