Jonų Stiprio Skaičiuoklė - Nemokamas Internetinis Įrankis Tirpalų Chemijai

Kas yra joninė jėga?

Joninė jėga – tai bendros jonų koncentracijos tirpale matas, įvertinantis kiekvieno jono elektrinio krūvio kvadratą. Ji žymima simboliu I ir paprastai išreiškiama moliais litre (mol/L). Skirtingai nuo paprastos molinės koncentracijos, kai visos ištirpusios dalelės laikomos vienodomis, joninė jėga suteikia didesnį svorį didesnį krūvį turintiems jonams. Vienodos koncentracijos kalcio jonas (Ca²⁺) joninei jėgai daro keturis kartus didesnį poveikį nei natrio jonas (Na⁺), nes jo krūvis yra dvigubai didesnis, o formulėje krūvis pakeliamas kvadratu.

Chemikai joninę jėgą naudoja jonų elgsenai tirpale prognozuoti. Ji turi įtakos baltymų susilankstymui, elektrodų atliekamiems pH matavimams, kai kurių cheminių reakcijų greičiui ir druskų tirpumui.

Joninės jėgos formulė

Joninės jėgos formulė yra tokia:

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

Čia $c_i$ yra jono $i$ molinė koncentracija mol/L, o $z_i$ – to jono krūvis, pavyzdžiui, +1 Na⁺ jonui arba -2 SO₄²⁻ jonui. Suma apskaičiuoja šią sandaugą kiekvienam tirpalo jonui, o tada bendra suma padauginama iš vienos antrosios.

Daugiklis viena antroji užtikrina, kad paprastų 1:1 druskų atveju rezultatas atitiktų įprastą molinę koncentraciją. Pavyzdžiui, 0,1 mol/L natrio chlorido (NaCl) tirpalo joninė jėga yra lygiai 0,1 mol/L, taigi sutampa su jo moline koncentracija.

Pakėlus krūvį kvadratu, jo ženklas nebeturi reikšmės. Neigiamas jonas (anionas) ir teigiamas jonas (katijonas), kurių krūvio skaitinė vertė vienoda, daro vienodą poveikį. Svarbus tik krūvio dydis, o ne tai, ar jis teigiamas, ar neigiamas. Neutrali molekulė, pavyzdžiui, gliukozė, turi nulinį krūvį, todėl joninei jėgai įtakos nedaro.

Kaip apskaičiuoti joninę jėgą

1. Išvardykite visus tirpalo jonus, nurodydami jų molinę koncentraciją ir krūvį.
2. Atminkite, kad ištirpusi druska suskyla į atskirus jonus. Vienas kalcio chlorido (CaCl₂) molis sudaro vieną Ca²⁺ molį ir du Cl⁻ molius, o ne po vieną molį kiekvieno jono.
3. Kiekvieno jono koncentraciją padauginkite iš jo krūvio kvadrato.
4. Sudėkite šias visų jonų vertes.
5. Kad gautumėte joninę jėgą, bendrą sumą padauginkite iš 0,5.

Šis skaičiuotuvas aritmetiką atlieka automatiškai. Įveskite kiekvieno jono koncentraciją ir krūvį, o tirpale esantiems jonams pridėkite po eilutę. Rezultatas atnaujinamas įvedant vertes, jį galima nukopijuoti į laboratorijos žurnalą arba ataskaitą.

Pavyzdys: mišraus druskų tirpalo joninė jėga

Nagrinėkime tirpalą, paruoštą iš 0,1 mol/L natrio chlorido (NaCl) ir 0,05 mol/L kalcio chlorido (CaCl₂).

Kiekviena druska visiškai suskyla į jonus:

Chlorido, gaunamo iš CaCl₂, yra 0,1 mol/L, nes kiekvienas CaCl₂ molis išskiria du Cl⁻ molius.

Taikome formulę:

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

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

Kalcio jonas prie sumos prideda 0,2, nors jo koncentracija yra mažiausia iš keturių, nes jo krūvis pakeliamas iki 4 laipsnio.

Daugiau išspręstų pavyzdžių

• Vien tik 0,1 mol/L NaCl: I = 0,5 × [(0,1 × 1²) + (0,1 × 1²)] = 0,1 mol/L.
• Vien tik 0,1 mol/L CaCl₂: Ca²⁺ yra 0,1 mol/L, o Cl⁻ – 0,2 mol/L, todėl I = 0,5 × [(0,1 × 2²) + (0,2 × 1²)] = 0,3 mol/L.
• 0,05 mol/L NaCl ir 0,02 mol/L MgSO₄: I = 0,5 × [(0,05 × 1²) + (0,05 × 1²) + (0,02 × 2²) + (0,02 × 2²)] = 0,13 mol/L.

