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Ionenbeweglichkeit

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Ionenbeweglichkeit

Unter der Ionenbeweglichkeit kannst Du Dir im ersten Moment vielleicht nicht allzu viel vorstellen. Sie ist Dir aber sicher schon begegnet.

Die Ionenbeweglichkeit stellt in der physikalischen Chemie die normierte Wanderungsgeschwindigkeit von Ionen in Wasser bei 25 °C dar und wird in angegeben. Sie spielt hauptsächlich in der Elektrochemie und in der biochemischen Analytik eine Rolle.

Doch was hat es genau mit der Ionenbeweglichkeit in der Chemie auf sich? Diese Fragen sowie alles rund um die Größenordnung der Ionenbeweglichkeit, den Zusammenhang mit der molaren Leitfähigkeit und das Anwendungsgebiet dieser Wanderungsgeschwindigkeit werden in dieser Erklärung präsentiert.

Allgemeines über die Ionenbeweglichkeit

Die Ionenbeweglichkeit wird, wie zuvor erwähnt, vorwiegend in der physikalischen Chemie verwendet. Sie ist eine isotherme auf die elektrischen Feldstärke normierte Konstante. Die Wanderungsgeschwindigkeit nimmt mit größer werdender elektrischer Feldstärke zu, die Ionenbeweglichkeit jedoch nicht. Denn die Ionenbeweglichkeit ist die auf 1 normierte Wandergeschwindigkeit.

Die Feldstärke wird als: definiert. Also entspricht die Feldstärke der Spannung in Volt (V) pro Entfernung in Zentimetern (cm). dabei steht V für die Spannung in Volt.

Die auf 1 normierte (ionische) Wandergeschwindigkeit wird mit v beschrieben und wird in Strecke pro Zeit, alsogemessen.

Die Ionenbeweglichkeit u kannst Du dann aus der Feldstärke und der ionischen Wanderungsgeschwindigkeit errechnen. Die Formel für die Ionenbeweglichkeit u lautet nämlich: . Also dividierst Du hier einfach die Wanderungsgeschwindigkeit durch die Feldstärke und erhältst so die Ionenbeweglichkeit.

Also ist die Ionenbeweglichkeit vereinfacht die Wanderungsgeschwindigkeit pro Feldstärke-Einheit. Sie versucht also den Einfluss des elektrischen Feldes "herauszurechnen", um die "Beweglichkeit" unterschiedlicher Ionen vergleichen zu können. Bei einer Feldstärke von haben Ionenbeweglichkeit und ionische Wanderungsgeschwindigkeit den gleichen Wert. Dabei ist wichtig, dass die Temperatur konstant bleibt, da diese natürlich erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit hat.

Der Begriff isotherm bedeutet "bei gleicher Temperatur".

Die Bewegung der Ionen findet durch das Anlegen eines elektrischen Feldes statt. Dieses elektrische Feld wird zwischen zwei Elektroden in einer wässrigen Lösung angelegt. Dabei gibt es eine Anode, eine positiv geladene Elektrode, und eine Kathode, eine negativ geladene Elektrode. Die Anionen, negativ geladene Ionen, bewegen sich zur Anode und die Kationen, positiv geladene Ionen, wandern zur Kathode. Grund dafür ist die gegenseitige Anziehung von positiver und negativer Ladung.

Einheit der Ionenbeweglichkeit

Die Ionenbeweglichkeit wird oft mit dem Symbol u angegeben. Die Einheit der Ionenbeweglichkeit u ist Ionenbeweglichkeit Einheit der Ionenbeweglichkeit StudySmarter, wenn für die Wanderungsgeschwindigkeit und die elektrische Feldstärkegenutzt werden. Alternativ kann auch für die Wanderungsgeschwindigkeit und für die elektrische Feldstärke verwendet werden. In diesem Fall beträgt die Einheit der Ionenbeweglichkeit Ionenbeweglichkeit Einheit der Ionenbeweglichkeit StudySmarter.

Als Erklärung der Einheiten: u ist, wie schon erwähnt unsere thematisierte Ionenbeweglichkeit. Welche dann also aus Fläche (m2) geteilt durch Spannung (V) mal Zeit (s) berechnet wird.

