Калкулатор јонске јачине - Бесплатни онлајн алат за хемију раствора

Шта је јонска јачина?

Јонска јачина је мера укупне концентрације јона у раствору, при чему се узима у обзир квадрат електричног наелектрисања сваког јона. Означава се симболом I и обично се изражава у моловима по литру (mol/L). За разлику од обичне моларности, која све растворене честице броји на исти начин, јонска јачина већу тежину придаје јонима са већим наелектрисањем. Јон калцијума (Ca²⁺) доприноси јонској јачини четири пута више од јона натријума (Na⁺) при истој концентрацији, јер му је наелектрисање двоструко веће, а у формули се наелектрисање квадрира.

Хемичари користе јонску јачину за предвиђање понашања јона у раствору. Она утиче на савијање протеина, начин на који електроде мере pH, брзину одвијања неких хемијских реакција и растварање соли.

Формула за јонску јачину

Формула за јонску јачину је:

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

Овде је $c_i$ моларна концентрација јона $i$ у mol/L, а $z_i$ је наелектрисање тог јона, на пример +1 за Na⁺ или -2 за SO₄²⁻. Збир обухвата овај производ за сваки јон у раствору, а затим се укупан резултат множи са једном половином.

Фактор једне половине одржава резултат усклађеним са обичном моларношћу код једноставних соли 1:1. На пример, раствор натријум-хлорида (NaCl) концентрације 0,1 mol/L има јонску јачину тачно 0,1 mol/L, што одговара његовој моларној концентрацији.

Квадрирање наелектрисања значи да његов знак није важан. Негативни јон (анјон) и позитивни јон (катјон) са истим бројем наелектрисања доприносе истом количином. Важна је само величина наелектрисања, а не то да ли је позитивно или негативно. Неутрални молекул, као што је глукоза, има наелектрисање једнако нули, па не доприноси јонској јачини.

Како израчунати јонску јачину

1. Наведите сваки јон у раствору, заједно са његовом моларном концентрацијом и наелектрисањем.
2. Имајте на уму да се растворена со раздваја на засебне јоне. Један мол калцијум-хлорида (CaCl₂) даје један мол Ca²⁺ и два мола Cl⁻, а не по један мол сваког јона.
3. За сваки јон помножите његову концентрацију квадратом наелектрисања.
4. Саберите ове вредности за све јоне.
5. Помножите укупан збир са 0,5 да бисте добили јонску јачину.

Овај калкулатор аутоматски обавља аритметичке операције. Унесите концентрацију и наелектрисање за сваки јон и додајте ред за сваки јон у раствору. Резултат се ажурира док се вредности уносе и може се копирати у лабораторијску свеску или извештај.

Пример: јонска јачина раствора мешовите соли

Размотримо раствор направљен од 0,1 mol/L натријум-хлорида (NaCl) и 0,05 mol/L калцијум-хлорида (CaCl₂).

Свака со се потпуно раздваја на своје јоне:

Хлорид из CaCl₂ има концентрацију 0,1 mol/L, јер сваки мол CaCl₂ ослобађа два мола Cl⁻.

Применом формуле:

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

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

Јон калцијума доприноси збиру са 0,2 иако му је концентрација најмања од четири концентрације, јер се његово наелектрисање квадрира на 4.

Још решених примера

• Само 0,1 mol/L NaCl: I = 0,5 × [(0,1 × 1²) + (0,1 × 1²)] = 0,1 mol/L.
• Само 0,1 mol/L CaCl₂: Ca²⁺ има концентрацију 0,1 mol/L, а Cl⁻ 0,2 mol/L, па је I = 0,5 × [(0,1 × 2²) + (0,2 × 1²)] = 0,3 mol/L.
• 0,05 mol/L NaCl плус 0,02 mol/L MgSO₄: I = 0,5 × [(0,05 × 1²) + (0,05 × 1²) + (0,02 × 2²) + (0,02 × 2²)] = 0,13 mol/L.

