Ionenbeweglichkeit

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Die Ionenbeweglichkeit ist in der physikalischen Chemie definiert als die Beweglichkeit \mu=\frac{v}{E} von Ionen in einem Lösungsmittel bei einer bestimmten Temperatur, wobei v die Driftgeschwindigkeit und E die elektrische Feldstärke ist. Die Ionenbeweglichkeit gibt somit die Wanderungsgeschwindigkeit von Ionen einer bestimmten Art in Wasser von 25 °C (298 K) in einem elektrischen Feld von 1 V/m an.

Die Beweglichkeit gelöster Ionen hängt von ihrer Größe, Ladung, der Hydrathülle und anderen Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel ab. Die Ionenbeweglichkeit häufiger anorganischer Kationen und Anionen liegt in der Größenordnung von rund 5·10-8 m2/(s·V). Augenfällig sind zwei Ausnahmen, die Hydroxidionen und die Hydroniumionen haben eine vier- bzw. siebenmal höhere Beweglichkeit. Dies ist auf das Ausbilden von Wasserstoffbrückenbindungen und eine Ionenwanderung durch den Grotthuß-Mechanismus zurückzuführen.

Mit der Ionenbeweglichkeit hängt die spezifische Leitfähigkeit von Elektrolyten zusammen.

Die unterschiedliche Ionenbeweglichkeit wird in verschiedenen Elektrophorese-Methoden genutzt, um ionische Substanzen im elektrischen Feld zu trennen und z. B. getrennt einer Messung zuzuführen.

Beweglichkeiten einiger Ionen in m2/(s·V):

Kation [m2/(s·V)]
H+ 36,23·10-8
Li+ 4,01·10-8
Na+ 5,19·10-8
K+ 7,62·10-8
Ag+ 6,24·10-8
NH4+ 7,63·10-8
Zn2+ 5,47·10-8
Fe2+ 4,8·10-8
La3+ 5,7·10-8
Anion [m2/(s·V)]
OH 20,64·10-8
F 5,70·10-8
Cl 7,91·10-8
Br 8,09·10-8
I 7,96·10-8
NO3 7,40·10-8
MnO4 5,6·10-8
SO42− 8,29·10-8
CO32− 7,46·10-8


Die Beweglichkeit von Ionen in elektrischen Feldern wird beschrieben durch die Einstein-Smoluchowski-Beziehung in Verbindung mit Diffusionskoeffizienten aus dem 1. Fickschen Gesetz. Diese Darstellung wird gelegentlich auch als „Nernst-Einstein-Beziehung“ bezeichnet.

\mu = \frac{q}{k\, T}D,

mit

  • \, q Ladung der Teilchen,
  • \, k die Boltzmann-Konstante,
  • \, T die absolute Temperatur ,
  • \, D Diffusionskoeffizient der Teilchen im Medium


Die Ionenbeweglichkeit in der Gasphase spielt bei analytischen Instrumenten wie den Ionen-Mobilitäts-Spektrometern eine wesentliche Rolle. Hier wird die unterschiedliche Driftgeschwindigkeit von Ionen in einem äußeren elektrischen Feld ausgenutzt, um eine Trennung verschiedener Analyte nach deren Ionisierung zu erreichen.

Literatur[Bearbeiten]

  • Eggert, John; L. Hock; G.-M. Schwab: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. 9. Aufl., S.-Hirzel-Verlag, Stuttgart 1968.
  • Atkins, Peter W.; Julio de Paula: Physikalische Chemie. 4. Aufl., Wiley-VCH, Weinheim 2006.