Tabelle mit Ionenbeweglichkeit

Die Ionenbeweglichkeit nimmt in der Regel Werte zwischen 10 und 7 und an. In der folgenden Tabelle findest Du eine Übersicht über häufig verwendete Ionen. Die Werte sind für Ionen in Wasser bei einer Temperatur von 25 °C.

KationIonenbeweglichkeit inIonenbeweglichkeit Einheit der Ionenbeweglichkeit StudySmarterAnionIonenbeweglichkeit in Ionenbeweglichkeit Einheit der Ionenbeweglichkeit StudySmarter
Ionenbeweglichekeit Hydoniumion StudySmarterIonenbeweglichekeit Hydroxidion StudySmarter
Ionenbeweglichekeit Lithiumion StudySmarterIonenbeweglichekeit Fluoridion StudySmarter
Ionenbeweglichekeit Natriumion StudySmarterIonenbeweglichekeit Chloridion StudySmarter
Ionenbeweglichekeit Magnesiumion StudySmarterIonenbeweglichekeit Bromidion StudySmarter
Ionenbeweglichekeit Zinkion StudySmarterIonenbeweglichekeit Sulfation StudySmarter
Ionenbeweglichekeit Ammoniumion StudySmarterIonenbeweglichekeit Carbonation StudySmarter

Auffällig hierbei sind Ionenbeweglichkeit der Hydroniumionen und der Hydroxidionen. Diese liegt vier- bis siebenfach höher als die der anderen Ionen. Dieses Phänomen erklärt sich durch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und den Grotthus-Mechanismus.

Der Grotthus-Mechanismus beschreibt den Umstand, dass Protonen und Hydroxidionen in wässriger Lösung schneller wandern können. Diese schnellere Ionenwanderung lässt sich auch auf die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zurückführen. Die Protonen wandern durch die wässrige Lösung, indem die Bindungen des Wassers und Wasserstoffbrückenbindungen gelöst und neu verbunden werden. So ist ein sehr viel schnellerer Transport der Protonen möglich.

Die Ionenbeweglichkeit ist abhängig von der Größe und Ladung der Ionen sowie von der Hydrathülle, die um die Ionen durch Wassermoleküle gebildet wurden. Auch die Wechselwirkung der Ionen mit dem Wasser (oder anderen Lösungsmitteln) beeinflussen die Wanderungsgeschwindigkeit.

Ionenbeweglichkeit und die Leitfähigkeit von Elektrolyten

Mit der Ionenbeweglichkeit hängt auch die molare Leitfähigkeit zusammen. Die molare Leitfähigkeit ist die elektrische Leitfähigkeit von Ionen, die auf die Ionenkonzentration bezogen ist. Sie wird auch Äquivalentleitfähigkeit genannt und ist in der Chemie für die Elektrolyse wichtig.

Der Zusammenhang von Ionenbeweglichkeit und molarer Leitfähigkeit wird durch die Faradaykonstante hergestellt. Die Faradaykonstante ist die elektrische Ladung, die ein Mol eines einfach geladenen Ions aufweist. Sie wird oft in der Physik und Chemie verwendet, insbesondere für die Elektrochemie ist die Konstante bedeutend. Das Produkt aus der Ladungszahl der Ionen z, Ionenbeweglichkeit u und Faradaykonstante F ergibt die molare Leitfähigkeit Λ:

Ionenbeweglichkeit Formel mit molarer Leitfähigkeit und Ionenbeweglichkeit StudySmarter

Ionenbeweglichkeit und ihre Funktion bei der Elektrophorese

Die Ionenbeweglichkeit und die damit zusammenhängende molare Leitfähigkeit spielen eine Rolle in der Elektrophorese.

Die Elektrophorese ist ein biochemisches Analyseverfahren, das sich die Wanderungsfähigkeit von Ionen in einem elektrischen Feld zunutze macht. Das Verfahren wird eingesetzt, um verschiedene Moleküle, wie Proteine, DNA und Aminosäuren, zu trennen und zu identifizieren. Die Elektrophorese wird in der Chemie auch genutzt, um Mischungen mit verschiedenen Molekülen und Ionen in die einzelnen Komponenten zu trennen.

