Методом ЭДС можно определить средние ионные коэффициенты активности.
Способ 1− расчетный . Для этой цели используются элементы без переноса. Пусть необходимо определить в водном растворе HBr с концентрацией . Составляем гальванический элемент без переноса, схема которого
Pt (H 2) | HBr | AgBr тв, Ag| Pt
Известно, что , В.
Уравнения электродных реакций:
H 2 - 2e + 2H 2 O = 2 H 3 O +
AgBr + e = Ag + Br -
Итоговая реакция: H 2 + 2H 2 O + 2AgBr = 2H 3 O + + 2Ag + 2 Br -
Запишем уравнение Нернста для данной суммарной реакции, протекающей в гальваническом элементе:
При давлении 1 атм это выражение упрощается:
Реакция HBr + H 2 O = H 3 O + + Br - идет практически до конца, т.е. , а .
Следовательно,
Отсюда логарифм среднего ионного коэффициента активности равен
По формуле (42) нетрудно вычислить значение среднего ионного коэффициента активности, располагая данными о начальной концентрации кислоты и о значениях стандартных условных электродных потенциалов. Следует отметить, что эти значения (стандартных электродных потенциалов) приводятся в справочниках при температуре растворов 298 К.
Способ 2 –графический. Если необходимо вычислить коэффициенты активности при другой, отличной от 298 К температуре, поступают следующим образом. Составляют гальванический элемент без переноса, например такой
Проводят серию опытов, в которых измеряют ЭДС такого гальванического элемента, но концентрация электролита в каждом опыте разная. Эта концентрация задается исследователем, т.е. она известна. Например, электродвижущая сила (Е, В) указанного гальванического элемента была измерена при температуре 313 К в серии опытов с различными значениями концентрации соляной кислоты , моль/л.
Как найти по этим данным величину среднего ионного коэффициента активности в растворе соляной кислоты какой-либо концентрации, например, 0,023 моль/л.
При температуре 313 К в справочниках нет данных о значениях стандартных электродных потенциалов, поэтому величину стандартной ЭДС необходимо находить графически.
Уравнение Нернста для итоговой реакции, протекающей в данном гальваническом элементе будет иметь вид (14):
Запишем уравнение в виде, удобном для дальнейших расчетов:
Слева в уравнении (43) находятся заданные по условию эксперимента () и измеренные в эксперименте величины (E ) . То, что расположено справа в уравнении, содержит две неизвестные величины − стандартную ЭДС (E о ) и средний ионный коэффициент активности в растворе хлорида водорода, который и нужно определить ().
Существует способ, который позволяет в определенных условиях сделать в правой части уравнения не две неизвестные величины, а одну. Если рассмотреть такое состояние, при котором средний ионный коэффициент активности в растворе электролита можно принять равным единице, то логарифм его будет равен нулю и тогда в правой части уравнения будет только одна неизвестная − стандартная ЭДС гальванического элемента при температуре исследования.
Известно, что средние ионные коэффициенты активности стремятся к единице в сильноразбавленных растворах, когда концентрация равна 0. Как это следует из предельного закона теории Дебая-Хюккеля, логарифм среднего ионного коэффициента активности пропорционален корню квадратному из величины ионной силы раствора (или корню квадратному концентрации электролита). Именно поэтому при графическом методе нахождения стандартной ЭДС гальванического элемента строят зависимость левой части уравнения (30) от корня квадратного из концентрации раствора электролита (рис.12).
Нанеся экспериментальные значения при разных значениях на график, получают зависимость, которую затем экстраполируют на нулевое значение . Так находят стандартную ЭДС гальванического элемента при температуре, отличной от 298 К.
Затем возвращаются к уравнению (43). Вычисляют (т.е. корень квадратный из концентрации, при которой нужно найти средний ионный коэффициент активности − точка а на рис.12). По графику (рис.12) определяют значение (точка b на рис.12). Зная , по уравнению (43) нетрудно рассчитать и требуемую величину среднего ионного коэффициента активности.
Для сравнения определенных экспериментально средних ионных коэффициентов активности с рассчитанными по теории Дебая-Хюккеля воспользуемся формулами предельного закона теории и второго приближения этой теории.
В случае предельного закона теории Дебая-Хюккеля
где - заряды катиона и аниона;
Ионная сила раствора;
Константа зависящая от диэлектрической проницаемости растворителя и температуры.
Для водных растворов при разных температурах величина константы h равна:
Температура, К 298 303 313 323 Константа h , (л/моль) 0,5 0,512 0,517 0,528 0,539
Уравнение (45) справедливо до ионной силы 0,01 моль/л.
Второе приближение теории Дебая-Хюккеля выражается следующим уравнением
где - расстояние наибольшего сближения электрических центров ионов;
В – эмпирический параметр, зависящий от температуры.
Для водного раствора при 298 К В = 3,29×10 9 м -1 ×моль -0,5 кг 0,5 .
Если принять расстояние наибольшего сближения равным = 0,304 нм, то можно вычислить средние коэффициенты активности по уравнению Гюнтельберга:
Уравнение (46) справедливо до ионной силы 0,1 моль/л.
ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
В зависимости от подготовленности студентов и по усмотрению преподавателя полное задание на курсовую работу может включать в себя сочетание от двух до трех перечисленных далее вариантов фрагментов заданий.
Вариант А. Изложить теоретический материал по теме курсовой работы. Составить из предлагаемых электродов правильно разомкнутый гальванический элемент без переноса, записать электродные и итоговую реакции. Записать уравнение Нернста для ЭДС такого гальванического элемента.
Вариант В. Изложить теоретический материал и исследовать температурную зависимость ЭДС гальванического элемента. Рассчитать по данным ЭДС термодинамические характеристики реакции, протекающей в гальваническом элементе и сравнить их со справочными данными.
Вариант С. Изложить теоретический материал и на основании экспериментальных данных определить методом ЭДС средние ионные коэффициенты активности электролита исследуемого гальванического элемента и сравнить их с рассчитанными по теории Дебая-Хюккеля.
Вариант D. Изложить теоретический материал и определить величину константы ионизации слабой кислоты или слабого основания самостоятельно (или на основании приведенных в задании экспериментальных данных потенциометрического титрования). Сравнить полученные данные со справочными.
Вариант E. Изложить теоретический материал и определить самостоятельно (или на основании приведенных в задании экспериментальных данных) методом измерения ЭДС и рН-метрически величину константы ионизации слабой кислоты или слабого основания. Сравнить полученные данные со справочными.
Льюисом и Рэндаллом были введены некоторые математические поправки в соотношения, предложенные Аррениусом.
Для приведения в соответствие теории с практикой и сохранения многих удобных соотношений, ранее полученных на основании теории Аррениуса, было предложено использовать вместо концентраций активности . Тогда все термодинамические соотношения, записанные в форме уравнений для идеальных растворов, но содержащие не концентрации, а активности, строго согласуются с результатами экспериментальных измерений.
Г. Льюис и М. Рендалл предложили метод использования активностей вместо концентраций, что позволило формально учесть все многообразие взаимодействий в растворах без учета их физической природы.
В растворах электролитов одновременно присутствуют и катионы, и анионы растворенного вещества. Вводить в раствор ионы только одного сорта физически невозможно. Даже если бы такой процесс и был выполним, то он вызвал бы значительный рост энергии раствора за счет введенного электрического заряда.
Связь активностей отдельных ионов с активностью электролита в целом устанавливается, исходя из условия электронейтральности. Для этого вводятся понятия средней ионной активности и среднего ионного коэффициента активности.
Если молекула электролита диссоциирует на n + катионов и n - анионов, то средняя ионная активность электролита a ± равна:
где и - активность катионов и анионов соответственно, n- общее число ионов (n= n + + n - ).
Аналогично записывается средний ионный коэффициент активности электролита :, характеризующий отклонения реального раствора от идеального
Активность можно представить как произведение концентрации на коэффициент активности. Существуют три шкалы выражения активностей и концентраций: моляльность (моляльная, или практическая шкала), молярность с (молярная шкала) и молярная доля х (рациональная шкала).
В термодинамике растворов электролитов обычно используется моляльная шкала концентраций.
где коэффициент, зависящий от валентного типа электролита.
((Так, для бинарного 1,1-зарядного электролита (, и др.)
Для 1,2-зарядного электролита (и др.) n + = 2, n - = 1, n = 3 и
В молярной шкале .))
Между средними ионными коэффициентами активностей в моляльной и молярной шкалах существует связь:
где - плотность чистого растворителя. (конец самостоятельного рассмотрения)
Г. Льюис и М. Рендалл ввели в употребление понятие ионной силы растворов :
где - моляльная концентрация -го иона; - заряд иона.
Они сформулировали эмпирическое правило постоянства ионной силы : в разбавленных растворах коэффициент активности сильного электролита одного и того же валентного типа одинаков для всех растворов с одной и той же ионной силой независимо от природы электролита.
Это правило выполняется при концентрациях не более 0,02 М.
При более высоких значениях ионной силы усложняется характер межионного взаимодействия и возникают отклонения от этого правила.
4. Неравновесные явления в растворах электролитов. Законы Фарадея
Отвлечемся от логического повествования, чтобы перейти к материалу для проведения лабораторных работ.
Рассмотренные выше закономерности относились к условиям термодинамического равновесия, когда параметры систем не изменялись во времени. Нарушить электрохимическое равновесие можно наложением на ячейку электрического поля, которое вызывает направленное перемещение заряженных частиц (электрический ток), а также путем изменения концентрации растворенного вещества. Кроме того, на поверхности электродов и в растворе могут происходить химические превращения реагирующих веществ. Такое взаимное превращение электрической и химической форм энергии называется электролизом .
Закономерности электрохимических реакций лежат в основе разработки технологий важнейших процессов, таких как электролиз и гальванотехника, создание источников тока (гальванических элементов и аккумуляторов), защита от коррозии и электрохимические методы анализа. В электрохимии реакции восстановления принято называть катодными, окисления – анодными. Соотношение между количеством электричества и массами прореагировавших веществ выражается законами Фарадея . (самостоятельно)
1-й закон . Масса вещества, претерпевшего электрохимическое превращение, пропорциональна количеству пропущенного электричества (Кл):
где - электрохимический эквивалент , равный массе прореагировавшего вещества при пропускании единицы количества электричества, г /Кл.
