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.
In chemical thermodynamics, activity (symbol a) is a measure of the "effective concentration" of a species in a mixture, in the sense that the species' chemical potential depends on the activity of a real solution in the same way that it would depend on concentration for an ideal solution. The term "activity" in this sense was coined by the American chemist Gilbert N. Lewis in 1907. By convention, activity is treated as a dimensionless quantity, although its value depends on customary choices of standard state for the species. The activity of pure substances in condensed phases (solids and liquids) is taken as a = 1. Activity depends on temperature, pressure and composition of the mixture, among other things. For gases, the activity is the effective partial pressure, and is usually referred to as fugacity. The difference between activity and other measures of concentration arises because the interactions between different types of molecules in non ideal gases or solutions are different from interactions between the same types of molecules. The activity of an ion is particularly influenced by its surroundings. Equilibrium constants should be defined by activities but, in practice, are often defined by concentrations instead. The same is often true of equations for reaction rates. However, there are circumstances where the activity and the concentration are significantly different and, as such, it is not valid to approximate with concentrations where activities are required. Two examples serve to illustrate this point:
In a solution of potassium hydrogen iodate KH(IO3)2 at 0.02 M the activity is 40% lower than the calculated hydrogen ion concentration, resulting in a much higher pH than expected. When a 0.1 M hydrochloric acid solution containing methyl green indicator is added to a 5 M solution of magnesium chloride, the color of the indicator changes from green to yellow—indicating increasing acidity—when in fact the acid has been diluted. Although at low ionic strength (< 0.1 M) the activity coefficient approaches unity, this coefficient can actually increase with ionic strength in a high ionic strength regime. For hydrochloric acid solutions, the minimum is around 0.4 M.
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.
where b′ is the total equilibrium molality of solute determined by any colligative property measurement (in this case ΔTfus), b is the nominal molality obtained from titration and a is the activity of the species. There are also electrochemical methods that allow the determination of activity and its coefficient. The value of the mean ionic activity coefficient γ± of ions in solution can also be estimated with the Debye–Hückel equation, the Davies equation or the Pitzer equations.
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