Теория межионного взаимодействия. Введение понятий об активности и о коэффициенте активности, страница 4

Как уже отмечалось, в первом приближении теории Дебая — Гюккеля предполагается, что энергия межионного взаимодействия имеет электростатическое происхождение. Энергия взаимодействия между ионами может быть определена поэтому как энергия заря­жения центрального иона в электрическом поле ионной атмосферы. Известно, что энергия заряжения частицы от нуля до заряда qв поле ψ равна

                    (I I-50)

так как q =C ψгде С—емкость.

Подстановка в выражение (II-50) вместо qвеличины заряда центрального иона и вместо ψ -величины ψ’ из уравнения (II-49) приводит к следующему выражению для энергии заряжения, кото­рая равна энергии взаимодействия иона с ионной атмосферой:

                 (I I-51)

Используя выражение (II-51) в сочетании с (II-30)  получим для коэффициента активности

                                           (I I-52)

Подставляя значение χ из уравнения (II-41) в (II-52), получим

                        (I I-53)

Для перехода от выражения состава раствора через число частиц в единице объема к концентрации в моль!л, величину niнадо заме­нить на ciNa/1000 . Производя эту замену, получим следующую фор­мулу для коэффициента активности i-го сорта ионов:

                (I I-54)

(Здесь и в дальнейшем будем пренебрегать различием между тремя спо­собами выражения коэффициента активности, что вполне допустимо для разбавленных растворов).

В большинстве случаев наряду с коэффициентом активности данного сорта ионов fi нужно знать также и средний коэффициент активности электролита f±, тем более, что опытные данные позво­ляют найти именно эту величину, а не fi. Выражение для среднего коэффициента активности f± можно получить из (II-54), если учесть, что

где ν — число ионов, на которое распадается молекула электро­лита, причем ν  = ∑ νi. Это выражение записывают следующим образом:

            (I I-55)

Уравнение (II-55) можно преобразовать, перейдя от натураль­ных логарифмов к десятичным, введя в него ионную силу J=(1/2)∑ ci zi2   и  объединив все независящие от концентрации вели­чины в общую константу h

                      (I I-56)

где

              (I I-57)

Для бинарного электролита, распадающегося на ионы с валентно­стями z_ и z+, из уравнений (II-56) и (II-57) следует

                   (I I-58)

а для бинарного 1-1 валентного электролита

                    (I I-59)

При комнатной температуре (25° С) и диэлектрической постоян­ной раствора, равной диэлектрической постоянной воды (D = 78,3), для среднего коэффициента активности электролита будет справед­лива формула, отвечающая первому приближению теории Дебая и Гюккеля

                         (I I-60)

Сопоставление теории Дебая и Гюккеля с опытом. 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, которые следует рассмотреть до ее количественного сопоставления с опытом.

1. Число ионов в растворе можно определить из аналитической концентрации электролита, так как он считается полностью дис­социированным (α = 1). Теория Дебая и Гюккеля поэтому иногда называется «теорией полной диссоциации». Однако ее можно при­менять и в тех случаях, когда α≠1. Действительно, определив из. интенсивности светопоглощения величину степени диссоциации рас­твора слабого электролита, можно найти истинную концентрацию его ионов, а затем по уравнению (II-60) и средний коэффициент активности.

2. Распределение ионов вокруг любого центрального иона под­чиняется классической статистике Максвелла — Больцмана. Физи­чески неясно, насколько классическая статистика может быть приложима к совокупности заряженных частиц, какими являются ионы. Фактически в теории Дебая — Гюккеля используется распре­деление иного типа, отличное от больцмановского, поскольку после разложения показательной функции в ряд отбрасываются все члены разложения, кроме первого (для несимметричных электролитов) или кроме первых двух (для симметричных электролитов). Эта функ­ция распределения может быть записана как