2-й закон. При пропускании одного и того же количества электричества массы различных веществ, участвующих в электрохимических реакциях, пропорциональны их молярным массам эквивалентов ():
: = : .
Отношение есть величина постоянная и равная постоянной Фарадея =96484 Кл/моль-экв. Таким образом, при пропускании Кл электричества подвергается электрохимическому превращению 1 моль-экв любого вещества.
Оба закона Фарадея объединяются формулой
где – сила тока, А и – время, с.
На практике, как правило, наблюдаются отклонения от этих законов, возникающие вследствие протекания побочных электрохимических процессов, химических реакций или смешанной электрической проводимости. Эффективность электрохимического процесса оценивается выходом по току
где и – масса практически полученного вещества и рассчитанного по закону Фарадея, соответственно. Немногие реакции, протекающие со 100% выходом по току, используются в кулонометрах – приборах, предназначенных для точного измерения количества электричества.
Термодинамика растворов электролитов
Основные понятия
Электрохимия - раздел физической химии, в котором изучаются законы взаимного превращения химической и электрической форм энергии, а также системы, где эти превращения совершаются. В электрохимии также изучаются физико-химические свойства ионных проводников, процессы и явления на границах раздела фаз с участием заряженных частиц - ионов и электронов.
Все проводники электрического тока можно разделить на электронные и ионные. Электронные проводники (проводники I рода) переносят электрический ток движением электронов. Ионные проводники (проводники II рода) проводят электрический ток за счет перемещения ионов.
Электролитами называются вещества (химические соединения), которые в растворе или в расплаве самопроизвольно частично или полностью распадаются на ионы - заряженные частицы, способные к самостоятельному существованию. Перенос электричества в растворах электролитов осуществляется ионами, т.е. электролиты - это проводники II рода. Электролиты бывают как твердыми, так и жидкими. Число ионов каждого знака, образующихся при распаде электролита, определяется стехиометрическими коэффициентами в уравнении химической реакции диссоциации этого электролита:
М n + А n - = n + М z + + n - А z - , (1.1)
где n + , n - и n = n + + n - - число катионов, число анионов и общее число заряженных частиц в электролите. Несмотря на наличие ионов, раствор электролита остаётся электронейтральным.
Процесс распада растворенного вещества в растворе на ионы называется электролитической диссоциацией.
О том, что электролиты распадаются (диссоциируют) при растворении свидетельствуют многие явления, обнаруженные многими исследователями при изучении растворов электролитов. Было установлено, что осмотическое давление , понижение парциального давления пара жидкости над раствором , понижение температуры замерзания и некоторые другие свойства имеют большее значение для растворов электролитов, чем для эквимолекулярных растворов неэлектролитов. Все эти величины зависят в первую очередь от числа частиц растворенного вещества в единице объема раствора (коллигативные свойства). Поэтому, как указывал Вант – Гофф, их повышенное значение для растворов электролитов следует объяснить увеличением числа частиц в результате диссоциации растворенного вещества на ионы.
Для формальной оценки этих отклонений Вант-Гоффом был предложен изотонический коэффициент :
Тогда, для растворов электролитов:
_____________________________________________________________________
Классическая теория электролитической диссоциации была создана Аррениусом в 1887 году. Она предполагала, что не все молекулы электролита в растворе распадаются на ионы. Отношение числа диссоциированных молекул к исходному числу недиссоциированных молекул электролита (доля распавшихся молекул) в состоянии равновесия называется степенью диссоциации a , причем0£ a £ 1. С уменьшением концентрации раствора степень диссоциации электролита возрастает и в бесконечно разбавленном растворе a = 1 для всех электролитов. Степень диссоциации зависит также от природы электролита и растворителя, температуры и присутствия других электролитов в растворе.
Чем выше диэлектрическая проницаемость растворителя, тем больше степень диссоциации электролита (приближенное правило Каблукова-Нернста-Томсона).
Степень диссоциации и изотонический коэффициент связаны между собой уравнением 
, где k
– число ионов, на которые распадается электролит.
В зависимости от степени диссоциации, электролиты подразделяют на сильные (a > 0,8) и слабые (a < 0,3). Иногда выделяют группу электролитов средней силы. В водных растворах сильными электролитами являются многие минеральные кислоты (HNO 3 , HCl, HClO 4 и др.), основания (NaOH, KOH, и др.), большинство солей (NaCl, K 2 SO 4 и др.).
К слабым электролитам относятся вещества, которые в растворах распадаются на ионы лишь частично. В водных растворах слабыми электролитами являются некоторые неорганические кислоты (H 2 CO 3 , H 3 BO 3 и др.), основания (NH 4 ОН и др.), некоторые соли (HgCl 2 и др.), большинство органических кислот (CH 3 COOH, C 6 H 5 COOH и др.), фенолы (C 6 H 4 (OH) 2 и др.), амины (C 6 H 5 NH 2 и др.). Так как сила электролита зависит от природы растворителя, то одно и то же вещество в одном растворителе может быть сильным электролитом (например, NaCI - в воде), а в другом - слабым (например, NaCI в нитробензоле).
