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이온 강도

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목차

1. 개요

이온 강도는 용액 내 모든 이온의 농도를 나타내는 척도이다. 이온 강도는 용액 내 각 이온의 몰 농도와 전하수를 이용하여 계산하며, 다원자 이온은 이온 강도에 크게 기여한다. 이온 강도는 데바이-휘켈 이론, 이중층 이론, 콜로이드 및 불균일 계에서의 전기동역학 현상, DLVO 이론 등에서 중요한 역할을 한다. 또한, 평형 상수 결정 및 자연수와 해양 환경의 특성에도 영향을 미친다.

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이온 강도
일반 정보
기호I
정의용액 내 이온의 농도를 나타내는 척도
단위몰/kg (mol/kg) 또는 몰/L (mol/L)
공식 정의
공식I = 1/2 \Sigma c_i z_i^2
여기서"c_i: 이온 i의 몰 농도"
"z_i: 이온 i의 전하수"
응용
용도전해질 용액의 특성 연구
이온 간의 상호 작용을 정량화
활동도 계수 계산
이온 선택 전극의 보정
반응 속도에 미치는 영향 예측
역사적 맥락
개발자길버트 뉴턴 루이스와 멀 랜들 (1921년)
초기 목적비 이상적인 용액의 거동을 설명하기 위해 개발됨
측정 및 계산
측정 방법전기 전도도 측정
이온 선택 전극 사용
이론적 계산
계산 시 주의사항모든 이온 종을 고려해야 함
이온 쌍 형성을 고려해야 할 수 있음
예시
1M NaCl 용액I = 1M
1M MgSO4 용액I = 4M

2. 이온 강도의 정량

용액의 이온 강도(''I'')는 용액에 존재하는 모든 이온 농도의 함수이며, 몰 농도 (M, mol/L)를 기준으로 계산된다. 이온 강도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.[3]

: I ={1 \over 2} \sum_{i=1}^n c_i z^2_i

여기서 ''c''i는 이온 i의 몰 농도, ''z''i는 이온 i의 전하수이며, 합은 용액 내의 모든 이온에 대해 계산한다.

염화 나트륨과 같이 각 이온이 단일 전하를 띠는 1:1 전해질의 경우, 이온 강도는 농도와 같다. 반면, 황산 마그네슘과 같이 이중 전하를 띠는 이온을 포함하는 전해질의 경우, 이온 강도는 같은 농도의 염화 나트륨보다 4배 더 높다. 일반적으로 다원자 이온은 이온 강도에 큰 영향을 미친다.

2. 1. 몰 농도 기준

용액의 이온 강도(''I'')는 용액에 존재하는 모든 이온 농도의 함수이며, 다음과 같이 계산된다.[3]

: I ={1 \over 2} \sum_{i=1}^n c_i z^2_i

여기서 1/2은 양이온과 음이온을 모두 포함하기 때문이며, ''c''i는 이온 i의 몰 농도 (M, mol/L)이고, ''z''i는 해당 이온의 전하 수이며, 합은 용액 내의 모든 이온에 대해 계산된다.[3]

염화 나트륨과 같은 1:1 전해질의 경우, 이온 강도는 농도와 같다. 그러나 황산 마그네슘과 같이 각 이온이 이중 전하를 띠는 전해질의 경우, 이온 강도는 같은 농도의 염화 나트륨보다 4배 더 높다.

:I = \frac{1}{2}[c(+2)^2+c(-2)^2] = \frac{1}{2}[4c + 4c] = 4c

일반적으로 다원자 이온은 이온 강도에 강하게 기여한다.

2. 2. 몰랄 농도 기준

비이상 용액에서는 부피가 더 이상 엄격하게 가산되지 않기 때문에, 몰 농도 ''c'' (mol/L)보다는 몰랄 농도 ''b'' (mol/kgH₂O)를 사용하는 것이 더 선호되는 경우가 많다.[4] 이 경우 몰랄 이온 세기는 다음과 같이 정의된다.[4]

: I = \frac{1}{2}\sum_{{i}=1}^{n} b_{i}z_{i}^{2}

  • ''i'' = 이온 식별 번호[4]
  • ''z'' = 이온의 전하[4]
  • ''b'' = 몰랄 농도(용매 1kg당 용질 mol)[4]

2. 3. 계산 예시

용액의 이온 강도 ''I''는 용액에 존재하는 모든 이온 농도의 함수이다.

