Ionenstärke-Rechner - Kostenloses Online-Tool für Lösungschemie

Was ist die Ionenstärke?

Die Ionenstärke ist ein Maß für die Gesamtkonzentration der Ionen in einer Lösung, gewichtet mit dem Quadrat der elektrischen Ladung jedes Ions. Sie wird mit dem Symbol I bezeichnet und meist in Mol pro Liter (mol/L) angegeben. Anders als die einfache Molarität, die alle gelösten Teilchen gleich zählt, gewichtet die Ionenstärke Ionen mit höherer Ladung stärker. Ein Calciumion (Ca²⁺) trägt bei gleicher Konzentration viermal so viel zur Ionenstärke bei wie ein Natriumion (Na⁺), weil seine Ladung doppelt so groß ist und die Formel die Ladung quadriert.

Chemiker verwenden die Ionenstärke, um vorherzusagen, wie sich Ionen in einer Lösung verhalten. Sie beeinflusst, wie Proteine sich falten, wie Elektroden den pH-Wert messen, wie schnell bestimmte chemische Reaktionen ablaufen und wie sich Salze lösen.

Formel der Ionenstärke

Die Formel für die Ionenstärke lautet:

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

Hier ist $c_i$ die molare Konzentration des Ions $i$ in mol/L, und $z_i$ ist die Ladung dieses Ions, beispielsweise +1 für Na⁺ oder -2 für SO₄²⁻. Die Summe addiert dieses Produkt für jedes Ion in der Lösung; anschließend wird die Gesamtsumme mit einem Halbierungsfaktor multipliziert.

Der Faktor ein Halb hält das Ergebnis für einfache 1:1-Salze in Einklang mit der gewöhnlichen Molarität. Beispielsweise hat eine Lösung von Natriumchlorid (NaCl) mit 0,1 mol/L eine Ionenstärke von genau 0,1 mol/L und damit dieselbe molare Konzentration.

Durch das Quadrieren der Ladung spielt deren Vorzeichen keine Rolle. Ein negatives Ion (ein Anion) und ein positives Ion (ein Kation) mit derselben Ladungszahl tragen gleich viel bei. Entscheidend ist nur der Betrag der Ladung, nicht, ob sie positiv oder negativ ist. Ein neutrales Molekül wie Glucose hat die Ladung null und trägt daher nichts zur Ionenstärke bei.

So wird die Ionenstärke berechnet

1. Alle Ionen in der Lösung zusammen mit ihrer molaren Konzentration und ihrer Ladung auflisten.
2. Bedenken, dass ein gelöstes Salz in einzelne Ionen zerfällt. Ein Mol Calciumchlorid (CaCl₂) ergibt ein Mol Ca²⁺ und zwei Mol Cl⁻, nicht jeweils ein Mol.
3. Für jedes Ion seine Konzentration mit dem Quadrat seiner Ladung multiplizieren.
4. Diese Werte für alle Ionen addieren.
5. Die Summe mit 0,5 multiplizieren, um die Ionenstärke zu erhalten.

Dieser Rechner führt die Berechnung automatisch durch. Die Konzentration und die Ladung für jedes Ion eingeben und für jedes Ion in der Lösung eine Zeile hinzufügen. Das Ergebnis wird während der Eingabe aktualisiert und kann in ein Laborjournal oder einen Bericht kopiert werden.

Beispiel: Ionenstärke einer gemischten Salzlösung

Betrachten wir eine Lösung aus 0,1 mol/L Natriumchlorid (NaCl) und 0,05 mol/L Calciumchlorid (CaCl₂).

Jedes Salz zerfällt vollständig in seine Ionen:

Das Chlorid aus CaCl₂ liegt mit 0,1 mol/L vor, weil jedes Mol CaCl₂ zwei Mol Cl⁻ freisetzt.

Anwendung der Formel:

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

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

Das Calciumion trägt 0,2 zur Summe bei, obwohl seine Konzentration die niedrigste der vier ist, weil seine Ladung zum Quadrat 4 genommen wird.

Weitere durchgerechnete Beispiele

• 0,1 mol/L NaCl allein: I = 0,5 × [(0,1 × 1²) + (0,1 × 1²)] = 0,1 mol/L.
• 0,1 mol/L CaCl₂ allein: Ca²⁺ liegt mit 0,1 mol/L und Cl⁻ mit 0,2 mol/L vor, daher gilt I = 0,5 × [(0,1 × 2²) + (0,2 × 1²)] = 0,3 mol/L.
• 0,05 mol/L NaCl plus 0,02 mol/L MgSO₄: I = 0,5 × [(0,05 × 1²) + (0,05 × 1²) + (0,02 × 2²) + (0,02 × 2²)] = 0,13 mol/L.