Kodėl joninė jėga yra svarbi

Baltymų stabilumas. Baltymai susilanksto ir išlieka stabilūs tam tikrame joninės jėgos intervale, dažnai maždaug nuo 50 iki 200 mmol/L. Įkrautos baltymo dalys viena kitą stumia arba traukia, o tirpale esantys jonai šias jėgas susilpnina. Baltymas, stabilus esant vienai joninei jėgai, esant kitai joninei jėgai gali sulipti arba išsiskleisti, net jei pH yra toks pats.

Elektrodų ir pH matavimai. pH elektrodo rodmuo iš dalies priklauso nuo matuojamo tirpalo joninės jėgos, nes joninė jėga turi įtakos nedidelei įtampai elektrodo etaloninėje jungtyje. Analitiniai chemikai dažnai prideda nustatytą foninės druskos kiekį, kad matavimų metu joninė jėga išliktų pastovi.

Aplinkos ir pramoninė chemija. Šviežio upės vandens joninė jėga yra maždaug nuo 0,001 iki 0,01 mol/L, o jūros vandens – artima 0,7 mol/L. Šis skirtumas keičia metalų ir teršalų tirpumą, judėjimą bei prieinamumą gyviesiems organizmams. Joninė jėga taip pat turi įtakos dalelių sulipimui vandens valymo metu.

Joninė jėga ir molinė koncentracija

Moline koncentracija išreiškia medžiagos molių skaičių tirpalo litre, visas ištirpusias daleles vertinant vienodai. Joninė jėga kiekvieną joną įvertina pagal jo krūvio kvadratą. Paprastos druskos, pavyzdžiui, NaCl, kurios abu jonai turi vienetinį krūvį, joninė jėga ir molinė koncentracija yra vienodos. Druskų, turinčių daugiakrūvių jonų, pavyzdžiui, CaCl₂ arba MgSO₄, joninė jėga yra didesnė už druskos molinę koncentraciją, nes bendrą vertę didina ir skilimas į daugiau jonų, ir didesnių krūvių kėlimas kvadratu.

Dažnai užduodami klausimai

Kam naudojama joninė jėga? Ji padeda prognozuoti, kaip tirpale esantys jonai sąveikaus tarpusavyje ir su įkrautomis molekulėmis, pavyzdžiui, baltymais ir DNR. Ji naudojama ruošiant laboratorinius buferius, matuojant pH, atliekant chromatografiją ir modeliuojant vandens chemiją.

Ar joninė jėga gali būti neigiama? Ne. Kiekviename formulės dėmenyje yra krūvis, pakeltas kvadratu, todėl jis visada yra nulis arba teigiamas, taigi joninė jėga niekada negali būti mažesnė už nulį.

Ar neutrali molekulė, pavyzdžiui, cukrus, turi įtakos joninei jėgai? Ne. Molekulė, neturinti elektrinio krūvio, turi nulinį krūvį, o nulio kvadratas yra nulis, todėl ji nieko neprideda prie sumos.

Kodėl tokios pačios koncentracijos kalcio chlorido joninė jėga yra didesnė nei natrio chlorido? Kalcio krūvis yra +2, todėl jo indėlis dauginamas iš 2² = 4. Be to, kiekvienas CaCl₂ molis išskiria du chlorido jonų molius, o ne vieną. Dėl abiejų poveikių bendra vertė yra didesnė, nei susidarytų esant tokiai pačiai NaCl koncentracijai.

Kokiais vienetais išreiškiama joninė jėga? Mol/L (moline koncentracija), kai koncentracija matuojama pagal tirpalo tūrį, arba mol/kg (molialiąja koncentracija), kai koncentracija matuojama pagal tirpiklio masę. Koncentruotuose tirpaluose pirmenybė teikiama molialiajai koncentracijai, nes tūris kinta pridedant tirpinamosios medžiagos.

Ar joninė jėga kinta priklausomai nuo pH? Taip, silpnųjų rūgščių arba bazių turinčiuose tirpaluose. Kintant pH, šios dalelės prisijungia protonus arba jų netenka ir keičia krūvį, todėl kinta jų indėlis į sumą. Pavyzdžiui, fosfatinio buferio joninė jėga esant pH 6 skiriasi nuo joninės jėgos esant pH 8, net kai bendra fosfato koncentracija yra tokia pati.

Šaltiniai

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