Kalkulačka iónového súčinu - Bezplatný online nástroj pre chemické roztoky

Čo je iónová sila?

Iónová sila je miera celkovej koncentrácie iónov v roztoku, vážená druhou mocninou elektrického náboja každého iónu. Označuje sa symbolom I a zvyčajne sa uvádza v moloch na liter (mol/L). Na rozdiel od obyčajnej molarity, ktorá počíta každú rozpustenú časticu rovnako, iónová sila pripisuje väčšiu váhu iónom s vyšším nábojom. Ión vápnika (Ca²⁺) prispieva k iónovej sile štyrikrát viac než ión sodíka (Na⁺) pri rovnakej koncentrácii, pretože jeho náboj je dvakrát väčší a vo vzorci sa náboj umocňuje na druhú.

Chemici používajú iónovú silu na predpovedanie správania iónov v roztoku. Ovplyvňuje skladanie bielkovín, meranie pH elektródami, rýchlosť niektorých chemických reakcií aj rozpúšťanie solí.

Vzorec pre iónovú silu

Vzorec pre iónovú silu je:

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

Tu $c_i$ označuje molárnu koncentráciu iónu $i$ v mol/L a $z_i$ je náboj tohto iónu, napríklad +1 pre Na⁺ alebo -2 pre SO₄²⁻. Súčet zahŕňa tento súčin pre každý ión v roztoku a potom sa celý súčet vynásobí jednou polovicou.

Faktor jednej polovice udržiava výsledok v súlade s obyčajnou molaritou pri jednoduchých soliach typu 1:1. Napríklad roztok chloridu sodného (NaCl) s koncentráciou 0,1 mol/L má iónovú silu presne 0,1 mol/L, čo zodpovedá jeho molárnej koncentrácii.

Umocnenie náboja na druhú znamená, že na znamienku náboja nezáleží. Záporný ión (anión) a kladný ión (katión) s rovnakou hodnotou náboja prispievajú rovnakým množstvom. Zohľadňuje sa iba veľkosť náboja, nie to, či je kladný alebo záporný. Neutrálna molekula, napríklad glukóza, má náboj rovný nule, takže k iónovej sile nič neprispieva.

Ako vypočítať iónovú silu

1. Uveďte každý ión v roztoku spolu s jeho molárnou koncentráciou a nábojom.
2. Nezabudnite, že rozpustená soľ sa štiepi na samostatné ióny. Jeden mól chloridu vápenatého (CaCl₂) poskytne jeden mól Ca²⁺ a dva móly Cl⁻, nie jeden mól každého iónu.
3. Pri každom ióne vynásobte jeho koncentráciu druhou mocninou jeho náboja.
4. Sčítajte tieto hodnoty pre všetky ióny.
5. Vynásobte súčet hodnotou 0,5 a získate iónovú silu.

Táto kalkulačka vykoná aritmetiku automaticky. Zadajte koncentráciu a náboj každého iónu a pridajte riadok pre každý ión v roztoku. Výsledok sa aktualizuje pri zadávaní hodnôt a možno ho skopírovať do laboratórneho zápisníka alebo správy.

Príklad: iónová sila zmiešaného soľného roztoku

Uvažujme roztok pripravený z chloridu sodného (NaCl) s koncentráciou 0,1 mol/L a chloridu vápenatého (CaCl₂) s koncentráciou 0,05 mol/L.

Každá soľ sa úplne štiepi na svoje ióny:

Chlorid pochádzajúci z CaCl₂ má koncentráciu 0,1 mol/L, pretože každý mól CaCl₂ uvoľní dva móly Cl⁻.

Po dosadení do vzorca:

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

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

Ión vápnika prispieva do súčtu hodnotou 0,2, hoci jeho koncentrácia je zo všetkých štyroch najnižšia, pretože jeho náboj sa umocní na 4.