Величина a не удобна для характеристики электролита, так как она зависит от концентрации. Более удобной характеристикой способности электролита к диссоциации является константа диссоциации (К дисс), поскольку равновесие между ионами и молекулами подчиняется закону действующих масс. Так, для одно-одновалентного электролита АВ, диссоциирующего в растворе на ионы по схеме AB = A + + В - , выражение для константы электролитической диссоциации К дисс имеет вид:
К дисс = . (1.2)
Константа диссоциации зависит от природы растворителя и температуры, но не зависит от концентрации электролита в растворе.
Если с - начальная концентрация электролита АВ, а степень его диссоциации равна , то, согласно уравнению реакции диссоциации этого электролита, в состоянии равновесия концентрация катионов и анионов будет равна:
с А+ = с В- = a×с .
Концентрация не распавшихся молекул электролита станет равной
с (1 – a ).
Подставляя эти соотношения в уравнение (1.2), получаем:
При диссоциации электролита по реакции 
образуется два катиона и один анион и ; ; . Тогда
. (1.3,а)
Для данного электролита, диссоциирующего на ионы в данном растворителе, при данной температуре, константа диссоциации есть величина постоянная, не зависящая от концентрации раствора электролита.
Полученные уравнения, называемые законом разведения Оствальда, позволяют оценить степень диссоциации электролита.
При небольших значениях a , т.е. для слабых электролитов, можно принять, что
(1 – a ) @ 1. Тогдa, выражение (1.3) переходит в
Как видно, степень диссоциации обратно пропорциональна корню квадратному из концентрации электролита. При уменьшении концентрации электролита, например, в 100 раз, степень диссоциации возрастает в 10 раз.
Влияние температуры на степень диссоциации обусловлено тем, что константа диссоциации зависит от температуры (уравнение изобары химической реакции).
Введение посторонних ионов в раствор обычно увеличивает степень диссоциации слабого электролита. Это явление называется солевым эффектом .
Теория Аррениуса позволяет качественно и количественно описывать явления, связанные с ионными равновесиями. Однако эта теория не учитывает взаимодействия ионов с диполями растворителя и ион – ионного взаимодействия.
Выражения (1.2 - 1.4) применимы для идеальных растворов. Свойства растворов реальных электролитов существенно отличаются от свойств идеальных растворов. Это объясняется увеличением числа частиц в растворе электролита (за счёт диссоциации) и электростатическим взаимодействием между ионами. Свойства реальных растворов можно описать, используя вместо концентрации активность . Активность (a ) - величина, которую надо подставить в выражение для химического потенциала идеального раствора для того, чтобы получить значение химического потенциала реального раствора электролита.
Активность связана с концентрацией следующим соотношением: , (), где ()- коэффициент активности, учитывающий отклонение свойств реальных растворов электролитов от свойств идеальных растворов, c и m – молярная и моляльная концентрации.
Таким образом, вместо выражения (2) получают:
, (1.5)
где a i = с i ×g i ; с i ; g i - активность, концентрация и коэффициент активности отдельного иона или молекулы.
Средняя ионная активность и средний коэффициент активности
Использование активности вместо концентрации ионов позволяет формально учесть всю совокупность взаимодействий (без учета их физической природы), возникающих в растворах электролитов. Этот способ описания взаимодействий применительно к растворам электролитов имеет ряд особенностей.
Химический потенциал растворяемой соли (m S) равен:
, (1.6)
где a S - активность соли; m S 0 - стандартное значение химического потенциала, отвечающее a S =1.
Если электролит диссоциирует на n + катионов и n - анионов, то, исходя из условия электронейтральности, химический потенциал соли связан с химическими потенциалами катионов и анионов соотношением:
m S = n + m + + n - m -- ; m S 0 = n + m + 0 + n - m -- 0 ; (1.7)
Химический потенциал иона связан с активностью иона соотношением:
, (1.8)
где m i - химический потенциал катиона или аниона.
Из уравнений (1.5-1.7) следует, что:
= n + + n - , (1.9)
. (1.10)
В связи с тем, что в растворах электролитов одновременно присутствуют и катионы, и анионы растворенного вещества (получить раствор, содержащий только катионы или анионы, невозможно), оценить активность и коэффициент активности отдельного иона невозможно. Поэтому для растворов электролитов вводятся понятия средней ионной активности и среднего ионного коэффициента активности.
Для электролита, который диссоциирует на n + катионов и n - анионов средняя ионная активность электролита a ± равна среднему геометрическому из произведения активностей катиона и аниона:
, (1.11)
где a + и a - – активность катионов и анионов соответственно; n = n + + n - - общее число ионов, образующихся при диссоциации молекулы электролита.
Например, для раствора Cu(NO 3) 2:
.
