Калькулятор іонної сили - Безкоштовний онлайн-інструмент для хімії розчинів

Що таке йонна сила?

Йонна сила — це міра загальної концентрації йонів у розчині, зважена за квадратом електричного заряду кожного йона. Її позначають символом I і зазвичай виражають у молях на літр (моль/л). На відміну від звичайної молярності, яка враховує всі розчинені частинки однаково, йонна сила надає більшої ваги йонам із вищим зарядом. Йон кальцію (Ca²⁺) робить внесок у йонну силу, у чотири рази більший, ніж йон натрію (Na⁺) за однакової концентрації, оскільки його заряд удвічі більший, а у формулі заряд підносять до квадрата.

Хіміки використовують йонну силу, щоб прогнозувати поведінку йонів у розчині. Вона впливає на згортання білків, вимірювання pH електродами, швидкість деяких хімічних реакцій і розчинення солей.

Формула йонної сили

Формула йонної сили:

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

Тут $c_i$ — молярна концентрація йона $i$ у моль/л, а $z_i$ — заряд цього йона, наприклад +1 для Na⁺ або -2 для SO₄²⁻. Сума додає цей добуток для кожного йона в розчині, після чого загальну суму множать на одну другу.

Множник одна друга узгоджує результат зі звичайною молярністю для простих солей 1:1. Наприклад, розчин хлориду натрію (NaCl) концентрацією 0,1 mol/л має йонну силу, що дорівнює 0,1 mol/л, тобто його молярній концентрації.

Піднесення заряду до квадрата означає, що його знак не має значення. Негативний йон (аніон) і позитивний йон (катіон) з однаковим числовим значенням заряду роблять однаковий внесок. Враховується лише величина заряду, а не те, є він позитивним чи негативним. Нейтральна молекула, наприклад глюкоза, має нульовий заряд, тому не робить внеску в йонну силу.

Як обчислити йонну силу

1. Перелічіть усі йони в розчині, зазначивши їхню молярну концентрацію та заряд.
2. Пам’ятайте, що розчинена сіль дисоціює на окремі йони. Один моль хлориду кальцію (CaCl₂) утворює один моль Ca²⁺ і два молі Cl⁻, а не по одному молю кожного йона.
3. Для кожного йона помножте його концентрацію на квадрат його заряду.
4. Додайте ці значення для всіх йонів.
5. Помножте загальну суму на 0,5, щоб отримати йонну силу.

Цей калькулятор автоматично виконує обчислення. Введіть концентрацію та заряд кожного йона й додайте рядок для кожного йона в розчині. Результат оновлюється під час введення значень, і його можна скопіювати в лабораторний журнал або звіт.

Приклад: йонна сила розчину суміші солей

Розглянемо розчин, виготовлений із 0,1 mol/л хлориду натрію (NaCl) і 0,05 mol/л хлориду кальцію (CaCl₂).

Кожна сіль повністю дисоціює на свої йони:

Концентрація хлорид-йонів із CaCl₂ становить 0,1 mol/л, оскільки кожен моль CaCl₂ вивільняє два молі Cl⁻.

Підставимо дані у формулу:

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

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

Йон кальцію додає до суми 0,2, хоча його концентрація найнижча з чотирьох, оскільки його заряд підносять до квадрата, отримуючи 4.

Інші приклади розв’язання

• Лише 0,1 mol/л NaCl: I = 0,5 × [(0,1 × 1²) + (0,1 × 1²)] = 0,1 mol/л.
• Лише 0,1 mol/л CaCl₂: Ca²⁺ становить 0,1 mol/л, а Cl⁻ — 0,2 mol/л, тому I = 0,5 × [(0,1 × 2²) + (0,2 × 1²)] = 0,3 mol/л.
• 0,05 mol/л NaCl плюс 0,02 mol/л MgSO₄: I = 0,5 × [(0,05 × 1²) + (0,05 × 1²) + (0,02 × 2²) + (0,02 × 2²)] = 0,13 mol/л.

