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水溶液中1-1型易溶电解质解离通式如下:
MA(aq) = M+(aq) + A-(aq)
Kθ==(1)
式(1)中"c"代表游离离子浓度,"S"代表易溶电解质溶解度.
则: c=c(M+)=c(A-); S=c(MA)+c(M+)
本文拟依据热力学基本原理,分别计算1-1型易溶电解质的平均离子活度(α±)及游离离子浓度(c), 旨在探寻两者之间可能的关联.
分别选择25℃时“HCl、NaCl、KCl、NaOH、KOH、KNO3”六种易溶电解质的水溶液为研究体系,每种易溶电解质均配置0.0010、0.0050和0.010mol/kg三个质量摩尔浓度系列. 由于易溶电解质浓度较小,其质量摩尔浓度与摩尔浓度数值近似相等.
1. 计算原理
1.1 平均离子活度的计算
对于水溶液中1-1型易溶电解质:α±=γ±▪(b±/bθ) (2)
式(2)中γ±代表易溶电解质的平均离子活度因子;其值可由德拜休克尔极限公式计算,即:
lgγ±=-0.509▪∣Z+▪Z-∣▪(I)(1/2) (3)
式(3)中Z+、Z-分别代表易溶电解质阴阳离子的氧化值;I代表易溶电解质的离子强度, 可由下式计算:
I=0.5Σ(bi▪Zi)2 (4)
式(4)中"i"代表阴、阳离子中任意一种离子.
1.2 游离离子浓度的计算
设水溶液中易溶电解质的溶解度为S,依题S分别取0.0010,0.0050和0.010三个值.
由式(1)可得:Kθ=(5)
式(5)中"c"值可通过求解一元二次方程得到, 计算公式为:
c={-Kθ+[(Kθ)2+4Kθ▪S](1/2)}/2 (6)
2. 计算结果
2.1 热力学解离常数(Kθ)
25℃时六种易溶电解质的热力学解离常数计算值参见表1[1,2].
Tbl.1 Thermodynamic equilibrium constants of six soluble electrolytes at 25℃
Substances | Kθ |
HCl | 1.004 |
NaCl | 1.016 |
KCl | 1.004 |
NaOH | 0.9682 |
KOH | 0.9880 |
KNO3 | 0.9880 |
2.2 平均离子活度因子(γ±)
25℃时六种易溶电解质的平均离子活度因子计算值参见表2.
Tbl.2 Average ionic activity coefficient of six soluble electrolytes at 25℃
Substances | Average ion activity factor(γ±) | |||||
S=0.001mol/kg | S=0.005mol/kg | S=0.01mol/kg | ||||
HCl | 0.965 | 0.920 | 0.889 | |||
NaCl | 0.965 | 0.920 | 0.889 | |||
KCl | 0.965 | 0.920 | 0.889 | |||
NaOH | 0.965 | 0.920 | 0.889 | |||
KOH | 0.965 | 0.920 | 0.889 | |||
KNO3 | 0.965 | 0.920 | 0.889 |
2.3 平均离子活度(α±)
25℃时六种易溶电解质的平均离子活度计算值参见表3.
Tbl.3 Average ion activity of six soluble electrolytes at 25°C.
Substances | Average ion activity (α±) | |||||
S=0.001mol/kg | S=0.005mol/kg | S=0.01mol/kg | ||||
HCl | 9.650×10-4 | 4.600×10-3 | 8.990×10-3 | |||
NaCl | 9.650×10-4 | 4.600×10-3 | 8.990×10-3 | |||
KCl | 9.650×10-4 | 4.600×10-3 | 8.990×10-3 | |||
NaOH | 9.650×10-4 | 4.600×10-3 | 8.990×10-3 | |||
KOH | 9.650×10-4 | 4.600×10-3 | 8.990×10-3 | |||
KNO3 | 9.650×10-4 | 4.600×10-3 | 8.990×10-3 |
2.4 游离离子浓度(c)
25℃时六种易溶电解质的游离离子浓度计算值参见表4.
Tbl.4 Free ion concentration of six soluble electrolytes at 25°C.
Substances | Free ion concentration (c) | |||||
S=0.001mol/kg | S=0.005mol/kg | S=0.01mol/kg | ||||
HCl | 9.990×10-4 | 4.975×10-3 | 9.990×10-3 | |||
NaCl | 9.990×10-4 | 4.975×10-3 | 9.990×10-3 | |||
KCl | 9.990×10-4 | 4.975×10-3 | 9.990×10-3 | |||
NaOH | 9.990×10-4 | 4.975×10-3 | 9.990×10-3 | |||
KOH | 9.990×10-4 | 4.975×10-3 | 9.990×10-3 | |||
KNO3 | 9.990×10-4 | 4.975×10-3 | 9.990×10-3 |
对比表3、 4数据可知,水溶液中1-1型易溶电解质溶解度浓度越小,计算得到的平均离子活度数值越接近于游离离子浓度.
3. 结论
(1)易溶电解质水溶液中也存在解离平衡,此时水溶液中即存在未解离的易溶电解质分子,也存在易溶电解质组分的游离离子;
(2)易溶电解质解离假说亦可较好地解释易溶强电解质稀溶液浓度出现偏差现象.
参考文献
[1]余高奇. 易溶、微溶电解质解离常数的热力学计算. 科学网博客. 2021, 06.
[2]Lide D R. CRC Handbook of chemistry and physics. 89th ed, Chemical Co, 2008,17:2688
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