Аналогично рассчитывается средний коэффициент активности электролита g ± и среднее число ионов электролита в растворе n ±:
; (1.12)
, (1.13)
где + и - - коэффициенты активности катиона и аниона; n ± - среднее число катионов и анионов в растворе.
Например, для электролита KCI=K + + CI - среднее число ионов в растворе равно n ± = (1 1 ·1 1) 1 = 1, то есть в растворе KCI один катион и один анион. Для электролита Al 2 (SO 4) 3 = 2Al 3+ + 3SO 4 2- среднее число ионов в растворе равно n ± = (2 2 ·3 3) 1/5 =2,56. Это означает, что в расчетах средней активности будет фигурировать одинаковое среднее число катионов и анионов (2,56), отличное от действительного (катионов 2, анионов 3).
Обычно среднюю ионную активность и средний ионный коэффициент активности определяют экспериментально (по термодинамическим свойствам растворов):
По повышению температуры кипения раствора;
По понижению температуры замерзания раствора;
По давлению пара растворителя над раствором;
По растворимости малорастворимых соединений,
По методу ЭДС гальванических элементов и др.
Среднюю ионную активность и средний ионный коэффициент активности электролита для разбавленных растворов сильных электролитов можно определить теоретически по методу Дебая-Хюккеля.
Средняя ионная активность и средний ионный коэффициент активности зависят не только от концентрации раствора, но и от заряда иона. В области низких концентраций средний ионный коэффициент активности определяется зарядом образующих ионов и не зависит от других свойств электролитов. Например, в области низких концентраций g ± для растворов KСl, NaNO 3 , HСl и др. одинаковы.
В разбавленных растворах сильных электролитов средний коэффициент активности g ± зависит от общей концентрации всех присутствующих в растворе электролитов и зарядов ионов, т.е. g ± зависит от ионной силы раствора I. Ионная сила раствора рассчитывается по формуле:
где m i –моляльная (или молярная) концентрация i- того иона; z i - заряд иона. При расчёте ионной силы раствора необходимо учитывать все ионы, находящиеся в растворе.
Существует правило ионной силы раствора : в разбавленных растворах коэффициент активности сильного электролита одинаков для всех растворов с одной и той же ионной силой независимо от природы электролита. Это правило справедливо при концентрациях не более 0,02 моль/дм 3 . В растворах средних и высоких концентраций правило ионной силы трансформируется, так как усложняется характер межионного взаимодействия и проявляются индивидуальные свойства электролитов.
Активность и коэффициент активности электролитов. Ионная сила раствора.
Недостатки теории Аррениуса. Теория электролитов Дебая и Гюккеля.
Активность растворенной соли а может быть определена по давлению пара, температуре затвердевания, по данным о растворимости, методом ЭДС. Все методы определения активности соли приводят к величине, характеризующей реальные термодинамические свойства растворенной соли в целом, независимо от того, диссоциирована она или нет. Однако в общем случае свойства различных ионов неодинаковы, и можно ввести и рассматривать термодинамические функции отдельно для ионов разных видов:
m + = m + о + RT ln a + = m + o + RT ln m + + RT ln g + ¢
m - = m - о + RT ln a - = m - o + RT ln m - + RT ln g - ¢
где g + ¢ и g - ¢ - практические коэффициенты активности (коэффициенты активности при концентрациях, равных моляльности m).
Но термодинамические свойства различных ионов не могут быть определены порознь из опытных данных без дополнительных допущений; мы можем измерить только средние термодинамические величины для ионов, на которые распадается молекула этого вещества.
Пусть диссоциация соли происходит по уравнению:
А n + В n - = n + А z + + n - B z -
При полной диссоциации m + = n + m , m - = n - m. Пользуясь уравнениями Гиббса-Дюгема, можно показать:
а + n + ×а - n - ¤ а = const
Стандартные состояния для нахождения величин активностей определяются так:
lim a + ® m + = n + m при m ® 0 , lim a - ® m - = n - m при m ® 0
Стандартное состояние для а выбирается так, чтобы const была равна 1. Тогда:
а + n + ×а - n - = а
Т.к. нет методов экспериментального определения значений а + и а - в отдельности, то вводят среднюю ионную активность а ± , определяемую соотношением:
а ± n = а
Т.о., мы имеем две величины, характеризующие активность растворенной соли . Первая из них - это мольная активность , т.е. активность соли, определяемая независимо от диссоциации; она находится теми же экспериментальными методами и по тем же формулам, что и активность компонентов в неэлектролитах. Вторая величина - средняя ионная активность а ± .
Введем теперь коэффициенты активности ионов g + ¢ и g - ¢ , среднюю ионную моляльность m ± и средний ионный коэффициент активности g ± ¢ :
a + = g + ¢m + , a - = g - ¢m - , m ± = (m + n + ×m - n -) 1/ n = (n + n + ×n - n -) 1/ n m
g ± ¢ = (g¢ + n + ×g¢ - n -) 1/ n
Очевидно: a ± = (g¢ + n + ×g¢ - n -) 1/ n (n + n + ×n - n -) 1/ n m = g ± ¢ m ±
Т.о., основные величины связаны соотношениями:
a ± = g ± ¢ m ± = g ± ¢ (n + n + × n - n - ) 1/ n m = L g ± ¢ m
где L = (n + n + ×n - n -) 1/ n и для солей каждого определенного типа валентности является величиной постоянной.
