Counterions in the vicinity of charges supported by a material. Influence of cross-linking and porosity on ionic mobilities and associations

¹ GREDIC - Université Pierre et Marie Curie, Bâtiment F, 2 e étage, 4 Place Jussieu, 75230 Paris Cedex 05, France.
² Laboratoire de Chimie Macromoléculaire, UA 500 du C.N.R.S., Faculté des Sciences et des Techniques de Rouen, Boulevard de Broglie, 76130 Mont Saint Aignan., France.
³ Research and Development Authority — Ben Gourion University of the Negev Beer — Sheva 84110 POB 1025, Israel.

Abstract

We determine the specific conductivity of sulfonic resins with various porosities and crosslinking degrees under a number of ionic forms : H⁺, Na⁺ , K⁺, Mg²⁺ and Ca²⁺. The materials are defined by their swelling properties (water content, fractional volume of pores), their electrolyte absorbance (co-ions concentration), and their capacity (concentration in counterions). Thus we obtain the mobilities of counterions and co-ions, as related to the tortuosity factor of the materials. The associations between counterions and sulfonic groups are loose or negligible under forms Na⁺ and K⁺, while they are enhanced through crosslinking with Ca²⁺ and Mg²⁺ (both of these counterions having similar associations). Abnormal behaviour, ascribed to the proton transfer mechanism, is observed with the H⁺ ion.

Résumé

Nous déterminons la conductivité spécifique de résines sulfoniques de divers taux de pontage et porosité pour plusieurs formes ioniques : H⁺ , Na⁺ , K⁺, Mg²⁺, et Ca²⁺. Ces matériaux sont caractérisés par leur gonflement (teneur en eau, volume fractionnaire des pores), leur absorption en électrolyte (concentration du co-ion) et leur capacité (concentration en ions compensateurs ou contre-ions). Nous en déduisons la mobilité des contre-ions et co-ions en relation avec le facteur de tortuosité de ces milieux. Les associations « contre-ions » – « groupes sulfoniques » sont faibles ou négligeables sous forme Na⁺ ou K⁺; elles sont favorisées par le pontage avec Ca²⁺ et Mg²⁺ mais restent comparables pour l'un ou l'autre de ces contre-ions. Un comportement anormal est observé avec l'ion H⁺, attribué au mécanisme de transfert du proton.