Force ionique
La force ionique est une grandeur calculée qui résume la composition ionique d’une solution en pondérant chaque ion par le carré de son nombre de charge. Elle intervient dans la description des interactions électrostatiques et des activités chimiques. Elle ne mesure pas une force mécanique, un champ électrique local ou la conductivité de l’eau.
Deux bases de calcul
Sur une base de concentrations molaires, elle s’écrit I = ½ Σ cᵢzᵢ² : cᵢ représente la concentration de chaque espèce ionique et zᵢ son nombre de charge. L’unité est alors la mole par litre si les concentrations utilisent cette unité. Sur une base de molalités, on remplace cᵢ par mᵢ, exprimée en moles par kilogramme de solvant. Ces deux formulations ne sont pas numériquement interchangeables sans tenir compte de la composition et de la densité de la solution.
Tous les ions contribuent à la somme. Le signe de leur charge disparaît au carré : les contributions des cations et des anions s’ajoutent, même si la solution est globalement électriquement neutre. À concentration égale, un ion divalent contribue quatre fois plus qu’un ion monovalent.
La force ionique se distingue de la concentration ionique totale, de la salinité et de la conductivité. Deux solutions contenant autant d’ions peuvent avoir des forces ioniques différentes si les charges diffèrent. Une mesure de conductivité ne suffit donc pas à la calculer sans hypothèses sur la composition.
Activités et limites des modèles
L’activité chimique dépend de la concentration et d’un coefficient d’activité. Les interactions entre ions rendent ce coefficient dépendant du milieu ; la force ionique est un des paramètres des modèles utilisés pour le calculer. Elle intervient ainsi dans les équilibres acido-basiques, la solubilité et la spéciation des métaux, y compris leurs interactions avec un chélateur.
Les approximations de Debye-Hückel concernent surtout les solutions diluées. Dans les eaux fortement minéralisées, les interactions spécifiques entre espèces deviennent importantes. Une force ionique identique n’assure alors ni les mêmes coefficients d’activité ni les mêmes équilibres : le modèle thermodynamique et les espèces prises en compte doivent convenir à la solution étudiée.