离子活度a计算公式-离子活度 a 计算公式
离子活度这东西,实际上和咱们平时喝的水理得有点意思。 你想想,纯度 99.99% 的硫酸钾,溶液里那份劲儿跟 1 分之一的硫酸钾溶液一模一样?这就是活度的魔力。当离子对彼此“挤”得忒紧,要么被周围人围着的时候,它们有效浓度(也就是活度)就启动打折,变得比实际数值小;要是离子们互不相识、互不干扰,那活度就稳当等于实际浓度。实验室里常用个电导率仪,把两个电极插进溶液,算出电导率再换算成电导摩尔浓度,这玩意儿实际上就是活度的一种表现。公式里写的是浓系数 $a = gamma c$,其中 $c$ 是总浓度,$gamma$ 是活度系数。 咱们得承认,这个 $gamma$ 值可不是个常数,它是溶液的“性格”。温度、溶剂、就连里面混了哪位,都能让它变脸。
那会儿大家认定 $gamma$ 是个定值,目前才知道,这玩意儿跟离子强度成反比,离子浓度越大,彼此干扰越了得,$gamma$ 就越大,活度下降得就越狠。 要是解方程组忒费事,要么教材上把 $gamma$ 当常数给,那咱们就得换种思路。
这时候活度系数 $infty$ 是个好兆头,意味着离子互不干扰,活度系数接近 1。
反之,$gamma$ 远大于 1,说明离子拥挤了。
比如在水溶液中,$H^+$ 和 $OH^-$ 的活度系数特别高。出于这两个家伙在溶液中形成水合氢离子和氢氧根,带着那么厚的水壳子,彼此之间没啥“勾搭”的可能,故此它们的有效浓度还是跟总浓度差不多。
要是你把这两个离子放在烷基硫酸钠溶液里,要么和 $Ca^{2+}$ 等硬离子混在一起,$gamma$ 就会跳水,变得挺低。 举个具体的例子,硫酸钾溶液。纯的硫酸钾溶液里,$gamma approx 1$,故此 $a approx c$。但一旦加了氯化钠,钠离子和钾离子启动打架占地方了,$gamma$ 就大于 1 了;加到一定程度,就连可能降到 0.8 以下,这时候 $a = 0.8 c$。
这时候你算的时候,就得老老实实用活度去算平衡常数,别用 $c$ 糊弄。 有时候你会发现,教科书上把 $gamma$ 当成常数,认定那是个近似。
实际上不然。$H^+$ 活度系数在 pH 范围里变化特别大。在低浓度时它接近 1,高浓度时可能超过 1000 倍(这意味着活度比浓度高大量,就连反了,出现负对数关系)。
这是出于它跟溶剂分子、阴离子都有特定的配位功能。 有没有办法不依赖复杂的活度系数表?自然有。利用电导率。电导率受离子性质影响大,但它对活度不敏感。
故此,测电导率算出的“表观电导浓度”就是活度。
比如测甘氨酸钠溶液,测出来电导率对应的浓度 $C$,这个 $C$ 就是活度 $a$。
要是你想知道真浓度 $c$,还得回头查表要么用模型,出于 $gamma$ 也是随浓度变化的,不是那玩意儿。 在工业上,测离子活度有时候是为了管住腐蚀。
比如锅炉里,过饱和的 $Ca^{2+}$ 和 $SO_4^{2-}$ 一结合,就析出 $CaSO_4$ 垢。
这时候要是直接用总浓度算,可能会高估要么低估垢量。出于活度系数变了,实际驱动反应的能量密度就变了。
这时候就需求查活度系数表,要么用经验公式,比如评的公式。 有的化学家喜爱用摩尔浓度,认定好办。但真到了电化学、生命化学要么精密分析里,摩尔浓度是管不住活度的。活度系数 $gamma$ 在低浓度时光靠经验,在高浓度时得靠理论模型,像 Debye-Hückel, 扩展的 Davies 公式,要么更复杂的 Pitzer 方程。Pitzer 方程对高温高压下的水溶液比较准,但计算量大。 不过,咱们日常用,电导率法最实在。电导率仪出来的读数,直接就是活度。
要是你需求精确数值,就得依赖实验室里那些经过严格标定、要么查得特别准的活度系数表。
毕竟,溶液是个复杂的混乱体,离子们哪位也不服哪位,活度系数就是那个解释“为啥大家都不服”的剧本。
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