イオン交換樹脂と機能性高分子

イオン交換樹脂のもとになるのは、スチレン $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5$ に少量の $p$-ジビニルベンゼン（ベンゼン環に $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-$ が 2 つついた分子）を混ぜて共重合させた樹脂です。ジビニルベンゼンは二重結合を 2 つもつので鎖と鎖をつなぎ、立体網目構造の、水に溶けない樹脂になります。この樹脂のベンゼン環を濃硫酸でスルホン化すると、スルホ基 $-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H}$ が導入されて陽イオン交換樹脂になります。スルホ基は強い酸の基なので、水溶液中の陽イオンと ${\mathrm{H}}^{+}$ を入れかえます。例えば塩化ナトリウム水溶液を通すと
$$\mathrm{R}-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H}+\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}⟶\mathrm{R}-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{Na}+{\mathrm{H}}^{+}$$
（R は樹脂の本体）となり、$\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ が樹脂に取りこまれる代わりに ${\mathrm{H}}^{+}$ が出てくるので、流出液は塩酸（${\mathrm{H}}^{+}$ と $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$）となって酸性を示します。一方、ベンゼン環にトリメチルアンモニウム基 $-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2{\mathrm{N}}^{+}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3$ などを導入し、相手のイオンを $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ にしたものが陰イオン交換樹脂です。これは陰イオンと $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ を入れかえます：
$$\mathrm{R}-{\mathrm{N}}^{+}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}⟶\mathrm{R}-{\mathrm{N}}^{+}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}+\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$$
なので、塩化ナトリウム水溶液を通すと流出液は水酸化ナトリウム水溶液となり塩基性を示します。2 つの樹脂を両方通すと、出てきた ${\mathrm{H}}^{+}$ と $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ が中和して水になるので、イオンをほとんど含まない純粋な水（脱イオン水）が得られます。

イオン交換は可逆的な反応です。使い終わって $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ などで満たされた陽イオン交換樹脂に、濃度の大きい塩酸などの強酸の水溶液を流すと、多量の ${\mathrm{H}}^{+}$ によって逆向きの交換が起こり、もとの $-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H}$ に戻ります。陰イオン交換樹脂は、濃度の大きい水酸化ナトリウム水溶液を流すともとに戻ります。これを樹脂の再生といい、樹脂はくり返し使えます。

ほかの機能性高分子も、構造からはたらきを理解できます。吸水性高分子は、ポリアクリル酸ナトリウム $[-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{COONa})-{]}_n$ の鎖をところどころ橋かけして立体網目構造にしたものです。水にふれると $-\mathrm{COONa}$ が電離して網目の内側のイオンの濃度が高くなり、水を網目の中に大量に引きこみます。網目構造なので溶けずに膨らんで水を保ち、紙おむつや土壌の保水剤に使われます。生分解性高分子は、ポリ乳酸やポリグリコール酸のように、微生物や体内のはたらきで分解され、最終的に二酸化炭素と水になる高分子で、環境中に残りにくく、手術用の縫合糸などに使われます。導電性高分子は、ポリアセチレン $[-\mathrm{CH}=\mathrm{CH}-{]}_n$ のように単結合と二重結合が交互に並んだ高分子に、ヨウ素などを少量加えたもので、金属に近い電気伝導性を示します（白川英樹らが開発）。