Введение
Количественное определение электрических взаимодействий между ионами в растворе. Ионная сила раствора является мерой концентрации ионов в этом растворе. Ионные соединения при растворении в воде диссоциируют на ионы. Общая концентрация электролита в растворе влияет на важные свойства, такие как константа диссоциации или растворимость различных солей. Одной из основных характеристик раствора, содержащего ионы, является ионная сила. Ионная сила может быть выражена в молярных (моль/л раствора) или моляльных (моль/кг растворителя) единицах, и для избежания путаницы следует явно указывать используемые единицы измерения. Понятие ионной силы было впервые введено Льюисом и Рэндаллом в 1921 году при описании коэффициентов активности сильных электролитов.
The ionic strength of a solution is a measure of the concentration of ions in that solution. Ionic compounds, when dissolved in water, dissociate into ions. The total electrolyte concentration in solution will affect important properties such as the dissociation constant or the solubility of different salts. One of the main characteristics of a solution with dissolved ions is the ionic strength. Ionic strength can be molar (mol/L solution) or molal (mol/kg solvent) and to avoid confusion the units should be stated explicitly. The concept of ionic strength was first introduced by Lewis and Randall in 1921 while describing the activity coefficients of strong electrolytes.
Количественная ионная прочность
Молярная ионная сила, I, раствора является функцией концентрации всех ионов, присутствующих в этом растворе. Половина в формуле учитывает как катионы, так и анионы, ci – молярная концентрация иона i (М, моль/л), zi – зарядность этого иона, а суммирование производится по всем ионам в растворе. Для электролита 1:1, такого как хлорид натрия, где каждый ион имеет заряд +1 или -1, ионная сила равна концентрации. Однако для электролита MgSO4 каждый ион имеет двойной заряд, что приводит к ионной силе, в четыре раза превышающей ионную силу эквивалентной концентрации хлорида натрия:
В целом, многозарядные ионы вносят значительный вклад в ионную силу.
Пример расчета
В качестве более сложного примера, ионная сила смешанного раствора с концентрацией 0,050 М Na2SO4 и 0,020 М KCl равна:
Важность
Ионная сила играет центральную роль в теории Дебая–Гюккеля, описывающей значительные отклонения от идеальности, обычно наблюдаемые в ионных растворах. Она также важна для теории двойного слоя и связанных с ним электрокинетических и электроакустических явлений в коллоидах и других гетерогенных системах. А именно, длина Дебая, являющаяся обратной величиной параметра Дебая (κ), обратно пропорциональна квадратному корню ионной силы. Используются как молярная, так и моляльная ионная сила, зачастую без четкого определения. Длина Дебая характеризует толщину двойного слоя. Увеличение концентрации или валентности противоионов приводит к сжатию двойного слоя и увеличению градиента электрического потенциала. Среды с высокой ионной силой применяются при определении констант стабильности для минимизации изменений коэффициента активности растворенных веществ во время титрования при более низких концентрациях. Природные воды, такие как минеральная и морская вода, часто обладают заметной ионной силой из-за присутствия растворенных солей, что существенно влияет на их свойства.