Kalkulátor iontové síly - Volný online nástroj pro chemii roztoků

Co je iontová síla?

Iontová síla je mírou celkové koncentrace iontů v roztoku, váženou druhou mocninou elektrického náboje každého iontu. Zapisuje se symbolem I a obvykle se udává v molech na litr (mol/L). Na rozdíl od prosté molarity, která počítá všechny rozpuštěné částice stejně, přikládá iontová síla větší váhu iontům s vyšším nábojem. Vápenatý ion (Ca²⁺) přispívá k iontové síle čtyřikrát více než sodný ion (Na⁺) při stejné koncentraci, protože jeho náboj je dvakrát větší a ve vzorci se náboj umocňuje na druhou.

Chemici používají iontovou sílu k předpovídání chování iontů v roztoku. Ovlivňuje skládání proteinů, měření pH elektrodami, rychlost některých chemických reakcí i rozpouštění solí.

Vzorec iontové síly

Vzorec pro iontovou sílu je:

$I = \frac{1}{2} \sum_{i=1}^{n} c_i z_i^2$

Zde $c_i$ označuje molární koncentraci iontu $i$ v mol/L a $z_i$ je náboj tohoto iontu, například +1 pro Na⁺ nebo -2 pro SO₄²⁻. Součet zahrnuje tento součin pro každý ion v roztoku a celý výsledek se poté vynásobí jednou polovinou.

Faktor jedna polovina udržuje výsledek v souladu s běžnou molaritou u jednoduchých solí typu 1:1. Například roztok chloridu sodného (NaCl) o koncentraci 0,1 mol/L má iontovou sílu přesně 0,1 mol/L, což odpovídá jeho molární koncentraci.

Umocnění náboje znamená, že na jeho znaménku nezáleží. Záporný ion (anion) a kladný ion (kation) se stejnou hodnotou náboje přispívají stejnou měrou. Rozhodující je pouze velikost náboje, nikoli to, zda je kladný, nebo záporný. Neutrální molekula, například glukóza, má náboj roven nule, a proto k iontové síle ničím nepřispívá.

Jak vypočítat iontovou sílu

1. Uveďte každý ion v roztoku spolu s jeho molární koncentrací a nábojem.
2. Mějte na paměti, že rozpuštěná sůl se štěpí na samostatné ionty. Jeden mol chloridu vápenatého (CaCl₂) poskytne jeden mol Ca²⁺ a dva moly Cl⁻, nikoli jeden mol každého iontu.
3. U každého iontu vynásobte jeho koncentraci druhou mocninou jeho náboje.
4. Sečtěte tyto hodnoty pro všechny ionty.
5. Vynásobením celkového součtu hodnotou 0,5 získáte iontovou sílu.

Tato kalkulačka provede aritmetiku automaticky. Zadejte koncentraci a náboj každého iontu a přidejte řádek pro každý ion v roztoku. Výsledek se aktualizuje při zadávání hodnot a lze jej zkopírovat do laboratorního zápisníku nebo zprávy.

Příklad: iontová síla roztoku smíšených solí

Uvažujme roztok připravený z chloridu sodného (NaCl) o koncentraci 0,1 mol/L a chloridu vápenatého (CaCl₂) o koncentraci 0,05 mol/L.

Každá sůl se úplně štěpí na své ionty:

Chlorid pocházející z CaCl₂ má koncentraci 0,1 mol/L, protože každý mol CaCl₂ uvolní dva moly Cl⁻.

Po dosazení do vzorce:

$I = \frac{1}{2}\left[(0.1 \times 1^2) + (0.1 \times 1^2) + (0.05 \times 2^2) + (0.1 \times 1^2)\right]$

$I = \frac{1}{2}\left[0.1 + 0.1 + 0.2 + 0.1\right] = \frac{1}{2} \times 0.5 = 0.25 \text{ mol/L}$

Vápenatý ion přispívá do součtu hodnotou 0,2, přestože jeho koncentrace je ze všech čtyř nejnižší, protože jeho náboj se umocňuje na 4.

Další řešené příklady

• Samotný NaCl o koncentraci 0,1 mol/L: I = 0,5 × [(0,1 × 1²) + (0,1 × 1²)] = 0,1 mol/L.
• Samotný CaCl₂ o koncentraci 0,1 mol/L: Ca²⁺ má koncentraci 0,1 mol/L a Cl⁻ 0,2 mol/L, takže I = 0,5 × [(0,1 × 2²) + (0,2 × 1²)] = 0,3 mol/L.
• NaCl o koncentraci 0,05 mol/L a MgSO₄ o koncentraci 0,02 mol/L: I = 0,5 × [(0,05 × 1²) + (0,05 × 1²) + (0,02 × 2²) + (0,02 × 2²)] = 0,13 mol/L.