Величина g ± ¢ является важной характеристикой отклонения раствора соли от идеального состояния. В растворах-электролитах, как и в растворах-неэлектролитах, могут быть использованы следующие активности и коэффициенты активности :
g ± = - рациональный коэффициент активности (практически не применяется);
g ± ¢ = - практический коэффициент активности (средний моляльный);
f ± = - средний мольный коэффициент активности.
Основными методами измерения величины g ± ¢ являются криоскопический и метод ЭДС.
Многочисленные исследования показали, что кривая зависимости g ± ¢ от концентрации раствора (m) имеет минимум. Если изображать зависимость в координатах lg g ± ¢ - , то для разбавленных растворов зависимость оказывается линейной. Наклон прямых, соответствующих предельному разбавлению, одинаков для солей одного валентного типа.
Присутствие в растворе других солей изменяет коэффициент активности данной соли. Суммарное влияние смеси солей в растворе на коэффициент активности каждой из них охватывается общей закономерностью, если суммарную концентрацию всех солей в растворе выразить через ионную силу. Ионной силой I (или ионной крепостью) раствора называется полусумма произведений концентрации каждого иона на квадрат числа его заряда (валентности), взятая для всех ионов данного раствора.
Если использовать моляльность как меру концентрации, то ионная сила раствора определяется выражением:
где i - индексы ионов всех солей в растворе; m i = n i m.
Льюис и Рендалл открыли эмпирический закон ионной силы : средний ионный коэффициент активности g ± ¢ диссоциирующего на ионы вещества является универсальной функцией ионной силы раствора, т.е. в растворе с данной ионной силой все диссоциирующие на ионы вещества имеют коэффициенты активности, не зависящие от природы и концентрации данного вещества, но зависящие от числа и валентности его ионов.
Закон ионной силы отражает суммарное взаимодействие ионов раствора с учетом их валентности. Этот закон точен лишь при очень малых концентрациях (m ≤ 0,02); уже при умеренных концентрациях он верен лишь приблизительно.
В разбавленных растворах сильных электролитов:
lg g ± ¢ = - А
НЕДОСТАТКИ ТЕОРИИ АРРЕНИУСА .
В теории электролитов очень важным является вопрос о распределении ионов в растворе. По первоначальной теории электролитической диссоциации, основанной на физической теории растворов Вант-Гоффа, считалось, что ионы в растворах находятся в состоянии беспорядочного движения - в состоянии, подобном газообразному.
Однако представление о беспорядочном распределении ионов в растворе не соответствует действительности, так как онo не учитывают электростатического взаимодействия между ионами. Электрические силы проявляются на относительно больших расстояниях, и в сильных электролитах, где диссоциация велика, а концентрация ионов значительна и расстояния между ними невелики, электростатическое взаимодействие между ионами настолько сильно, что оно не может не сказываться на характере их распределения. Возникает тенденция к упорядоченному распределению, аналогичному распределению ионов в ионных кристаллах, где каждый ион окружён ионами противоположного знака.
Распределение ионов будет определяться соотношением электростатической энергии и энергии хаотического движения ионов. Эти энергии сравнимы по величине, поэтому реальное распределение ионов в электролите является промежуточным между беспорядочным и упорядоченным. В этом заключается своеобразие электролитов и трудности, возникающие при создании теории электролитов.
Около каждого иона образуется своеобразная ионная атмосфера, в которой преобладают ионы противоположного (по сравнению с центральным ионом) знака. Теория Аррениуса не учитывала этого обстоятельства, и многие выводы этой теории оказались в противоречии с опытом.
В качестве одной из количественных характеристик электролита теория Аррениуса предлагает степень электролитической диссоциации a, определяющую долю ионизированных молекул в данном растворе. В согласии с ее физическим смыслом a не может быть больше 1 или меньше 0; при заданных условиях она должна быть одной и той же, независимо от метода ее измерения (по измерению электропроводности, осмотического давления или ЭДС). Однако на практике значения a, полученные разными методами, совпадают только для разбавленных растворов слабых электролитов; для сильных электролитов расхождение тем больше, чем больше концентрация электролита, причем в области высоких концентраций a становится больше 1. Следовательно, a не может иметь того физического смысла, который ей приписывался теорией Аррениуса.
Второй количественной характеристикой по теории Аррениуса является константа диссоциации; она должна быть постоянной для данного электролита при заданных Т и Р, независимо от концентрации раствора. На практике только для разбавленных растворов очень слабых электролитов К дис остается при разбавлении более или менее постоянной.
Т.о., теория электролитической диссоциации приложима только к разбавленным растворам слабых электролитов .
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ДЕБАЯ И ГЮККЕЛЯ .
