Кіріспе

Химиялық термодинамикада белсенділік (а символы) – қоспадағы түрдің «тиімді концентрациясы» өлшемі, яғни түрдің химиялық потенциалы нақты ерітіндідегі белсенділікке тәуелді, ал идеалды ерітіндідегідей концентрацияға емес. Осы мағынадағы «белсенділік» терминін американдық химик Гилберт Н. Льюис 1907 жылы енгізген. Дәстүр бойынша, белсенділік өлшемсіз шама ретінде қарастырылады, бірақ оның мәні түрдің стандартты күйін таңдауға байланысты. Конденсатталған фазалардағы (қатты және сұйық) таза заттардың белсенділігі a = 1 деп есептеледі. Белсенділік температураға, қысымға және қоспаның құрамына байланысты. Газдар үшін белсенділік тиімді жартылай қысым болып табылады және көбінесе қашу белсенділігі деп аталады. Белсенділік пен концентрацияның басқа өлшемдері арасындағы айырмашылықтың себебі – идеалды емес газдар мен ерітінділердегі әртүрлі молекулалар арасындағы өзара әрекеттесулер, бірдей молекулалар арасындағы өзара әрекеттесулерден өзгеше болуында. Ионның белсенділігіне оның қоршаған ортасының әсері зор. Тепе-теңдік тұрақтылары белсенділік бойынша анықталуы керек, бірақ практикада көбінесе концентрация бойынша анықталады. Реакция жылдамдықтарының теңдеулері үшін де осы жағдай жиі кездеседі. Дегенмен, белсенділік пен концентрация айтарлықтай ерекшеленетін жағдайлар бар, сондықтан белсенділік қажет болғанда концентрациямен жуықтау дұрыс емес. Бұл мәселені түсіндіру үшін екі мысал келтірейік: 0,02 М концентрациядағы KH(IO3)2 калий сутегі йодатының ерітіндісінде белсенділік, есептелген сутегі иондарының концентрациясынан 40% төмен, нәтижесінде pH күтілгеннен әлдеқайда жоғары болады. 0,1 М метил жасыл индикаторы бар хлорлы қышқыл ерітіндісін 5 М магний хлориді ерітіндісіне қосылғанда, индикатордың түсі жасылдан сарыға өзгереді, бұл қышқылдықтың артуын көрсетеді, бірақ шындығында қышқыл сұйылтылған. Төмен иондық күштілікте (< 0,1 М) белсенділік коэффициенті бірлікке жақын болса да, жоғары иондық күштілік режимінде бұл коэффициент иондық күштілікпен бірге өсуі мүмкін. Хлорлы қышқыл ерітінділері үшін ең төменгі мәні шамамен 0,4 М құрайды.

Өлшем

Ұшқыш түрлердің белсенділігін өлшеудің ең тікелей жолы – оның тепе-теңдіктегі ішінара бу қысымын өлшеу. Еріткіш ретінде су үшін судың белсенділігі aw теңгерімді салыстырмалы ылғалдылық болып табылады. Сахароза немесе натрий хлориді сияқты ұшпайтын компоненттер үшін бұл тәсіл қолданылмайды, себебі олардың көптеме температурада өлшенетін бу қысымы жоқ. Дегенмен, мұндай жағдайларда еріткіштің бу қысымын өлшеуге болады. Гиббс-Духем қатынасын қолдану арқылы еріткіш бу қысымының концентрацияға қатысты өзгеруін еріген заттың белсенділігіне айналдыруға болады. Компоненттің белсенділігінің қысымға қатысты тәуелділігін анықтаудың ең оңай жолы – ерітіндінің тығыздығын өлшеу, сондай-ақ нақты ерітінділердің (молярлық) көлемі таза компоненттердің (молярлық) көлемінің қосындысынан ауытқатынын білу. Бұл ішінара молярлық көлемдерді пайдалануды қамтиды, олар қысымға қатысты химиялық потенциалдың өзгеруін өлшейді. Түрдің белсенділігін анықтаудың тағы бір жолы – колигативтік қасиеттерді, әсіресе қату нүктесінің төмендеуін пайдалану. Қату нүктесін төмендету әдістерін қолдану арқылы әлсіз қышқылдың белсенділігін келесі қатынас арқылы есептеуге болады, мұнда b′ – кез келген колигативтік қасиетті өлшеу арқылы анықталған еріген заттың жалпы тепе-теңдік молялигі (осы жағдайда ΔTfus), b – титрлеуден алынған номиналды молялигі және a – түрдің белсенділігі. Сонымен қатар, белсенділікті және оның коэффициентін анықтауға мүмкіндік беретін электрохимиялық әдістер де бар. Ерітіндідегі иондардың орташа иондық белсенділік коэффициенті γ± мәнін Дебай-Гюккель теңдеуімен, Дэвис теңдеуімен немесе Питцер теңдеулерімен бағалауға болады.

Бір иондық белсенділікті өлшеуді қайта қарастыру

Бір иондық белсенділікті өлшеу мүмкін емес, тіпті физикалық мағынасы жоқ деген басым пікір 1920 жылдардың соңында Эдвард А. Гуггенхаймның жұмысына қатысты. Дегенмен, химиктер бір иондық белсенділік идеясынан бас тартқан жоқ. Мысалы, pH – сутегі ионының белсенділігінің теріс логарифмі ретінде анықталады. Егер бір иондық белсенділіктің физикалық мағынасы мен өлшенуі туралы басым пікір дұрыс болса, онда pH термодинамикалық түрде өлшеуге келмейтін шамалар санатына жатады. Осы себепті Халықаралық таза және қолданбалы химия одағы (IUPAC) pH-тің белсенділікке негізделген анықтамасы – тек ұғымдық анықтама екенін, ал pH-тің бастапқы стандарттарын белгілеу үшін Гарнед клеткасына байланысты "бастапқы өлшеу әдісі" тұжырымдамасын қолдану қажет екенін мәлімдейді. Бірақ, бір иондық белсенділік туралы түсінік әдебиетте талқыланып жүр, және кем дегенде бір автор бір иондық белсенділікті таза термодинамикалық шамалар арқылы анықтауға тырысады. Сол автор сонымен қатар, таза термодинамикалық процестерге негізделген бір иондық белсенділік коэффициенттерін өлшеу әдісін ұсынады.

Үлгілер

Клорид натрийінің сулы ерітіндідегі белсенділік коэффициенттерінің мысалдары кестеде келтірілген. Идеалды ерітіндіде бұл мәндердің бәрі біреуге тең болуы керек. Молалық пен температураның жоғарылауымен ауытқулар көбейе түседі, бірақ кейбір ерекшеліктері де бар. + Сулы ерітіндідегі натрий хлоридінің белсенділік коэффициенттері Молалық (моль/кг) 25 °C 50 °C 100 °C 200 °C 300 °C 350 °C 0,05 0,820 0,814 0,794 0,725 0,592 0,473 0,50 0,680 0,675 0,644 0,619 0,322 0,182 2,00 0,669 0,675 0,641 0,450 0,212 0,074 5,00 0,873 0,886 0,803 0,466 0,167 0,044