Die Trennung der Moleküle erfolgt aufgrund ihrer unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten im angelegten elektrischen Feld. Diese hängen von der Ionenladung, der Teilchengröße sowie der angelegten elektrischen Feldstärke ab. Auch die Viskosität des Elektrolyten, also des Lösungsmittels, hat einen Einfluss.

Die Viskosität gibt an, wie flüssig ein Fluid, also eine Flüssigkeit ist. Das kannst Du Dir bildlich anhand von Wasser und Honig vorstellen. Wasser fließt viel schnelle beim Ausgießen und ist damit auch viel flüssiger als der Honig. Deshalb weist Wasser dann eine niedrigere Viskosität auf als Honig. Denn grundsätzlich gilt, je flüssiger, also fließfähiger eine Substanz ist, desto niedriger ist seine Viskosität.

Es gilt: Mit zunehmender Ladung eines Teilchens und/oder abnehmender Größe eines Teilchens wird die Wanderungsgeschwindigkeit größer. Bei der Teilchengröße sollte beachtet werden, dass nicht nur der Ionenradius hier eine Rolle spielt, sondern auch die Hydrathülle oder Solvathülle.

Ein wichtiges Beispiel für die Anwendung der Elektrophorese ist die Serumelektrophorese, die DNA-Analyse und die DNA-Sequenzierung in der Biologie und Medizin. Die Elektrophorese wird aber auch zur Trennung von Proteinen genutzt. Die Ergebnisse der Analyse werden grafisch in einem Elektropherogramm präsentiert.

Ionenbeweglichkeit Elektropherogramm StudySmarterAbbildung 3: Beispiel eines Elektropherogramms zur Bestimmung der Basenabfolge in DNAQuelle: nebula.org

In der Abbildung kannst Du ein Beispiel eines sogenannten Elektropherogramms erkennen. Dieses kommt heraus, wenn man DNA oder RNA sequenzieren lässt. Jede der Basen Guanin, Cytosin, Adenin, Thymin und Uracil wird jeweils eine Farbe zugewiesen und der Sequenzer, mit welchem man die Basenabfolge bestimmt, gibt einem dann diese bunten Wellen aus.

Dabei steht der Anstieg jeder Farbe immer für das Vorhandensein der jeweiligen Base. Das entsprechende Computerprogramm wertet die Wellenabfolge direkt aus und gibt einem damit direkt die gewünschten Informationen über die sequenzierte DNA/RNA.

Ionenbeweglichkeit - Das Wichtigste

  • Die Ionenbeweglichkeit ist die Wanderungsgeschwindigkeit von Ionen in Wasser in einem elektrischen Feld von 1 und bei einer Temperatur von 25 °C.
  • In einem elektrischen Feld wandern die Anionen zur Anode und die Kationen zur Kathode.
  • Die Einheit der Ionenbeweglichkeit beträgt
  • Hydroniumionen und Hydroxidionen haben eine vier- bis siebenfach höhere Ionenbeweglichkeit aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen und dem Grotthus-Mechanismus.
  • Ionengröße, Ionenladung, die Hydrathülle und Wechselwirkungen der Ionen mit dem Wasser beeinflussen die Wanderungsgeschwindigkeit.
  • Die Elektrophorese beschreibt das Wandern von Ionen oder Molekülen in einem elektrischen Feld, wobei Ionenbeweglichkeit und Äquivalentleitfähigkeit eine wichtige Rolle spielen.
  • Die Elektrophorese wird in der Chemie zum Trennen von Molekülen aufgrund unterschiedlicher Wanderungsgeschwindigkeiten genutzt.

Nachweise

  1. dewiki.de: Ionenbeweglichkeit. (24.06.2022)
  2. de-academic.com: Ionenbeweglichkeit. (24.06.2022)
  3. Spektrum.de: Wanderungsgeschwindigkeit. (24.06.2022)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Ionenbeweglichkeit

Eine Ionenwanderung ist eine Bewegung von Ionen im elektrischen Feld. Dabei wandern die Anionen zur Anode und die Kationen zur Kathode.