Чому йонна сила має значення

Стабільність білків. Білки згортаються й залишаються стабільними в певному діапазоні йонної сили, часто приблизно від 50 до 200 ммоль/л. Заряджені частини білка відштовхуються або притягуються одна до одної, а йони в розчині послаблюють ці сили. Білок, стабільний за однієї йонної сили, за іншої може злипатися або розгортатися навіть за того самого pH.

Вимірювання електродами та pH. Показання pH-електрода частково залежать від йонної сили досліджуваного розчину, оскільки йонна сила впливає на невелику напругу в електроді порівняння. Аналітичні хіміки часто додають фіксовану кількість фонового електроліту, щоб підтримувати сталу йонну силу під час вимірювань.

Екологічна та промислова хімія. Йонна сила прісної річкової води становить приблизно від 0,001 до 0,01 mol/л, тоді як у морській воді вона близька до 0,7 mol/л. Ця різниця змінює розчинення й переміщення металів і забруднювачів, а також їхню доступність для живих організмів. Йонна сила також впливає на те, наскільки добре частинки злипаються під час очищення води.

Йонна сила та молярність

Молярність — це кількість молів речовини на літр розчину, причому всі розчинені частинки враховуються однаково. Йонна сила натомість зважує кожен йон за квадратом його заряду. Для простої солі, як-от NaCl, у якій обидва йони мають одиничний заряд, йонна сила та молярність однакові. Для солей із багатозарядними йонами, таких як CaCl₂ або MgSO₄, йонна сила вища за молярність солі, оскільки і дисоціація на більшу кількість йонів, і піднесення вищих зарядів до квадрата збільшують загальне значення.

Поширені запитання

Для чого використовують йонну силу? Вона дає змогу прогнозувати, як йони в розчині взаємодіятимуть між собою та із зарядженими молекулами, такими як білки й ДНК. Її використовують під час приготування лабораторних буферних розчинів, вимірювання pH, проведення хроматографії та моделювання хімії води.

Чи може йонна сила бути негативною? Ні. Кожен доданок у формулі містить квадрат заряду, який завжди є нульовим або додатним, тому йонна сила не може бути меншою за нуль.

Чи впливає нейтральна молекула, наприклад цукор, на йонну силу? Ні. Молекула без електричного заряду має нульовий заряд, а квадрат нуля дорівнює нулю, тому вона нічого не додає до суми.

Чому хлорид кальцію має вищу йонну силу, ніж хлорид натрію за однакової концентрації? Кальцій має заряд +2, тому його внесок множиться на 2² = 4. Кожен моль CaCl₂ також вивільняє два молі хлорид-йонів, а не один. Обидва ефекти підвищують загальне значення порівняно з тим, яке дала б така сама концентрація NaCl.

Які одиниці використовують для йонної сили? Моль/л (молярна концентрація) для концентрацій, виміряних за об’ємом розчину, або моль/кг (моляльна концентрація) для концентрацій, виміряних за масою розчинника. Моляльну концентрацію переважно використовують у концентрованих розчинах, де об’єм змінюється під час додавання розчиненої речовини.

Чи змінюється йонна сила з pH? Так, для розчинів, що містять слабкі кислоти або основи. Коли pH змінюється, ці частинки приєднують або втрачають протони та змінюють заряд, що змінює їхній внесок у суму. Наприклад, фосфатний буфер має іншу йонну силу за pH 6, ніж за pH 8, навіть за однакової загальної концентрації фосфату.

Джерела

1. Lewis, G. N., і Randall, M. (1923). Термодинаміка та вільна енергія хімічних речовин. McGraw-Hill.
2. Debye, P., і Hückel, E. (1923). «До теорії електролітів». Physikalische Zeitschrift, 24, 185–206.
3. Harris, D. C. (2010). Кількісний хімічний аналіз (8-те видання). W. H. Freeman and Company.
4. Atkins, P., і de Paula, J. (2014). Фізична хімія Аткінса (10-те видання). Oxford University Press.