Ďalšie riešené príklady

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

Prečo je iónová sila dôležitá

Stabilita bielkovín. Bielkoviny sa skladajú a zostávajú stabilné v určitom rozsahu iónovej sily, často približne medzi 50 a 200 mmol/L. Nabité časti bielkoviny sa navzájom odpudzujú alebo priťahujú a ióny v roztoku tieto sily oslabujú. Bielkovina, ktorá je stabilná pri jednej iónovej sile, sa pri inej môže zhlukovať alebo rozvinúť, dokonca aj pri rovnakom pH.

Meranie elektródou a meranie pH. Hodnota nameraná pH elektródou čiastočne závisí od iónovej sily meraného roztoku, pretože iónová sila ovplyvňuje malé napätie na referenčnom spoji elektródy. Analytickí chemici často pridávajú pevne stanovené množstvo základnej soli, aby počas meraní udržiavali iónovú silu konštantnú.

Environmentálna a priemyselná chémia. Sladká riečna voda má iónovú silu približne od 0,001 do 0,01 mol/L, zatiaľ čo morská voda má hodnotu blízku 0,7 mol/L. Tento rozdiel mení spôsob, akým sa kovy a znečisťujúce látky rozpúšťajú, pohybujú a stávajú dostupnými živým organizmom. Iónová sila ovplyvňuje aj to, ako dobre sa častice pri úprave vody zhlukujú.

Iónová sila verzus molarita

Molarita vyjadruje počet mólov látky na liter roztoku a so všetkými rozpustenými časticami zaobchádza rovnako. Iónová sila namiesto toho váži každý ión druhou mocninou jeho náboja. Pri jednoduchej soli, ako je NaCl, v ktorej oba ióny nesú jeden náboj, sú iónová sila a molarita rovnaké. Pri soliach s viacnásobne nabitými iónmi, ako sú CaCl₂ alebo MgSO₄, je iónová sila vyššia než molarita soli, pretože k celkovej hodnote prispieva rozštiepenie na väčší počet iónov aj umocnenie vyšších nábojov.

Často kladené otázky

Na čo sa iónová sila používa? Predpovedá, ako budú ióny v roztoku vzájomne pôsobiť a ako budú pôsobiť s nabitými molekulami, napríklad bielkovinami a DNA. Používa sa pri príprave laboratórnych pufrov, meraní pH, chromatografii a modelovaní chémie vody.

Môže byť iónová sila záporná? Nie. Každý člen vzorca obsahuje druhú mocninu náboja, ktorá je vždy nulová alebo kladná, takže iónová sila nikdy nemôže byť menšia než nula.

Ovplyvňuje neutrálna molekula, napríklad cukor, iónovú silu? Nie. Molekula bez elektrického náboja má náboj rovný nule a druhá mocnina nuly je nula, takže k súčtu nič nepridáva.

Prečo má chlorid vápenatý pri rovnakej koncentrácii vyššiu iónovú silu než chlorid sodný? Vápnik nesie náboj +2, takže jeho príspevok sa násobí hodnotou 2² = 4. Každý mól CaCl₂ tiež uvoľní dva móly chloridových iónov namiesto jedného. Oba tieto účinky zvýšia celkovú hodnotu nad hodnotu, ktorú by poskytla rovnaká koncentrácia NaCl.

Aké jednotky sa používajú pre iónovú silu? Mol/L (molárne) pri koncentráciách vyjadrených podľa objemu roztoku alebo mol/kg (molálne) pri koncentráciách vyjadrených podľa hmotnosti rozpúšťadla. Molalita sa uprednostňuje pri koncentrovaných roztokoch, v ktorých sa objem po pridaní rozpustenej látky mení.

Mení sa iónová sila s pH? Áno, pri roztokoch obsahujúcich slabé kyseliny alebo zásady. Keď sa pH mení, tieto látky prijímajú alebo odovzdávajú protóny a menia svoj náboj, čím sa mení aj ich príspevok do súčtu. Fosfátový pufor má napríklad inú iónovú silu pri pH 6 než pri pH 8, a to aj pri rovnakej celkovej koncentrácii fosfátu.

Zdroje

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. vyd.). Oxford University Press.