Warum die Ionenstärke wichtig ist

Proteinstabilität. Proteine falten sich und bleiben innerhalb eines bestimmten Bereichs der Ionenstärke stabil, häufig zwischen ungefähr 50 und 200 mmol/L. Geladene Bereiche eines Proteins stoßen sich ab oder ziehen sich an, und Ionen in der Lösung schwächen diese Kräfte. Ein Protein, das bei einer bestimmten Ionenstärke stabil ist, kann bei einer anderen verklumpen oder sich entfalten, selbst bei gleichem pH-Wert.

Elektroden- und pH-Messungen. Der Messwert einer pH-Elektrode hängt teilweise von der Ionenstärke der untersuchten Lösung ab, weil die Ionenstärke eine kleine Spannung am Diaphragma der Bezugselektrode beeinflusst. Analytische Chemiker geben häufig ein festgelegtes Leitsalz hinzu, um die Ionenstärke während der Messungen konstant zu halten.

Umwelt- und Industriechemie. Süßwasser aus Flüssen hat eine Ionenstärke von etwa 0,001 bis 0,01 mol/L, während Meerwasser bei etwa 0,7 mol/kg liegt. Dieser Unterschied beeinflusst, wie sich Metalle und Schadstoffe lösen, bewegen und für Lebewesen verfügbar werden. Die Ionenstärke wirkt sich auch darauf aus, wie gut Teilchen bei der Wasseraufbereitung verklumpen.

Ionenstärke im Vergleich zur Molarität

Die Molarität gibt die Stoffmenge eines Stoffes pro Liter Lösung an und behandelt jedes gelöste Teilchen gleich. Die Ionenstärke gewichtet dagegen jedes Ion mit dem Quadrat seiner Ladung. Bei einem einfachen Salz wie NaCl, dessen beide Ionen eine einfache Ladung tragen, sind Ionenstärke und Molarität gleich. Bei Salzen mit mehrfach geladenen Ionen wie CaCl₂ oder MgSO₄ ist die Ionenstärke höher als die Molarität des Salzes, weil sowohl die Aufspaltung in mehrere Ionen als auch das Quadrieren höherer Ladungen zur Gesamtsumme beitragen.

Häufig gestellte Fragen

Wofür wird die Ionenstärke verwendet? Sie sagt voraus, wie Ionen in einer Lösung miteinander und mit geladenen Molekülen wie Proteinen und DNA wechselwirken. Sie wird beim Ansetzen von Labor-Pufferlösungen, bei der pH-Messung, bei der Chromatographie und bei der Modellierung der Wasserchemie verwendet.

Kann die Ionenstärke negativ sein? Nein. Jeder Term der Formel enthält eine quadrierte Ladung, die immer null oder positiv ist, daher kann die Ionenstärke nie kleiner als null werden.

Beeinflusst ein neutrales Molekül wie Zucker die Ionenstärke? Nein. Ein Molekül ohne elektrische Ladung hat die Ladung null, und null zum Quadrat ist null, sodass es zur Summe nichts beiträgt.

Warum hat Calciumchlorid bei gleicher Konzentration eine höhere Ionenstärke als Natriumchlorid? Calcium trägt die Ladung +2, daher wird sein Beitrag mit 2² = 4 multipliziert. Jedes Mol CaCl₂ setzt außerdem zwei Mol Chloridionen frei statt eines. Beide Effekte erhöhen die Gesamtsumme über den Wert, den eine gleich große Konzentration an NaCl ergäbe.

Welche Einheiten hat die Ionenstärke? Mol/L (molar) für Konzentrationen, die auf das Lösungsvolumen bezogen sind, oder mol/kg (molal) für Konzentrationen, die auf die Masse des Lösungsmittels bezogen sind. Molal wird in konzentrierten Lösungen bevorzugt, weil sich dort das Volumen beim Zugeben von gelöstem Stoff ändert.

Ändert sich die Ionenstärke mit dem pH-Wert? Ja, bei Lösungen, die schwache Säuren oder Basen enthalten. Wenn sich der pH-Wert verschiebt, nehmen diese Spezies Protonen auf oder geben sie ab und ändern ihre Ladung, wodurch sich ihr Beitrag zur Summe ändert. Ein Phosphatpuffer hat zum Beispiel bei pH 6 eine andere Ionenstärke als bei pH 8, selbst bei gleicher Gesamtkonzentration an Phosphat.

Referenzen

1. U.S. Geological Survey. Study and Interpretation of the Chemical Characteristics of Natural Water (Hem, Water-Supply Paper 2254). USGS WSP 2254 (PDF) — Die Ionenstärke wird als I = Σ(m z²/2) berechnet, wobei m die Ionenkonzentration und z ihre Ladung ist.
2. TEOS-10 (Thermodynamic Equation of Seawater 2010). gsw_ionic_strength_from_SA. TEOS-10-Funktion für die Ionenstärke — Meerwasser mit einem Absolutsalzgehalt von etwa 35 g/kg hat eine Ionenstärke von etwa 0,713 bis 0,720 mol/kg.