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.
Ionenbeweglichkeit – Allgemeines
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.
Ionenbeweglichkeit – Einheit
Die Ionenbeweglichkeit wird oft mit dem Symbol u angegeben. Die Einheit der Ionenbeweglichkeit u ist 
, 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 
.
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.
Ionenbeweglichkeit – Tabelle
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.
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 – 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 – 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.
Abbildung 3: Beispiel eines Elektropherogramms zur Bestimmung der Basenabfolge in DNA
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
- dewiki.de: Ionenbeweglichkeit. (24.06.2022)
- de-academic.com: Ionenbeweglichkeit. (24.06.2022)
- Spektrum.de: Wanderungsgeschwindigkeit. (24.06.2022)
- Abbildung 3: Beispiel eines Elektropherogramms zur Bestimmung der Basenabfolge in DNA (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_sequence.svg) licensed by CC0 (https://creativecommons.org/share-your-work/public-domain/).
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