Основные положения современной теории растворов электролитов были сформулированы в 1923 г. Дебаем и Гюккелем. Для статистической теории электролитов исходным является следующее положение : ионы распределены в объеме раствора не хаотически, а в соответствии с законом кулоновского взаимодействия. Вокруг каждого отдельного иона существует ионная атмосфера (ионное облако) - сфера, состоящая из ионов противоположного знака. Ионы, входящие в состав сферы, непрерывно обмениваются местами с другими ионами. Все ионы раствора равноценны, каждый из них окружен ионной атмосферой, и в то же время каждый центральный ион входит в состав ионной атмосферы какого-либо другого иона. Существование ионных атмосфер и есть тот характерный признак, который, по Дебаю и Гюккелю, отличает реальные растворы электролитов от идеальных.
С помощью уравнений электростатики можно вывести формулу для электрического потенциала ионной атмосферы , из которой вытекают уравнения для средних коэффициентов активности в электролитах:
D - диэлектрическая проницаемость раствора; е - заряд электрона; z i - заряд иона; r - координата (радиус).
c = - величина, зависящая от концентрации раствора, D и Т, но не зависящая от потенциала; имеет размерность обратной длины; характеризует изменение плотности ионной атмосферы вокруг центрального иона с увеличением расстояния r от этого иона.
Величина 1/c называется характеристической длиной ; ее можно отождествить с радиусом ионной атмосферы. Она имеет большое значение в теории растворов электролитов.
Для коэффициента активности получено следующее выражение:
lg f ± = - A |z + ×z - | (1)
Коэффициент A зависит от Т и D: обратно пропорционален (DT) 3/2 .
Для водных растворов 1-1 зарядных электролитов при 298 К, допуская равенство диэлектрических проницаемостей раствора и растворителя (78,54), можно записать:
lg f ± = - A = - A = - 0,51
Т.о., теория Дебая и Гюккеля позволяет получить такое же уравнение для коэффициента активности, какое было эмпирически найдено для разбавленных растворов электролитов. Теория, следовательно, находится в качественном согласии с опытом. При разработке этой теории были сделаны следующие допущения :
1. Число ионов в электролите можно определить из аналитической концентрации электролита, т.к. он считается полностью диссоциированным (a = 1). Теорию Дебая и Гюккеля поэтому иногда называют теорией полной диссоциации. Однако ее можно применить и в тех случаях, когда a ¹ 1.
2. Распределение ионов вокруг любого центрального иона подчиняется классической статистике Максвелла-Больцмана.
3. Собственными размерами ионов можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними и с общим объемом раствора. Т.о., ионы отождествляются с материальными точками, и все их свойства сводятся лишь к величине заряда. Это допущение справедливо только для разбавленных растворов.
4. Взаимодействие между ионами исчерпывается кулоновскими силами. Наложение сил теплового движения приводит к такому распределению ионов в растворе, для которого характерна статистическая шаровая ионная атмосфера. Это допущение справедливо лишь для разбавленных растворов. При повышении концентрации среднее расстояние между ионами уменьшается, и наряду с электростатическими силами появляются другие силы, действующие на более близком расстоянии, в первую очередь силы Ван-дер-Ваальса. Возникает необходимость учета взаимодействия не только между данным ионом и его окружением, но и между любыми двумя соседними ионами.
5. При расчетах принимается, что диэлектрические проницаемости раствора и чистого растворителя равны; это справедливо только в случае разбавленных растворов.
Т.о., все допущения Дебая и Гюккеля приводят к тому, что их теория может быть применима только к разбавленным растворам электролитов с ионами низкой валентности . Уравнение (1) соответствует этому предельному случаю и выражает так называемый предельный закон Дебая и Гюккеля или первое приближение теории Дебая и Гюккеля .
Предельный закон Дебая-Гюккеля дает верные значения коэффициентов активности 1-1 зарядного электролита, особенно в очень разбавленных растворах. Сходимость теории с опытом ухудшается по мере увеличения концентрации электролита, увеличения зарядов ионов и уменьшения диэлектрической проницаемости растворителя, т.е. с ростом сил взаимодействия между ионами.
Первая попытка усовершенствовать теорию Дебая и Гюккеля и расширить область ее применения была сделана самими авторами. Во втором приближении они отказались от представления об ионах как о материальных точках (допущение 3) и попытались учесть конечные размеры ионов, наделив каждый электролит некоторым средним диаметром а (при этом изменяется и допущение 4). Приписав ионам определенные размеры, Дебай и Гюккель учли тем самым силы некулоновского происхождения, препятствующие сближению ионов на расстояние, меньшее некоторой величины.
Во втором приближении средний коэффициент активности описывается уравнением:
lg f ± = - (2)
где А сохраняет прежнее значение; а условно названо средним эффективным диаметром ионов , имеет размерность длины, фактически - эмпирическая постоянная; В = c/, В слегка изменяется с Т. Для водных растворов произведение Ва близко к 1.
Сохранив основные положения второго приближения теории, Гюккель учел уменьшение диэлектрической проницаемости с ростом концентрации растворов. Ее уменьшение вызывается ориентацией диполей растворителя вокруг иона, в результате чего снижается их реакция на эффект внешнего поля. Уравнение Гюккеля выглядит следующим образом:
lg f ± = - + CI (3)
где С - эмпирическая константа. При удачном подборе значений В и С формула Гюккеля хорошо согласуется с опытом и широко используется при расчетах. При последовательном уменьшении ионной силы уравнение (3) последовательно переходит в формулу второго приближения теории Дебая и Гюккеля (уравнение (2)), а затем в предельный закон Дебая-Гюккеля (уравнение (1)).
