Fuerza iónica

La fuerza iónica de una solución es una medida de la concentración de iones en esa solución. Los compuestos iónicos, cuando se disuelven en agua, se disocian en iones. La concentración total de electrolitos en solución afectará propiedades importantes como la constante de disociación o la solubilidad de diferentes sales. Una de las principales características de una solución con iones disueltos es la fuerza iónica. La fuerza iónica puede ser molar (mol/L de solución) o molal (mol/kg de disolvente) y, para evitar confusiones, las unidades deben indicarse explícitamente. El concepto de fuerza iónica fue introducido por primera vez por Lewis y Randall en 1921 al describir los coeficientes de actividad de electrolitos fuertes.

Cuantificación de la fuerza iónica

La fuerza iónica molar, I, de una solución es función de la concentración de todos los iones presentes en esa solución.

I=12. . i=1ncizi2{displaystyle I={begin{matrix}{frac {1}{2}end{matrix}sum ¿Qué?

donde la mitad es porque incluimos cationes y aniones, c_i es la concentración molar del ion i (M, mol/L), z_i es el número de carga de ese ion, y la suma se toma de todos los iones en la solución. Para un electrolito 1:1 como el cloruro de sodio, donde cada ion tiene una carga única, la fuerza iónica es igual a la concentración. Sin embargo, en el caso del electrolito MgSO4, cada ion tiene doble carga, lo que produce una fuerza iónica cuatro veces mayor que una concentración equivalente de cloruro de sodio:

I=12[c()+2)2+c()− − 2)2]=12[4c+4c]=4c{displaystyle I={2}[c(+2)}+c(-2)^{2}={2}={2}{2}{2} {4c+4c}=4c}

Los iones generalmente multivalente contribuyen fuertemente a la fuerza iónica.

Ejemplo de cálculo

Como ejemplo más complejo, la fuerza iónica de una solución mixta de 0,050 M en Na₂SO₄ y 0,020 M en KCl es:

I=12× × [{}()concentración de Na2Así que...4 en M)× × ()Número de Na+)× × ()cargo Na+)2} +{}()concentración de Na2Así que...4 en M)× × ()Número de Así que...42− − )× × ()cargo Así que...42− − )2} +{}()concentración de KCl en M)× × ()Número de K+)× × ()cargo K+)2} +{}()concentración de KCl en M)× × ()Número de Cl− − )× × ()cargo Cl− − )2}]=12× × [{}0,050M× × 2× × ()+1)2}+{}0,050M× × 1× × ()− − 2)2}+{}0,020M× × 1× × ()+1)2}+{}0,020M× × 1× × ()− − 1)2}]=0.17M{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {f} {f}fnMicrosoft Sans Serif}fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans} {fnMicrosoft Sans Serif}}fnMicrosoft Sans}fnMicrosoft Sans}fnMicrosoft Sans Serif}}fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans {fnMicrosoft Sansigues}}fnMicrosoft Sans Serif} {f}fnMicrosoft {N+})} {2}f}} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {f} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft}} {f} {f}f}f}fnMicrosoft} {fnMicrosoft}f}fnMicrosoft}fnMicrosoft}f}f}f}fnMicrosoft}fnMicrosoft}fnMicrosoft}f}fnMicrosoft}fnMicrosoft}fnMicrosoft}fnMicrosoft {fnMicrosoft {f}fnMicrosoft}fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft}f}fnMi {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {1}{2}times [{0.050Mtimes 2times (+1)^{2}}+{0.050 Mtimes 1times (-2)^{2}\{0.020 Mtimes 1times (+1)^{2}\{0.020 Mtimes 1times (-1)^{2}\\}\\fn0.17Mend{aligned}}

Soluciones no ideales

Debido a que en soluciones no ideales los volúmenes ya no son estrictamente aditivos, a menudo es preferible trabajar con la molalidad b (mol/kg de H₂O) en lugar de la molaridad. c (mol/L). En ese caso, la fuerza iónica molal se define como:

I=12. . i=1nbizi2{displaystyle I={frac}{2}sum ¿Qué?

en el cual

i Número de identificación de iones

z = carga de ión

b = molality (soluto de molde por disolvente Kg)

Importancia

La fuerza iónica juega un papel central en la teoría de Debye-Hückel que describe las fuertes desviaciones de la idealidad que suelen encontrarse en las soluciones iónicas. También es importante para la teoría de la doble capa y los fenómenos electrocinéticos y electroacústicos relacionados en coloides y otros sistemas heterogéneos. Es decir, la longitud de Debye, que es la inversa del parámetro de Debye (κ), es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la fuerza iónica. Se han utilizado fuerzas iónicas tanto molar como molal, a menudo sin una definición explícita. La longitud de Debye es característica del espesor de doble capa. El aumento de la concentración o valencia de los contraiones comprime la doble capa y aumenta el gradiente de potencial eléctrico.

Los medios de alta fuerza iónica se utilizan en la determinación de la constante de estabilidad para minimizar los cambios, durante una titulación, en el cociente de actividad de los solutos en concentraciones más bajas. Las aguas naturales como el agua mineral y el agua de mar tienen a menudo una fuerza iónica no despreciable debido a la presencia de sales disueltas que afectan significativamente a sus propiedades.