: I = \frac{1}{2} \sum_{i=1}^n c_i z^2_i

여기서 c_i 는 이온의 몰 농도 (M, mol/L)이고, z_i 는 이온의 전하수이며, 합은 용액 내의 모든 이온을 통해 구한다. 소금물(NaCl)과 같은 1:1 전해질의 경우, 이온 강도는 농도와 같지만, MgSO4의 경우에는 이온 강도가 4배 높아진다. 일반적으로 다원자가 이온들은 이온 강도에 강하게 기여한다.

더 복잡한 예로, 0.050 M Na2SO4와 0.020 M KCl의 혼합 용액의 이온 세기는 다음과 같다.

:

I = \frac{1}{2} \times

\begin{bmatrix}

(\ce{Na2SO4} \text{의 농도 in M}) \times (\ce{Na+} \text{의 수}) \times (\ce{Na+} \text{의 전하})^2 + \\

(\ce{Na2SO4} \text{의 농도 in M}) \times (\ce{SO4^2-} \text{의 수}) \times (\ce{SO4^2-} \text{의 전하})^2 + \\

(\ce{KCl} \text{의 농도 in M}) \times (\ce{K+} \text{의 수}) \times (\ce{K+} \text{의 전하})^2 + \\

(\ce{KCl} \text{의 농도 in M}) \times (\ce{Cl-} \text{의 수}) \times (\ce{Cl-} \text{의 전하})^2

\end{bmatrix}



:

I = \frac{1}{2} \times [\{0.050 M \times 2 \times (+1)^2\} + \{0.050 M \times 1 \times (-2)^2\} + \{0.020 M \times 1 \times (+1)^2\} + \{0.020 M \times 1 \times (-1)^2\}]



: I = 0.17 M

3. 비이상 용액

비이상 용액에서는 부피가 더 이상 엄격하게 가산되지 않기 때문에, 몰농도 ''c'' (mol/L)보다는 몰랄 농도 ''b'' (H₂O 1kg당 mol)를 사용하는 것이 더 선호되는 경우가 많다. 이 경우 몰랄 이온 세기는 다음과 같이 정의된다.[4]

: I = \frac{1}{2}\sum_{{i}=1}^{n} b_{i}z_{i}^{2}

여기서

:''i'' = 이온 식별 번호

:''z'' = 이온의 전하

:''b'' = 몰랄 농도(용매 1kg당 용질 mol)

4. 중요성

이온 강도는 데바이-휘켈 이론에서 이온성 용액이 이상적인 값에서 벗어나는 정도를 설명하는 데 중요한 역할을 한다.[5][6] 또한 이중층 이론, 전기동역학 현상, 전기음향 현상 등 콜로이드 및 불균일 계에서도 중요하게 다뤄진다.

드바이 길이(디바이 변수 ''κ''의 역수)는 이온 강도의 제곱근에 반비례하며, 이중층 두께를 나타낸다. 반대 이온의 농도나 원자가가 증가하면 이중층이 압축되고 전기적 전위 기울기가 증가한다.

평형 상수를 결정할 때 낮은 농도에서는 용질의 활량 계수 변화가 생기는데, 이를 최소화하기 위해 높은 이온 농도의 매체가 사용된다. 해수와 같은 자연수는 염이 녹아 있어 어느 정도 이온 강도를 가지며, 이는 자연수의 특성에 큰 영향을 준다.

4. 1. Debye-Hückel 이론

이온 강도는 이온성 용액에서 나타나는 이상적인 값과의 큰 차이를 설명하는 데바이-휘켈 이론에서 중요한 역할을 한다.[5][6] 또한 이중층 이론, 전기동역학 현상, 전기음향 현상, DLVO 이론에서의 콜로이드, 그리고 다른 불균일 시스템에서도 중요하다.