В процессе развития теории Дебая-Гюккеля и последовательного отказа от принятых допущений улучшается сходимость с опытом и расширяется область ее применимости, однако это достигается ценой превращения теоретических уравнений в полуэмпирические.
В связи с электростатическим взаимодействием в растворе даже для разбавленных растворов сильных электролитов концентрации в уравнениях термодинамики должны быть заменены активностями. Например, если для иона как и для компонента в растворе справедливо выражение
где с i – концентрация i -го иона в идеальном растворе, то для реального раствора будем иметь:
где a i = c i ·f i - активность i-го иона в растворе,
f i – коэффициент активности.
Тогда энергия взаимодействия иона с окружающими его ионами в расчете на 1 моль ионов равна
f i →1 при с→0
Таким образом, величина коэффициента активности, главным образом зависящая от силы электростатического взаимодействия ионов, а также ряда других эффектов, характеризует степень отклонения свойств реальных растворов электролитов от идеальных растворов. По смыслу f i это работа по переносу иона из идеального раствора в реальный.
Различают активность электролита и активность ионов. Для любого электролита процесс диссоциации можно записать следующим образом:
где + и – - количество ионов А с зарядом z + и ионов B c зарядом z –, на которые распадается исходная частица.
Для раствора электролита в целом можно записать:
соли = 0 соли + RT·ln a соли, (9)
С другой стороны химический потенциал электролита складывается из химических потенциалов ионов, так как электролит распадается на ионы:
соли = + , (10)
+ и относятся к одному молю ионов, соли – к одному моль электролита. Подставим выражение (10) в (9):
+ = 0 соли + RT ln a соли (11)
Для каждого типа ионов можем записать уравнение типа (9):
= 0 + RT·ln a
= 0 + RT·ln a (12)
Подставим уравнение (12) в левую часть уравнения (11) и поменяем местами правую и левую части.
0 с +RT·lna с = 0 + + RT·lna + – 0 – + RT·lna (13)
Объединим все слагаемые с 0 в левой части
( 0 с - 0 - 0 ) = RT·lna + RT·lna RT·lna соли (14)
Если учесть, что по аналогии с формулой (10)
0 С = 0 + 0 (15)
то 0 С - 0 - 0 = 0 (16)
Уравнение (15) аналогично уравнению (10), но оно относится к стандартному состоянию, когда (а С =а + =а - = 1). В уравнении (14) правая часть равна нулю, и оно перепишется следующим образом:
RT·ln a с = RT·ln a + RT·ln a
ln a с = ln a + ln a
, (17)
Это связь активности электролита в растворе с активностями ионов
где а С - активность электролита, а + и а – - активности положительных и отрицательных ионов. Например, для бинарных электролитов АВ справедливо:
,
следовательно 
Нельзя принципиально найти
экспериментально активности отдельных
ионов, т.к. нужно было бы иметь дело с
раствором из одного вида ионов. Это
невозможно. Поэтому было введено понятие
средней ионной активности (
),
представляющей собой среднее геометрическое
из активности отдельных ионов:
, где
. (18)
или подставив выражение (17) имеем:
, 
(19)
Криоскопический метод и метод, основанный на определении давления пара, позволяют определить активность электролита в целом (а С) и по уравнению (19) найти среднюю ионную активность.
Во всех случаях, когда возникает необходимость подстановки величины а + илиа – в какое-то уравнение, эти величины заменяют средней активностью данного электролитаа , например,
а а + а –
Как известно, активность
связана с концентрацией соотношением
a
=f∙m.
Средний ионный коэффициент активности
(
)
определяется выражением, аналогичным
выражению для средней ионной активности
. (20)
Существуют табличные значения
для различных способов выражения
концентраций (моляльность, молярность,
мольные доли). Для них
имеет численно разные значения.
Экспериментально значения
определяют криоскопическим методом,
методом измерения давления пара, методом
измерения ЭДС гальванических элементов
и др.
Аналогично средний ионный стехиометрический коэффициент определяется из выражения
(21)
Средняя
ионная моляльность (
)
определяется как
. (22)
Если концентрацию раствора выражать через моляльность, то
и, подставив выражения
m + =ν + m, m - =ν - m,
где m ‑ моляльность раствора, будем иметь
. (23)
Пример 7.1 . Найти связь между активностью электролита, его моляльной концентрацией и средним ионным коэффициентом активности для растворов NaCl и Na 2 CO 3 моляльности m .
а) Концентрации ионов, образующихся при полной диссоциации NaCl , равны m :
.
Так как + = – = 1, то
.
Для равновалентных электролитов средняя моляльность будет равна общей моляльности электролита:
,
б) Концентрации ионов, образующихся при полной диссоциации Na 2 CO 3 , равны
.
Так
как +
= 2, –
= 1, то
.
Loading...