Proč je iontová síla důležitá

Stabilita proteinů. Proteiny se skládají a zůstávají stabilní v určitém rozmezí iontové síly, často přibližně mezi 50 a 200 mmol/L. Nabité části proteinu se navzájem odpuzují nebo přitahují a ionty v roztoku tyto síly oslabují. Protein, který je stabilní při jedné iontové síle, se při jiné může shlukovat nebo rozvinout, a to i při stejném pH.

Měření elektrodami a měření pH. Údaj pH elektrody částečně závisí na iontové síle měřeného roztoku, protože iontová síla ovlivňuje malé napětí na referenčním přechodu elektrody. Analytici často přidávají pevně stanovené množství inertní soli, aby během měření udrželi iontovou sílu konstantní.

Environmentální a průmyslová chemie. Sladká říční voda má iontovou sílu přibližně 0,001 až 0,01 mol/L, zatímco mořská voda se blíží hodnotě 0,7 mol/L. Tento rozdíl mění způsob, jakým se kovy a znečišťující látky rozpouštějí, pohybují a stávají se dostupnými živým organismům. Iontová síla také ovlivňuje, jak dobře se částice při úpravě vody shlukují.

Iontová síla vs. molarita

Molarita udává počet molů látky na litr roztoku a se všemi rozpuštěnými částicemi zachází stejně. Iontová síla naproti tomu váží každý ion druhou mocninou jeho náboje. U jednoduché soli, jako je NaCl, jejíž oba ionty nesou jednotkový náboj, jsou iontová síla a molarita stejné. U solí s vícenásobně nabitými ionty, jako jsou CaCl₂ nebo MgSO₄, je iontová síla vyšší než molarita soli, protože k celkovému součtu přispívá jak rozštěpení na větší počet iontů, tak umocnění vyšších nábojů.

Často kladené otázky

K čemu se iontová síla používá? Předpovídá, jak budou ionty v roztoku vzájemně reagovat a jak budou reagovat s nabitými molekulami, jako jsou proteiny a DNA. Používá se při přípravě laboratorních pufrů, měření pH, chromatografii a modelování chemie vody.

Může být iontová síla záporná? Ne. Každý člen vzorce obsahuje druhou mocninu náboje, která je vždy nulová nebo kladná, takže iontová síla nikdy nemůže být menší než nula.

Ovlivňuje neutrální molekula, například cukr, iontovou sílu? Ne. Molekula bez elektrického náboje má náboj roven nule a druhá mocnina nuly je nula, takže k součtu ničím nepřispívá.

Proč má chlorid vápenatý při stejné koncentraci vyšší iontovou sílu než chlorid sodný? Vápník nese náboj +2, takže jeho příspěvek se násobí hodnotou 2² = 4. Každý mol CaCl₂ také uvolní dva moly chloridových iontů místo jednoho. Oba tyto účinky zvyšují celkovou hodnotu nad úroveň, kterou by poskytla stejná koncentrace NaCl.

Jaké jednotky se používají pro iontovou sílu? Mol/L (molární) pro koncentrace vztažené k objemu roztoku nebo mol/kg (molální) pro koncentrace vztažené k hmotnosti rozpouštědla. Molalita se upřednostňuje u koncentrovaných roztoků, u nichž se objem při přidávání rozpuštěné látky mění.

Mění se iontová síla s pH? Ano, u roztoků obsahujících slabé kyseliny nebo zásady. Při změně pH tyto látky přijímají nebo odevzdávají protony a mění svůj náboj, čímž se mění jejich příspěvek k součtu. Například fosfátový pufr má při pH 6 jinou iontovou sílu než při pH 8, a to i při stejné celkové koncentraci fosfátů.

Reference

1. Lewis, G. N. a Randall, M. (1923). Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill.
2. Debye, P. a Hückel, E. (1923). „Zur Theorie der Elektrolyte.“ Physikalische Zeitschrift, 24, 185–206.
3. Harris, D. C. (2010). Quantitative Chemical Analysis (8. vyd.). W. H. Freeman and Company.
4. Atkins, P. a de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10. vydání). Oxford University Press.