Ionen sind in einer (wässrigen) Lösung beweglich, wenn ein elektrisches Feld angelegt wurde. Die Ionenbeweglichkeit ist dabei abhängig von den Ionenladung, der Ionengröße, der Hydrathülle und den Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel.

Ionen wandern in einem elektrischen Feld, da sich negative und positive Ladungen anziehen. Anionen wandern zur Anode und Kationen wandern zur Kathode.

Finales Ionenbeweglichkeit Quiz

Frage

Was ist die Ionenbeweglichkeit?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ionenbeweglichkeit ist die Wanderungsgeschwindigkeit von Ionen in Wasser in einem elektrischen Feld von 1  und bei einer Temperatur von 25 °C.

Frage anzeigen

Frage

Wohin wandern die Ionen in einem elektrischen Feld?

Antwort anzeigen

Antwort

​In einem elektrischen Feld wandern die Anionen zur Anode und die Kationen zur Kathode.

Frage anzeigen

Frage

Wie ist die Einheit der Ionenbeweglichkeit?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Einheit der Ionenbewegung u ist


Frage anzeigen

Frage

Warum haben Hydroniumionen und Hydoxidionen höhere Werte für die Ionenbeweglichkeit?

Antwort anzeigen

Antwort

Hydroniumionen und Hydroxidionen haben höhere Werte durch die Möglichkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und den Grotthus-Mechanismus.

Frage anzeigen

Frage

Von welchen Parametern ist die Ionenbeweglichkeit abhängig?


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Antwort

Die Ionenbeweglichkeit ist abhängig von der Ionenladungen, der Ionengröße, der Hydrathülle und den Wechselwirkungen der Ionen mit dem Wasser.

Frage anzeigen

Frage

Wie hängt die Ionenbeweglichkeit mit der molaren Leitfähigkeit zusammen?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Produkt aus der Ionenbeweglichkeit und der Faraday-Konstante ergibt die molare Leitfähigkeit.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die molare Leitfähigkeit noch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie wird auch Äquivalentleitfähigkeit genannt.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Elektrophorese?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Elektrophorese ist die Wanderung von Ionen und Molekülen in einer Lösung in einem elektrischen Feld.

Frage anzeigen

Frage

Wofür wir die Elektrophorese genutzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Elektrophorese wird für die Trennung von Molekülen genutzt.

Frage anzeigen

Frage

Nennen Sie zwei Anwendungsbereiche der Elektrophorese.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Elektrophorese wird in der Biologie und Medizin zur DNA-Analyse und DNA-Sequenzierung genutzt. Außerdem wird sie zur Trennung von Proteinen genutzt.

Frage anzeigen

Frage

Was beeinflusst die Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen und Moleküle bei der Elektrophorese?

Antwort anzeigen

Antwort

Teilchenladung, Teilchengröße, die Stärke des elektrischen Felds sowie die Viskosität des Lösungsmittels beeinflussen die Wanderungsgeschwindigkeit.


Frage anzeigen

Frage

Warum erfolgt eine Trennung der Moleküle bei der Elektrophorese?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Trennung erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten der Moleküle.

Frage anzeigen

Frage

In welchem Größenbereich bewegen sich die Werte der Ionenbeweglichkeit?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ionenbeweglichkeit bewegt sich bei Werten von

Frage anzeigen

Frage

Erkläre kurz den Grotthus-Mechanismus.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Grotthus-Mechanismus ermöglicht eine schnellere Ionenwanderung bei Hydroxidionen und Hydroniumionen durch die Wasserstoffbrückenbindungen. Die Protonen wandern schneller in einer wässrigen Lösung durch das Auflösen und Neuverbinden der Bindungen und Wasserstoffbrückenbindungen.

Frage anzeigen

Frage

Wo spielt die Ionenbeweglichkeit neben der Elektrophorese noch eine Rolle?

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Antwort

Die Ionenbeweglichkeit (in der Gasphase) spielt bei Ionen-Mobilitäts-Spektrometern eine Rolle.

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