Vaihtoprosessit

Vaihtoprosessit ovat ilmiöitä, joissa kahden tai useamman järjestelmän välillä tapahtuu komponenttien vaihtoa. Tällaisia prosesseja esiintyy erityisesti kemiallisissa yhteyksissä, liuosten vuorovaikutuksissa sekä materiaalien pinnoilla tapahtuvassa adsorptiossa ja ligandivaihdossa. Vaihtoprosessit voivat olla tasapainopohjaisia tai kinetiikan ohjaamia, riippuen siitä, millaisia voimia ja konteksteja järjestelmään vaikuttaa.

Ionivaihto on yksi yleisimmistä esimerkeistä. Siinä ionit vaihtokemian avulla sitoutuvat tai vapautuvat adsorboitumalla vaihtokaapille, ja korvaavat toisiaan liuoksesta riippuen ionivoimasta, pH:stä ja ionien koosta. Ionivaihtoa hyödynnetään esimerkiksi vedenkäsittelyssä, vedenpehmennyksessä ja jätevesien puhdistuksessa. Ligandivaihdossa ja molekyylivaihdossa liuoksessa olevat ligandid tai molekyylit syrjäyttävät toisiaan sitoutumistilanteissa, joihin vaikuttavat koordinaatio- tai dispersiovuorovaikutukset.

Isotooppivaihto on erityinen tapaus, jossa saman aineen eri isotoopit vaihtavat paikkaa. Tätä ilmiötä käytetään tutkimuksessa tracer-analyyseissä ja seuraavien merkkien tai massanlähteiden jäljittämisessä, sekä eräissä analyyttisissä menetelmissä.

Mekanismit voivat olla diffuusion kytkemiä, tasapainoon tähtääviä tai kinetiikan perusteella rajoitettuja. Keskeisiä mittareita ovat vaihtokapasiteetti, valintakerroin sekä prosessin nopeus- ja tasapainokerroimet. Mallintamisessa käytetään isotermejä, kuten Langmuir- ja Freundlich-isothermeja, kuvaamaan vaihtopintojen hyödyntämää. Vaihtoprosessit ovat keskeisiä sekä perus- että soveltavassa kemiassa sekä ympäristön- ja materiaalitekniikassa.