8-1 離子強度對鹽類之溶解度的影響性
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考慮溶於蒸餾水的 飽和溶液。
在圖 6-1 顯示,溶解度是 0.015 M。而溶解的物種主要是 0.010 M 、0.010 M ,和 0.005 M (離子對)。
此時將的這類鹽類添加到這份溶液時,就可以觀察到 一種很有趣的影響效應。而 和 都不會與 或者 發生反應。然而當 0.050 M 被添加到 飽和溶液時,會有更多的固體被溶解,直到 和的濃度值都已經增加約 30%。
離子雲會稀釋 (降低) 在離子之間的吸引力。比起單獨的陽離子,陽離子和它的負電性離子雲會帶有相對較小的淨正電荷值。 而相對於單獨的陰離子,陰離子和它的正電性離子雲會帶有相對 較小的淨負電荷值。在陽離子與它的離子雲,和陰離子與它的離子雲等兩者之間的淨吸引力會小於,在不存有離子雲而純粹只有陽離子與陰離子之間的吸引力。當溶液中含有越大的離子強度值,則在離子雲中的淨電荷也會更大。每一組離子與其離子雲都只含有較小的淨電荷,因此在任何特定的陽離子與陰離子之間會幾乎不存在有吸引力。
增加離子強度值促進了解離反應而形成離子。 因此如果離子強度值被增大,比如說,從 0.01 M 到 0.1 M 時,在下列的每一種反應都被迫向右反應:
由圖 8-3 顯示出,添加鹽類對酒石酸氫鉀之溶解度的影響性。
離子強度 (ionic strength),μ,溶液中之離子總濃度的一種測量值。當離子帶有越大的電荷值,則它的貢獻占比就會越大。
在顯微鏡觀測下,使用細針頭將帶有兩個正電荷 (兩價陽離子) 的陽離子注射入單一活細胞,與細胞內的陰離子性組成分形成緊密結合的離子對,而將這些陰離子萃取出來,再使用質譜法鑑定之。在圖示裡的兩價陽離子可以從單一細胞中萃取出 70 種可辨識出的代謝物, 其中包括有葉酸 (維他命 B9)。對於不同的陰離子種類而言,不同的兩價陽離子是具有選擇性的。單一細胞中的化學是生物科學中的一項新發展領域。
通常對於微溶的鹽類 (),添加「惰性」鹽類 () 會 增加微溶性鹽類的溶解度。「惰性」意味著不會與 發生化學反應。當鹽類被添加到溶液時,可以聲明這份溶液的離子強度值會增大。後續章節就將會探討離子強度的定義。
當鹽類被添加到溶液中時,溶解度為什麼會增加? 可以考慮溶液中的一個特定離子和一個特定離子。此時的會被、陽離子 (,),與陰離 子 (,) 等所圍繞。然而因為陽離子被陰離子所吸 引,而陰離子則是會被排斥,所以相對於陰離子,就會有更多的陽離子圍繞著陰離子。這些交互作用會在任何特定的陰離子周圍,建立出一個淨正電荷的區域。這個區域被稱為離子雲 (ionic atmosphere) (請參考圖 8-2)。離子會持 續擴散進入與離開這種離子雲。經過一段時間之後的平均狀況是,在離子雲裡的淨電荷值會小於中心陰離子帶有的電荷值。與此類似,負電荷的離子雲也會圍繞著溶液中的任何陽離子。
相對於它們在蒸餾水中對彼此的吸引力,增加離子強度值會降低在任何特定和任何之間的吸引力。影響效應是降低他們彼此接近的傾向,因此增加了的溶解度。
在其中,是第 i 個物種的濃度值,而是它帶有的電荷數。這種加總情況會推廣到所有的離子。
1 mM 溶液的離子強度值等於多少?
因為的陽離子和陰離子兩者帶有電荷值都等於 1, 所以被稱為 1:1 的電解質。對於 1:1 的電解質而言,離子強度值等於體積莫耳濃度值。對於其他的化學計量關係 (譬如 2:1的電解質),離子強度值會大於體積莫耳濃度值。
除了最稀釋的溶液以外,要計算出任何的離子強度值都是很複雜的,因為當鹽類含有帶有電荷值 ≥ 2 的離子時,並無法發生完全解離的現象。由專欄 8-1 可以發現到,在具有克式量濃度值 的 0.025 M 溶液中,有 35% 的是鍵結成離子對,。當濃度值越高且離子電荷值越大時,就會形成越多的離子對。離子對在化學中是無所不在的。而在專欄 8-2 顯示出,如何利用離子對方式從單一活細胞中萃取出離子性代謝物, 並辨識之。