Ioonilise tugevuse kalkulaator - Tasuta veebipõhine tööriist lahuse keemias

Mis on ioonitugevus?

Ioonitugevus on lahuses olevate ioonide kogukontsentratsiooni näitaja, mille puhul iga iooni kaalutakse tema elektrilaengu ruudu järgi. Seda tähistatakse sümboliga I ja väljendatakse tavaliselt moolides liitri kohta (mol/L). Erinevalt tavalisest molaarsusest, mille puhul loetakse kõik lahustunud osakesed võrdseks, annab ioonitugevus suurema kaaluga ioonidele, mille laeng on suurem. Kaltsiumiioon (Ca²⁺) annab sama kontsentratsiooni korral ioonitugevusse neli korda suurema panuse kui naatriumioon (Na⁺), sest selle laeng on kaks korda suurem ja valem kasutab laengu ruutu.

Keemikud kasutavad ioonitugevust selle ennustamiseks, kuidas ioonid lahuses käituvad. See mõjutab valkude voltumist, elektroodide pH-mõõtmisi, mõnede keemiliste reaktsioonide kiirust ja soolade lahustumist.

Ioonitugevuse valem

Ioonitugevuse valem on järgmine:

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

Siin on $c_i$ iooni $i$ molaarne kontsentratsioon ühikutes mol/L ning $z_i$ on selle iooni laeng, näiteks +1 Na⁺ korral või -2 SO₄²⁻ korral. Summa liidab selle korrutise kõigi lahuses olevate ioonide kohta ja seejärel korrutatakse saadud kogus ühe poolega.

Tegur üks pool hoiab tulemuse lihtsate 1:1-soolade korral tavalise molaarsusega kooskõlas. Näiteks 0,1 mol/L naatriumkloriidi (NaCl) lahuse ioonitugevus on täpselt 0,1 mol/L, mis vastab selle molaarsusele.

Laengu ruutu võtmine tähendab, et laengu märk ei ole oluline. Sama laenguarvuga negatiivne ioon ehk anioon ja positiivne ioon ehk katioon annavad võrdse panuse. Arvesse läheb ainult laengu suurus, mitte see, kas laeng on positiivne või negatiivne. Neutraalse molekuli, näiteks glükoosi, laeng on null, seega ei anna see ioonitugevusse mingit panust.

Kuidas ioonitugevust arvutada

1. Loetlege kõik lahuses olevad ioonid koos nende molaarse kontsentratsiooni ja laenguga.
2. Pidage meeles, et lahustunud sool laguneb eraldi ioonideks. Üks mool kaltsiumkloriidi (CaCl₂) annab ühe mooli Ca²⁺-ioone ja kaks mooli Cl⁻-ioone, mitte ühe mooli kumbagi.
3. Korrutage iga iooni kontsentratsioon selle laengu ruuduga.
4. Liitke need väärtused kõigi ioonide kohta.
5. Ioonitugevuse saamiseks korrutage kogusumma väärtusega 0,5.

See kalkulaator teeb arvutused automaatselt. Sisestage iga iooni kontsentratsioon ja laeng ning lisage lahuses iga iooni kohta üks rida. Tulemus uueneb väärtuste sisestamise ajal ning selle saab kopeerida laborimärkmikku või aruandesse.

Näide: segatud soolalahuse ioonitugevus

Vaatleme lahust, mis koosneb 0,1 mol/L naatriumkloriidist (NaCl) ja 0,05 mol/L kaltsiumkloriidist (CaCl₂).

Kumbki sool laguneb täielikult oma ioonideks:

CaCl₂-st pärineva kloriidi kontsentratsioon on 0,1 mol/L, sest iga mool CaCl₂ vabastab kaks mooli Cl⁻-ioone.

Valemi rakendamine:

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

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

Kaltsiumiioon annab summasse panuse 0,2, kuigi selle kontsentratsioon on neljast ioonist väikseim, sest selle laengu ruut on 4.

Veel lahendatud näiteid

• Ainult 0,1 mol/L NaCl: I = 0,5 × [(0,1 × 1²) + (0,1 × 1²)] = 0,1 mol/L.
• Ainult 0,1 mol/L CaCl₂: Ca²⁺ kontsentratsioon on 0,1 mol/L ja Cl⁻ kontsentratsioon 0,2 mol/L, seega I = 0,5 × [(0,1 × 2²) + (0,2 × 1²)] = 0,3 mol/L.
• 0,05 mol/L NaCl ja 0,02 mol/L MgSO₄: I = 0,5 × [(0,05 × 1²) + (0,05 × 1²) + (0,02 × 2²) + (0,02 × 2²)] = 0,13 mol/L.

