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化学平衡中用浓度与活度进行计算的区别


实验室k / 2018-07-25

    根据化学平衡定律进行计算时,只有在极稀水溶液中或在适当浓度的非极性或弱极性溶剂的溶液的平衡中,才能用离子的平衡浓度进行计算。在极性和电解质溶液中,由于离子(包括反应体系局外离子)的电荷以及溶剂分子的极性,都以静电作用阻得离子的运动,从而产生了偏差,必须用活度(a)代替浓度进行计算。活度(a)与浓度(c)之间的关系如下:a=f·c 
式中f是给定物质质点与周围介质相互作用的比例系数,叫做活度系数。它经常小于1,而且只有在溶液无限稀释的条件下,离子间的引力近于零时,活度系数才等于1,因而a≈c。

    水溶液中一定电解质(或离子)的活度系数与其中所有离子的浓度和所带电荷有关。离子活度与溶液中这些因素的关系可用离子强度(μ)来表示,后者在数量上等于溶液中毎一种离子所带电荷(z)的平方与其摩尔浓度(克离子/升)(c)的乘积的总和的一半:

μ=1/2(z12c1+z22c2+z32c3+…+zn2cn)

或                    μ=1/2∑zi2ci

不带电荷的未离解分子不包括在计算式中。

表1-1  离子活度系数平均近似值与离子强度的关系

  活度系数      离子

离子强度         

离子
一价离子 二价离子 三价离子 四价离子 H3O+离子 OH-离子
1×10-4

0.99

0.95

0.90

0.83

   
2×10-4

0.98

0.94 0.87

0.77

   
5×10-4

0.97

0.90 0.80 0.67    

0.001

0.002

0.05

0.01

0.02

0.05

0.1

0.2

0.3

0.5

0.96

0.95

0.93

0.90

0.87

0.81

0.76

0.70

(0.66)

0.62

0.87

0.82

0.74

0.66

0.57

0.44

0.33

0.24

(0.21)

0.15

0.73

0.64

0.51

0.39

0.28

0.15

0.084

0.041

0.032

0.014

0.56

0.45

0.30

0.19

0.12

0.04

0.01

0.003

0.98

0.97

0.95

0.92

0.90

0.88

0.84

0.83

0.98

0.97

0.95

0.92

0.89

0.85

0.81

0.80

    在电解质的水溶液中,当离子强度μ<10-4时,离子活度系数f接近于1。
例1  确定0.0055MHCl溶液的pH值(t=25°C)
    解    (1)计算时不考虑H+离子的活度

pH=-log[H+]=-log0.0055=-log5.5×10-3=3-0.74=2.26

          (2)考虑活度
首先确定溶液的离子强度:

μ=1/2(12×0.0055+12×0.0055)=0.0055

与此相应的活度系数f=0.92[表1-1]
所以,          aH+=0.0055×0.92=5.06×10-3
              pH=-log(5.06×10-3)=3-0.704≈2.3
这与不考虑离子强度影响时的差异为

2.30-2.26=0.04

    如果H+离子和OH-离子浓度的变动在pH3-11的范围以内,就可以按浓度计算。
    我们进行计算的目的,主要在于说明如何考虑问题以及选择解决问题的条件,从而起到一些示范作用,而不在于追求计算结果的准确度。在一般实际化学分析工作中,对准确度的要求是有限度的。为了简化计算,有时用浓度代替活度来进行,往往也能得到满意的结果。事实上,数据表中所列的常数值大多数都是离子强度相当于零的热力学常数值;近年来,有许多数值是适用于离子强度等于0.1的(也有少数大于0.1的)。然而介质的离子强度都不是固定不变的,不可能随时都能掌握所用介质的离子强度。更有甚者,同一物质的数值,由于来源的不同,往往出入很大,甚至差到几个数量级,使用时产生矛盾。基于这些情况,我们在计算时就应该结合自己工作的目的和要求,分清主次,实事求是地进行考虑。


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