Зашто је јонска јачина важна

Стабилност протеина. Протеини се савијају и остају стабилни у одређеном опсегу јонске јачине, често приближно између 50 и 200 mmol/L. Наелектрисани делови протеина се међусобно одбијају или привлаче, а јони у раствору слабе ове силе. Протеин који је стабилан при једној јонској јачини може да се згруша или расклопи при другој, чак и при истој pH вредности.

Мерење помоћу електрода и мерење pH вредности. Очитавање pH електроде делимично зависи од јонске јачине мереног раствора, јер јонска јачина утиче на мали напон на референтном споју електроде. Аналитички хемичари често додају одређену количину позадинске соли како би јонска јачина током мерења остала константна.

Хемија животне средине и индустријска хемија. Свежа речна вода има јонску јачину од приближно 0,001 до 0,01 mol/L, док је јонска јачина морске воде близу 0,7 mol/L. Ова разлика мења начин на који се метали и загађивачи растварају, крећу и постају доступни живим организмима. Јонска јачина такође утиче на то колико се добро честице згрушавају током пречишћавања воде.

Јонска јачина у односу на моларност

Моларност представља број молова супстанце по литру раствора, при чему се све растворене честице третирају једнако. Јонска јачина, насупрот томе, сваки јон вреднује према квадрату његовог наелектрисања. Код једноставне соли као што је NaCl, чији јони имају по једно наелектрисање, јонска јачина и моларност имају једнаке вредности. Код соли са вишеструко наелектрисаним јонима, као што су CaCl₂ или MgSO₄, јонска јачина је већа од моларности соли, јер и раздвајање на већи број јона и квадрирање већих наелектрисања повећавају укупан збир.

Најчешће постављана питања

За шта се користи јонска јачина? Она предвиђа како ће јони у раствору међусобно деловати и како ће деловати са наелектрисаним молекулима, као што су протеини и ДНК. Користи се при припреми лабораторијских пуфера, мерењу pH вредности, извођењу хроматографије и моделовању хемије воде.

Може ли јонска јачина бити негативна? Не. Сваки члан формуле садржи квадрат наелектрисања, који је увек једнак нули или позитиван, па јонска јачина никада не може бити мања од нуле.

Да ли неутрални молекул попут шећера утиче на јонску јачину? Не. Молекул без електричног наелектрисања има наелектрисање једнако нули, а квадрат нуле је нула, па он ништа не додаје збиру.

Зашто калцијум-хлорид има већу јонску јачину од натријум-хлорида при истој концентрацији? Калцијум има наелектрисање +2, па се његов допринос множи са 2² = 4. Сваки мол CaCl₂ такође ослобађа два мола хлоридних јона уместо једног. Оба ефекта повећавају укупан збир у односу на оно што би дала једнака концентрација NaCl-а.

Које јединице се користе за јонску јачину? mol/L (моларно) за концентрације мерене према запремини раствора или mol/kg (молално) за концентрације мерене према маси растварача. Молална концентрација се даје предност у концентрованим растворима, у којима се запремина мења додавањем растворене супстанце.

Да ли се јонска јачина мења са pH вредношћу? Да, код раствора који садрже слабе киселине или базе. Како се pH мења, ове врсте примају или губе протоне и мењају наелектрисање, чиме се мења њихов допринос збиру. На пример, фосфатни пуфер има различиту јонску јачину при pH 6 и при pH 8, чак и при истој укупној концентрацији фосфата.

Референце

1. Луис, G. N., и Рендал, M. (1923). Термодинамика и слободна енергија хемијских супстанци. McGraw-Hill.
2. Дебај, P., и Хикел, E. (1923). „О теорији електролита“. Физикалише цајтшрифт, 24, 185–206.
3. Харис, Д. Ц. (2010). Квантитативна хемијска анализа (8. издање). В. Х. Фримен и компанија.
4. Аткинс, P., и де Паула, J. (2014). Аткинсова физичка хемија (10. издање). Oxford University Press.