즉, 드바이 길이(드바이 파라미터(''κ'')의 역수)는 이온 강도의 제곱근에 반비례한다. 몰 농도와 몰랄 이온 강도가 모두 사용되며, 종종 명확한 정의 없이 사용되기도 한다. 드바이 길이는 이중층 두께를 나타내는 특징적인 값이다. 반대 이온의 농도나 원자가를 증가시키면 이중층이 압축되고 전기적 전위 기울기가 증가한다.

높은 이온 강도를 가진 매체는 적정 과정에서 낮은 농도의 용질이 가지는 활성도 지수의 변화를 최소화하기 위해 안정도 상수 결정에 사용된다. 미네랄 워터나 해수와 같은 천연수는 용해된 염 때문에 무시할 수 없는 이온 강도를 가지며, 이는 천연수의 특성에 큰 영향을 미친다.

4. 2. 이중층 및 전기동역학 현상

이온 강도는 이온성 용액에서 일반적으로 나타나는 이상성으로부터의 심각한 편차를 설명하는 드바이-히켈 이론에서 중심적인 역할을 한다.[5][6] 또한 이중층 이론, 관련된 전기동역학 현상 및 전기음향 현상과 DLVO 이론의 콜로이드, 그리고 다른 불균일 시스템에서도 중요하다. 즉, 드바이 파라미터(''κ'')의 역수인 드바이 길이는 이온 강도의 제곱근에 반비례한다. 몰 농도와 몰랄 이온 강도가 모두 사용되었으며, 종종 명시적인 정의 없이 사용된다. 드바이 길이는 이중층 두께의 특징이다. 반대 이온의 농도 또는 원자가를 증가시키면 이중층이 압축되고 전기적 전위 기울기가 증가한다.

높은 이온 강도를 가진 매체는 적정 동안 더 낮은 농도의 용질의 활성도 지수의 변화를 최소화하기 위해 안정도 상수 결정에 사용된다. 미네랄 워터 및 해수와 같은 천연수는 용해된 염의 존재로 인해 종종 무시할 수 없는 이온 강도를 가지며, 이는 그들의 특성에 상당한 영향을 미친다.

4. 3. 평형 상수 결정

높은 이온 강도를 가진 매체는 적정 과정에서 낮은 농도의 용질 활성도 지수 변화를 최소화하기 위해 안정도 상수 결정에 사용된다.[5][6] 미네랄 워터 및 해수와 같은 천연수는 용해된 염의 존재로 인해 무시할 수 없는 이온 강도를 가지며, 이는 천연수의 특성에 상당한 영향을 미친다.

4. 4. 자연수 및 해양 환경

데바이-휘켈 이론은 이온 용액에서 나타나는 이상성으로부터의 심각한 편차를 설명하는데, 이온 강도는 이 이론에서 중심적인 역할을 한다.[5][6] 또한 이중층 이론, 관련된 전기동역학 현상 및 전기음향 현상과 DLVO 이론의 콜로이드, 그리고 다른 불균일 시스템에서도 중요하다. 드바이 길이는 이온 강도의 제곱근에 반비례하며, 몰 농도와 몰랄 이온 강도가 모두 사용되는데, 종종 명시적인 정의 없이 사용된다. 드바이 길이는 이중층 두께의 특징이다. 반대 이온의 농도 또는 원자가를 증가시키면 이중층이 압축되고 전기적 전위 기울기가 증가한다.

높은 이온 강도를 가진 매체는 적정 동안 더 낮은 농도의 용질의 활성도 지수의 변화를 최소화하기 위해 안정도 상수 결정에 사용된다. 미네랄 워터 및 해수와 같은 천연수는 용해된 염의 존재로 인해 종종 무시할 수 없는 이온 강도를 가지며, 이는 그들의 특성에 상당한 영향을 미친다.

참조

[1] 논문 The definition and unit of ionic strength
[2] 논문 The concept of ionic strength eighty years after its introduction in chemistry
[3] 참고자료 Ionic strength, ''I''
[4] 문서 Standard definition of molality
[5] 논문 Zur Theorie der Elektrolyte. I. Gefrierpunktserniedrigung und verwandte Erscheinungen http://electrochem.c[...]
[6] 서적 Fundamentals of analytical chemistry https://archive.org/[...] Brooks/Cole Pub Co


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