Miks ioonitugevus on oluline

Valkude stabiilsus. Valgud voltuvad ja püsivad stabiilsena ioonitugevuse teatavas vahemikus, sageli ligikaudu 50 kuni 200 mmol/L. Valgu laetud osad tõukuvad üksteisest või tõmbuvad üksteise poole ning lahuses olevad ioonid nõrgendavad neid jõude. Ühe ioonitugevuse juures stabiilne valk võib teise juures kokku klompuda või lahti voltuda isegi sama pH korral.

Elektroodi- ja pH-mõõtmised. pH-elektroodi näit sõltub osaliselt mõõdetava lahuse ioonitugevusest, sest ioonitugevus mõjutab elektroodi võrdlusühenduskohas tekkivat väikest pinget. Analüütilised keemikud lisavad mõõtmiste ajal ioonitugevuse konstantsena hoidmiseks sageli kindla kontsentratsiooniga taustsoola.

Keskkonna- ja tööstuskeemia. Värske jõevee ioonitugevus on ligikaudu 0,001 kuni 0,01 mol/L, merevee oma aga ligikaudu 0,7 mol/L. See erinevus muudab metallide ja saasteainete lahustumist, liikumist ning elusorganismidele kättesaadavust. Ioonitugevus mõjutab ka seda, kui hästi osakesed veepuhastuse ajal kokku klompuvad.

Ioonitugevus ja molaarsus

Molaarsus näitab aine moolide arvu lahuse liitri kohta, käsitledes kõiki lahustunud osakesi võrdselt. Ioonitugevus kaalub selle asemel iga iooni tema laengu ruudu järgi. Lihtsa soola, näiteks NaCl-i korral, mille mõlemal ioonil on üheühikuline laeng, on ioonitugevus ja molaarsus võrdsed. Mitmekordselt laetud ioone sisaldavate soolade, näiteks CaCl₂ või MgSO₄ korral on ioonitugevus soola molaarsusest suurem, sest nii rohkemateks ioonideks lagunemine kui ka suuremate laengute ruutu võtmine suurendavad kogusummat.

Korduma kippuvad küsimused

Milleks ioonitugevust kasutatakse? See ennustab, kuidas lahuses olevad ioonid omavahel ning laetud molekulidega, näiteks valkude ja DNA-ga, vastastikku toimivad. Seda kasutatakse laboripuhvrite valmistamisel, pH mõõtmisel, kromatograafia läbiviimisel ja veekeemia modelleerimisel.

Kas ioonitugevus võib olla negatiivne? Ei. Valemi iga liige sisaldab laengu ruutu, mis on alati null või positiivne, seega ei saa ioonitugevus olla nullist väiksem.

Kas neutraalne molekul, näiteks suhkur, mõjutab ioonitugevust? Ei. Elektrilaenguta molekuli laeng on null ja nulli ruut on null, seega ei lisa see summale midagi.

Miks on kaltsiumkloriidi ioonitugevus sama kontsentratsiooni korral suurem kui naatriumkloriidil? Kaltsiumi laeng on +2, seega korrutatakse selle panus 2² = 4-ga. Iga mool CaCl₂ vabastab samuti ühe mooli asemel kaks mooli kloriidioone. Mõlemad mõjud suurendavad kogusummat võrreldes sellega, mida annaks sama kontsentratsioon NaCl-i.

Milliseid ühikuid ioonitugevuse puhul kasutatakse? Mol/L (molaarne) lahuse ruumala järgi mõõdetud kontsentratsioonide korral või mol/kg (molaarne massikontsentratsioon ehk molaalsus) lahusti massi järgi mõõdetud kontsentratsioonide korral. Molaalsust eelistatakse kontsentreeritud lahustes, kus ruumala muutub lahustunud aine lisamisel.

Kas ioonitugevus muutub koos pH-ga? Jah, nõrku happeid või aluseid sisaldavate lahuste korral. Kui pH muutub, võtavad need liigid prootoneid juurde või loovutavad neid ning muudavad oma laengut, mis muudab nende panust summasse. Näiteks on fosfaatpuhvri ioonitugevus pH 6 juures teistsugune kui pH 8 juures isegi sama fosfaadi kogukontsentratsiooni korral.

Viited

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